Практикум по курсу электричества соответствует программе по общей физике для Вузов

Введение

Методические рекомендации «физический практикум по курсу электричества» предназначены студентам 2-3 курсов физико-математического факультета АГУ.

Их содержанием являются советы и указания студентам по выполнению практикума, описание вводного занятия, список рекомендуемой литературы для подготовки к занятиям, описание 12 лабораторных работ.

Практикум по курсу электричества соответствует программе по общей физике для Вузов.

Лабораторными работами представлены такие разделы программы: электростатика, постоянный ток, электрический ток в различных средах, магнитное поле, магнитные свойства вещества.

Описание работ выполнены в единой последовательности: название работы, перечень приборов и принадлежностей, теоретическое введение, описание установки и метода измерений, выполнение работы, контрольные вопросы, задания по УИРС.

Физический практикум по курсу электричества и магнетизма составили и подготовили к печати преподаватели АГУ.

 

Методические рекомендации по выполнению физического практикума

Прежде чем приступать к выполнению любой работы по электричеству необходимо изучить и помнить правила техники безопасности при работе с… Будьте осторожны! Помните об опасности поражения электрическим током! Подготовка студента к занятиям состоит в том, что он внимательно изучает описание работы, которую ему предстоит…

Литература

1. Байда Л.И и др. Электрические измерения. Ленинград, 1960.

2. Бурсиан Э.В. Физические приборы. М. Просвещение, 1984.

3. Герасимов В.Г. и др. (под. ред. В.Г.Герасимова). Электротехника. М. Высшая школа, 1983.

4. Илюнин К.К и др. (под. ред. К.К.Илюнина). Справочник по электроизмерительным приборам. Ленинград, 1983.

5. Калашников С.Г. Электричество. М.1977.

6. Малиновский В.Н. и др. (под.ред. Малиновского). Электрические измерения. М. Энергоиздат. 1982.

7. Поль Р.В. Учение об электричестве. М.1962.

8. Савельев И.В. Курс общей физики т.II, М. 1970 .

9. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество. М. Просвещение, 1970.

10. Сивухин Д.В. Общий курс физики, III том, М. Наука, 1983.

11. Яворокий В.М., Пинский А.А, Основы физики, и 1,2. М., Наука, 1981.

 

Вводное занятие

Классификация средств и методов электрических измерений.

Любая электрическая цепь состоит из источников электрической энергии, потребителей, электроизмерительных приборов и элементов управления и защиты. Электроизмерительные приборы служат для измерения тока в цепи (амперметры), напряжения на отдельных участках цепи (вольтметры), мощности, потребляемой цепью (ваттметры) и др.

Электроизмерительным прибором называется техническое средство, с помощью которого вырабатывается сигнал измерительной информации в форме, доступной для восприятия.

Электроизмерительные приборы делятся на приборы непосредственной оценки - с помощью которых отсчитывается числовое значение измеряемой величины и приборы сравнения, с помощью которых измерение электрических величины осуществляется путём сравнения её эталонной мерой. К этой же группе следует отнести многочисленные приборы, предназначены для измерения неэлектрических величин.

По способу вывода информации электроизмерительные приборы делятся на аналоговые, цифровые, а так же приборы, в которых вдоль шкалы перемещаются какие- либо указатели: стрелка, «зайчик», отраженный от подвижного зеркала, или край облака газового разряда. Или, наоборот, мимо указателя перемещается шкала (вращающийся барабан).

В цифровых приборах измерительная информация выдается в виде числа, образованного цифрами.

В виду получаемой информации, измерительные приборы делятся на: показывающие, регистрирующие, самопишущие, печатающие, интегрирующие, суммирующие.

измерительный прибор, допускающие только отсчет показаний называется показывающим прибором. Прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний, является регистрирующим прибором.

Регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы называется самопищущим, а прибор с устройством для печатания - называется печатающим.

В интегрирующим приборе подводимая измеряемая величина подвергнется интегрированию по времени или по другой независимой переменной (индукционный счетчик).

В суммирующем приборе – показания функционально связаны с суммой 2 или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам.

Погрешности электроизмерительных приборов

Важнейшей характеристикой измерительного пробора является точность его показаний.

Абсолютной погрешностью прибора называют разность между показанием прибора А₀ и действительным значением А измеряемой величины DА = А₀ – А.

Отношение абсолютной погрешности DА к действительному значению А измеряемой величины – называется относительной погрешностью:

.

Часто за действительное значение измеряемой величины принимают её среднее значение, получившееся в результате нескольких измерений или значение измеряемой величины, измеренное более точным прибором.

Приведенной погрешностью прибора называют выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к предельному значению величины, измеряемой данным прибором.

.

Приведенная погрешность, определенная при нормальных внешних условиях называется основной погрешностью прибора. По величине основной погрешности электроизмерительные приборы делятся на 9 классов:

0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 4.0; 5.0

Эти цифры показывают наибольшую допустимую величину основной погрешности данного прибора.

Приборы первых четырёх классов точности относятся к числу лабораторных приборов. Остальные к техническим.

Класс точности позволяет определить абсолютную погрешность прибора. Так, если прибор имеет предел измерения 5А и класс точности 0.2, то абсолютная погрешность равна:

.

независимо от того, где остановилась стрелка.

Допустимая предельная погрешность прибора одинакова для всей шкалы, поэтому относительная погрешность измерения

растёт по мере приближения к началу шкалы. Рекомендуется по возможности не пользоваться начальной частью шкалы при измерениях.

Чувствительностью характеризует способность прибора реагировать на малое измерение измеряемой величины.

Чувствительность – это отношение углового da (или линейного перемещения показателя) к изменению измеряемой величины dx,вызвавшей это перемещение.

Иногда прибор характеризуется постоянной С (или ценой деления), которая является величиной, обратной чувствительности: и соответствует значению измеряемой величины, приходящейся на одно деление шкалы прибора. Для некоторых приборов имеет значение порог чувствительности, под которым понимают минимальное значение измеряемой величины, вызывающее значительное перемещения показателя.

Основные системы электроизмерительных приборов

В практике электрических измерений наибольшее распространение получили электромеханические приборы непосредственной оценки, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую энергию углового или линейного перемещения подвижной части прибора. Неподвижная часть прибора совместно с его подвижной частью образуют измерительный механизм.

Рассмотрим несколько наиболее употребляемых систем электроизмерительных механизмов.

1. Магнитоэлектрическая система

В приборах этой системы используется взаимодействие поля постоянного магнита с током, протекающим по подвижной рамке, расположенной между полюсами постоянного магнита. На рис.1 показано условное графическое обозначение прибора этой системы.

Приборы магнитоэлектрической системы обладают высокой чувствительностью, имеют равномерную шкалу, мало чувствительны к воздействию внешних магнитных полей, применяются для измерения только в цепях постоянного тока. Область применения – гальванометры, амперметры, вольтметры постоянного тока.

2. Электромагнитная система

Принцип работы приборов электромагнитной системы – взаимодействие магнитного поля неподвижной катушки с подвижным ферромагнитным сердечником. На рис. 2 показано условное графическое обозначение прибора этой системы.

Они имеют малую чувствительность, подвержены воздействию внешних магнитных полей, потребляют от измеряемой цепи значительную мощность. Имеют неравномерную шкалу. Могут работать в цепях постоянного и переменного тока.

 

3. Электродинамическая система

На рис. 3 показано условное обозначение прибора электродинамической системы.

Принцип работы – взаимодействие магнитных полей двух катушек, по которым проходит ток. Одна из этих катушек – подвижная, другая – неподвижная.

Приборы электродинамической системы обладают более высокой чувствительностью, чем электромагнитные, но менее чувствительны, чем магнитоэлектрические. Они имеют неравномерную шкалу, чувствительны к внешним магнитным полям. Область применения – амперметры, вольтметры, ваттметры переменного тока.

