Введение. Электрические измерения и электроизмерительные приборы.

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 4

Приборы и методы измерения электрических ВЕЛИЧИН

1. Градуировка амперметра и вольтметра 5

2. Электронный осциллограф. Осциллографирование физических процессов 15

Электрические и магнитные поля в вакууме и веществе

3. Исследование электрического поля 26

4. Изучение процессов зарядки и разрядки конденсатора 35

5. Изучение электрических свойств сегнетоэлектриков 40

6. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли 45

7. Изучение магнитного поля соленоида и определение магнитной постоянной m₀ 50

8. Определение удельного заряда электрона 60

9. Изучение магнитных свойств ферромагнетиков 65

Законы постоянного тока

10. Определение сопротивления методом мостовой схемы 71

11. Определение заряда электрона методом электролиза 76

Электромагнитные колебания 79

12. Исследование полной последовательной цепи переменного тока 88

13. Затухающие электрические колебания 96

14. Исследование вынужденных электромагнитных колебаний 101

15. Измерение параметров L-C-R колебательного контура 107

Электронные свойства твердых тел

16. Эффект Холла 111

17. Определение работы выхода электрона 117

 

 

Введение

 

Лабораторные работы общего физического практикума выполняются в течение семестра и, наряду с практическими занятиями и лекциями, являются составной частью учебной работы по освоению соответствующих разделов курса общей физики.

При выполнении лабораторных работ студенты знакомятся с современными методами физических исследований, самостоятельно экспериментально подтверждают общие физические закономерности, на практике проверяют теоретические знания, индивидуально приобретают навыки и умения, необходимые в дальнейшей самостоятельной работе, учатся оценить полученные экспериментальные результаты.

Лабораторный практикум составлен под редакцией проф. Попкова Ю.А. и проф. Андерса А.Г.

Работы подготовлены:

№ 1, 2 – доц. Мураховский А.А.;

№ 3, 7 – доц. Палехин В.П.;

№ 5, 11 – асс. Таранова И.А.;

№ 6, 8 ‑ доц. Савченко Е.М.;

№ 9, 10 – проф. Кунцевич С.П.;

№ 13, 14, 15 – доц. Ефимова Н.Н., инж. Колпакова Л.Н.;

№ 12, 4 – пр. Куфтерина С.Р.;

№ 16, 17 – доц. Горбач В.Н.

 

Лабораторная работа №1

 

ГРАДУИРОВКА АМПЕРМЕТРА И ВОЛЬТМЕТРА

 

Цель работы – изучить важнейшие элементы электрических схем, принцип работы электроизмерительных приборов магнитоэлектрической, электромагнитной и цифровой систем. Освоить методы подключения амперметров и вольтметров в электрические схемы, освоить приёмы измерений силы тока и напряжения. Выполнить градуировку измерительного прибора по эталонному прибору. Научиться расширять пределы измерений стрелочных приборов и определять погрешности измерений.

 

Введение. Электрические измерения и электроизмерительные приборы.

Измерения представляют собой последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемых с помощью различных контрольно–измерительных приборов или других технических средств и охватывают определение параметров и характеристик исходных материалов, сред и режимов процессов. В физике, биологии, химии, геологии и различных направлениях человеческой деятельности наиболее часто производятся измерения физических величин, перечень которых приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Физические величины и пределы их измерения в лабораторных условиях.

Физическая величина, единица измерения	Пределы измерения	Физическая величина, единица измерения	Пределы измерения
Длина, м	10–9–1	Электрическая ёмкость, Ф	10–15 – 10–3
Масса, кг	10–8 – 0.6	Индуктивность, Гн	10–9 – 10–1
Время, с	10–13–103	Частота, Гц	10–2 – 1015
Сила тока, А	10–15–102	Температура, К	4 – 1.5 103
Электр. Напряжение, В	10–7–105	Давление, Па	10–10 – 103
Мощность, Вт	10–15–108	Работа выхода, эВ	0.1 – 50
Электр. Сопротивление, Ом	10–3–1015	Плотность, кг.м–3	10–1 – 103
Магнитная индукция, Тл	10–9–1	Концентрация частиц, см–3	1013 – 1019

 

Во время измерений производится сравнение измеряемой физической величины с некоторым ее значением, принятым за единицу. Электрические измерения производятся двумя способами:

– используя приборы сравнения (компенсационные и мостиковые приборы), в которых происходит сравнение электрической величины с ее эталоном;

– используя приборы непосредственной оценки, показания которых дают числовые значения измеряемой величины.

В данной работе применяются приборы первого типа. Их можно разделить на электромеханические и электронные. По способу представления измеряемого результата электроизмерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые.

Показания аналоговых приборов являются непрерывными функциями изменений измеряемой величины. В аналоговых (например стрелочных) приборах непрерывная измеряемая величина вызывает подобное ей непрерывное отклонение стрелки по шкале, т.е. величина отклонения стрелки аналогична измеряемой величине.

В цифровых приборах непрерывная измеряемая величина автоматически преобразуется в дискретную и результат измерения выдается в цифровом коде. Следует учесть, что электромеханические приборы постепенно заменяются электронными, а аналоговые – цифровыми. Любой измерительный механизм электроизмерительных приборов является преобразователем входного электрического сигнала в информационный сигнал (отклонение стрелки по градуированной шкале в электромеханических приборах).

При проведении измерений наиболее часто применяются электроизмерительные приборы, предназначенные для определения и контроля параметров как электрических, так и не электрических величин. Рассмотрим кратко принцип работа наиболее часто применяющихся в лабораториях приборов.

 

1.1 Принцип работы основных типов электроизмерительных приборов.

