Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эталоны физических величин. Учебное пособие
.pdf
Ватт-весы представляют собой «остроумное» устройство,
=
предложенное в качестве замены ампер-весов. В этом устройстве
пространственное распределение магнитного поля катушки не
вычисляется, а измеряется в ходе того же эксперимента, что и сила
взаимодействия катушек.
Принцип работы ватт-весов состоит в следующем (рис. 3):
если поместить проводящую рамку в перпендикулярное к ее
плоскости магнитное поле, а затем изменять площадь сечения рамки,
например, двигая одно из ее ребер и зафиксировав положения
остальных, то из-за изменения магнитного потока через рамку Ф в ней
возникнет ЭДС U = dФ/dt. Связь скорости ребра и ЭДС выражается
равенством U = (dФ/dz)·(dz/dt) = (dФ/dz)ν. ЭДС в рамке равна
падению напряжения, в разрыве образующего рамку проводника,
которое и измеряется в этой фазе эксперимента.
Если в той же рамке в тех же условиях поддерживать ток I, то
на подвижное ребро рамки будет действовать сила F = (dФ/dz)I.
Умножив эту силу на скорость, определенную в первой фазе
эксперимента, получаем
IUFv
. (12)
В левой части равенства находится механическая мощность,
необходимая для перемещения тела со скоростью u под действием
силы F, а в правой – электрическая мощность, равная произведению
поддерживавшейся в первой фазе эксперимента ЭДС в рамке на ток,
протекавший через рамку во второй фазе. Первую фазу эксперимента
можно трактовать как измерение параметра dФ/dz, а вторую – как
«взвешивание» тока с помощью ампер-весов, в которых коэффициент,
связывающий силу и ток, не рассчитывается, а уже независимо
измерен. Однако измерить ток в единицах СИ в этом эксперименте
можно лишь в том случае, если независимым способом уже
определена единица какой-либо другой электрической величины.
Если, например, с помощью расчетного конденсатора определен
размер единицы электрического сопротивления, то согласно закону
Ома напряжение можно выразить через ток и сопротивление.
71
Рис. 3 – Две фазы измерений с помощью ватт-
весов
весов можно
механическую и электрическую мощности, а если
определена единица электрического сопротивления
весы могут служить
ампера. Через ватт и
ампер и ом) можно выразить вольт и другие единицы электрических
электрических
Эталоны, которые воспроизводят единицу измерения
образцовые
Меры, утвержденные в качестве образцовых, предназначаются
поверки и градуировки рабочих средств измерений. Рабочие
По наименованию воспроизводимой единицы меры
и электрического напряжения; меры электриче
противления; меры электрической емкости; меры индук
взаимной индуктивности; меры магнитной индукции; меры
ров величины
боры мер.
ческой величины
воспроизводят (плавно или дискретно)
одной и той же физической величины. Широкое применение
емкости и индуктивности, обеспечивающие
В качестве образцовой меры э.д.с. используют
элементы (НЭ). НЭ представляют собой источник химической
ного обратимого гальванического
с точно известной э.д.с. Обратимость гальванического
ция
Таким образом, с помощью ватт-
расчетного конденсатора, то ваттединицы электрического тока СИ –
величин СИ.
Практическое измерение некоторых
вают мерами. По назначению меры делят на
служат для измерений.
.
-
и рабочие.
меры э.д.с. ил
тивности и
го потока. По количеству воспроизводимых разме
делят на однозначные и многозначные и на
Однозначные
меры воспроизводят одно значение физи
значные меры
магазины сопротивлений,
ряд дискретных значений.
Измерение э.д.с. и электрического напряжения.
гии, состоящий из стабиль
ключается в том, что при его разряде химическая реак
72
ского со-
о-
Много-
р-
а-
одном направлении, а при заряде -
в обратном. Выпускают
насыщенные
мости от концентрации водного раствора сернокислого
) состоит
образного стеклянного сосуда, заполненного определенными
ствами. Верхние концы сосуда запаяны, а в нижние впаяны
Насыщенный нормальный элемент Вестона
Положительным электродом насыщенного нормального
амальгама кадмия
пространство заполнено в следующем порядке: ртуть
Катодное
88
5. Средние части 6 обоих
заполнены насыщенным раствором сульфата кадмия,
сталлы сульфата
ния электролита 6.
ский, деревянный или пластмас
ными зажимами, к которым
С лежат
82 насы
ности: 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002;
пускаемым
на 2, 5, 10, 20, и 50 мкВ. Наибольший
ные элементы двух типов – насыщенные и не
пользуемого в качестве электролита.