 

4. Индукционная система

В приборах индукционной системы вращающий момент подвижной части прибора создается взаимодействием вихревых токов, наводимых в легкоподвижном диске с магнитными потоками неподвижных электромагнитов.

Условное обозначение на рис. 4. Приборы индукционной системы применяются в качестве вольтметров, амперметров, ваттметров и счетчиков энергии переменного тока.

 

5. Тепловая система

В основе работы приборов тепловой системы рис. 5 используется удлинение проводника при нагревании вследствие прохождения по нему измеряемого тока.

Это удлинение используется отклонения подвижной системы прибора. Достоинством приборов тепловой системы является независимость показаний от частоты и формы переменного тока.

Недостатком приборов тепловой системы является их невысокая точность, чувствительность к изменениям температуры окружающей среды и к перегрузкам. Основное применение – измерение токов высокой частоты.

 

6. Электростатическая система

В электростатических приборах используется явление взаимодействия двух заряженных проводников. Приборы на рис. 6 используются в качестве вольтметров переменного тока.

Они обладают очень высоким сопротивлением в цепях переменного тока.

Сопротивление их в цепях постоянного тока практически равно ¥. Приборы этой системы нечувствительны к колебаниям частоты, а также к внешним магнитным полям и изменениям температуры окружающей среды. Для устранения влияния внешних электростатических полей – используется электростатическое экранирование.

 

7. Термоэлектрическая система

Приборы термоэлектрической системы представляют собой совокупность прибора магнитоэлектрической системы с термоэлементом, подогреваемым током. На рис. 7 показано условное обозначение прибора термоэлектрической системы.

 

8. Выпрямительная система

Выпрямительная система представляет собой совокупность магнитоэлектрического прибора с полупроводниковым выпрямителем.

Приборы этой системы обладают относительно высокой чувствительностью и позволяют производить измерения в цепях переменного тока.

 

9. Вибрационная система

В приборах вибрационной системы подвижная часть выполнены в виде набора упругих стальных пластин. Под действием переменного магнитного поля в колебания приходит та из пластин, частота собственных колебаний которой совпадает с частотой магнитного поля. Приборы используются в качестве частотомеров.

Электроизмерительные приборы исключительно разнообразны по назначению, конструктивному оформлению, принципу действия и своим техническим характеристикам.

Для получения необходимой информации об измерительном приборе разработана система условных обозначений, наносимых на лицевой панели прибора, при помощи которых можно судить об основных характеристиках прибора.

На шкале прибора наносятся следующие характеристики:

1. Измеряемая электрическая величина.

а) A – сила тока в амперах (Амперметр).

б) мA – сила тока в миллиамперах (Миллиамперметр).

в) мкА – сила тока в микроамперах (Микроамперметр).

г) U – напряжение в вольтах (Вольтметр).

д) мU – напряжение в милливольтах (Милливольтметр).

е) мкU – напряжение в микровольтах (Микровольтметр).

ж) W – электрическая мощность в ваттах (Ваттметр).

з) кWh – электрическая энергия в киловатт-часах (Счетчик электрической энергии).

к) Ф – сдвиг фаз между током и напряжением (Фазометр).

л) nz – частота (Частотометр).

м) W - электрическое сопротивление (Омметр).

Примечание: в скобках указано название прибора, измеряющего указанную величину.

2. Класс точности прибора обозначается одним из символов, например:

3. Род измеряемого тока и число фаз:

а) – - для измерения постоянного тока.

б) ~ - для измерения в цепях переменного тока.

в) - прибор может работать в цепях постоянного и

переменного тока.

г) - прибор предназначен для работы в цепях трехфазного

переменного тока.

4. Система прибора – на шкале указана одним из знаков:

В случае если прибор имеет защиту от внешних магнитных полей, то знак системы прибора изображается в квадрате или в кружке. Например:

или

В этом случае, когда прибор защищен от воздействия внешних электрических полей, знак системы прибора заключен в пунктирный квадрат или кружок:

или

5. Категории защищенности прибора от воздействия внешних магнитных полей:

а) б) в)

6. Категории защищенности прибора от воздействия внешних электрических полей:

а) б) в)

7. Группа прибора по условиям эксплуатации:

– прибор предназначен для работы в закрытых отапливаемых помещениях. Интервал рабочих температур от -300С до +400С.

– прибор предназначен для работы в закрытых не отапливаемых помещениях с температурой от -300С до +400С.

– прибор предназначен для работы в полевых и морских условиях. Рабочий интервал температур от -400С до +600С.

Иногда буква, обозначающая группу прибора по условиям эксплуатации, ставится после обозначения типа прибора, например: Д 502 В.

8. Рабочее положение прибора:

а) или – горизонтальное;

б) или – вертикальное;

в) Ð60° под углом, например 60°.

9. Испытательное напряжение прочности изоляции токоведущих частей прибора относительно его корпуса.

или

Цифрами указано напряжение в киловольтах.

10. Номинальная частота, если она отличается от 50 Гц. Например: 40. . . . . . . . . . . . . .1000Гц.

11.Положение прибора относительно земного магнитного поля.

12. Гост, по которому прибор изготовлен:

Например: ГОСТ 8711-60

13. Тип (шифр) прибора:

Например: М-104 или Э-59

14. Год выпуска и заводской номер прибора.

15. Товарный знак (фабричная марка) завода изготовителя.

16. Часто на шкале прибора указываются его внутреннее сопротивление, потребляемый им ток или падения напряжения на приборе.

 

Погрешности электрических измерений

  Рис. 10.

Правила техники безопасности при работе с электрическими установками

2. Убедитесь в исправности соединительных проводов. Не пользуйтесь проводами без наконечников! Во избежание разрывов соединительных проводов и их… 3. Перед включением в цепь электроизмерительных приборов их необходимо… 4. Проверьте заземление электрических приборов и аппаратов (там, где это необходимо!).

Применение правил Кирхгофа к расчету электрических цепей, измерение сопротивлений резисторов мостиком Уитстона

Приборы и принадлежности: магазины сопротивлений – 3 шт, гальванометр, источник питания – батарея аккумуляторов или выпрямитель (напр.
ВС 4-12), автотрансформатор РНШ, исследуемые резисторы, соединительные провода.

Теоретическое введение

Для расчёта сложных электрических цепей, особенно разветвлённых, удобно использовать правила Кирхгофа. Первое правило Кирхгофа- правило узлов: «Алгебраическая сумма токов в узловой точке равна нулю ».

Узловой точкой называют такую точку электрической цепи, в которой сходится не менее трёх проводников.

Токам, направленным к узлу и исходящим от него, следует приписывать разные знаки. Например, для узловой точки А – I₁, I₂, I₃, приписываем знак «+», а токам I₄, I₅ – приписываем знак «–». Тогда:

Второе правило Кирхгофа: «В любой замкнутом контуре разветвлённой цепи алгебраическая сумма произведений силы тока на сопротивление отдельных участков равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в этом контуре

При использовании правил Кирхгофа рекомендуется:

1. Выбрать (выделить) замкнутый контур.

2. Указать на схеме, произвольно, направление токов на отдельных участках.

3. Выбрать направление обхода контура (по направлению часовой стрелки или напротив.).

4. Определить знаки ЭДС и токов. При произвольном обходе контура положительными считаются те токи направление которых совпадает с направлением обхода, и отрицательными считаются токи, направление которых противоположно направлению обхода. ЭДС считается положительной, если она повышает потенциал в направлении обхода, т.е. если при обходе контура приходится переходить от минуса к плюсу внутри источника.

Например (см. рис. 2), для контура ABCА

Проиллюстрируем применение этих правил к расчёту цепи, схема которой показана на рис. 3. Такая цепь называется мостиком Уитстона.

