ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

 

ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

 

І. МЕТА РОБОТИ:ознайомитися з принципами роботи і класифікацією електровимірювальних приладів, а також з їх основними метрологічними характеристиками; визначити опір резистора за виміряними значеннями напруги та струму.

ІІ. ДЛЯ РОБОТИ ПОТРІБНІ: вольтметр, амперметр, реостат, джерело постійного струму, перемикач, з’єднувальні провідники.

ІІІ. ТЕОРЕТИЧНІ ПИТАННЯ ПРОГРАМИ, ЗНАННЯ ЯКИХ НЕОБХІДНЕ ДЛЯ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Основні характеристики електровимірювальних приладів: система, клас точності, межа вимірювання, чутливість.
2. Сила і густина струму; одиниці їх вимірювання. Ампер – Основна одиниця СІ.
3. Опір провідника. Закон Ома для однорідної ділянки кола. Амперметр. Шунт. Вольтметр. Додатковий опір.

ІV. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ТА ОПИС УСТАНОВКИ:

Вимірювальний прилад — засіб вимірювань, призначений для перетворення сигналів вимірювальної інформації у форму, доступну для безпосереднього сприйняття спостерігачем.

Спільним для всіх вимірювальних приладів є наявність відлікових пристроїв. Зазвичай вони виконуються у вигляді шкали і покажчика-стрілки. У цьому випадку показання приладу є неперервною функцією вимірюваної величини. Такі прилади називаються аналоговими.

Значного поширення набули також прилади, що автоматично виробляють дискретні сигнали вимірювальної інформації. Показання цих приладів мають цифрову форму, їх називають цифровими.

Будь-який аналоговий електровимірювальний прилад має рухому частину, положення якої залежить від значення величини, що вимірюється. Переміщення рухомої частини приладу відбувається за рахунок енергії електромагнітного поля.

Фізичне явище, яке використовується для переміщення рухомої частини приладу, визначає принцип його дії.

Залежно від принципу дії електровимірювальні прилади відносять до тієї або іншої системи. Перелік систем електровимірювальних приладів, сфери їх застосування і принципи дії наведено в табл. 1.1.

Умовне позначення системи приладу у вигляді знака вказують зазвичай на лицьовій панелі корпуса приладу або на його шкалі. Умовні позначення систем електровимірювальних приладів подані в табл. 1.2.

2. Основними метрологічними характеристиками засобів вимірювань, у тому числі й електровимірювальних приладів, є такі характеристики, що дають змогу визначити їхню придатність для вимірювань у відомому діапазоні з відомою точністю. До основних метрологічних характеристик електровимірювальних приладів належать:

— нормоване значення — x_N;

— абсолютна похибка приладу або межа припустимої абсолютної похибки - ∆х;

— клас точності приладу — γ,

— ціна поділки приладу — С;

Чутливість приладу — S.

Нормоване значення береться таким, що дорівнює:

— кінцевому значенню шкали приладу, якщо нульова відмітка міститься на краю або поза шкалою;

— сумі кінцевих значень шкали приладів (без урахування знаків), якщо нульова відмітка міститься усередині шкали.

Таблиця 1.1

Таблиця 1.2

Абсолютною похибкою вимірювального приладу називається різниця між показаннями приладу й істинним значенням величини, що вимірюється. Проте істинне значення величини, що вимірюється, невідоме, тому на практиці замість нього використовують дійсне значення. Дійсним значенням фізичної величини називається значення, знайдене експериментально і близьке до істинного настільки, що може бути використане замість нього. Дійсне значення можна знайти експериментально за допомогою зразкового приладу або зразкової міри.

Якщо при перевірці приладу в будь-якій точці його робочої шкали розбіжність між показаннями зразкового приладу та приладу, що перевіряється, не перевищує межу припустимої похибки, то прилад визнається придатним до застосування. У противному разі він має бути підданий ремонту.

У загальному випадку похибка приладу є певною комбінацією систематичної і випадкової похибки. Проте систематичну і випадкову похибки вказують окремо тільки для деяких зразкових високоточних приладів. Для більшості приладів указують значення загальної похибки, воно встановлюється дослідним шляхом і називається межею припустимої похибки, яка визначає похибку вимірювань, виконаних за допомогою приладу.

Межа припустимої похибки — це найбільша за модулем похибка, при якій прилад може бути визнаний придатним і допущений до застосування.

Межа припустимої похибки приладу ∆х, виражена у відсотках щодо її нормувального значення x_N , називається класом точності:

(1.1)

Електровимірювальні прилади мають такі класи точності: 0,05; 0,1; 0,2 — зразкові прилади, що застосовуються в основному для перевірки робочих приладів; 0,5; 1,0 — лабораторні прилади; 1,5; 2,5; 4,0 — технічні прилади. Клас точності вказують на шкалі приладу.

