Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»

Электростатика и постоянный электрический ток

Лабораторные работы

Методическое пособие для студентов

Великий Новгород

2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯРОСЛАВА МУДРОГО»

Электростатика и постоянный электрический ток

Лабораторные работы

Методическое пособие для студентов

ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД

2014

УДК 53 (0765) Печатается по решению РИС НовГУ

Рецензент

Электростатика и постоянный электрический ток. Лабораторные работы. Методическое пособие для студентов /Сост. З.С. Бондарева, Р.П. Воронцова, И.А. Гессе, Г.Е. Коровина, В.Д. Лебедева, Н.А. Петрова, Н.П. Самолюк. - НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2014. – 156с.

Сборник лабораторные работы по разделу «Электростатика и постоянный электрический ток». Сборник лабораторных работ подготовлен на основе ранее изданных сборников «Электростатика и постоянный ток: Лаб. раб. /Сост.: Р.П. Воронцова, Г.Е. Коровина, В.Д. Лебедева, Н.А. Петрова; НПИ, 1990, 92 с» и «Электричество: Руководство к лабораторным работам для студентов ФМФ /Сост.: И.А. Гессе; Новгород, 1992. – 115 с.». Материалы пособия предназначены для использования при изучении общей физики студентами различных специальностей, так как в пособие включены лабораторные работы разного уровня сложности. Материал пособия может быть использован для самостоятельной работы студентов. Выбор конкретных лабораторных работ для студентов разных специальностей определяется преподавателем в зависимости от образовательного стандарта. В пособие включены вопросы для проверки знаний по каждой лабораторной работе. Рассматриваются основные понятия, методика и порядок выполнения лабораторной работы, а также правила техники безопасности. Материал лабораторных работ изложен подробно, с необходимыми подробными выводами, что обеспечивает доступность для понимания студентами. Поэтому сборник может быть использован студентами дистанционного обучения.

Сборник предназначен для студентов всех специальностей дневной и заочной формы обучения.

УДК 53 (0765)

©Новгородский государственный

университет, 2014

© З.С. Бондарева, Р.П. Воронцова, И.А. Гессе, Г.Е. Коровина, В.Д. Лебедева, Н.А. Петрова, Н.П. Самолюк.

составление, 2014

Содержание

Стр.

Предисловие…………………………………………………………………. 5

1. Лабораторная работа №1.

Основные элементы электрической цепи.

Электроизмерительные приборы и их характеристики……………………… 6

2. Лабораторная работа №2

Шунты и добавочные сопротивления………………………………………….24

3. Лабораторная работа №3

Исследование электростатического поля………………………………. 31

4. Лабораторная работа №4

Градуировка электростатического вольтметра………………………………..46

5. Лабораторная работа №5

Определение электроемкости конденсаторов…………………………………53

6. Лабораторная работа №6

Измерение омических сопротивлений с помощью амперметра

и вольтметра…………………………………………………………………….71

7. Лабораторная работа №7

Измерение сопротивлений проводников методом мостиковой схемы……...80

8. Лабораторная работа №8

Измерение электродвижущей силы (ЭДС) источника тока

методом компенсации…………………………………………………………...89

9. Лабораторная работа №9

Исследование электрической цепи постоянного тока………………………100

10. Лабораторная работа №10

Изучение процессов заряда и разряда конденсатора

и определение его электроемкости……………………………………………107

11. Лабораторная работа №11

Измерение термоэдс с помощью потенциометра…………………………….124

12. Лабораторная работа №12

Определение работы выхода электрона из металла

по вольт-амперным характеристикам электронной лампы………………….139

13. Лабораторная работа №13

Определение работы выхода электрона из металла методом

компенсации охлаждения нити………………………………………………. 149

Литература…………………………………………………………………….. 156

Предисловие

Изучение курса физики студентами любой специальности, государственный образовательный стандарт которой включает изучение физики, невозможно без выполнения работ физического практикума. Это определяется особенностью данной учебной дисциплины, а также возможностями физического практикума помочь студентам не только увидеть явления, но и на опытах исследовать их характеристики и закономерности. Кроме того, выполнение работ физического практикума позволяет формировать навыки в проведении экспериментов и измерений.

