Измерение сопротивлений токопроводящих моделей

ОТЧЕТ

по лабораторно-практической работе № ___

"Измерение сопротивлений токопроводящих моделей при помощи моста Уитстона"

Выполнил ___________________

Факультет _________

Группа № __________

Преподаватель _________________

“Выполнено” “____” ____________

Подпись преподавателя __________

2012г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № ____

Измерение сопротивлений токопроводящих моделей

При помощи моста Уитстона.

Цель работы: ознакомление с методом измерения сопротивлений при помощи моста постоянного тока; приобретение навыков расчета сопротивлений проводников переменного сечения; определение удельных сопротивлений материалов токопроводящих моделей.

Приборы и принадлежности: стенд для сборки измерительной цепи; токопроводящие модели; магазины образцовых сопротивлений; нуль-индикатор (гальванометр); источник тока.

Общие сведения

Сопротивление проводников зависит от их формы и размеров, от рода вещества и его состояния. Для проводников в форме цилиндров постоянного поперечного сечения сопротивление равно:

, (1)

где l и S - длина и сечение проводника, соответственно; - удельное сопротивление материала проводника.

Удельное сопротивление является одной из основных электри­ческих характеристик вещества. Оно определяется тока в веществе при заданной величине напряженности электрического поля (закон Ома в дифференциальной форме):

,

а также удельную тепловую мощность тока , т.е. количество тепла, выделяющегося в единицу времени в единицу объема (закон Джоуля - Ленца в дифференциальной форме):

.

Зная значение , можно рассчитать размеры проводника, требуемые для получения заданного его сопротивления, или наоборот – значение сопротивления при известных геометрических размерах проводника.

Выражение (1) имеет ограниченное применение:оно не при­годно для проводников переменного сечения, в которых плотность тока не одинакова в любом сечении, например, при расчете сопро­тивления утечки цилиндрического конденсатора, заполненного прово­дящей средой. Расчет таких сопротивлений производят, разбивая (руководствуясь соображениями симметрии) проводники (или прово­дящую среду) на множество элементов длиной и поперечным сечением так, чтобы плотность тока в любой точке отдельно­го элемента была одинаковой. Сопротивление каждого отдельного элемента равно , а сопротивление проводника на участке от до будет

,

где S - поперечное сечение проводника, представленное в виде некоторой функции от .

Если такое разбиение невозможно, или зависимость S от слишком сложна, используют подобие электрического поля в однород­ной проводящей среде с током электростатическому полю в диэлект­рике при условии, что удельное сопротивление проводящей среды много больше удельного сопротивления материала электродов. Иначе говоря, распределение потенциала в проводящей среде с током ока­жется таким же, что и в диэлектрике (или вакууме), если, не меняя размеров и формы электродов, их взаимного расположения и разности потенциалов между ними, проводящую среду заменить диэлектрической. При этом выполняется соотношение

(2)

где R - сопротивление утечки между двумя электродами в проводящей среде с удельным сопротивлением r; C - емкость конденсатора, образованного этими же электродами в среде с относительной диэлектрической проницаемостью e.

Таким образом, расчет сопротивления утечки между электродами в проводящей среде можно свести к расчету емкости конденсатора, образованного этими же электродами, т.е., по существу, к задаче электростатики.

Расчет емкости конденсатора производится по формуле , где Q - заряд на одном из электродов; Dj - разность потенциалов между электродами.

Выражение для Dj получается из связи напряженности E и потенциала электрического поля (E = –grad ):

, (3)

где E_l - проекция вектора Е на направление l, вдоль которого производится интегрирование. Выражение для E_l, подставляемое в формулу (3), находится по принципу суперпозиции напряженностей электрических полей E₁ и E₂ создаваемых зарядами электродов Q и -Q, либо по теореме Гаусса: .

В результате расчета получается выражение для , пред­ставленное функцией заряда Q, геометрических размеров, формы и взаимного расположения электродов. В этом выражении коэффициент пропорциональности перед и - есть величина, обратная емкости конденсаторы, образованного электродами. Формула для расчета соп­ротивления утечки между электродами в проводящей среде получается из соотношения (2).

Следует также отметить, что из-за подобия распределения полей в проводящей среде и в диэлектрике проводящая среда с током может служить моделью для исследования электростатических полей. Напри­мер, вместо трудоемких расчетов или непосредственного измерения емкости какой-либо системы проводников сложной формы поместить модели этих проводников в проводящую среду, измерить сопротивле­ние между ними, а затем найти емкость, используя соотношение (2). Во многих случаях такая методика оказывается предпочтитель­нее.

Методика измерений

В данной работе измеряются сопротивления токопроводящих моделей: изоляции коаксиального кабеля, утечки двухпроводной линии в проводящей среде. Измеренные значения R_x используются для расчета удельных сопротивлений материалов моделей r _x. При этом выводят формулы для сопротивлений конкретных моделей. Затем, после преобразования формул к виду r _x = f (R_x), по измеренным значениям R_x находят r _x.

Измерение сопротивления в работе производится при помощи моста постоянного тока (моста Уитстона). Измерительный мост (рис.1) образован четырьмя резисторами: сопротивления трех из них - R ₁, R ₂, R ₃ - известны, а сопротивление четвертого - R_x требуется определить. Клеммами А и С мост присоединен к источнику G1, а в диагональ моста BD включен нуль-индикатор (гальванометр) P1. Если сопротивления в плечах моста подобраны так, что напряжение U_AC делится между R₁ и R _x в ветви ABC в том же отношении, что и между R₂ и R₃ в ветви ADC, то разность потенциалов между точками B и D равна нулю: нет тока через гальванометр (условие баланса моста), .

Указания по выполнению наблюдений и обработке результатов

1. Собрать цепь измерительного моста, включить установку.
2. Установить отношение и подбором величины соп­ротивления , при кратковременном нажатии кнопки , до­биться отсутствия тока через гальванометр.

Провести несколько таких наблюдений при различных отношениях , указанных на панели установки, оценивая предварительно ожидаемые значения R3. Результаты наблюдений занести в табли­цу произвольной формы.

1. Повторить измерения по п.2 для второй модели.
2. Вывести формулы для сопротивлений и , преобразовать их к виду

Выполнить эскизы моделей. Измерить и указать на эскизах геометрические размеры моделей, необходимые для расчета удельных сопротивлений материалов моделей.

Вывод формул и эскизы включить в отчет.

Рассчитать средние значения и доверительные погрешности измеренных сопротивлений и и удельных сопротивлений материалов токопроводящих моделей и .

ПРОТОКОЛ НАБЛЮДЕНИЙ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №____

Измерение сопротивлений токопроводящих моделей