0

Министерство образования российской федерации

Марийский государственный технический университет

Э Л Е К Т Р И Ч Е С К О Е П О Л Е

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

для студентов всех специальностей

Йошкар-Ола

2001

Составители: Л.А.Григорьев, Т.И.Краева, В.П.Медведчиков,

Н.Г.Грунина, А.С.Шилова, Е.Ф.Козяев

УДК 531 / 076.5 / : 378

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ: Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех специальностей / Сост. Л.А.Григорьев, Т.И.Краева, В.П.Медведчиков и др.; Под ред. Л.А.Григорьева. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - 52 с.

Приведены лабораторные работы по разделу "Электричество" курса

общей физики. Каждая работа содержит краткое теоретическое описание изучаемого явления, описание установки, порядок выполнения работы, обработки результатов измерений и вопросы самопроверки.

Рис.32. Библиогр. 7 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета МарГТУ

Рецензент - А.С.Масленников, канд.физ.-мат.наук, доцент МарГТУ

© Марийский государственный

технический университет, 2001

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания включают в себя шесть работ из лабораторного практикума по разделу "Электричество" и соответствуют учебному плану.

Цель практикума заключается в том, чтобы позволить студенту самому воспроизвести основные физические явления, научить его обращаться с основными электроизмерительными приборами, познакомить с важнейшими методами измерений.

При выполнении работ студенты знакомятся с принципами работы электроизмерительных приборов, электрическими полями различной конфигурации, действием электрического поля на пучок электронов в электронно-лучевой трубке осциллографа; изучают свойства системы двух проводников накапливать заряды, свойства диэлектрика влиять на электростатическое поле; исследуют зависимость сопротивления проводника от температуры, зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от величины напряженности внешнего электрического поля; овладевают методами расчета погрешности электрических величин, моделирования при изучении электростатического поля, измерения емкости с помощью баллистического гальванометра, сложения двух взаимно перпендикулярных колебания для измерения скорости звука.

Не менее существенно закрепить навыки ведения лабораторной тетради, построения графиков и оценки полученных результатов.

Описания к работам начинаются с теоретических введений. Они составлены так, чтобы ясное представление об изучаемых явлениях могли себе составить как студенты, которые уже прослушали этот материал на лекциях, так и те, кто только приступает к изучению соответствующего раздела физики.

После теоретических введений приводятся описания измерительной аппаратуры и применяемого метода измерений. Затем следуют задания, регламентирующие последовательность работы студентов при проведении измерений и обработки полученных результатов. Задания определяют только тот необходимый минимум, без выполнения которого работа не может считаться выполненной.

Методические указания предназначены для студентов 1 - 2 курсов всех специальностей.

1. ЗНАКОМСТВО С ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ

Цель работы: знакомство с принципом работы электроизмерительных приборов и их условными обозначениями. Определение погрешности электрических измерений.

Принадлежности: набор электроизмерительных приборов разных систем, таблицы принятых обозначений.

1. Теоретические сведения

В соответствии с ГОСТ 232117-78 для электроизмерительных приборов с непосредственным отсчетом установлены следующие условные обозначения, наносимые на них:

А. Основные единицы измерения (по роду измеряемой величины), либо их кратные или дольные значения:

A	- Ампер	mA	- миллиампер	μA	- микроампер
V	- Вольт	kV	- киловольт	mV	- милливольт
W	- Ватт	kW	- киловатт	MW	- мегаватт
Ω	- Ом	kΩ	- килоом	MΩ	- мегаом
Hz	- Герц	kHz	- килогерц	MHz	- мегагерц

Б. Род тока: постоянный, обозначается знаком —, переменный ~, постоянный и переменный , трехфазный .

В. Безопасность: внутри пятиконечной звездочки указывается напряжение в киловольтах, при котором проверена изоляция прибора.

Например:

- испытательное напряжение 2 кВ; - испытание изоляции не предусмотрено; - испытательное напряжение 500 В.

Г. Используемое положение:

- вертикальное положение шкалы; - горизонтальное положение шкалы; - прибор применять при наклонном (под углом к горизонту) положении.

Д. Класс точности: указывается на приборе соответствующей цифрой, например, 0.5; 1.0; 1.5; и т.д. или ,.

Е. Общие условные обозначения принципа действия электроизмери-тельных приборов:

	- прибор магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой; - прибор электромагнитный;
	- прибор электродинамический; - прибор электростатический

З. Обозначения зажимов:

	- отрицательный зажим; - положительный зажим; - общий зажим (для многопредельных приборов переменного тока и комбинированных приборов);
	- зажим, соединенный с корпусом; - зажим для заземления

При необходимости значение того или иного символа следует уточнить в справочнике или таблице, которая имеется в лаборатории.

Все внешние части средств измерений, находящиеся под напряжением, превышающим 32 В по отношению к корпусу, должны быть защищены от случайных прикосновений к ним, т.е. иметь защитные кожухи, утопленные гнезда, клеммы с изоляционными головками и т.д.

Средства измерений с питанием от сети должны иметь сетевую индикацию включения сетевого выключателя. В цепи питания прибора должен быть плавкий предохранитель с указанием силы тока.

