Э-1

фе;J,ера:Jыlеe агентство 110 образованию

\10сковская I UСУI.арственная академия

тонкой ХИ"ШЧ~СКОЙ теХНОJIOIИIf

11\1. ·М.В.Ломоносова

Кафедра физики

Jlабораторная работа Э - 1

Опрса:сление удельного СОIIРОТИВ~lения

нихромовой проволоки

( Учебно-методическое пособие)

VIocKBa 2005

http://www.mitht.ru/e-library

Введение

Общие правила вьmолнения работ в лаборатории по

электричеству такие же, как и в лаборатории по механика и

молекулярной физике.

Впракrикуме по электричеству в части лабораторных работ студент самостоятельно собирает cxe~ы дпя электрических измерений

Вданном введении даются некоторые общие теоретические

положения и важные практические рекомендации общего xapaкrepa,

нужные студенту при выполненШI лабораторных работ по электричеству

Влаборатории по элеl\"Тричеству приходится измерять величины

силы токов, напряжения, МОЩНОCnf, сопротивления электрического

заряда и некоторые другие величины.

Наибольшее распространение получили магнитоэлеIcrpичеСЮfе и электромагнитные измерительные приборы.

Особое место в прaкrике электрических измерений занимает

электронный ОСЦШL10граф.

По принцнny действия электроизмерительные приборы,

применяемые в праlCfикуме по электричеству, относятся в основном к

магнитоэлектрической и элеюромалштной системам.

Правила работы в лаборатории по элеl\"ТрИЧеству

1.Прежде чем приступитъ к использованию любого элеl\"Троизмерительноro прибора, необходимо его изучить, определить цену деления и способ применения.

2.Используемые приборы (вьmрямители, источники питания) и

другие элементы электрической схемы должны располагаться на

рабочем столе так, чтобы был удобен доступ к выключателям и

рукояткам управления этими при60рами.

3.Элеl\"Троизмерительные приборы следует установить так, чтобы

избирать при отсчете ошибки на пара.1лакс, Т.е. ощибки, связанной

с неправильным положением глаз наблюдателя по отношению к

шкале прибора

http://www.mitht.ru/e-library

4. Следует размещать приборы и соединительные провода таким

образом, чтобы схема была наглядной и удобной для проверки.

5. Внимательно собирайте схему, полъзуясь чертежами в лабораторном описании, проверяйте правильность собранной схемы по отдельным

участкам цепи.

6. Надежно присоединяйте соединнreльнъrе провода к зажимам

приборов, тщательно проверяйте места соединения.

7. Реостаты, включаемые в схему в качестве переменньrх

сопротивлений, должны быть с самого начала поставлены; на максимальную величину сопротивления. Если реостаты ВI'JIЮЧаются

Б качестве потенциометров, т.е. параллельно источнш:у тона,

движки реостатов должны быть установлены на минимум

напряжения.

8. Если используемый в схеме прибор многоопредельнъlЙ, 1'0 первонаЧ8f!ЬНО, прибор должен бьrrъ установлен на максимальный

предел измерения и только после проверки схемы переведен на

рабочий предел.

9. Источник питания включается в последнюю очередь после

обязательной п['оверки схемы преподавателем или лаборантом

10. Не производJПe сами никаких изменений в схеме, нахОдЯщейся под напряжением При всяком перекmoчении элементов электрической

схемы следует предварительно OТICJПOЧИТЬ источник 1'Ока.

11. Не прикасайтесь к неизолированнъrм местам схемы, нахОдЯщейся под

напряжением.

12 После окончания измерений отключите источники питания не

разбирая схемы, прнcrynите к предварительной обработке

результатов измерений. Если результаты приняты npеподзватели,

разбеР1Пе элеil.'"IpИЧескую схему.

13. В тобом случае при разборке схемы в первую очередь отключите

ИСТОЧЮIКИ питания.

http://www.mitht.ru/e-library

Лабораторная работа Э1

Определение удельного сопротивления нихромовай проволоки

1. Цмь работы

Определение удельного сопротивления нихромовой проволоки

2. Введение

Общий порядок выполнения работ в пра!l.-ГИII.)'ме по элеь.1ричеству

такой же, как в лаборатории механики и молекулярной физики, r;Ie С1)'денты уже познакомились с порядком выполнения работ и правилами

расчета погрешностеЙ.

В работах по электричеству студентам прндется измерять различные

элеь.1рические параметры (ток, напряжение, мощность, сопротивление,

заряд и др.), то есть они вынуждены будут пользоваться элеь.1роизмерlrreльныIии приборами.

Основными хараь.-геристиками электроизмерительных приборов

являются: система, предел измерения, чувствительность, класс точности.

2.1.Системы ЭJlе"'''ронзмернтe.IJЬНЫХ прнборов

взависимости от того, какое физическое явление положено в основу действия прибора, различают системы: .",агнumоэлекmрuчеСkУЮ,

Э.7екmро.чагнumную, элеh71lростamuчес,,)'ю и некоторые другие.