Насыщенный нормальный элемент (рис. 4
новые проволочки – контакты.
ь-
и-
с-
-
-
-
Рис. 4 –
мента является ртуть, а отрицательным –
ртути – 2, кристаллы сульфата кадмия – 3.
состоит из амальгамы кадмия – 4 (10-12% кадмия и
кристаллов сульфата кадмия –
избыток кристаллов CdSO4·8/3Н2О. Кри
обеспечивают сохранение насыще
элемент заключен в металличе
кожух с хорошо изолирован
ются проводники от электродов.
Значения э.д.с. насыщенного НЭ при 20
0
Е20 = 1,018540 – 1,018730 В. Согласно ГОСТ 1954-
могут иметь один из классов точ
0,005. Эти значения соответствуют наибольшим до
нениям э.д.с. за 1 год –
73
е-
ное
– 1, сульфат
странство
-90% ртути) и
ространств
совый
я-
зоне
щенные НЭ
е-
о-
торый можно пропускать через насыщенный НЭ, определяется временным режимом работы и зависит от класса точности элемента. Согласно ГОСТ 1954-82 наибольший допустимый ток лежит в диапазоне
от 0,002 до 1 мкА. Если температура НЭ отличается от 200С, то изменение э.д.с. следует учитывать по формуле
Et = E20 – 40,6·10-6(t-20) – 0,95·10-6(t-20)2 + 0,01·10-6(t-20)3 ,
где Et – э.д.с, В, при температуре t, 0C; Е20 – э.д.с., В, при температуре
200С, указанная в паспорте НЭ. Внутреннее сопротивление насыщен-
ных НЭ составляет 500-2000 Ом.
Ненасыщенные НЭ отличаются от насыщенных тем, что в них
применяется ненасыщенный раствор сульфата кадмия, который не
содержит кристаллов CdSO4·(8/3)Н2О при температуре выше 40С.
Воспроизводимость и стабильность значения э.д.с. ненасыщенных НЭ
ниже, чем насыщенных.
Конструкция ненасыщенных нормальных элементов аналогична конструкции насыщенных. Ненасыщенные НЭ выпускаются с
классами точности 0,002; 0,005; 0,01 и 0,02. Это соответствует допустимым изменениям э.д.с. на 20, 50, 100 и 200 мкВ в год. Э.д.с. ненасыщенных НЭ лежит в диапазоне Е = 1,018800 − 1,019600 В и незначи-
тельно зависит от температуры (не более 0,0002% на 1 К). Внутреннее
сопротивление 300-600 Ом. Вследствие пониженных требований к
точности воспроизведения значения э.д.с. ненасыщенных нормальных
элементов их максимальный ток больше, чем у насыщенных, и составляет 100 мкА. При работе с НЭ следует оберегать их от тряски,
перегрева и воздействия сильного света. Эти требования менее жестки для ненасыщенных НЭ, поэтому они нашли широкое применение в
переносных средствах измерения.
В качестве рабочего образцового напряжения в последнее время широко применяют стабилизированные источники со стабилитронами.
Измерение электрического сопротивления.
Мерами электрического сопротивления называют образцовые
резисторы, если они сконструированы, изготовлены для этой цели и
прошли государственную поверку. Все другие резисторы называют
измерительными. Они также могут быть использованы в качестве образцовых резисторов более низкого порядка, если имеют соответствующее свидетельство о государственной поверке. Предполагается,
что они удовлетворяют минимальным требованиям к точности и стабильности.
74
Образцовые резисторы изготавливают из манганина
ганин –
сплав из 84% меди, 12% марганца и 4% никеля
большое удельное электрическое сопротивление, малый
и малую термо
Ом
манганиновую проволоку
Образцовые резисторы могут иметь класс точности
Ом
показан внешний вид образцового резистора
фарфоровый каркас 1 наматывается
манганиновой проволоки, концы которой припаивают к
4. Каркас катушки крепится к корпусу с отверстиями для
лаждения обмотки. В некоторых конструкциях каркас
кость
турный коэффициент – порядка 1·10-5 К-1
медью. Для резисторов сопротивлением от 10-4 до 10-2
листовой манганин, 10-1-102 –
бифилярно, а для 103-105 Ом – по Шаперону (рис. 5).