Знаючи клас точності приладу і його нормувальне значення, можна визначити абсолютну похибку вимірювань, виконаних за допомогою даного приладу,

, (1.2)

а також відносну похибку:

(1.3)

Для електровимірювальних приладів у більшості випадків xN — це граничне значення шкали. Якщо кількість поділок шкали — N, то ціна поділок приладу

(1.4)

Величина, обернена ціні поділки, визначає чутливість приладу

(1.5)

У загальному випадку чутливість приладу — це величина, що дорівнює відношенню зміни показань приладу ∆N до зміни вимірюваної величини ∆х , що її викликала:

(1.5′)

Опір резисторів визначають за виміряним спадом напруги на ньому і сили струму, що проходить через нього. Для вимірювання сили струму в електричному колі застосовують прилади, які називаються амперметрами. Амперметри включають послідовно зі споживачем електричної енергії і повинні мати якомога менший опір, щоб їхнє вмикання істотно не змінювало сили струму в колі.

Прилади, які використовують для вимірювання напруги, називають вольтметрами. Вольтметри включаються паралельно до тієї ділянки кола, між крайніми точками якої потрібно виміряти різницю потенціалів. Щоб умикання вольтметра не порушувало режиму роботи кола, його опір має бути якомога більшим порівняно з опором вимірюваної ділянки.

На рис. 1.1 наведено електричну схему, що використовується для визначення опору резистора. За цією схемою вольтметр вимірює загальний спад напруги на резисторі U_R і на амперметрі U_А:

U = UR + UA .

Якщо R_A — опір амперметра, а I — сила струму, то відповідно до закону Ома для однорідної ділянки кола:

UR = IR, a UA = IRA .

Тоді U = IR + IRA , звідси

(1.6)

4. Абсолютну похибку ∆R визначають відповідно до загальних правил, вважаючи R_A = const:

Знайдемо частинні похідні від R по U та I :

Та .

Підставивши їх у формулу для ∆R , дістанемо:

(1.7)

Де ∆U та ∆I ­—­­­­ абсолютні похибки вимірювання, що можуть бути знайдені, якщо відомі межі вимірювань, класи точності вольтметра та амперметра.

Сучасні вольтметри й амперметри мають кілька меж вимірювань і перемикач діапазонів вимірювань. За допомогою перемикача до приладу підмикають додаткові опори, що вмонтовані усередині приладу.

Якщо U1 та І1 — межі вимірювання для першого діапазону, то при перемиканні на другий діапазон U2 та І2 — підмикається додатковий опір RД .

До амперметра додатковий опір RД підмикають паралельно (рис 1.2). З огляду на те, що

( І₂ - І₁ ) R_Д = І₁R_A ,

Дістанемо

, або , (1.8)

де R_A — опір амперметра; — коефіцієнт розширення межі вимірювань.

До вольтметра додатковий опір підмикають послідовно (рис. 1.3). З огляду на те, що

одержимо або , (1.9)

Де RV — опір вольтметра; — коефіцієнт розширення межі вимірювань.

V. ЗАВДАННЯ ТА ХІД ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Визначення опору резистора за допомогою вольтметра та амперметра.

1. Ознайомитися з приладами та занести в таблиці 1.3 та 1.4 величини, що характеризують амперметр і вольтметр.

Таблиця 1.3

Амперметр зав. №	Використана межа Iном., А	Кількість поділок N, под.	Ціна поділки С, А/под	Клас точності γ, %	Абсолютна похибка ∆І, А	Опір амперметра RA , Ом

Таблиця 1.4

Вольтметр зав. №	Використана межа Iном., А	Кількість поділок N, под.	Ціна поділки С, B/под	Клас точності γ, %	Абсолютна похибка ∆U, B	Опір вольтметра RV , Ом

2. Скласти електричну схему за рис. 1.4 для визначення невідомого опору R_x

Перемикачі меж вимірювань вольтметра і амперметра встановити в положення, що відповідають верхнім межам.

Перевірити схему і замкнути коло ключем К, повзунок реостата пересунути в крайнє положення, що відповідає максимальному значенню RП , при цьому напруга, що вимірюється вольтметром, буде максимальна.

5. Встановити межі вимірювань вольтметра й амперметра так, щоб їхні покази відповідали останній третині шкали, і провести вимірювання I та U. Результати вимірювань занести в табл. 1.5.

Таблиця 1.5

№ п/п	U	I	∆U/U	∆I/I	RX	∆RX/RX	∆RX
под.	В	под.	А	%	%	Ом	%	Ом
1. 2. 3.

Примітка:

Перемістити повзунок реостата так, щоб стрілки вимірювальних приладів були приблизно в середині шкали, виконати вимірювання I та U. Результати вимірювань занести в табл. 1.5.