Современные образовательные стандарты направлены на самостоятельную работу студентов. Это требует такой организации физического практикума, при которой каждый студент имеет свой индивидуальный набор лабораторных работ. При такой организации физического практикума темы лабораторных занятий могут значительно опережать лекционный материал. Поэтому в описание лабораторных работ включен теоретический материал, которым могут воспользоваться студенты наряду с учебниками по общей физике.

Чтобы обеспечить контроль студентов при допуске к лабораторной работе и при защите лабораторной работы, в каждой лабораторной работе приводится список вопросов для самопроверки.

В описание некоторых лабораторных работ включено описание приборов, которые используются при измерениях. Это позволяет студенту увидеть некоторые особенности приборов и возможности их использования, которые не указаны в его паспорте.

В данный сборник включена описания лабораторных работ физического практикума по разделам «Электростатика» и «Постоянный электрический ток». Пособие может быть использовано студентами всех специальностей, изучающих физику. Такая возможность связана с тем, что в пособие включены лабораторные работы разного уровня сложности. Пособие может быть использовано студентами всех форм обучения (Очное обучение, заочное обучение, очно – заочное обучение, дистанционное обучение).

При подготовке к каждой лабораторной работе студенты могут использовать учебники из списка литературы, приведенного в пособии, а также из других учебников и пособий по разделу «Электричество и магнетизм». Все указанные в списке литературы учебники имеются в Интернете в свободном доступе, а также на кафедре общей и экспериментальной физики университета.

Лабораторная работа №1

Основные элементы электрической цепи. Электроизмерительные приборы и их характеристики

Цель работы:

1. Изучить основные элементы электрической цепи и их характеристики.

2. Изучить электроизмерительные приборы и их характеристики.

3. Приобрести навыки определения абсолютной и относительной погрешности при измерениях с помощью электроизмерительных приборов.

1. Основные понятия и закономерности

   1. Основные элементы электрической цепи

Электрическим током называется направленное движение электрических зарядов. Для того чтобы существовал электрический ток необходимо наличие свободных зарядов, наличие источника тока и наличие замкнутой цепи. Электрический ток производит тепловое, химическое и магнитное действия. Для того чтобы исследовать законы электрического тока, необходимо проводить измерения. Поэтому основными элементами электрической установки являются источники тока, потребители тока, электроизмерительные приборы и различного рода ключи и переключатели. Все элементы цепи с помощью проводников с малым сопротивлением соединяются в замкнутую цепь с учетом правил использования каждого элемента.

Самыми простыми источниками тока являются гальванические элементы, батарейки, аккумуляторы. Чаще всего, в лабораториях используется электрическая сеть лаборатории, напряжение от розеток которой подается на необходимые для каждой работы устройства. Так для получения постоянного тока используются различного рода выпрямители, а для получения переменного тока используются различного рода трансформаторы. При изображении электрических схем вводятся обозначения источников тока, представленные на рисунке 1. Здесь на рисунке 1а представлено изображение источника переменного тока, а на рисунках 1б и 1в даны изображения источника постоянного тока.

Рис. 1

Потребителями тока являются различного рода электронагревательные приборы, электродвигатели, электролитические ванны и другие. В условиях выполнения лабораторных работ потребителями электрического тока будут реостаты, реохорды, магазины сопротивлений, отдельные резисторы, конденсаторы и другие устройства, которые представляются в каждой конкретной лабораторной работе.

Реостаты, реохорды, магазины сопротивлений могут быть использованы при измерении сопротивлений потребителей тока, сопротивления цепи. Часто в электрических схемах используются реостаты со скользящим контактом. На рисунке 2 изображен реостат со скользящим контактом.