-
а-
-э.д.с. в паре с
применяют
, намотанную
Рис. 5 – Способы намотки резисторов:
а) бифилярная; б) по Шаперону
до 0,1 при номинальном сопротивлении от 10-5 до 1010
На рис. 6
таллический или
трансформаторным маслом, что повышает влагостой
улучшает условия теплоотдачи обмотки.
75
е-
мам 3 и
х-
Рис. 6 – Образцовый резистор (тип Р 321)
Катушки снабжаются четырьмя зажимами, два из
зывают токовыми (зажимы 4) и предназначены для включения
потенци
для из
дения напряжения на сопротивлении катушки. Образцо
из манганина могут быть нагружены в воздухе до 1 Вт
При работе в цепях переменного тока существенную
желательную) роль может играть реактивность резистора
и собственной емкостью
полное сопротивление образцового резистора приближенно
характеризует степень реактивности
Её
применяют
Магазины сопротивлений являются образцовыми
переменным значением сопротивлений. Применяемые
катушки сопротивлений имеют простую бифилярную намотку
газинах сопротивлений, изготовляемых для измерений с
точностью в цепях переменного тока, для уменьшения
времени катушек применяют более сложные намотки. Во
чаях магазины сопротивлений используют в качестве реостатов
жения
соба переключения
цовой катушки в цепь тока, два других называются
(зажимы 3). Потенциальные зажимы предназначены
ванне – до 4 Вт.
ленная её индуктивностью L0
вается формулой
Z = R + jw(L0 - R2C0).
Отношение t = (L0 - R2C0)/R
зистора. Величина t называется постоянной времени.
жит в пределах 10-8-10-5 с. Чтобы уменьшить t
альные виды намотки (см. рис. 5).
а-
з-
альными
мерения па-
вые резисторы
а в масляной
-
-
C0. При этом
-
(13)
ре-
е-
-
а-
вышенной
стоянной
у-
потенциометров для регулирования тока или напря
ных электрических цепях. В зависимости от спо
76
аломощ-
сопротивлений магазины делятся на штепсельные и рычажные.
Штепсельные имеют набор катушек сопротивлений, соединенных последовательно (рис. 7).
Каждая катушка подсоединяется к латунным пластинам, которые можно соединять между собой с помощью штепселей – конических стержней, вставляемых в специальные гнезда, и тем самым закорачивать катушки. При полностью вставленных штепселях все катушки сопротивлений будут закорочены и сопротивление магазина
будет минимальным, наоборот, если все гнезда будут свободны от
штепселей, сопротивление магазина будет максимальным.
Рычажные магазины сопротивлений состоят из нескольких декад (рис. 7). Концы однотипных катушек сопротивлений для каждой
декады подсоединяются к контактам, по которым скользят щетки, жестко скрепленные с рычагами. Суммарное сопротивление магазина
отсчитывается по положению рычагов в каждой декаде.
Рис. 7 – Схемы трёх декадных магазинов сопротивлений:
а – с рычажным переключающим устройством;
б – со штепсельным переключающим устройством;
R – омическое сопротивление; П – переключающее устройство (рычаг)
Магазины сопротивлений имеют следующие классы точности:
0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5
и 1,0. При работе ток (мощность рассеяния)
не должен превышать допустимого значения, указанного на маркировке. Магазины сопротивлений, предназначенные для использования на высоких частотах (сотни килогерц и выше), изготовляют из непроволочных ре-
77
зисторов. Точность таких магазинов не выше класса 1,0.
Измерение индуктивности и взаимной индуктивности.
Меры индуктивности и взаимной индуктивности выполняют в
виде образцовых катушек и магазинов. Образцовая катушка состоит
из изолированного провода, намотанного на плоский каркас из мрамора, фарфора или пластмассы (рис. 8).
Для уменьшения активного сопротивления и влияния поверхностного эффекта используется провод, состоящий из большого
числа тонких изолированных жил, называемый «литцендрат». Для
улучшения изоляции витков и повышения стабильности индуктивности обмотку пропитывают парафином. Витки жестко скрепляются между собой и каркасом.
Катушки взаимной индуктивности состоят из двух индуктивно
связанных образцовых катушек (рис. 8 б) и могут быть использованы
как двухполюсник или четырехполюсник. Катушки индуктивности изготовляют с параметрами индуктивности 0,0001-10 Гн, а катушки взаимной
индуктивности – 0,001-0,1 Гн. Классы точности таких катушек 0,01;
0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1.