Перемістити повзунок реостата так, щоб стрілки вимірювальних приладів відповідали приблизно першій третині шкали, провести вимірювання І та U, занести результати в табл. 1.5, після цього розімкнути коло ключем К.

8. Використовуючи дані вимірювань І та U, а також значення R_А, розрахувати значення невідомого опору R за формулою (1.6)

Для кожного вимірювання струму і напруги визначити відносні похибки.

Розрахувати абсолютну і відносну похибку для R.

Записати остаточний результат для кожного RX = <RX> ± ∆RX = … з трьох рядків таблиці 1.5 та зробити висновок.

VI. ЛІТЕРАТУРА

Стор. 319 – 326, 377 – 382.

Стор. 51 – 55.

Стор. 98 – 100, 104 – 106.

Стор. 87 – 90, 100 – 103.

Стор. 282 – 286.

Стор. 3 – 36.

Стор. 8 – 16, 63 – 64.

VII. ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ І КОНТРОЛЮ

Що таке межа припустимої похибки вимірювального приладу?

Дайте визначення класу точності вимірювального приладу.

Як, знаючи клас точності вимірювального приладу, розрахувати абсолютну і відносну похибки вимірювань?

Як можна змінювати межу вимірювань для амперметра та вольтметра?

Що таке чутливість і ціна поділки вимірювального приладу?

Що таке раціоналізована система одиниць СІ? Дайте визначення одиниці сили струму – ампера.

ПРОТОКОЛ ЛАБ. РОБ 1

ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

Короткі теоретичні відомості

Прилади діляться на аналогові і цифрові. Якщо інформацію знімають як показ стрілки, то це аналоговий прилад – чим більший сигнал (струм, напруга, опір, температура, швидкість, об’єм, час і т.д), тим більші покази. Якщо інформацію знімають у вигляді цифри, то це – цифровий прилад (сучасні годинники, електронні вольтметри...).

Кожен прилад побудований на тому чи іншому явищі, на тому, чи іншому принципі. Залежно від принципу прилад відносять до тої чи іншої системи, яких налічується досить багато – більше десятка систем. Є дві основні системи, які застосовуються на практиці – 1) магнітоелектрична, 2) Електромагнітна.

В магнітоелектричній системі вимірюваний струм пропускають через котушку з тоненького дроту. Котушка розміщена в магнітному полі постійного магніту. Електричний струм котушки взаємодіє з полем магніту, внаслідок чого котушка повертається, долаючи силу пружин підвіски. До котушки приклеєна стрілка, яка рухається вздовж проградуйованої шкали. Це найбільш поширена система, чутлива до малих значень струму.

В електромагнітній системі відносно великий струм протікає через нерухому котушку, створюючи магнітне поле. В цьому полі розмішений постійний магніт (осердя з феромагнетику) з приклеєною до нього стрілкою. Залежно від величини вимірюваного струму підпружинене осердя повертається на відповідний кут. Система менш чутлива, але надійніша, застосовується для вимірювання великих значень струму.

Позначення. Магнітоелектрична: Електромагнітна

Основними метрологічними характеристиками засобів вимірювань, у тому числі й електровимірювальних приладів, є такі характеристики, що дають змогу визначити їхню придатність для вимірювань у відомому діапазоні з відомою точністю. До основних метрологічних характеристик електровимірювальних приладів належать:

— нормоване значення — x_N;

— абсолютна похибка приладу або межа припустимої абсолютної похибки - ∆х;

— клас точності приладу — γ,

— ціна поділки приладу — С;

Чутливість приладу — S.

Нормоване значення береться таким, що дорівнює:

— кінцевому значенню шкали приладу, якщо нульова відмітка міститься на краю або поза шкалою;

— сумі кінцевих значень шкали приладів (без урахування знаків), якщо нульова відмітка міститься усередині шкали.

Абсолютною похибкою вимірювального приладу називається різниця між показаннями приладу й істинним значенням величини, що вимірюється. Проте істинне значення величини, що вимірюється, невідоме, тому на практиці замість нього використовують дійсне значення. Дійсним значенням фізичної величини називається значення, знайдене експериментально і близьке до істинного настільки, що може бути використане замість нього. Дійсне значення можна знайти експериментально за допомогою зразкового приладу або зразкової міри.

Для більшості приладів указують значення загальної похибки, воно встановлюється дослідним шляхом і називається межею припустимої похибки, яка визначає похибку вимірювань, виконаних за допомогою приладу.

Межа припустимої похибки — це найбільша за модулем похибка, при якій прилад може бути визнаний придатним і допущений до застосування.

Межа припустимої похибки приладу ∆х, виражена у відсотках щодо її нормувального значення x_N , називається класом точності:

(1.1)

Електровимірювальні прилади мають такі класи точності: 0,05; 0,1; 0,2 — зразкові прилади, що застосовуються в основному для перевірки робочих приладів; 0,5; 1,0 — лабораторні прилади; 1,5; 2,5; 4,0 — технічні прилади. Клас точності вказують на шкалі приладу.