Рис. 2

Такой реостат представляет собой цилиндр из изоляционного материала 1, на который намотана проволока с большим удельным сопротивлением 2. Витки проволоки плотно прилегают друг к другу. Однако ток между ними не идет, так как проволока покрыта тонким слоем окалины, которая является хорошим изолятором. В местах скольжения движка D слой окалины устранен. Полное сопротивление реостата и допустимый ток указываются на корпусе реостата или на движке D. В электрическую цепь реостат включают, подключая его к клеммам A и C или B и C. Такой реостат можно использовать как делитель напряжения – потенциометр. В этом случае источник тока подключают к клеммам A и B, а потребитель тока подключают к клеммам A и C или B и C.

Реохорд представляет собой проволоку с одинаковой площадью поперечного сечения и одинаковым удельным сопротивлением. Схематично реохорд изображен на рисунке 3. Проволока натянута между двумя клеммами A и B, укрепленными на линейке. Вдоль проволоки скользит контакт D. Схематическое изображение реостата и реохорда показано на рисунке 4.

Рис. 3

Рис. 4

Реостаты и реохорды позволяют плавно изменять сопротивление цепи. Магазины сопротивлений позволяют изменять сопротивление цепи скачками. Магазин сопротивлений представляет собой набор катушек разного сопротивления, смонтированных в одном корпусе. Магазины сопротивлений бывают штепсельными и декадными. В лабораторных работах чаще используются декадные магазины сопротивлений. Схематическое изображение магазинов сопротивлений показано на рисунке 5.

Рис. 5

Изменить ток в цепи можно не только изменением сопротивления, но и изменением напряжения. Для этого используются потенциометры и автотрансформаторы. Эти приборы позволяют изменять напряжения от нуля до некоторой величины, которая определяется характеристиками источника тока. Потенциометром может служить реостат. Включение в цепь реостата как потенциометра схематично изображено на рисунке 6.

Рис. 6

Источник тока подключают к клеммам A и B, а напряжение на нагрузку U_н снимается с одной из крайних клемм и ползунка D. Тогда, например .

В цепях переменного тока вместо потенциометра используют автотрансформатор, схема которого изображена на рисунке 7. В автотрансформаторе часть обмотки является и первичной и вторичной _ участок BD. Перед включением автотрансформатора в сеть надо внимательно выяснить порядок расположения его клемм на панели.

Рис. 7

2. Электроизмерительные приборы. Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительные приборы позволяют измерять различные характеристики электрического тока и тех объектов, по которым проходит электрический ток. В настоящее время используется большое количество разнообразных электроизмерительных приборов. Поэтому важной частью изучения электроизмерительных приборов является классификация таких приборов. Так как электроизмерительные приборы имеют много характеристик, то их можно классифицировать по различным признакам. Большинство электроизмерительных приборов можно классифицировать по следующим признакам:

• принципу действия;

• роду измеряемой величины;

• методу измерения;

• роду тока;

• степени точности.

Существует два метода измерений с помощью электроизмерительных приборов. По методам измерения электроизмерительные приборы на приборы, которые работают на основе этих методов:

1. Метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величина.

2. Метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов.

Классификация электроизмерительных приборов по роду измеряемой величины:

• Приборы для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры);

• Приборы для измерения силы тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры);

• Приборы для измерения мощности электрического тока (ваттметры);

• Приборы для измерения электрической энергии (электрические счетчики);

• Приборы для измерения угла сдвига фаз (фазометры);

• Приборы для измерения частоты электрического тока (частотомеры);

• Приборы для измерения сопротивлений (омметры).

По роду тока электроизмерительные приборов классифицируются следующим образом:

• Приборы для измерений в цепи постоянного тока;

• Приборы для измерений в цепи переменного однофазного тока;

• Приборы для измерений в цепях постоянного и переменного тока;

• Приборы для измерений в цепях переменного трехфазного тока.