Измеряемое сопротивление R_x и магазины сопротивлений R₁, R₂, R₃, – образуют плечи моста.

В диагонали моста AC и BD включены источник тока и гальванометр. R – внутреннее сопротивление источника, R_г – сопротивление гальванометра.

По первому правилу Кирхгофа для узлов A, B, D –

По второму правилу Кирхгофа для замкнутых контуров ABDA, ABCeB и BCDB –

Сопротивления резисторов R₁, R₂, R₃, R_x, можно подобрать так, что ток в диагонали моста ВД отсутствует, т.е. . Тогда

 

, откуда .

По этой формуле, при , зная сопротивления резисторов R₁, R₂, R₃, можно определить неизвестное R_x.

.

Описание установки

Выполнение работы. 1. Собрать цепь по схеме рис. 3. Сопротивление в магазинах R2 и R3 установить… 2. Чувствительность моста Уитстона в большой степени зависит от величины напряжения источника питания. Поэтому для…

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте и обоснуйте правила Кирхгофа.

2. Считая известными e₁, e₂, R₁, R₂, R₃ (см. рис. 4) ток, проходящий через гальванометр равным нулю и пренебрегая внутренними сопротивлениями источников e₂, определить ток I₁, проходящий через батарею e₁.

Задание по УИРС

1. Докажите, что наименьшая погрешность измерения реохордным мостом (рис. 5) будет если l₁ = l₂. На рис. 5 АВ – проволока с высоким удельным сопротивлением, D – подвижный контакт.

2. Назовите пути увеличения точности моста Уитстона.

 

Работа №2

Исследование потенциального электрического поля

Приборы и принадлежности: электролитическая ванна с набором электродов, электронный вольтметр с зондом, выпрямитель ВС-24 выход переменного тока 0…..30 В.

Теоретическое введение

Исследование электростатического поля связано с рядом трудностей:

1. Зонд, вносимый в электростатическое поле, электризуется и искажает его;

2. Чувствительность имеющихся приборов не позволяет достаточно объективно изучить электростатическое поле.

Однако, изучение электростатического поля системы заряженных проводников можно заменить изучением поля электрического тока между той же системой проводников, если потенциалы проводников поддерживаются постоянными и проводимость среды во много раз меньше проводимости проводников. Такой способ изучения называют моделированием. В самом деле, оба поля потенциальны. Для них циркуляция напряженности E по любому замкнутому контуру l равна нулю

(1)

В слабо проводящей среде, как и в отсутствии тока (I = 0), поверхности проводников тоже можно считать эквипотенциальными.

. (2)

Выразив силу тока через плотность тока по замкнутой поверхности, получим . Но по закону Ома . Если среда однородная, то её удельная проводимость постоянная . Тогда поток напряженности электрического поля через замкнутую поверхность будет равен нулю

(3)

Пусть заряженные проводники помещены в безграничный диэлектрик. Для электростатического поля по теореме Остроградского-Гаусса

.

Здесь E_n – проекция вектора напряженности на нормаль к элементу поверхности dS;

– интеграл по замкнутой поверхности S;

– сумма свободных зарядов внутри поверхности.

;

e – соответственно электрическая постоянная и диэлектрическая проницаемость среды. Для замкнутой поверхности, вне электродов, как для вакуума, так и для бесконечного поляризованного диэлектрика, .

Поэтому поток напряженности электростатического поля через замкнутую поверхность вне электродов будет равен нулю

(4)

Из уравнений (1), (2), (3), (4) следует, что электрическое поле в слабопроводящей, однородной среде совпадает с электростатическим полем, которое существовало бы между данными электродами, если бы между ними были то же напряжение, что и при наличии тока, а вместо проводящей среды был бы вакуум.

Описание установки и метода измерения

Рис.1.  

Выполнение работы

2. Установите плоские электроды на расстоянии 6...18 см друг от друга. Подготовьте на бумаге в масштабе 1:2 или 1:1 координатную сетку, изобразите… 3. Расположите зонд вблизи электрода, плавно увеличивайте напряжение, пока… 4. Держа зонд вертикально, перемещайте его вблизи электрода В. Найдите точку с потенциалом j1 = 1 В, переместите зонд…

Контрольные вопросы

1. Что называют напряжённостью электростатического поля в данной точке?

2. Что называют потенциалом электростатического поля в данной точке?

3. Дайте определение потенциальности поля и приведите примеры потенциальных и непотенциальных полей.

4. Какова взаимная ориентация поверхностей равного потенциала и линий напряженности в электростатическом поле? Как объяснить такую ориентацию?

5. Выведите формулы напряжённости электростатических полей внутри плоского и цилиндрического конденсаторов.

6. Почему в работе используется электронный вольтметр?

7. Изменится ли результат опыта, если в лабораторной установке вместо воды использовать слобопроводящие среды: мокрый песок, растворы солей, электропроводящую бумагу?

Задание по УИРС

Рассчитайте напряженность поля между двумя цилиндрами.

Работа №3.

Исследование условий эксплуатации химических источников тока

Приборы и принадлежности: исследуемый химический источник тока, амперметр, вольтметр, реостат, ключи (2 шт).

Теоретическое введение

Химические источники тока бывают двух типов: первичные (например, элемент Лёкланше), в которых электрическая энергия получается за счёт необратимых химических процессов в частности, благодаря возникновению потенциала в месте соприкосновения металла с электролитом; вторичные (аккумуляторы), в которых электрическая энергия накапливается в результате обратимого химического процесса.

В настоящее время химические источники тока не утратили своей значимости. Они находят применение, например, в передвижных энергетических установках и в стационарных маломощных установках, например, для питания бытовой транзисторной аппаратуры.

Химические источники тока кроме ЭДС характеризуются ёмкостью. Ёмкость выражается значением заряда, который может дать источник при разрядке нормальным током, обычно указанным в паспорте, до минимально допустимого значения ЭДС. Ёмкость источника измеряется в ампер-часах. Ампер-час (А.ч.) – это электрический заряд, переносимый током в 1 А в течение 1 часа. Ёмкость источника тем больше, чем больше площадь электродов.

Химические источники тока так же характеризуются КПД, который определяется отношением полезной мощности к полной и выражается в процентах:

(1)

Полную мощность, т.е. мощность, развиваемую источником, можно найти, взяв производную от работы сторонних сил источника А_стор = eQ по времени t

(2)

На нагрузке, к которой подключен источник тока, выделяется лишь часть этой мощности

(3)

Итак (4)

Исследуем зависимость полезной мощности и КПД от силы тока I.

Так как и , т.е. . Подставляя в (3) значение U, получим

(5)

Графически эта зависимость изображается параболой (см. рис. 1 кривая P(I)). Из формулы (5) видно, что мощность равна нулю (P = 0) в двух случаях, когда I = 0, т.е. цепь разомкнута и когда R = 0, наступает короткое замыкание

(6).

Для определения условия, при котором мощность максимальна, исследуем формулу (5) на экстремум.

при I = I₀, (7)

где .

Мощность максимальна. При этом условии внутреннее сопротивления равны R = r.

Исследуем условие максимума КПД:

зависимость – линейная (см. кривую h(I)). При разомкнутой цепи I = 0 КПД максимален (h = 1). При коротком замыкании КПД равен нулю. При наибольшей мощности и КПД равен 0,5

.

Таким образом, условия получения наибольшей полезной мощности и наибольшего КПД несовместимы.

Описание установки и метода измерения

Примечание: Во избежание изменения ЭДС источника тока все измерения следует производить очень быстро с интервалом не менее 1-2 мин. При коротком…

Выполнение работы

1. Собирают цепь по схеме рис. 2.

2. Устанавливают реостат R на наименьшее сопротивление, а амперметр PA – на наибольший предел измерения.

