Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

электричество и магнетизм

Физика 4

Методические указания

к лабораторным работам по физике

для студентов всех специальностей

Одобрено

Редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2010

ВВЕДЕНИЕ

Данное издание является учебно-методическим пособием по физическому практикуму № 4 «Электричество и магнетизм. Физика 4» кафедры «Прикладная физика» СГТУ. В пособии содержится описание лабораторных работ, соответствующих программе курса общей физики для технических университетов.

При подготовке и в процессе выполнения лабораторных работ перед студентами ставится задача усвоения теоретического материала и изучения на опыте основных физических явлений и законов раздела общей физики «Электричество и магнетизм», а также приобретения навыков обращения с измерительными устройствами и умение проводить оценку погрешностей результатов эксперимента.

Описание каждой лабораторной работы содержит основные теоретические сведения, описание установки, порядок выполнения измерений и порядок обработки результатов, которые достаточно полно охватывают необходимый для подготовки материал. В приложении дано краткое описание стандартных методик расчёта погрешностей прямых и косвенных измерений, суммирования случайной и приборной погрешностей и метод обработки прямых экспериментальных зависимостей – метод наименьших квадратов. В конце методического пособия приведена литература для более подробного изучения теоретических вопросов и теоретических основ расчёта погрешностей эксперимента.

1. Электроизмерительные приборы

Цель работы:знакомство с физическими принципами работы и устройством электроизмерительных приборов, определение приборной погрешности измерений, градуировка электроизмерительных приборов, расширение пределов измерения напряжений и токов.

Основные теоретические сведения

Электроизмерительные приборы предназначены для измерения электрических величин: силы тока, напряжения, мощности, количества электричества, сопротивления и других величин.

Рис. 1.1. Устройство магнитоэлектрического прибора

Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называются аналоговыми. Примером аналоговых приборов являются стрелочные приборы, в которых угол поворота подвижной части прибора является функцией, изменяющейся измеряемой величины. По способу создания вращающего момента электромеханические приборы разделяют на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические.

В магнитоэлектрических приборах вращающий момент создаётся в результате взаимодействия постоянного магнита и магнитного момента рамки с током (рис. 1.1).

При протекании измеряемого тока по обмотке рамки 1, намотанной на цилиндр 2 и помещённой между полюсными наконечниками 3 постоянного магнита 4, возникает момент сил Ампера, поворачивающий рамку до тех пор, пока момент магнитных сил не уравновесится моментом упругих сил, действующих со стороны пружинок 5 на рамку. На шкале такого устройства помещают значок, изображённый на рис. 1.1.

Получим зависимость между углом поворота и силой токаІ, протекающего по её проводам. Вращающий моментМмагнитных сил определяется по формуле

, (1.1)

где – потенциальная энергия рамки с током в магнитном поле,–магнитный поток, пронизывающий рамку с током.

Поток вектора магнитной индукции Вчерез рамку находится

по формуле:

, (1.2)

где S– площадь рамки,– число витков обмотки рамки. Подставляя (1.2) в (1.1) и дифференцируя, получим

. (1.3)

Противодействующий момент в приборах магнитоэлектрической системы создаётся с помощью упругих элементов, которые при повороте подвижной части закручиваются, создавая противодействующий механический момент по закону

, (1.4)

где – удельный противодействующий момент, зависящий только от свойств упругого элемента. Из условия равновесия следует. Приравнивая выражения (1.3) и (1.4), получим

. (1.5)

Рис. 1.2. Устройство электромагнитного прибора

Из (1.5) видно, что угол поворота, при котором рамка останавливается, пропорционален величине тока, текущего по проводам рамки. Поэтому шкала приборов магнитоэлектрической системы равномерная.

Приборы этой системы используются для измерения постоянного тока и постоянного напряжения.

В приборах электромагнитной системы (рис. 1.2) вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки 1, по обмотке которой протекает измеряемый ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками 2, которые обычно составляют подвижную часть механизма. Момент упругих сил создаётся пружиной 3.

Вращающий момент сердечника обусловлен электромагнитной энергией, сосредоточенной внутри катушки

, (1.6)

где – индуктивность катушки,– ток в обмотке катушки. Подставляя выражение (1.6) в формулу (1.1) и дифференцируя, получим:

. (1.7)

Приравнивая противодействующий момент (1.4) и вращающий (1.7), находим

. (1.8)

Из полученного выражения следует, что угол отклонения подвижной части системы не зависит от направления тока. Следовательно, приборы электромагнитной системы могут применяться как в цепях постоянного, так и переменного тока. Эти приборы имеют неравномерную шкалу, так как в выражении (1.8) между величинами инет прямо пропорциональной зависимости. Степень неравномерности шкалы может корректироваться выбором формы ферромагнитного сердечника.

Принцип работы электродинамических приборов заключается во взаимодействии подвижных и неподвижных контуров с токами. Контуры изготавливают в виде катушек круглой или прямоугольной формы. Изображение основных частей прибора представлено на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Устройство электродинамического прибора

Внутри неподвижной катушки 1 вращается подвижная катушка 2. Ток к катушке 2 подводится через пружины или растяжки 3, которые создают противодействующий момент. В отсутствии тока ось катушки 2 перпендикулярна к оси неподвижной катушки 1. Вращающий момент, действующий на катушку 2, можно определить по формуле

, (1.9)

где – число витков в катушке 2,– её площадь,– сила тока в ней,– угол её поворота из положения равновесия,– магнитная индукция катушки 1, содержащейвитков на единицу длины. С учётом выражений (1.4) и (1.9) находим

. (1.10)

Для малых углов можно принять, что, т.е.– измерительный механизм электродинамической системы является множительным устройством, где– постоянная величина для данного прибора. Следовательно, шкала электродинамического прибора неравномерная, но он пригоден для измерения как постоянных, так и переменных токов.

Приборы электродинамической системы можно использовать для измерения электрической мощности. Для этого обмотку неподвижной катушки 1 следует включить параллельно участку цепи, а подвижную катушку 2 последовательно. Тогда ток в неподвижной катушке и индукция её магнитного поля пропорциональны не силе тока в цепи, а напряжению, следовательно

, (1.11)

Рис. 1.4. Устройство прибора электростатического типа

где – сопротивление проводов неподвижной катушки,– измеряемая мощность.

Принцип работы приборов электростатического типа заключается во взаимодействии заряженных неподвижных 1 и подвижных 2 пластин (рис. 1.4). Стрелка прибора останавливается тогда, когда электростатическая сила, действующая на подвижные пластины, уравновешивается силой, действующей на этот электрод со стороны пружины 3.

Такие приборы измеряют постоянные и переменные напряжения и имеют неравномерную шкалу.

В устройстве всех стрелочных электроизмерительных приборов имеются корректоры, позволяющие вывести показания стрелки на нуль в отключенном состоянии прибора, а также демпферы 4 (на рис. 1.2, 1.3), гасящие быстрые колебания стрелки, возникающие при измерении.