Министерство Образования Российской Федерации

Московский Государственный Университет

Дизайна и Технологии

Методические указания

к лабораторным работам по разделу

физики «Электромагнетизм»

часть I

Москва, 2001

Печатается по постановлению редакционно-издательского Совета МГУДТ

Работа рассмотрена на заседании кафедры физики и рекомендована к печати.

Заведующий кафедрой, доц. /Шапкарин И.П./

Редактор: доц. Шапкарин И.П.

Авторы: проф. Васильев С.С.

доц. Гвардеева О.Н.

доц. Глаголева О.Н.

доц. Разинова С.М.

доц. Сидоров В.Г.

доц. Солдатенко М.В.

Методические указания к лабораторным работам по разделу физики "Электромагнетизм", часть I.

г. Москва. Типография МГУДТ, 2001 г.

Методические указания содержат необходимые сведения для первоначального освоения курса по разделу физики "Электромагнетизм" в высшей школе. Они включают 2 работы из электростатики и 6 работ по постоянному току. Каждая работа имеет обоснование метода измерений, рекомендации по выполнению и оформлению работы, а также контрольные вопросы для подготовки и сдачи работы.

Особое внимание уделено введению в технику электрических измерений и принципам устройств некоторых электроизмерительных приборов.

I. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНИКУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Классификация электроизмерительных приборов.

Электроизмерительные приборы классифицируются по следующим признакам:

по роду измеряемой величины - амперметры, миллиамперметры, гальванометры - для измерения сильных и слабых токов; милливольтметры -для измерения высоких и низких напряжений; омметры - для измерения электрического сопротивления резисторов; и т.д.

по классу точности - существуют приборы классов 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1;

1,5; 2,5; 4.

по принципу действия - имеются приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, индукционной и других систем.

Основные условные знаки на шкалах электроизмерительных приборов

Для характеристики основных качеств электроизмерительных приборов на шкалах приборов имеются условные обозначения, приведенные в таблице:

Условный знак на шкале	Что обозначает	Условный знак на шкале	Что обозначает
1	2	3	4
	Амперметр		Изоляция прибора испытана напряжением 2кв.
	Вольтметр		Прибор измеряет в вертикальном положении
	Омметр	60	Прибор измеряет в наклонном положении шкалы под углом 60 °.
1,5	Класс точности		Прибор измеряет в горизонтальном положении
	Магнитоэлектрическая система		Генераторный (общий) зажим прибора
	Электромагнитная система	 	Положительный зажим Отрицательный зажим
	Прибор постоянного тока		Зажим, соединенный с корпусом
	Прибор однофазного переменного тока		Зажим для заземления
	Прибор пригоден для постоянного и переменного тока
	Прибор защищен от внешнего магнитного поля		Прибор защищен от внешнего электростатического поля

Вычисление постоянной прибора, его чувствительности и погрешности измерений.

Постоянной прибора или ценой деления С его шкалы называется значение измеряемой величины, соответствующей одному делению шкалы данного прибора; она вычисляется по формуле:

(1.1)

где X_max - значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы (или предел измерения прибора);

m_max - максимальное число делений на шкале прибора.

Если прибор - многопредельный, цена деления рассчитывается для используемого предела измерений.

Пример. Амперметр с пределами измерений 1А и 5А имеет шкалу, содержащую m_max ⁼ 100 делений. Определить цену делений для этих пределов измерений, а также вычислить значение измеренного тока i, если на пределе в 5А стрелка прибора показывает 80 делений.

В соответствии с (1.1) цена деления шкалы амперметра для предела 1А равна C₁ = 1А/100 дел = 0,01 А/дел; для предела в 5А С₂= 5А/100 дел = 0,05 А/дел. Значение тока i равно: i = cm = 0,05 А/дел * 80 = 4А.

Разрешающая способность прибора характеризуется его чувствительностью.

Чувствительностью S прибора называется величина, обратная цене деления, т.е.

или (1.2)

где m - величина линейного или углового перемещения указателя,

X - соответствующая этому перемещению измеряемая величина.

Например, имеются два вольтметра с одинаковым числом деления на шкале, равным m_max = 150, причем один из них имеет предел u_max1 ⁼ 150B, другой u_max2⁼ 50B. Тогда чувствительность первого вольтметра равна S₁ = 150дел/150В = 1 дел/В, для второго вольтметра S₂ = 150дел/50В = 3 дел/В, следовательно у второго вольтметра один вольт "растянут" на три деления шкалы, у первого на одно деление, значит у второго вольтметра разрешающая способность выше.

Правила вычисления погрешностей для электрических величин такие же, как и для любых измеряемых величин, разница состоит лишь в том, что приборная погрешность оценивается по классу точности прибора, обозначаемой либо на его шкале (для амперметров и вольтметров), либо на лицевой стороне панели (для магазинов сопротивлений и конденсаторов).

Класс точности прибора показывает максимально допустимую приведенную относительную погрешность, выраженную в процентах:

(1.3)

где X_max- максимальное значение показаний прибора (предел измерения), X-максимальная допускаемая по всей шкале прибора абсолютная погрешность.

Вычислив по классу точности и пределу измерений величину X, легко подсчитать относительную погрешность E_x данного измерения величины X:

(1.4)

Примечание. При определении абсолютной погрешности сопротивления, набранного на магазине, в качестве X_max=R_max берется величина выбранного сопротивления, т.е. R=R_max.

Пример. Пусть вольтметром с пределом измерения 100В, имеющим класс точности 1,5, произведены два измерения напряжения: u₁= 10В и u₂= 75В. Требуется рассчитать абсолютную и относительную погрешности каждого

измерения.

Из (1.3) следует, что при измерении любого напряжения в пределах 0 - 100В максимальная абсолютная погрешность равна:

Следовательно, относительная погрешность первого измерения в соответствии с (1.4) равна

Относительная погрешность второго измерения равна

;

Из рассмотренного примера видно: относительная погрешность тем меньше, чем ближе измеряемая величина к пределу измерения. Поэтому диапазон измерений многопредельного прибора нужно выбирать так, чтобы работать на правой половине шкалы.

Кроме того, из (1.3) следует, что меньшему значению класса точности прибора у соответствует и меньшая абсолютная погрешность X прибора или большая точность измерения, поэтому приборы классов точности 0,05; 0,1; 0,2 являются прецизионными и используются для особо точных измерений; приборы класса точности 4 называются внеклассовыми.

Контрольные вопросы:

1.Что такое класс точности прибора, абсолютная и относительная погрешность? Как их рассчитать?

2.Как выбрать оптимальный предел измерения многопредельного прибора, чтобы относительная погрешность была минимальна?

З.Что такое цена деления и чувствительность прибора, какова их связь?