3. При замкнутом ключе S₁ и разомкнутом ключе S₂ – измеряют ЭДС источника e.

4. При замкнутых ключах S₁ и S₂ измеряют напряжение U.

Результаты всех измерений заносят в таблицу и вычисляют указанные в ней параметры.

Таблица

№№ пп	Измерено	Вычислено
e, В	U, В	Ik, A	P, Вт	P0, Вт	h, %
1. 2. 3. 4. 5.

5. Установив реостат R на максимальное сопротивление определяют ток и напряжение при различных сопротивлениях нагрузки. Результаты заносят в таблицу и строят графики зависимостей и .

Примечания:

1. При выполнении работы рекомендуется изменять ток ступенями через 1 А, каждый раз вычисляя искомые величины.

2. При достижении h = 50 ток следует изменять меньшими ступенями – через 0,5 A.

 

Контрольные вопросы

1. Объяснить устройство и принцип действия элемента Лёкланше, кислотного и щелочного аккумулятора.

2. Запишите закон Ома для замкнутой цепи, состоящей из источников тока с разными ЭДС и внутренними сопротивлениями (рис.3).

3. Почему условия получения наибольшей полезной мощности и наибольшего КПД несовместимы?

Задание по УИРС

Аккумулятор заряжается от генератора (рис. 4). Выведите формулу для полной мощности.

 

Работа №4

Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, источник тока, амперметр, коммутатор, реостат, соединительные провода.

Теоретическое введение

Земной шар обладает собственным магнитным полем. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния 70-80 тыс.км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении. Происхождение магнитного поля Земли связывают с конвекционными движениями проводящего вещества в земном ядре.

Линии магнитной индукции выходят из Земли вблизи Южного географического полюса S. Здесь в Антарктиде находится Северный геомагнитный полюс N¢ (Рис.1). Вблизи северного географического полюса N, в Канаде находится Южный геомагнитный полюс S¢.

Расстояние между географическими и геомагнитными полюсами порядка 300 км.

Рис. 1 Рис. 2

На значительных пространствах магнитное поле Земли однородно, оно имеет постоянное направление и напряженность.

Плоскость, проходящая через магнитные полюсы Земли, называют плоскостью магнитного меридиана.

Угол a между плоскостями магнитного и географического меридианов в данной точке Земли называют магнитным склонением (рис. 2).

Характеристикой любого магнитного поля является индукция . Значения Земли невелики и изменяются от 0,42×10^–4 Тл на экваторе до 0,42×10^–4 Тл у магнитных полюсов.

Угол q между направлением индукции магнитного поля Земли в данной точке B_A и горизонтальной плоскостью OO₁ называется углом наклонения (рис. 3).

Вектор индукции магнитного поля Земли B_A можно разложить на две составляющие: горизонтальную (B_t) и вертикальную (B_n).

Укреплённая на вертикальной оси магнитная стрелка устанавливается в направлении горизонтальной составляющей Земли (B_t).

Магнитное наклонение q, склонение a и горизонтальная составляющая магнитного поля (B_t) являются основными параметрами магнитного поля Земли.

 

Рис. 3 Рис. 4 Рис.5

 

Описание установки и метода измерения

Под действием магнитного поля Земли и магнитного поля катушки стрелка установится по направлению результирующего поля с индукцией . Из рис. 5 видно,… , где w – число витков контура,

Выполнение работы

2. Сориентировать катушку так, чтобы плоскость ее витков совпадала с плоскостью магнитного меридиана (с направлением магнитной стрелки). 3. Замкнуть ключ. Изменяя величину тока реостатом R, добиться поворота стрелки… 4. Переключателем S2 изменить направление тока в катушке и снова зафиксировать углы j2 и j2¢ (j1, j1¢; j2,…

Таблица

№ пп	Измерено	Вычислено
I, A	j1, °	j1¢, °	j2, °	j2¢, °	jср, °	Bt, Тл	Btср, Тл	DBt, Тл	e, %
1. 2. 3. 4. 5.

 

7. Произвести аналогичные измерения j для 4…5 значений тока. Для каждого опыта вычислить B_t.

Контрольные вопросы

1. Сформулировать закон Био-Саварра и вывести из него формулу для расчёта индукции магнитного поля кругового тока.

2. Объяснить принцип действия тангенс-гальванометра.

3. Назовите основные параметры земного магнитного поля.

4. Доказать, что погрешность будет минимальной при j = 45°.

Работа №5

Изменение температуры вещества при помощи термопары

Приборы и принадлежности: исследуемая термопара (медь–константан), два термометра, нагреватель, сосуды – с водой и льдом, потенциометр Р-307, батарея гальванических элементов с общей ЭДС около 3-х вольт, элемент Вестона, зеркальный гальванометр.

Теоретическое введение

В месте контакта двух разнородных проводников возникает контактная разность потенциалов, обусловленная двумя причинами:

1. Различием в работах выхода электронов из металла A₁ и A₂.

2. различием в концентрации свободных электронов в контактирующих металлах n₁ и n₂.

Контактная разность потенциалов . Внешняя контактная разность потенциалов , обусловленная различием в работах выхода электронов из металла практически не зависит от температуры, равна нескольким вольтам.

Внутренняя контактная разность потенциалов , обусловленная различием в концентрации свободных электронов в металлах, почти линейно зависит от температуры, примерно на два- три порядка меньше и определяется по формуле:

,

где k = 1,381×10^–23 Дж/К – постоянная Больцмана;

е = 1,6×10^–19 Кл – заряд электрона.

В замкнутой цепи (см. рис. 1), состоящей из разных металлов, при одинаковой температуре контактов сумма контактных разностей потенциалов равна нулю:

Если температура контактов различна, пример, T₁ > T₂ и n₂ < n₁, то сумма контактных разностей потенциалов не равна нулю. Её называют термоэлектродвижущей силой

,

где – удельная термо-ЭДС, которая для большинства пар металлов слабо зависит от температуры и примерно равна 10…10² мкВ/К.

Таким образом, термо-ЭДС пропорциональна разности температур спаев контактирующих металлов.

Описание установки и метода измерений.

В работе используется сплав двух разнородных проводников, называемый термопарой. Зная зависимость e(Т) и температуру одного из спаев, можно определить температуру другого спая. Это позволяет использовать термопары для измерения температуры. Таким образом, измерение температуры при помощи термопары сводится к измерению термо-ЭДС.

Для измерения термо-ЭДС в работе используется измерительный потенциометр типа Р-307.

Подготовка прибора к работе

Рис.3. 2. Переключателем «П2» установить значение ЭДС нормального элемента Вестона, вычисленную с поправкой на температуру…

Выполнение работы

1. Подготовить потенциометр к работе. 2. Поместить один спай термопары в сосуд со льдом, а другой в сосуд с водой,… 3. Измерить термо-ЭДС перед началом опыта.

Таблица

t°хол, град	t°гор, град	e, В	a, мкВ/град
1. 2. 3. 4. 5.

5. По результатам опыта постройте графики e = f(Dt°) и определите интегральную чувствительность термопары.

 

Упражнение 2. Определение температуры отвердевания веществ (парафина).

1. Расплавьте парафин и поместите его под горячий спай термопары.

2. При появлении на поверхности парафина плёнки, измерьте термо-ЭДС. По графику e(Dt°) определите Dt°_отв и температуру отвердевания парафина t°_отв = t°_хол + Dt°_отв.

Контрольные вопросы

1. Каковы причины возникновения внешней и внутренней разности потенциалов?

2. Определите направление тока при T₁ > T₂ и n₁ > n₂.

3. Приведите примеры применения термоэлектричества.

Задания по УИРС

По результатам опыта найдите отношение концентрации свободных электронов в проводниках термопары.