Рис. 8 – Катушки индуктивности: а) цилиндрическая однослойная;
б) тороидальная многослойная; в) с цилиндрическим сердечником;
г) с П-образным сердечником; д) образцовая индуктивность на керамиче-
ском тороиде; 1 — намотка (провод); 2 — каркас; 3 — сердечник;
h — длина намотки; d — внутренний диаметр намотки;
D — наружный диаметр намотки
Меры индуктивности применяют для измерения в цепях переменного тока. Каждая катушка, кроме собственной индуктивности L0,
78
имеет межвитковую емкость С0 и омическое сопротивление R. Значения С0 и R в мерах индуктивности стремятся снизить до минимума.
Катушки индуктивности характеризуются добротностью
Q = w×L0/R: чем выше добротность, тем качественней катушка.
Мерами переменных и взаимных индуктивностей служат магазины индуктивностей и вариометры. Магазины индуктивностей
представляют собой набор катушек индуктивностей, расположенных в
одном корпусе с переключающими устройствами. Для поддержания
постоянного активного сопротивления цепи при различных значениях
индуктивностей, предусмотрены катушки сопротивления, замещающие активное сопротивление R выключаемых катушек индуктивности.
Вариометры изготовляют из двух индуктивно связанных катушек. Меняя плавно взаимное расположение этих катушек, можно
изменять коэффициент взаимной индуктивности. Катушки вариометра можно соединять последовательно или параллельно, что позволяет
менять общую индуктивность вариометра в зависимости от угла поворота одной катушки относительно другой. Угол поворота отсчитывают по шкале, а значения индуктивности и взаимной индуктивности
определяют по градуировочным таблицам.
Измерение электрической емкости.
Меры электрической емкости изготовляют в виде образцовых
измерительных конденсаторов постоянной емкости, магазинов емкостей и конденсаторов переменной емкости. В образцовых конденсаторах постоянной емкости диэлектриком является воздух или слюда.
Такие «воздушные» и «слюдяные» конденсаторы имеют большое сопротивление изоляции и малые потери в диэлектрике; их емкость не
зависит от частоты и формы приложенного напряжения, а зависимость от температуры – минимальна. Высокая точность воспроизведения емкости обеспечивается конденсаторами с воздушным диэлектриком, однако из-за больших габаритов они производятся с емкостью до 0,01 мкФ. Конструкция образцовых конденсаторов определяется рабочим напряжением: при низких напряжениях используют
плоскопараллельные пластины, при высоких − цилиндрическую конфигурацию. Погрешность емкости образцовых воздушных конденсаторов находится в пределах ± (0,03-0,05)%.
Конденсаторы со слюдяным диэлектриком позволяют получить большие значения емкости при меньших размерах и потому
применяются как образцовые и рабочие меры, а также в магазинах
емкостей. Слюдяные конденсаторы выпускают с номинальным значе-
79
нием емкости 0,01-
1,0 мкФ; диэлектрические потери и темп
ько раз больше, чем
В магазинах емкостей необходимое значение емкости
рается с помощью переключающих устройств штепсельного
) типа. Образцовые конденсаторы
кварцевым
полистироловым диэлектриком, а большой емкости
Схемы магазинов емкостей: а) штепсельного; б) рычажного
В качестве образцовых конденсаторов переменной
денсаторы с высококачественной
Максимальная
и
, погрешность установки емкости составляет (0,05
мкости не превышает 0,003% на
Квантовые эталоны единиц электрических
СИ квантовые
реперами известных значений некоторых
величин, так как эти значения, воспроизводимые ими,
времени и не зависят от места воспроизведения соответствующего
квантового эффекта. Стабильность квантовых эталонов
тем, что значения воспроизводимых ими величин
. Если
систему единиц, определив единицы через мировые константы
эталоны автоматически станут исходными инструментами
единиц соответствующих величин
коэффициент емкости у них в нескол
ных.
или рычажного (рис. 9 б
кости – 1-5·103 пФ – изготавливают с воздушнодушнопФ – со стирофлексным.
ературный
ш-
и-
9 а)
м-
з-
– до 108
Рис. 9 –
применяют воздушные кон
ей ротора от статора и отсчетным устройством.
таких конденсаторов не превышает 0,01 мкФ, потери в д
-4
= 10
ратурный коэффициент е
2.5.
В рамках существующей системы
являются
фундаментальными физическими постоянными
воспроизведения размеров
Квантовый эффект Холла.
и-
электрике. tgd
-0,1)%, темпе°С.
стабильны во
связаны с
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]