Знаючи клас точності приладу і його нормоване значення, можна визначити абсолютну похибку вимірювань, виконаних за допомогою даного приладу,

, (1.2)

а також відносну похибку:

(1.3)

Для електровимірювальних приладів у більшості випадків xN — це граничне значення шкали. Якщо кількість поділок шкали — N, то ціна поділок приладу

(1.4)

Величина, обернена ціні поділки, визначає чутливість приладу

(1.5)

У загальному випадку чутливість приладу — це величина, що дорівнює відношенню зміни показань приладу ∆N до зміни вимірюваної величини ∆х , що її викликала:

(1.5′)

Закон Ома для дільниці кола твердить, що струм I через дільницю пропорційний прикладеній напрузі і обернено пропорційний електричному опору R дільниці.

(1.6)

Електричний опір – це властивість матеріалу, здатність матеріалу впливати на величину струму при даній напрузі. Із формули (1.6) видно, що якщо виміряти напругу, прикладену до дільниці кола і струм через дільницю, то можна вирахувати електричний опір R

ЗАВДАННЯ ТА ХІД ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Скласти електричну схему за рис. 1.

для визначення невідомого опору R_x

Перемикачі меж вимірювань вольтметра і

амперметра встановити в положення,

Що відповідають верхнім межам.

Встановити межі вимірювань вольтметра й

Амперметра так, щоб їхні покази відповідали

Останній третині шкали, і провести вимірювання I та U.

Результати вимірювань занести в табл.1.

N п/п	U B	I A	Ri Ом	Rсep, Oм	DRi Oм	DR cep Ом	e %
1. 2.

R_x=R_cep ± DR_cep

e = DR_cep/ R_cep

Питання:

Сформулювати закон Ома для дільниці кола.

Фізичний зміст поняття електричного опору.

Що таке гальванометр?

Що таке шунт?

Схема і принцип дії вольтметра, амперметра?

Пояснити роботу схеми на рис.1.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

ВизначенНя опору методом містка

І. МЕТА РОБОТИ: вивчити основні закони постійного струму та оволодіти методом вимірювання опору за допомогою місткових схем. Виміряти невідомі опори містком Уітстона і зробити перевірку правил додавання цих опорів при їх послідовному і паралельному з’єднанні.

 

ІІ. Для роботи потрібні: реохорд, магазин опорів, гальванометр, шунт гальванометра, набір резисторів, джерело струму, перемикач, з’єднувальні проводи.

 

ІІІ. ТЕОРЕТИЧНІ ПИТАННЯ, ЗНАННЯ ЯКИХ

НЕОБХІДНЕ ДЛЯ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Опір провідників та їх сполучення.

2. Електричний струм. Струм у паралельно та послідовно сполучених провідниках.

3. Правила Кірхгофа для розгалужених кіл.

4. Основні положення класичної електронної теорії провідності металів.

 

ІV. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ТА ОПИС УСТАНОВКИ

У цій схемі R1, R2, R3, R4 – опори, що називаються плечима містка; Е - джерело струму; К – вимикач; Г – нульгальванометр, який є індикатором… φA - φВ = φA - φD, φC - φВ = φC - φD.

V. ЗАВДАННЯ ТА ХІД ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Визначення опору за допомогою містка Уітстона

2. Замкнути перемикачем К1 електричне коло шунта Rш і встановити його на найменший опір. 3. Увімкнути в магазині Rм опір на декілька десятків омів. 4. Рухомий контакт D встановити посередині (l=0,500 м) реохорда.

VI. ЛІТЕРАТУРА

[1] – стор. 319-323, 382-385.

[2] – стор. 51-57.

[3] – стор. 98-99, 104-106.

[4] – стор. 87-96, 101-103.

[5] – стор. 282-298.

[7] – стор. 51-55.

[8] – стор. 34-39.

[9] – стор. 59-63.

VII. ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ І КОНТРОЛЮ

2. Нарисуйте схему містка Уітстона. За допомогою закону Ома і правил Кірхгофа виведіть формулу рівноваги містка. 3. Проаналізуйте, виходячи з формули відносної похибки вимірювань, чому… 4. Місток Уітстона перебуває в рівновазі при співвідношенні плечей реохорда l1/l2 = 1. У скільки разів треба змінити…

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ

ПРОВІДНИКІВ І НАПІВПРОВІДНИКІВ

І. МЕТА РОБОТИ:вивчити класичну та основи квантової теорії електропровідності твердих тіл; експериментально дослідити температурну залежність опору провідників і напівпровідників та визначити ширину забороненої зони досліджуваного напівпровідника.

 

ІІ. ДЛЯ РОБОТИ ПОТРІБНІ:місток постійного струму, термошафа, термометр, досліджувані провідники та напівпровідники.