Так "ак в праll.1НК)'Ме по эле"1ричеству наиболее широко

лредставлены приборы первых двух систем, рассмотрим более подробно

принципы действия этих приборов.

а) МагнитоэлектричеСl\ая система

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы

основано на взаимодействии постоянного магнита (неподвижная часть и

Э.:Jеll.1рllЧеского тока., проходящего по обмотке подвижной катушки

(рамки), расло.l0женноЙ между полюсами магиита,

http://www.mitht.ru/e-library

жестко скрепленный единой осью вращения со" 8ТрeJU<ой 3 прибора.

Противодействующий момент создается спиральной пружииой 4.

Возиикающие колебания сердечника и стрелки гасятся демпфером S.

Вращающий момент прибора может бъrrь определен из

следующего выражения:

M=dWn

da

Puc. 3. Схема устройства П'рибора элекrpомагнlПНОЙ системЫ

где WN - энергия электромагннтного поля, сосредоточенная в зазоре

неподвижной ка'I)'ШКИ

Электромагнитная энергия катywки, по обмотке которой

протекает ток, равна

где L - ИндyJCТИвность каl)'ШКИ, зависящая от положения сердечника 2 в

зазоре катушки; J - сила тока в обмотке катушки. Таким образом,

выражение для вращающего момента будет иметь вид:

М= dW. = {f)=.!.J2 dL

da da 2 da

http://www.mitht.ru/e-library

где J - ток в рамке; В - индукция мапштноГQ поля; 1 - длина стороны

рамки, пересекаюшей линии индукции; Ь - ширина рамки; n - число витков обмотки рамки, S - площадь рамки.

Подвижная система прибора с рамкой будет поворачиваться ДО

тех пор, пока ПРОnIводействующий момент пружин· Мnр = Da не сравняется с вращаюЩIIМ моментом ыагюrrных сил М :

М=Мnp или BSJn=Da

гд~ D - жесткость пр)".ЮfННОro устроЙства. а - уrол поворота рамки

Таким образом между током и углом поворота рамки существует прямая пропорциональная зависимость, вследствие чего шкала прнбора

равномерна

Погашение колебаний рамки обеспечивается токами Фуко,

индуuируемыми в алюминиевом каркасе, на котором расположена

обмотка рамки, а также токами ЭДС. индуцированной в обмотке, если

она замкнуга на какое-либо внешнее сопротивление.. Электроизмерительные приборы МQ2нumоэлеJJ71pllчеС1\QU

системы предназначены для измерения электричесJCИX параметров в

электрических цепях nосmоянного тока. Достоинством приборов этой системы являются: высокаяточность. малое потребление МОЩНОСТИ,

равномерность шкалы и Малая чувствительность к внешним магнитным

полям. При использовании выпрямJПeЛЯ применение приборов данной

системы возможно и в цеr:ях переменноro тока.

б) Электромагнитная система

Действие приборов электромагнипюй системы основано на

взаимодействии магнитного поля тока, протеюuoшеro по неподвижной катушке, С подвижным ферромаппгrным сердечником. На рис. З. показана схема устройства электромаrnипfOГО npибора с плоской неподвижной катушкой 1 При прохождении тока по обмотке катушки в ее зазор втягивается ферромагнИПfЫЙ сердечник 2,

http://www.mitht.ru/e-library

8

имеющими обычно ЦlUJиндрическую форму (рис. 1). В этом пространстве

между полюсами помещен стальной цилиндр, на котором УI,реплена

алюминиевая рамка с обмоткой из ТОНКОГО провода. Цилиндр с рамкой

крепится на полуося:х, к одной из которых лри~-реnлены внутренние

концы токопроводящих спиралЬНЫХ пружин. На ЭТОЙ же полуоси мокrируется стрелка С ПРОnlвовесами Наружные концы токопроводящих

пружии закреплены в неподвижных держателях. Таким образом,

электрИческий тох, С помощью которого измеряется интересующий нас электрический параметр; . проходит от одного из зажимов через

спиральную пружину в обмотку рамки лрибора и, далее, через вывод второй спиральной пружины и через второй зажим обратно в

электрическую иепь

~~

пересекающих линии индукции ManurrHOГO поnя, действует clUJa Ампера

(рис. 2)'

~ =BJn/.

Создается вращающий момент пары CIUJ, действующих на рамку:

М = F,4,b = BJn/b = BJSn t

http://www.mitht.ru/e-library

Противодействующий момент упругой пружины равен:

Мпр =Da

где D - жесткость пружины; а - угол поворота стрелки.

В положении равновесия подвижной части прибора

откуда

a:_1_J2 dL

2D da

из этоro выражения видно, что во-первых, знак угла поворота

подвижной части npиборе, не зависит от направления тока в обмотке, а BO-ВТOP~ пропорционалъность квадрату тока обусловливает

неравномерность шкалы прибора.