По степени точности приборы подразделяются на следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0. Класс точности не должен превышать приведенной относительной погрешности прибора, которая определяется по формуле:

(1)

Здесь — показания поверяемого прибора; — показания образцового прибора; — максимальное значение измеряемой величины (предел измерения).

По принципу действия различают системы электроизмерительных приборов. Приборы одной системы обладают одинаковым принципом действия. Существуют следующие основные системы измерительных приборов:

• Магнитоэлектрическая система;

• Электромагнитная система;

• Электродинамическая система;

• Индукционная система.

В лабораторных работах чаще всего используются приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем. В основе принципа действия всех этих приборов лежит магнитное действие тока.

Принцип действия магнитоэлектрических приборов (Рис. 8) основан на взаимодействии поля постоянного магнита 1 и проводника в виде рамки 2, расположенной на стальном сердечнике 4, по которым протекает измеряемый ток I. Магнитное поле поворачивает рамку, по которой течет электрический ток, а значит, создает вращающий момент, под действием которого рамка и вместе с ней цилиндр повернутся на угол. Направление вращающегося момента, определяемое по правилу левой руки, и изменяется, если ток меняет свое направление, поэтому на клеммах прибора обязательно указывается полярность (+ и -) для правильного включения прибора. Вращающий момент пропорционален силе тока в рамке и определяется формулой:

(2)

Здесь - сила тока в рамке, - постоянный для данной рамки коэффициент, который зависит от площади рамки и от числа витков в рамке.

Поскольку стрелка 3 измерительного прибора жестко связана с осью рамки, стрелка прибора начинает перемещаться. Тогда спиральная пружина 5, в свою очередь, вызывает противодействующий момент. Величина этого момента пропорциональна углу закручивания спирали или углу поворота стрелки и определяется формулой:

(3)

Момент при определенном угле поворота уравновешивается противодействующим моментом создаваемым пружиной 5. Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве этих моментов:

(4)

Подставляем формулы (2) и (3) в формулу (4) и получаем:

(5)

Величина (6) для данного прибора, то, подставив формулу (6) в формулу (5) получаем, что сила тока, протекающего по рамке, будет определяться только углом поворота стрелки:

(7)

Так как сила тока в рамке пропорциональна углу поворота стрелки, то измерительная шкала такого прибора будет равномерной шкалой.

К достоинствам приборов данной системы относятся высокая точность измерений; равномерная шкала; незначительное потребление энергии; малая чувствительность к посторонним (наведенным) магнитным полям.

К недостаткам приборов данной системы относится необходимость применения специальных преобразователей для измерений в цепях переменного тока, чувствительность к перегрузкам, сложность конструкции.

Класс точности магнитоэлектрических приборов 0,5-1,5. Чаще всего они применяются для измерения напряжения, тока и сопротивления в цепях постоянного тока. Условное обозначение прибора магнитоэлектрической системы показано на рисунке 8 в правом нижнем углу.

Условное обозначение прибора

Рис. 8

Приборы электромагнитной системы имеют наиболее простую конструкцию (Рис. 9). Для создания вращающегося момента используется силовое действие магнитного поля неподвижной катушки 1 на подвижный ферромагнитный сердечник 2. Под влиянием магнитного поля, созданного измеряемым током I, магнитный сердечник 2 втягивается в катушку, поворачивая ось 3 с указательной стрелкой 4.

Индукция магнитного поля катушки, по которой течет ток, пропорциональна силе тока. Магнитное поле ферромагнитного сердечника зависит от индукции внешнего магнитного поля, то есть также зависит от силы тока в катушке. Это значит, что момент сил, втягивающих сердечник в катушку, будет пропорционален квадрату силы тока в катушке:

(8)

Здесь - постоянный для данного устройства стержня и катушки коэффициент, который зависит от рода материала стержня, от числа витков в катушке, от площади поперечного сечения катушки.