 

ІІІ.ТЕОРЕТИЧНІ ПИТАННЯ ПРОГРАМИ, ЗНАННЯ

ЯКИХ НЕОБХІДНЕ ДЛЯ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Опір провідників. Питомий опір. Залежність опору провідників від температури.

2. Явище надпровідності.

3. Основи теорії електропровідності твердих тіл: класичної та квантової.

4. Енергетичні зони в твердих (кристалічних) тілах. Класифікація твердих тіл за їх електропровідністю.

5. Функція Фермі. Рівень Фермі. Ширина забороненої зони напівпровідників.

6. Власна та домішкова провідність напівпровідників.

7. Температурна залежність опору напівпровідників та її пояснення.

 

IV. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ТА ОПИС УСТАНОВКИ

Під опором R розуміють відношення напруги U на кінцях провідника до сили струму I в провідникові. Одиниця опору в СІ Ом – електричний опір ділянки провідника, в якій при напрузі 1В протікає струм 1А.

V.ЗАВДАННЯ ТА ХІД ЙОГО ВИКОНАННЯ

А) Дослідження температурної залежності опору провідника.

1.Ознайомившись з будовою та порядком вимірювання на містку постійного струму, збирають електричне коло за схемою на рис. 3.8.

2. Перемкнувши ключ К в положення а), вимірюють опір провідника містком 1 і кімнатну температуру термометром 2.

3. Увімкнувши термошафу, проводять вимірювання залежностей опору провідника (через кожні ) від кімнатної температури до . Дані заносять у таблицю 3.1.

Таблиця 3.1

5. За графіком знаходять опори і при температурах Т1 і Т2 та за формулою визначають температурний коефіцієнт опору. Отриманий результат порівнюють з…   б) Дослідження температурної залежності опору напівпровідника

Таблиця 3.2

в) ВИЗНАЧЕННЯ ШИРИНИ ЗАБОРОНЕНОЇ ЗОНИ (за графіком) 1. Прологарифмувавши вираз (3.14), одержимо . (3.15)

VI. ЛІТЕРАТУРА

[2] – стор. 55-57, 80-94.

[3] – стор. 104-106;

[4] – стор. 142-157.

[5] – стор. 284-286.

[6] ­­­­­­­­– стор. 176-207.

[7] – стор. 51-56.

[8] – стор. 40-42.

[9] – стор. 59-60, 64-66, 74-76.

Формулу (3.17) одержують так:

(3.18) і . (3.19)

Ділимо (3.18) на (3.19):

. (3.20)

Логарифмуємо вираз (3.20):

. (3.21)

Визначивши з (3.21), отримують формулу (3.17).

.

 

 

VII. ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ І КОНТРОЛЮ

2. Сформулюйте основні положення класичної електронної теорії металів. 3. Виведіть закони Ома та Джоуля-Ленца на основі класичної електронної теорії… 4. Що таке надпровідність? Що таке „пари Купера”?

А) Дослідження температурної залежності опору провідника.

1.Зібрати електричне коло за схемою на рис. 3.8.

2. Перемкнувши ключ К в положення а), виміряти опір провідника містком 1 і кімнатну температуру термометром 2.

3. Увімкнувши термошафу, виміряти залежність опору провідника (через кожні ) від кімнатної температури до . Дані занести у таблицю 3.1.

Таблиця 3.1

5. Визначити температурний коефіцієнт опору за формулою де t1 і t2 - значення кімнатних температур, при яких вимірювалися опори і /дані з таблиці 3.1/

Таблиця 3.2

  3. За даними таблиці 3.2 будують графік залежності .  

ВИВЧЕННЯ РОБОТИ І ЗНЯТТЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРИЕЛЕКТРОДНОЇ ЕЛЕКТРОННОЇ ЛАМПИ

І. МЕТА РОБОТИ:ознайомитися з фізичними основами роботи лампи, вивчити експериментально її анодні та сіткові характеристики та параметри.

ІІ. ДЛЯ РОБОТИ ПОТРІБНІ:електронна лампа, наприклад, 6С5С, змонтована на панелі 3 клемами; кенотронний випрямляч на 250 В для живлення анодного кола; селено-

вий випрямляч на 40 В для живлення сітки; джерело струму на 6,3 В для живлення катода лампи; високоомний реостат для анодного кола, що вмикається за схемою потенціометра, на 500 – 1000 Ом; двополюсний перемикач для зміни знаку потенціалу сітки; два вольтме-

три; міліамперметр; ключі для замикання сіткового та анодного кіл; з’єднувальні ізольова-

ні провідники.

ІІІ. ТЕОРЕТИЧНІ ПИТАННЯ ПРОГРАМИ, ЗНАННЯ

ЯКИХ НЕОБХІДНЕ ДЛЯ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Електричний струм у вакуумі. Явище термоелектронної емісії. Закон “трьох других”.