Работа №6

Расширение предела измерения вольтметра

Приборы и принадлежности: исследуемый и эталонный вольтметры, источник тока с регулируемым напряжением, магазин сопротивления, миллиамперметр, соединительные провода.

Теоретическое введение

Часто в практике возникает необходимость расширения пределов измерения вольтметра для того, чтобы им можно было бы измерять более высокое напряжение. Для решения этой задачи необходимо знать внутреннее сопротивление R_B вольтметра.

Например, (см. рис. 1) при включении вольтметра с внутренним сопротивлением R_B на номинальное напряжение U_B через него пройдет ток

(1)

Рис. 1

Для того, чтобы этот же вольтметр можно было включить на более высокое напряжение U, к нему последовательно подключают добавочное сопротивление R_g. При этом величину этого сопротивления выбирают такой, чтобы при полном отклонении стрелки прибора ток, проходящий через вольтметр, остался прежним, т.е.

(2)

Сравнивая равенства (1) и (2) получаем , откуда легко получить формулу для добавочного сопротивления к вольтметру для расширения предела его измерения в раз.

(3)

Выполнение работы

В работе исследуется два способа измерения внутреннего сопротивления вольтметра. А) Метод амперметра и вольтметра. По этому методу последовательно с… Напряжение на вольтметре измеряется эталонным вольтметром PV2.

Таблица 2

Uэт, В
N, дел

 

Контрольные вопросы

1. Каковы требования, предъявляемые к вольтметру, используемому для изучения напряжения в цепях?

2. Шкала вольтметра имеет 150 дел. Вольтметр рассчитан на 30 В. Какое напряжение показывает вольтметр, если его стрелка отклонилась на 55 делений?

3. Кокай из методов измерения сопротивлений, метод амперметра и вольтметра или метод замещения, даёт меньшие систематические ошибки.

Задания по УИРС

1. Как расширить предел измерения амперметра?

Работа №7

Определение числа Фарадея и заряда электрона

Приборы и принадлежности: источник постоянного напряжения (аккумулятор на 6…8 В или выпрямитель с хорошим фильтром), амперметр, весы с разновесами, электролит (раствор CuSO₄), реостат на 30 Ом, секундомер, сосуд для электролита, соединительные провода.

Теоретическое введение

Фарадей показал, что происхождение тока через электролит сопровождается выделением вещества, причём масса выделившегося вещества

, (1)

где Q – заряд прошедший через электролит;

A – атомарный вес иона;

n – его валентность.

Коэффициент пропорциональности F называют числом Фарадея: F = 9,654×10⁷ Кл/кг-экв, т.е. заряд, связанный с одним килограмм-эквивалентом вещества. В 1888 году Гельмгольц указал, что отсюда можно найти средний заряд иона

,

где N₁ – число атомов в килограмм-эквиваленте. После определения числа Авогадро (число атомов в килограмм - атоме вещества) оказавшегося равным N_A = 6,02×10²⁶ Кл 1/кг-атом, можно было оценить заряд n валентного иона

.

Он оказался кратным заряду электрона.

Найдя из опыта постоянную Фарадея и зная число Авогадро, можно вычислить заряд одновалентного иона, равный заряду электрона по формуле:

. (2)

Выполнение работы

Рис. 1 2. Сосуд заполняют электролитом и помещают в него медные электроды.

Контрольные вопросы и задания по УИРС.

1. Объясните механизм электропроводности в электролитах.

2. Что называется электрохимическим эквивалентом вещества?

3. Что называется химическим эквивалентом вещества? Каков его физический смысл.

4. Сформулируйте законы Фарадея для электролиза.

5. Что понимается под числом Фарадея?

6. можно ли определить электрохимический эквивалент вещества, если электролиз проводить при переменном токе?

7. Как используется явление электролиза в технике?

8. На каком из электродов выделится большее количество вещества (рис. 2).

Рис. 2 Рис.3

 

9. На каком из электродов выделится большее количество вещества (рис. 3).

 

Работа №8

Определение удельного сопротивления электролитов и изучение зависимости сопротивления электролитов от температуры

Приборы и принадлежности: растворы электролитов различной концентрации, - образная трубка, мост для измерения сопротивлений электролитов, источник тока, соединительные провода.

Теоретическое введение

Носителями тока в электролитах являются ионы растворённых веществ (молекула вещества под действием электрических сил растворителя распадается на две части – ионы несущие положительные и отрицательные заряды).

Плотность тока в электролитах

,

где q – заряд иона;

n – концентрация ионов.

Из закона сохранения электрического заряда следует, что сумма зарядов положительных и отрицательных ионов равна нулю, следовательно:

,

здесь n₀ – концентрация молекул растворённого вещества,

– коэффициент диссоциации, т.е. отношение концентрации ионов к концентрации молекул вещества в электролите.

Следовательно, плотность тока:

.

Постоянство тока в жидкости объясняется тем, что ионы, двигаясь среди молекул растворителя, имеющих большой дипольный момент, встречают сопротивление и очень скоро приобретают установившуюся скорость. Независимость подвижности ионов от напряженности электрического поля обеспечивает выполнение закона Ома для столба жидкости. Благодаря наличию ионов двух знаков закон Ома для электролитов записывается в виде

,

где – подвижность иона;

g – проводимость электролита.

Однако, для электролитической ванны в целом (включая электроды) закон Ома не выполняется, так как на границе металл–раствор возникают скачки потенциала.

Рост электропроводности при нагревании электролита качественно объясняется уменьшением ориентации молекул растворителя, препятствующих движению иона. Электропроводности жидкостей гораздо меньше, чем металлов.

Описание установки и метода измерений

Сквозь пробки пропущены электроды – металлические стержни, заканчивающиеся круглыми пластинками. На верхних концах стержней укреплены клеммы. Между… Рядом с трубкой закреплен термометр, регистрирующий температуру во время… Замечание: При измерении сопротивления электролитов необходимо пользоваться переменным током, так как под действием…

Выполнение работы

1. Присоединяют U-образную трубку с электродами, в которую налит исследуемый электролит, к реохордному мосту. 2. Заметив по шкале положение электродов в U-образной трубке измеряют… 3. Перемещают один из электродов на H = 1,5…2 см. Вновь измеряют сопротивление столбика электролита высотой H.

Таблица 1

№ п.п.	Измерено	Вычислено
S, см2	H, см	R0, Ом	Rn, Ом	R0 – Rn, Ом	r, Ом	rср, Ом	Dr, Ом	Е, %
1. 2. 3. 4. 5.

Упражнение 2. Изучение зависимости сопротивления электролита от температуры

1. Установить электроды в произвольном положении. Поместить U-образную трубку в сосуд с водой установленный на нагреватель.

2. Через каждые 10° производить измерение сопротивления столбика электролита с помощью моста.

3. Результаты измерений записывают в таблицу 2 и на основании полученных данных строят график R = R(t).

Таблица 2

R, Ом
t°, град

Контрольные вопросы

1. Дайте определение и приведите примеры проводников первого и второго рода.

2. Каков механизм Электролитической диссоциации?

3. Что понимается под подвижностью ионов?

4. Почему закон Ома не выполняется для электролитической ванны в целом.

5. От чего зависит проводимость электролитов?

6. Обоснуйте теоретически полученную экспериментальную зависимость.

7. В чем заключается явление поляризации гальванических элементов?

Работа №9

Измерение коэффициента самоиндукции, ёмкости и проверка закона Ома для цепи переменного тока

Приборы и принадлежности: вольтметры (2 шт.), амперметры (2 шт.), выпрямитель ВС-24, автотрансформатор – РНШ, катушка индуктивности, батарея конденсаторов, соединительные провода.

Теоретическое введение

Пусть к конденсатору С, (рис. 1) приложено напряжение U = U₀ sinwt. Ток в цепи ,

– закон Ома для данной цепи (для амплитудных значений I₀, U₀). Величина , называется реактивным ёмкостным сопротивлением.