Кдостоинствам приборов этой системы следует отнести

проСТО1)' и надежность конструкции, возможность использования их для

измерения электрических параметров в цепях ПОСТОЯНffОro и

переменного токов, устойчивость к перегрузкам.

Недостатками npиборов этой системы ЯВЛЯЮТСЯ нюкая ТОЧffОСТЬ

(масс точности 1,0 - 2,5; о классе точности приборе сказано ниже),

чувствительность к внешним магнитным полям, неравномерность шкалы

прибора, исключающая возможность использования его цепях с малыми

токами.

в) Электродинамическая система

в электроизмермтельных приборах этой системы используются взаимодействие двух (или более) котуров тока. При протекании токов по неподвижной и подвижной ка'Т)'Шкзм прибора в результате их электромагнитноro взаимоде~ствия возникает вращающий момент, KOТOP~ по мере поворота подвижной катушки уравновешивается

моментом, создаваемым токопроводящими растяжками иди пружинами

для ослабления влияния внешнего магнитного поля npи60р тщательно экранируют. Прибором этой системы используются главным образом в

мноroпредельных амперметрах, вольтметрах и ваттметрах.

г) Электростатическая система

Действие приборов электростатической системы основано на

взаимодействии двух (или более) заряженных npoводников, один

http://www.mitht.ru/e-library

10

из которых является подвижным Различают два пша приборов этой системы: с изменяющейся аю"Ивной площадью взаимодействующих проводников If с изменяющимся расстоянием между ними. Первый тип

применяется в основном в вольтметрах низких напряжений (до сотен вольт). Второй тип используется в вольтметрах для измерения

напряжений ДО нескольких десятков киловольт. Так как противодействующее усилие создается за счет веса подвижного

проводчика, то прибор очень чувствителен к наклонам.

д) Тепловая (термодинамическая) система

Принцип действия приборов этой системы основан на тепловом действии электрического тока. Приборы этой системы примеияются для измерения силы и напряжения (реже мощности) элеъ.1рИЧескоro тока,

особенно при несинусоидальных токах и на повышенных частотах

Обычно приборы этой системы состоят из наrpевателя - обмотки с

большим удельным сопротивлеЮlем, по которой протекает измеряемый

ток и термопарnL

Различают контакrnые и бесКОнта.А,ные (нarpеватель и тер­

мопара элеКтрически изолированы) приборы этой системы.

Термоэлеl\.1рические амперметры имеют пределы измерений от 100 мкА

до 60 А., а вольтметры от 75 мв до 50 В.

2.2. Хара".,.ернстикн эле""'ронзмернтельных прнборов

Продело,'W U3.'ttеренuя Хnр прибора иавивается максимальное

значение измеряемой прибором величии~ при котором стрелка прибора

отклоняется до КОIЩа шкалы.

Цена деления шкалы прибора показывает значение измеряемой

величины при отклонеНJШ стрелки прибора на одно деление шкалы. Цена

деления равна величине отношения Хn;{ , где n - число делений

шкалы прибора.

В случав использования мноroшкальных приборов предел измерений и цена деления имеют несколько значений.

Чувствительность элею-роизмерительного прибора определяет количество делений шкалы прибора, приходящихся

http://www.mitht.ru/e-library

на единицу измеряемой величины .Чувствительность является

величиноii, обратной цене деления, и вычисляется как величина

отношения n/ . Чувствительность существенно завИСИТ от системы

/Хпр

прибора и способа крепления ее подвижной части (рамки ИЛИ сердечника).

К"асс точнocmu прибора показывает максимальную

погрешность прибора, выраженную в процентах по отношению к предельному значению измеряемой величины:

Ах

у = ±-Ш--I00%,

Хnр

где у - класс точности прибор; Ах", - максимальная абсолютная

погрешность прибора; Хпр - предел измерения прибора.

Класс точности обычно обозначается числом: 0,005; 0,1; 0,2; 0,5;

1,0 и так далее. Если класс точности на npиборе не указан, то он

считается равным 4, о.

Следует отличать класс точности у прибора от· ето

относительной погрemности 8, которая вычисляется по формуле:·

С= ± Ахш -100%,

Х

где Х - в формуле для 8 текущее значение измеряемой величины (ер. с

Хnр ).

Например, пусть ток силой J = 25тА измерен.

миллиамперметром класса точности 0,5 со шкалой на 100 МА Это· означает, что при измерении данным прибором в пределах от О до 100

мА максимальная абсоmoтная погрешность Мru (в данном примере

Ахш = Мru не превысит величины:

Хnp

или Ах == ±---у

ru 100% '

Ы =±~_Y=±05%100тA=±05тA

Следовательно, относительная погрешность С данното измерения равна:

С= ± Ахш .100% = ± ЫШ -100% = ± 0,5тА -100% =±2%

ХJ 25тА

Чем меньше величина измеряемой силы тока J, тем больше

http://www.mitht.ru/e-library