2. Будова триелектродної електронної лампи та її принцип дії.

3. Характеристики і параметри тріода. Динамічний коефіцієнт підсилення.

4. Електричне поле у електронних лампах.

IV. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ТА ОПИС УСТАНОВКИ

Принцип дії тріода заснований на таких явищах: - термоелекронної емісії; - дії електричного поля на заряджені частинки;

. (4.3

При певній напрузі всі електрони, що випускаються катодом при даній його темпе-

ратурі, досягатимуть анода. Подальше підвищення напруги вже не змінює струму, тобто “закон трьох других” порушується. Цей максимальний анодний струм називають струмом насичення.

При збільшенні температури катода величина сили струму насичення зростає за формулою Річардсона:

Iнас = ae (4.4)

де s - поверхня розжареної нитки катода;

T - її температура;

а і b - сталі, що залежать від матеріалу катода.

Криві, що графічно зображають залежність анодного струму від анодної напруги при певних температурах розжарення нитки катода і сталій сітковій напрузі, називають анодними характе-

ристиками (мал.3).

Рис 4. 2

Оскільки залежність сили анодного струму від сіткової напруги проявляється значно сильніше, ніж від анодної напруги, то за допомогою порівнянь незначних додатних напруг на сітці анодний струм можна підсилити у багато разів.

Криві, що дають залежність сили анодного струму від сіткової напруги при сталій напрузі на аноді, називають сітковими характеристиками (Рис.4.3).

Крім анодної і сіткової характеристик до важливих характеристик триелектродної електронної лампи належать такі:

- Крутизна сіткової характеристики S, що показує на скільки міліамперів зростає анодний струм при збільшенні напруги сітки на 1 В при сталій анодній напрузі U:

S = , = (4.5)

- Статичний коефіцієнт підсилення лампи: Рис 4.3

= , = -. (4.6)

Він показує, у скільки разів зміна напруги сітки діє сильніше на зміну анодного стру-

му в лампі, ніж така ж зміна анодної напруги;

- Обернена до величина

D = (4.7)

називається проникністю лампи.

- Внутрішній опір лампи

R= , = Ом. (4.8)

- Динамічний коефіцієнт підсилення лампи

= (4.9)

де R- опір анодного навантаження кола.

Між статичними параметрами для деякої точки сіткової характеристики існує такий зв’язок

R= 1. (4.10)

V. ЗАВДАННЯ ТА ХІД ВИКОНАННЯ РОБОТИ

А) ЗНЯТТЯ АНОДНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРІОДА

1. Складають установку згідно зі схемою, поданою на мал. 5.

Рис 4. 5

1. Сітку лампи закорочують. Для цього потенціометр Пставлять у те крайнє положе-

ння, при якому U=0.

2. Включають розжарення лампи.

3. При включеному в електромережу випрямлячеві Включем Кзамика-

ть анодне коло і поступово, починаючи з U=0, підвищують анодну напругу етапами по 5 В і одночасно вимірюють силу анодного струму, тобто знімають залежність І= f (U). Дані заносять у таблицю 4.1.

U=0 Таблиця 4.1

№ п/п	U	I
Ціна поділки, В/под.	Показ поділки	В	Ціна поділки, мА/под.	Показ поділки	мА

 

4. Змінюють сіткову напругу на вказану викладачем величину.

5. Проводять зняття іншої анодної характеристики, як у п. 3. Дані заносять у таблицю

1а, аналогічну таблиці 1.

6. За даними таблиць 1 та 1а будуть графіки одержаних характеристик в одних коор-

динатах.

7. За формулою (8) обчислюють внутрішній опір Rлампи.

Б) ЗНЯТТЯ СІТКОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРІОДА

1. Встановлюють певну анодну напругу. Замикають ключі Кта К, і за допомогою потенціометра Пта ключа Кстрибками по 0,5 В, змінюють потенціал сітки від -3 В до +10 В, вимірюють також силу анодного струму.

Дані заносять у таблицю 4.2.

U= Таблиця 4.2

№ п/п	U	I
Ціна поділки, В/под.	Показ прилада, под.	В	Ціна поділки, мА/под.	Показ прилада, под.	мА

 

2. Змінюють напругу на аноді на 20 В і знімають іншу сіткову характеристику. Дані заносять у таблицю 4.2а, аналогічну таблиці 4.2.

3. За даними таблиць 4.2 і 4.2а будують сіткові характеристики і визначають за формулами (4.5) і (4.6) крутизну характеристики S та коефіцієнт підсилення лампи .