Рис. 1 Рис. 2

Под действием переменного напряжения в цепи с катушкой L (рис. 2) индуктивности в ней возникает ток , создающий в катушке ЭДС самоиндукции . Пренебрегая сопротивлением проводов катушки, считаем U = –e_L, тогда ; , где – закон Ома для данной цепи (для амплитудных значений I₀, U₀). Величина – называется реактивным индукционным сопротивлением.

Следует отметить, что в реальных условиях пренебречь сопротивлением проводов катушки нельзя.

Для цепи, состоящей из последовательно соединённых R, L, C (рис. 3), полное сопротивление цепи , где R – активное сопротивление цепи, представляющее собой активное сопротивление проводов катушки.

Эффективное напряжение , где U₀ – амплитудное значение напряжения. Эффективное значение тока , где I₀ – амплитуда тока.

Рис. 3 Рис.4

Выполнение работы

Для измерения XL собирают схему по рис .4. 1. Подключают эту цепь к источнику постоянного напряжения, найдем – активное… 2. Подключив цепь к источнику переменного напряжения находим , где откуда найдем XL и .

Таблица 1

№ п.п.	При постоянном токе	При переменном токе	Вычислено   L, Гн
Измерено	Вычислено	Измерено	Вычислено
U, В	I, A	R, Ом	Rср, Ом	Uэф, В	Iэф, A	XL, Ом	XLср, Ом
1. 2. 3. 4.

5.При вычислении погрешности воспользоваться формулой . Погрешности вычисляются по классу точности измерительных приборов.

 

Упражнение 2. Определение ёмкостного сопротивления и ёмкости конденсатора.

Для измерения ёмкостного сопротивления конденсатора собирается цепь по схеме рис. 5.

Подключив данную цепь к источнику переменного напряжения, измеряют так как , то .

Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу 2.

Рис. 5 Рис. 6

 

Таблица 2

№№ п/п	Измерено	Вычислено
w, с–1	Iэф, A	Uэф, В	XC, Ом	XCср, Ом	С, Ф
1. 2. 3. 4.

 

Упражнение 3. Проверка закона Ома для полной цепи переменного тока.

1. Собрать цепь по рис. 6.

2. Подключить цепь к источнику переменного напряжения и произвести измерения I_эф при различных значениях U_эф.

3. Вычислить .

4. Сравнить полученное значение Z со значением Z вычисленным по формуле

5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.

Таблица 3

№№ п/п	Измерено	Вычислено
Iэф, A	Uэф, В	, Ом	, Ом
1. 2. 3. 4.

Контрольные вопросы

1. Построить векторные диаграммы для цепей, схемы которых показаны на рисунках 7, а, б, в. Записать для каждой цепи закон Ома.

а) б) в)

Рис. 7.

2.Почему эффективное значение напряжения на концах последовательной цепи с R, L и C не равно сумме эффективных значений напряжений на отдельных участках?

3. Что покажет амперметр, если амплитудное значение переменного тока равно 1,41 А?

4. Можно ли утверждать, что активное и омическое сопротивления равны друг другу?

5. От чего зависит индуктивность катушки?

6. При каком сердечнике активное сопротивление катушки будет больше – при сплошном металлическом или набранном, из изолированных металлических пластин? Ответ объяснить.

7. Чем объясняется сдвиг по фазе между током и напряжением в цепях переменного тока?

 

Работа №10

Определение электродвижущей силы элемента методом компенсации

Приборы и принадлежности: источник питания ВС-4-12, гальванометр, исследуемый источник тока, магазины сопротивлений (2 шт.), резисторы R₁ = R₄ = 5000 Ом, нормальный элемент Вестона, ключ, двухполюсной переключатель, соединительные провода.

Теоретическое введение

По закону Ома для замкнутой цепи

(1)

т.е. падение напряжения на внешней цепи U равно электродвижущей силе e минус падение напряжения IR_б на внутреннем сопротивлении R_б батареи.

Отсюда следует, что при увеличении внешнего сопротивления, когда сила тока в цепи уменьшается, напряжение во внешней части цепи растёт, приближаясь по своему значению к ЭДС источника.

Для измерения ЭДС источника тока необходимо применить метод, при котором ток в цепи этого источника совсем отсутствует, например метод компенсации. Он основан на сравнении искомой величины ЭДС с известным падением напряжения на участке цепи.

Рассмотрим цепь, изображённую на рис. 1 ЭДС исследуемого элемента e_Х должна быть меньше, чем падение напряжения на участке ABC. В этом случае на магазинах сопротивлений R₂, R₃ можно установить сопротивление при котором ток I_r, протекающий через гальванометр, будет равен нулю.

По второму правилу Кирхгофа, для контура Ae_XR₄CA

, (2)

где R_X – внутреннее сопротивление батареи,

R₄ – сопротивление установленное на магазине,

R_r – сопротивление гальванометра.

При условии I_r = 0

(3)

Это значит, что падение напряжения на участке AC, создаваемого ГС 4-12, компенсирует ЭДС исследуемого элемента e_Х.

Рис. 1

Замечание: сопротивление магазинов устанавливают равное 5555 Ом, что позволяет плавно изменять ток, протекающий через гальванометр.

Заменив исследуемый элемент эталонным e_н и изменяя сопротивления R₂ и R₃ добиваются отсутствия тока I_r, протекающего через гальванометр. Компенсация будет при той же силе тока I₁ = const, но другом сопротивлении

(4)

Разделив (3) на (4), получим

(5)

В качестве источника с известной ЭДС используется нормальный элемент Вестона, положительным полюсом которого является ртуть, а отрицательным – амальгама кадмия. Электролитом служит раствор сернокислого кадмия. Элемент Вестона имеет e_н = 1,01836 В при температуре t° = 20°C. При эксплуатации элемент требует бережного обращения.

Используемы в работе метод компенсации имеет следующие особенности:

1. Ток, протекающий через элементы, ЭДС которых сравнивают, равен нулю.

2. Гальванометр в рабочей схеме работает как индикатор, т.е. его не надо градуировать.

3. ЭДС вспомогательного источника не входит в расчётную формулу, но необходимо помнить, чтобы значение его ЭДС было постоянным и больше сравниваемых ЭДС.

Выполнение работы

2. Устанавливают на магазинах сопротивлений R2 и R3 по 5555 Ом. Эти значения выбраны для удобства измерений. 3. Устанавливают R4 на наибольшее сопротивление, включают источник с eX,… 4. Меняют сопротивление магазина R3, начиная с декад, имеющих наибольшие сопротивления, так, чтобы ток Ir был равен…

Таблица 1

№№ п.п.	Измерено	Вычислено
R3, Ом	R¢3, Ом	eн, В	eX, В	Е, %	DeX, В
1. 2. 3.

7. Произвести аналогичные измерения e_X, устанавливая в магазинах R₃ и R₂ по 555 Ом, 55,5 Ом.

8. Погрешности вычисляются дифференциальным способом.

Контрольные вопросы

1. Каков физический смысл ЭДС, напряжения, разности потенциалов?

2. Имеются два вольтметра одинаковой системы, но с разными внутренними сопротивлениями R_в1 = 1000 Ом и R_в2 = 10000 Ом. Каким из этих вольтметров можно точнее измерить ЭДС? Почему?

3. Каково назначение реостатов R₁ и R₄, в схеме рис. 1.

4. Что поминается под сторонними силами и каковы их свойства?

5. Вывести расчётную формулу для e_X.

6. Как устроен нормальный элемент? Какова его ЭДС?

7. Выведите соотношение 1.

8. Перечислите известные Вам гальванические элементы и рассмотрите устройство и работу одного из них.