1.1.1 Приборы магнитоэлектрической системы.

Электроизмерительные приборы этой системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. В основу работы приборов магнитоэлектрической системы (рис.1.1) положено взаимодействие магнитного поля постоянного магнита (1,2,3) с катушкой (5), по которой протекает измеряемый ток. При этом возникает вращающий момент, приложенный к катушке, который пропорционален силе проходящего тока М ₁ ~ I. Стрелка (8), жестко связанная с катушкой, поворачивается совместно с подвижной катушкой (5). Но преобразование не ограничивается только этим взаимодействием, так как при любом токе, при отсутствии сил сопротивления, поворот катушки осуществлялся бы на максимально возможный угол. Для устранения этого катушка подвешена в магнитном поле на упругой нити (6), которая создаёт противодействующий момент сил М ₂, пропорциональный углу закручивания α ~ М ₂. Движение стрелки по шкале происходит до тех пор, пока момент противодействующих сил М ₂ не уравновесит М ₁. Благодаря этому достигается однозначность соответствия показаний прибора и входного сигнала. Равновесное положение стрелки определяется условием М ₁= М ₂.

1.1.2 Приборы электромагнитной системы.

Рис.1.2. Устройство и принцип работы электромагнитного прибора

Приборы электромагнитной системы (рис.1.2) предназначены для измерений силы тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Измерительная система электромагнитных измерительных приборов основана на взаимодействии магнитного поля измеряемого тока с одним или несколькими ферромагнитными лепестками (сердечниками). На практике используются приборы с плоской и круглой катушкой. В приборах с плоской катушкой в плоский зазор неподвижной катушки (1) при прохождении тока втягивается ферромагнитный сердечник (2), перемещающий стрелку (3). Противодействующий момент создаётся спиральной пружиной (4) или растяжками. Успокоение – воздушное с помощью крыльчатого успокоителя (5) или магнитоиндукционное – алюминиевый лепесток между полюсами постоянного магнита.

Вращающий момент, возникающий в подвижной части прибора, равен:

(1.1)

где электромагнитная энергия катушки с током I и индуктивностью L.

В цепи переменного тока сердечник перемагничивается, так что направление вращательного момента остаётся неизменным. Поэтому приборы электромагнитной системы могут работать как в цепях постоянного, так и переменного токов. Недостатком таких приборов является неравномерность шкалы, которая сильно сжата вначале и растянута в конце. Как следствие – относительно малая точность измерений по сравнению с магнитоэлектрическими приборами.

1.1.3 Приборы электродинамической системы.

Приборы электродинамической системы предназначены для измерения силы тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока. Принцип действия электродинамических приборов (рис.1.3) основан на электродинамическом взаимодействии двух или более катушек, по которым течёт измеряемый ток. Механизм электродинамического прибора состоит из неподвижной катушки (1), и подвижной катушки (2), расположенной на оси внутри неподвижной. В результате взаимодействия протекающих по катушкам токов I ₁ и I ₂ и магнитных потоков возникает вращающий момент, под действием которого катушка (2) и стрелка (3) поворачивается на угол α. Успокоение прибора чаще всего воздушное с помощью крыльчатого успокоителя (4). Противодействующий момент создаётся спиральными пружинками (5).

Вращающий момент:

(1.2)

где электромагнитная энергия двух катушек, а М₁₂ - их взаимная индуктивность.

Угол поворота пропорционален измеряемой силе тока, напряжению или мощности. Катушки в электродинамическом приборе, в зависимости от назначения, соединяются между собой последовательно или параллельно. В этом случае измерительный прибор работает как амперметр. Если последовательно к прибору подсоединить дополнительное сопротивление, то такой прибор будет работать как вольтметр. При комбинированном подключении катушек (одна последовательно, а другая параллельно) прибор будет работать как ваттметр.

 

1.1.4 Цифровые измерительные приборы.

Магнитоэлектрические и электромагнитные приборы относятся к категории стрелочных. Они объединены в группу аналоговых приборов. В настоящее время в лабораторных измерениях всё чаще используются цифровые приборы. Измеряемые с их помощью значения физических величин высвечиваются на цифровом табло.

В основу работы цифровых приборов положен принцип преобразования аналогового сигнала – силы тока или напряжения в код – последовательность импульсов с последующим пересчётом их числа с преобразованием в цифровую форму. Эти операции выполняют аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Процесс аналого-цифрового преобразования включает процедуры квантования (дискретизации) непрерывной величины по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно. При квантовании непрерывная величина преобразуется в её последовательность мгновенных значений, выделенных по определённому закону и в совокупности отображающих измеряемую величину. Ею может быть сила электрического тока, напряжение, частота или фаза. Так, для квантования по времени переменного тока его пропускают через контакты периодически включаемого реле, в результате чего образуется последовательность электрических импульсов, амплитуда которых соответствует мгновенным значениям тока в момент замыкания контактов. При кодировании выделяемые в процессе квантования мгновенные значения исходной величины измеряются и результаты фиксируются в виде цифрового кода, обычно в десятичной системе счисления.

Процессы квантования и кодирования в современных аналого-цифровых преобразователях выполняются с помощью интегральных микросхем. АЦП широко применяются в системах передачи данных, измерительно-информационных системах и автоматических регистрирующих приборах.

 

1.2 Символьные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов.

Вся информация о назначении электроизмерительного прибора, его системе, классе точности, правилах установки содержится на его шкале. В таблицах 1.2 – 1.4 даны описания символьных обозначений на шкалах электроизмерительных приборов.

В таблице 1.2 приведены обозначения принципа действия некоторых измерительных приборов, которые обычно наносятся на их шкалы.

Таблица 1.2.