 

В) ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ АНОДНОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА СІТКОВІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРІОДА

Коли анодне коло лампи навантажене, її параметри змінюються, бо анодна напруга лампи вже не буде сталою величиною: вона стає різницею між різницею потенціалів на полюсах джерела Uі величиною падіння напруги на анодному навантаженні (IR):

U= U_А – I_А R_А. (4.11)

З (4.11) видно, що із зміною анодного струму Ізмінюється падіння напруги IR; отже, при сталій різниці потенціалів U_А на полюсах джерела різниця потенціалів між анодом і катодом вже не буде сталою.

Зміна анодної напруги на лампі за рахунок перерозподілу постійної напруги Uанодного джерела між лампою і навантаженням викликає істотні зміни сіткових характе-

ристик.

1. Додатково вмикають в анодне коло лампи опір Rвеличиною від 5 до 50 кОм.

2. При максимальній напрузі U_А знімають сіткову характеристику, регулюючи напругу на сітці лампи так, щоб анодний струм змінювався від 0 до максимально можливого. Дані заносять у таблицю 4.3*.

3. Змінивши опір R, знімають наступну сіткову характеристику (як описано в п. 2). Заповнюють таблицю 4.3а, аналогічну таблиці 4.3*.

4. Будують на одному графіку обидві сіткові характеристики (за даними таблиць 4.3 і 4.3а), порівнюють їх із характеристиками, одержаними в завданні б) та визначають дина-

мічний коефіцієнт підсилення лампи m.

 

Таблиці 4.3 і 4.3а аналогічні таблицям 4.2 і 4.2а; біля них (або над ними) вказують опір навантаження R, при якому проводилось вимірювання.

 

VI. ЛІТЕРАТУРА

[2] - стор. 139-146

[3] - стор.

[4] - стор. 116-119

[5] - стор. 312-317

[6] - стор. 208-215

[7] - стор. 175-179

[8] - стор. 76-80

[9] - стор. 82-87

 

VII. ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ І КОНТРОЛЮ

1. Для чого в електронних лампах створюють високий вакуум?

2. Чи може бути триелектродна лампа випрямлячем?

3. Чи йтиме струм через лампу, якщо між її анодом і катодом не буде ніякої напруги; якщо буде, то коли й чому?

4. Чи можна в триелектродній лампі досягти струму насичення, не змінюючи анодної напруги?

5. Що таке сітковий струм?

6. Поясніть фізичне значення характеристик електронної лампи.

7. Який закон описує в електронній лампі залежність від анодної напруги? Запишіть його.

8. Як залежить сила анодного струму в лампі від температури катода?

9. Як за одержаними характеристиками знайти:

- крутизну сіткової характеристики;

- внутрішній опір;

- статичний коефіцієнт підсилення;

- динамічний коефіцієнт підсилення?

 

 

Лабораторна робота №5

 

Градуювання термопари

 

I. Мета роботи: Вивчити термоелектричні явища та навчитися градуювати термопару.

ІІ. Для роботи потрібні: термопара хромель-алюмель, термостат, універсальний міст УПИП-60М, термометр, з’єднувальні провідники.

 

ІІІ. Теоретичні питання програми, знання

яких необхідне для виконання роботи.

1. Робота виходу електрона з металу.

2. Контактна різниця потенціалів.

3. Термоелектричні явища та їх застосування.

 

IV. Теоретичні відомості та опис установки

Цю роботу електрони виконують за рахунок зменшення своєї кінетичної енергії. Робота виходу залежить від хімічної природи металу, стану його поверхні і… 2. Недостача електронів у металевому провіднику та їх надлишок у навколишньому просторі, що утворюється внаслідок…

V. Завдання та хід його виконання

1. Підключити до потенціометра кінці термопари і ретельно збалансувати міст при кімнатній температурі спаю термопари. 2. Вставити термометр для визначення темпера середині термостата . 3. Ввімкнути термостат, в якому знаходиться термопара, попередньо поставивши ковзний контакт його реостата в середнє…

V. Запитання для самоконтролю і контролю.

1. Сформулювати закони Вольти.

2. Пояснити фізичну суть явища Зеєбека.

3. Явище Пельтьє: сформулювати та пояснити.

4. Що називають термоелементом? Термопарою?

5. Які термоелектричні явища виникають при нагріванні термоелементів?

6. Чи можна використати термоелемент для генерації електричного струму?

7. Які застосування термопари? Які її переваги в порівнянні з іншими видами термометрів?

8. Яка різниця між контактною різницею потенціалів та термоелектро-рушійною силою?

9. Фізичний зміст сталої термопари.

 

Лабораторна робота №6

Вивчення роботи електронного осцилографа

І. Мета роботи: Вивчити принцип дії та роботу електронного осцилографа; виміряти чутливість каналів Х і У осцилографа та зсув фаз між двома синусоїдальними коливаннями однакової частоти.

ІІ. Для роботи потрібні: осцилограф, ламповий вольтметр або звичайний вольтметр, звуковий генератор ЗГ-10, котушка, з’єднувальні провідники.