Работа №11

Определение точки Кюри ферромагнетиков

Приборы и принадлежности: нагревательная печь, испытуемый образец, термометр или термопара с милливольтметром, микроамперметр, соединительные провода.

Теоретическое введение

Согласно современным представлениям, ферромагнетик естественным образом разбивается на микроскопические (однако содержащие большое число атомов до атомов) область, размеры которых м (домены). Благодаря особому характеру взаимодействия каждая такая область намагничена до насыщения. На границах областей существуют сильные магнитные поля. При отсутствии внешнего поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированны беспорядочно и макрокусок ферромагнетика не намагничен. При помещении его в магнитное поле наблюдается «смещение границ домена» - области, имеющие намагниченность, близкую по направлению к внешнему полю, растут за счет соседних областей: суммарный магнитный момент ферромагнетика делается отличным от нуля. При дальнейшем увеличении поля возникает ещё один процесс: векторы намагничения доменов поворачиваются в направлении поля, ещё увеличивая намагниченность образца. Это происходит до достижения насыщения. При снятии поля ферромагнетик частично остается намагниченным. При нагревании ферромагнитные свойства при некоторой температуре (точка Кюри) исчезают. Точка Кюри для железа, например, равна , а для сплава, имеющего и она равна . При охлаждении ферромагнитные свойства восстанавливаются.

Описание установки и метода измерения.

Для определения точки Кюри применяется установка, схема которой приведена на Рис.1.

В печь 1 помещается образец 2, который нагревается спиралью 3.

 

-68-

При протекании тока через спираль 3 индуцируется ток во вторичной обмотке 4. Этот ток регистрируется микроамперметром. Первичная обмотка отделена от вторичной слоем теплоизолирующего вещества.

Рис.1

Температура образца измеряется термометром или термопарой. При достижении температуры Кюри магнитные свойства образца изменяются, поэтому ЭДС индукции во вторичной обмотке уменьшается. Причина такого изменения ЭДС заключается в следующем: нагревательная спираль обладает как индуктивным, так и активным сопротивлением (см. Рис.2).

Рис.2

Применяя второй закон Кирхгофа для мгновенных значений тока и напряжения, получим:

Отсюда (1)

Известно, что , где - магнитный поток, пронизывающий витков первичной обмотки; - магнитный поток, проходящий через один виток.

-69-

Такой же магнитный поток пронизывает каждый виток вторичной обмотки .

Тогда ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках равны соответственно и откуда

(2).

При изменении магнитных свойств ферромагнетика (при достижении температуры точки Кюри) можно считать равной нулю. Это видно из выражения т.к. - резко уменьшается.

Выполнение работы.

1. Собрать установку по схеме Рис.2.

2. Включить печь, через каждые по термометру записывают показания микроамперметра, включённого во вторичную обмотку нагревателя.

3. Когда ток во вторичной обмотке начнёт уменьшаться, показания микроамперметра отмечают через каждые .

4. Результаты всех измерений записывают в таблицу 1.

5. По полученным данным строят графики . На оси откладывают показания микроамперметра, а на оси - температуру, измеренную термометром.

6. По графику определяют точку Кюри исследуемого образца.

Контрольные вопросы

1. Почему значение для ферромагнетиков велико?

2. Дать определение точки Кюри.

3. Объясните характер поведения кривой .

4. Объясните резкое понижение ЭДС во вторичной обмотке при достижении образцом точки Кюри.

5. Приведите примеры применения магнетиков в технике.

6. Что произойдет, если питать установку постоянным током?

 

 

-70-

Работа №12

Изучение работы Электронного осциллографа.

Приборы и принадлежности: Электронный осциллограф, звуковой генератор, автотрансформатор РНШ, трансформатор разборный школьный, соединительные провода, вольтметр.

Теоретическое введение

Осциллограф – это прибор, предназначенный для исследования периодических процессов, путём визуального наблюдения за ними на экране электронно-лучевой трубки.

По осциллограмме исследуемого электрического сигнала можно определить его амплитуду, период, частоту и другие параметры.

На Рис.1 показана структурная схема осциллографа.

Рис.1

На этом рисунке показаны основные части (блоки) осциллографа: электронно-лучевая трубка, делитель входного напряжения (сигнала), усилители вертикального и горизонтального отклонения, устройство синхронизации

- генератор развертки

- блок питания .

Исследуемое напряжение (сигнал) через клеммы « вход - » поступает на делитель, затем на усилитель вертикального отклонения, который усиливает сигнал до величины, удобной для рассмотрения на экране электронно-лучевой трубки

-71-

В усилителе имеется регулировка усиления и регулировка смещения луча по вертикали: «Усиление У», «Ось У вниз - вверх».

Кроме того исследуемое напряжение может подаваться непосредственно на вертикально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки минуя делитель и усилитель.

При изучении временной зависимости исследуемого сигнала он подается на « Вход У», а на горизонтально отклоняющие пластины должно быть подано напряжение с генератора, развертки, обеспечивающее временную развертку электронного луча по горизонтали.

На горизонтально отклоняющие пластины от генератора развертки подаются пилообразные напряжения, отличающиеся по фазе на . См. Рис.2.

Рис.2

Например, в момент времени , световое пятно переместится на экране трубки к левому краю (точка А).

От до напряжение на правой пластине возрастает, а на левой пластине возрастает отрицательный потенциал, т.е. от до световое пятно будет перемещаться от левого края до правого ( точка Б). Затем на малый промежуток времени ( от до ) световое пятно возвратится в исходное положение на левый край экрана и весь цикл повторяется многократно.

 

-72-

На экране получается изображение прямой линии, представляющей равномерную шкалу времени.

Частота генератора развертки может изменяться ступенями и в пределах каждой ступени – плавно («Диапазоны частот», «Частота плавно»).

Для того, Чтобы получить на экране электронно-лучевой трубки неподвижное изображение, нужно, чтобы частота развертки была точно равна или в целое число раз меньше частоты исследуемого напряжения. Если такого соответствия частот не будет, то изображение будет медленно продвигаться по экрану влево или вправо.

Однако, частота генератора развертки недостаточно стабильна, поэтому изображение на экране будет «плыть». Для устранения этого недостатка необходимо генератор развертки синхронизировать, (т.е. согласовать во времени) с частотой исследуемого напряжения. С этой целью к генератору развертки подводится синхронизирующее напряжение ().Синхронизация может осуществляться: исследуемым сигналом, с частотой (сетью) или от другого постоянного источника.

Режим синхронизации выбирается переключателем «Синхронизация», который имеет 3 позиции: «внутренняя», «от сети», «внешняя».

Напряжение от генератора развертки подается на вход усилителя горизонтального отклонения, где усиливается до величины . В этом усилителе имеются регулятор чувствительности «Усиление» и регулятор горизонтального смещения луча «Ось влево – вправо».

Усилитель горизонтального отклонения может подключатся через клеммы «Вход » и «». В этом возникает необходимость при некоторых измерениях. При работе осциллографа, а в таком режиме генератор развертки отключается.

Для обеспечения работы всех узлов осциллографа соответствующие напряжения на них подаются от стабилизированного блока питания.

 

-73-

Важнейшей частью осциллографа является электронно-лучевая трубка. Устройство и принцип работы ее описан в учебных пособиях по курсу электричества (см. список рекомендуемой литературы).

Перед началом работы с осциллографом необходимо убедиться в отсутствии наружных повреждений. Ознакомиться с расположением и назначением основных органов управления на лицевой панели. Проверить возможность плавного вращения и надежность крепления ручек управления, вращая каждую ручку вправо-влево.

Проверить надежность фиксации положения: переключателей.

После этого:

1. Включить шнур питания в сеть.