Втягиваясь в катушку с током, стержень закручивает пружину 5, на которую укрепляется стрелка прибора 4. Закручивающаяся пружина создает упругий момент, который пропорционален углу закручивания пружины или углу поворота стрелки прибора. Этот момент определяется известной формулой:

(9)

Действия этих моментов противоположны, поэтому в некоторый момент времени наступит состояние равновесия, при котором стрелка остановится. В таком состоянии втягивающий стержень момент сил и момент упругих сил будут равны, то есть:

(10)

Так как угол отклонения стрелки прибора прямо пропорционален квадрату силы тока, то шкала такого прибора будет неравномерной шкалой. Поскольку шкала неравномерная, измерения, проводимые в начале шкалы, имеют либо очень большую погрешность, либо вообще невозможны (сектор [0  0,3] - так называемая “зона нечувствительности” данного прибора).

Так как с изменением направления тока изменяется и направление индукции магнитного поля, и полярность намагничивания сердечника, то прибор пригоден для измерения, как в цепях постоянного тока, так и переменного тока.

К достоинствам электромагнитных приборов относится простота конструкции и низкая стоимость; пригодность для работы в цепях постоянного и переменного токов; надежность и устойчивость к перегрузкам.

Недостатки таких приборов проявляются в низкой точности и чувствительности, так как магнитный поток большую часть пути проходит по воздуху; в большом собственном потреблении энергии; в зависимости показаний от внешних магнитных полей; в неравномерности шкалы.

Класс точности приборов данной системы не выше 1,5. Условное обозначение прибора электромагнитной системы показано на рис. 9 в правом нижнем углу.

Условное обозначение прибора

0

Рис. 9

Принцип действия приборов электродинамической системы (рис. 10) основан на взаимодействии двух катушек 1 и 2, по которым протекают измеряемые токи и . Измерительный механизм состоит из двух катушек: неподвижной 1 и подвижной 2. Подвижная катушка 2, находящаяся внутри неподвижной 1, закреплена на оси 3. Ток к подвижной катушке подходит через спиральные пружины 4, которые также предназначены для создания противодействующего момента .

Индукция магнитного поля первой катушки с током пропорциональна силе тока , протекающего по этой катушке. Вращающий момент, действующий на подвижную катушку, пропорционален индукции магнитного поля, созданного в неподвижной катушке, и силе тока в подвижной катушке .

Тогда вращающий момент, действующий со стороны магнитного поля неподвижной катушки на подвижную катушку, пропорционален силе тока в неподвижной катушке и силе тока в подвижной катушке и определяется формулой:

(11)

Здесь постоянный для данных катушек коэффициент, который зависит от числа витков в каждой катушке, от площади поперечного сечения каждой катушки, от длины каждой катушки.

При повороте подвижной катушки спиральная пружина 4 закручивается. При этом возникает момент упругих сил, который пропорционален углу закручивания спиральных пружин или углу поворота связанной с ними стрелки прибора. Момент упругих сил определяется известной формулой:

(12)

Стрелка прибора останавливается, когда вращающий момент и момент упругих сил будут равны, то есть:

(13)

Из формулы (13) следует, что угол отклонения стрелки прибора пропорционален произведению токов. Это означает, что шкала такого прибора будет неравномерной.

В зависимости от способа соединения катушек между собой данные приборы можно использовать для измерения силы тока, напряжения и мощности, то есть такие приборы могут использоваться как амперметры, вольтметры или ваттметры.

Условное обозначение прибора

прибора

Рис. 10

Достоинствами электродинамических приборов являются высокая точность, обусловленная отсутствием стальных сердечников; способность работать на постоянном и переменном токе.

Недостатками следует считать сравнительно низкую чувствительность; зависимость показаний от внешних магнитных полей; опасность перегрузок; большую мощность потерь; относительно высокую стоимость из-за сложной конструкции; неравномерность шкалы при измерении тока и напряжения.

Класс точности приборов данной системы: 0,1; 0,2; 0,5. Условное обозначение прибора электродинамической системы показано на рис. 10 в правом нижнем углу.