 

ІІІ. Теоретичні питання програми, знання

Яких необхідне для виконання роботи.

1. Будова і принцип дії електронно-променевої трубки осцилографа. Катодолюмінесценція.

2. Дія електричного і магнітного полів на рухомі електрони.

3. Додавання взаємно перпендикулярних гармонічних коливань. Фігури Ліс сажу.

ІV. Теоретичні відомості та опис установки.

-вимірювання напруги, сили струму, повного опору; -дослідження напруги або струму швидкозмінних процесів у залежності від… -порівняння амплітуд двох струмів або напруг;

V. Завдання та хід виконання роботи

А). Визначити чутливості вертикальних і горизонтальних пластин трубки.

1. Регулятор вертикального підсилення з міткою “Послаблення” встановити в положення 1:1, ручку “Підсилення” – у праве крайнє положення, а перемикач діапазонів частоти розгортки вимкнути.

2. До затискачів вертикальних пластин підвести напругу частотою, наприклад, 1000Гц від звукового генератора і отримати на екрані світлу вертикальну лінію висотою 3-4см.

3. Виміряти довжину у цієї лінії та напругу на вході осцилографа (за допомогою вольтметра).

Дані вимірювання у та занести у таблицю 6.1.

6. Дані записати у таблицю 6.2 7. Обчислити за формулами

Б). Визначити різницю фаз двох змінних напруг однакової частоти.

При поданні на відхиляючі пластини осцилографа двох змінних напруг відбувається додавання двох взаємо перпендикулярних коливань, наслідком якого є утворення фігур Ліссажу.

Нехай точка М одночасно коливається вздовж осей координат Х та Y за законами.

(6.10)

де x і y декартові координати точки М.

Рівняння траєкторії результуючого руху точки М можна знайти, виключивши з рівняння (6.10) параметр :

(6.11)

Ця траєкторія має форму еліпса (рис.6.4), причому точка М описує еліпс протягом часу, що рівний періоду додаваних коливань

.

Орієнтація в площині XOY осей еліпса, а також його розміри залежать від амплітуд А₁ і А₂ додаваних коливань та різниці їх початкових фаз .

Якщо

де , то осі еліпса співпадають з осями координат OX і OY, а розміри його півосей рівні амплітудам А₁ та А₂

. (6.12)

Якщо, крім того, А₁=А₂, то траєкторія набуває форми кола.

Якщо , то еліпс вироджується у пряму

. (6.13)

Знак “+” відповідає парним значенням , тобто додаванню синфазних коливань (рис. 6.5а), а знак “-” - непарним значенням , тобто додаванню коливань , що відбуваються у протилежних фазах (рис. 6.5б)

Таким чином, результуючі коливання здійснюються гармонічно з частотою додаваних коливань та амплітудою вздовж прямої , що утворює з віссю ОХ кут

При деякій довільній різниці фаз для горизонтального Х і вертикального У відхилення плямки можна записати:

, (6.14)

, (6.15)

де А_г, А_в—амплітуди відповідно горизонтального і вертикального відхилень.

 

а) б)

 

 

При згідно з (6.14) , а згідно з (6.15) звідки (6.16)

і показані на рис.6.6

1 2 3 4

 

1. На обидві пари відхиляючих пластин подати напруги, зсув фази між якими треба виміряти, наприклад, на одну з них – синусоїдну напругу промислової частоти (50Гц) через регулятор напруги, а на іншу – від звукового генератора.

2. Амплітуди цих напруг підбирають так, щоб відхилення променя по вертикалі і горизонталі були однаковими.

3. Виміряти а і b для всіх восьми фігур, зображених на рис. 6.6 , і занести їх значення у таблицю 6.3

 

Таблиця 6.3

№ п/п	a	b	b/a	sin φ	φ = arcsin (b/a)
мм	мм	-	-	град

 

4. Знайти зсув фази для кожного з восьми рядків таблиці 6.3, і зробити висновки.

 

VІ. література

[2] – стор. 165 – 167, 219 – 229. [7] – стор. 132 – 144.

[3] – стор. 270 – 271. [8] – стор. 281 – 299.

[4] – стор. 13, 14, 118 – 119, 223 – 225. [9] – стор. 115 – 120.

[5] – стор. 396 – 407.

 

VІІ. Запитання для самоконтролю і контролю

1. Які будова та принцип дії електренно-променевої трубки?

2. Як отримати на екрані осцилографа фігури Ліссажу?

3. Чи можна за фігурами Ліссажу визначити відношення частот?

4. Які дослідження можна виконати з допомогою осцилографа?

5. Яким чином досягається зміщення променя на екрані трубки?

6. Визначити аналітично, при якій різниці фаз додаваних взаємно перпенди-кулярних коливань утворюється пряма, еліпс, коло?