2. Ручки управления установить в следующие положения: «Яркость»- в крайнее правое; «Фокус»- в среднее; «Усиление У» - в крайнее левое; «Усиление » - крайнее правое; ручки смещения луча – в среднее положение. Переключатель «диапазон» - в положение «30». Ручку «синхронизация» в положение «внутр.» или «от сети». Рукоятку «Делитель» в положение «10».

Выполнив перечисленные операции, выключатель «сеть» перевести в положение «Включено». При этом загорается сигнальная лампочка.

Через 1-2 мин. на экране появится яркий горизонтальный штрих – след луча. Если он не появляется, то необходимо вывести луч на экран медленным вращением рукояток «Ось влево – вправо», «Ось У вверх – вниз». Затем рукояткой «Фокус» установить четкое изображение штриха. Рукояткой «Усиление » устанавливают необходимый горизонтальный размер данного штриха.

Для проверки работоспособности осциллографа необходимо коротким проводником соединить клеммы «Контрольный сигнал» и «Вход У». Ручку «Усиление У» повернуть вправо.

При этом на экране осциллографа должна появиться синусоида.

 

-74-

Ручками «Частота плавно» установить такую частоту развертки, при которой на экране наблюдается один или несколько периодов исследуемого сигнала. Вращение ручки «Амплитуда синхронизации» установить неподвижное изображение. Ручками «Усиление У», «Усиление » и «Делитель» установить желаемый масштаб изображения.

Выполнение работы

Упражнение 1. Наблюдение кривых синусоидального

напряжения различной частоты.

Для наблюдения кривых синусоидального напряжения на вход осциллографа «» подаётся напряжение от звукового генератора. Для этого переключатель «Диапазон частот» следует поставить в положение «50».

Плавно изменяя частоту напряжения звукового генератора, добиваются получения на экране осциллографа одного периода синусоидального напряжения. Зарисовывают в масштабе полученную осциллограмму.

Изменяя частоту звукового генератора в 2,3,4 раза снова добиваются устойчивого изображения синусоиды на экране осциллографа. Зарисовывают в масштабе все полученные осциллограммы.

Упражнение 2. Измерение чувствительности отклоняющих

пластин электронно-лучевой трубки.

Чтобы с помощью осциллографа можно было измерить амплитуду исследуемого сигнала (эффективное значение), необходимо знать зависимость величины отклонения луча от амплитуды (эффективного значения) подводимого напряжения т.е чувствительность вертикально – отклоняющих пластин. ,

где - линейный размер вертикальной линии на экране осциллографа, полученной под воздействием исследуемого напряжения.

1. Собрать цепь по схеме Рис.3. Выключить генератор развертки осциллографа. Исследуемое напряжение подводится непосредственно на пластины «» расположенные на задней панели осциллографа.

 

-75-

2. Включив осциллограф, выводят луч на центр экрана. Подав на отклоняющие пластины напряжение в пределах 40 В, измеряют по масштабной сетке экрана величину отклонения луча. Вычисляют чувствительность .

Рис.3

3. Измерения произвести для нескольких значений . Результаты занести в таблицу, найти среднее значение

Таблица 1.

№№ п/п	Измерено	Вычислено
1. 2. 3.

Упражнение 3. Измерение напряжений.

1. Собрать схему Рис.4.

2. Измерить при помощи осциллографа напряжение по заданию преподавателя. Использовать для этой цепи значение , вычисленное в предыдущем упражнении.

Рис.4

-76-

Упражнение 4. Измерение частоты исследуемого напряжения при помощи фигур Лиссажу.

Осциллограф позволяет с большей степенью точности измерить частоту исследуемого напряжения путем наблюдения фигур Лиссажу.

При отключенном генераторе развертки на входе «» и «» подаются два разных синусоидальных напряжения.

В качестве одного из этих напряжений можно использовать контрольный сигнал, а другой – от звукового генератора.

1. Добившись примерно одинаковых амплитуд этих напряжений, устанавливают частоту звукового генератора . Изменяя частоту звукового генератора в небольшом интервале около установленной частоты, добиваются устойчивой осциллограммы. На экране должны получиться: окружность, прямая или эллипс. Эта картина соответствует равенству частот. Зарисовать полученную осциллограмму.

2. Плавно увеличивают частоту звукового генератора до тех пор, пока не получится вновь устойчивая осциллограмма. Фиксируют эту частоту, зарисовывают осциллограмму. Опыт продолжить, увеличив частоту звукового генератора в 3,4 раза.

Дополнительное задание

Применять местами напряжение на «» и на «». Провести аналогичные наблюдения, сделать выводы.

Примечание: При оформлении работы в тетради необходимо: Все осциллограммы зарисовывать в натуральную величину по координатной сетке.

Контрольные вопросы

1. Назначение осциллографа.

2. Устройство и работа электронно-лучевой трубки.

3. Назначение и роль генератора развертки осциллографа.

4. Каким должен быть период развертывающего напряжения по сравнению с исследуемым?

5. На какой из электродов подается исследуемое напряжение?

6. Что понимается под чувствительностью отклоняющих пластин электронно-лучевой трубки?

 

-77-

7. Каковы способы измерения яркости и фокусировки луча в электронно-лучевой трубке?

 

-78-

Приложение 1.

В пособии приняты следующие обозначения электрических и магнитных величин:

- сила постоянного тока;

- напряжение в цепи постоянного тока;

- мощность цепи постоянного тока;

- Электрическое (омическое) сопротивление;

- ЭДС источника постоянного тока;

- напряженность магнитного поля;

- индукция магнитного поля;

- напряженность электрического поля;

- индуктивность (коэффициент самоиндукции);

- ёмкость конденсатора.

В цепях переменного тока:

- мгновенные значения тока, напряжения, ЭДС,

- амплитудные значения тока, напряжения, ЭДС,

- эффективные (действующие) значения тока, напряжения, ЭДС;

- активная мощность цепи;

- реактивная мощность цепи;

- реактивная индуктивная мощность цепи;

- реактивная ёмкостная мощность цепи;

- полная (кажущаяся) мощность цепи;

- реактивное сопротивление цепи;

- реактивное индуктивное сопротивление цепи;

- реактивное ёмкостное сопротивление цепи;

-полное сопротивление цепи;

 

 

-79-

Приложение2.

В соответствии с ГОСТом элементы электрических цепей изображаются на схемах при помощи условных знаков.

Ниже приведены условные графические обозначения (УГО) некоторых элементов электрических цепей, используемых в практикуме.

Резисторы

- резистор постоянный (общее обозначение).

- резистор переменный (потенциометр).

- резистор переменный с плавной регулировкой

сопротивления.

 

- резистор переменный со ступенчатой

регулировкой сопротивления.

 

Конденсаторы

- конденсатор постоянной ёмкости.

- конденсатор переменной ёмкости.

 

-80-

Катушки индуктивности, трансформаторы.

- катушка индуктивности (общее

обозначение).

- катушка индуктивности с

ферромагнитным сердечником.

- трансформатор

- автотрансформатор

Включатели и переключатели.

- однополюсный выключатель.

- двухполюсный выключатель, рубильник.

 

- переключатель двухполюсный.

-81-

- переключатель галетный,

многопозиционный.

Прочие элементы.

- полупроводниковый диод.

- химический источник тока,

гальванический элемент.

- батарея химических источников тока.

 

- пересекающие, но не соединенные

проводники.

- соединяющиеся проводники. Место

соединения указано точкой.

- ответвление проводника.

 

- узел.

-82-

- электроизмерительный прибор - амперметр.

 

 

- электроизмерительный прибор – вольтметр.

 

- электрическая лампочка, лампа

индикаторная.

- электромотор, генератор.

 

- электронно-лучевая трубка с

электростатическим управлением лучом.

 

 

Размеры на рисунках даны в миллиметрах. Допускается изменение масштаба условных обозначений элементов.