Рис.1.1

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии подвижной катушки с током с полем постоянного магнита. На рис.1.1 схематически показано устройство такого прибора. В нем магнитное поле создается постоянным магнитом 1 подковообразной формы. Полюсные наконечники 3 обращены друг к другу вогнутыми цилиндрическими поверхно-стями одинаковых радиусов. Между полюсами укреплен железный цилиндр2 меньшего радиуса. В зазоре, где магнит-ное поле радиально, плотность магнитного потока равномерная, а магнитная индукция

постоянная, расположена легкая рамка 4, состоящая из нескольких витков ровода, концы которого присоединены к спиральным пружинам 5 и 6. Через эти пружины в рамку подается измеряемый ток. При прохождении тока через рамку на нее действует вращательный момент, рамка поворачивается вокруг оси 7, пружины 5 и 6 закручиваются, и создается противодействующий момент. При равновесии моментов рамка устанавливается неподвижно, а соединенная с рамкой стрелка 8 указывает угол поворота. Значение этого угла пропорционально силе измеряемого тока, поэтому шкала прибора равномерная.

По указанному принципу изготовляется большинство лабораторных и технических приборов постоянного тока. Их можно использовать, например, в качестве амперметров, включая параллельно рамке шунт, или в качестве вольтметров, включая последовательно с рамкой большое добавочное сопротивление.

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии ферромагнитного сердечника с магнитным полем катушки с током. Амперметр такой системы схематически показан на рис.1.2, где К - катушка, по которой течет измеряемый ток; a - железный стержень, подвешен-ный на пружине П. Катушка с током I создает неоднородное магнитное поле с индукцией В, при этом на стержень a действует сила F ~ М(В/z), где М – намагниченность стержня, z - ось катушки и стержня. Эта сила втягивает

Рис.1.2

стержень в катушку и уравновешивается силой упругости пружины П. Со стержнем связана стрелка. Каждому значению силы тока I соответствует определенное положение стрелки прибора. Между F и J нет линейной зависимости, поэтому шкала прибора оказывается неравно-мерной. Приборы электромагнитной системы просты, недороги, они могут использоваться как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока промышленной частоты. Однако точность их невысока.

В приборах электродинамической системы используется взаимодействие двух катушек с токами. Одна из них неподвижна. Магнитное поле B_1, создаваемое этой катушкой, пропорционально силе тока I₁. Вторая, подвижная катушка, состоит из большого числа витков тонкой проволоки. На оси этой катушки закреплены стрелка прибора и легкие спиральные пружины, противодействующие повороту катушки.

Рис.1.3

На рис.1.3 показана схема, поясняющая принцип работы электродинамического прибора. Подвижная катушка изображена в виде рамки с током I2. Плоскости витков неподвижной катушки параллельны пло-скости OXZ (сама неподвижная катушка на рисунке не показана), при этом магнитное поле B1 направлено вдоль оси OY. При прохождении через подвижную катушку из-меряемого тока I2 на последнюю действует момент сил, пропорциональный силе тока I2 и магнитному полю B1. Этот момент уравновешивается моментом сил упругости пружины. Угол поворота стрелки оказывается при этом пропорциональным

произведению силы тока в катушках:  I₁I₂.

Электродинамическими приборами можно измерять электрический ток, напряжение и мощность в цепи как постоянного, так и переменного тока.

В настоящее время широкое распространение получили цифровые измерительные приборы (ЦИП), которые автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации и представляют показания в цифровой форме. Среди ЦИП есть приборы, показывающие мгновенное значение измеряемой величины, и приборы, фиксирующие среднее значение величины за определенный промежуток времени ∆t, т.е. интегрирующие.

Пусть x - измеряемая величина (сила тока, напряжение, сопротивление и т.п.). Шкала прибора разбивается на то или иное число делений и служит для отсчета x. Возле делений ставят цифры, которые обозначают либо число делений, либо непосредственно значение x.

Значение x_н (номинальное значение x), приводящее к отклонению стрелки на всю шкалу, соответствует пределу измерений. Прибор может иметь либо один, либо несколько пределов измерений (или поддиапазонов).

Чувствительностью прибора называют величину, равную отношению изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины:

S = ∆l / ∆x,

где ∆x - изменение измеряемой величины,

∆l - изменение сигнала на выходе.

Порог чувствительности - это изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее перемещение указателя прибора, которое еще можно заметить при нормальном для прибора способе отсчета.

Чувствительность цифрового прибора определяется как значение измеряемой величины, приходящееся на единицу дискретности (на единицу наименьшего разряда поддиапазона).

Рис.1.4

Ценой деления называют величину С = xк/n, где n - число делений шкалы. Для отсчета x по шкале надо, очевидно, цену деления умножить на число отсчитанных от начала шкалы делений. Пусть, например, шкала прибора имеет 20 делений (рис.1.4), а предел измерений - 10 В. При отклонении стрелки на 10 делений получим для напряжения: U = (xк/n)10 = (10/20)10 = 5 (В)

2. Оценка погрешностей электрических измерений

Разность между показаниями прибора х_п и действительным значением х_д называют абсолютной погрешностью измерительного прибора:

∆x = х_п- х_д.

Таким образом, если х_п - показание прибора, то можно лишь утверждать, что

х_д = х_п ± ∆x.

По значению абсолютной погрешности нельзя судить о точности измерений. Так, например, если ∆x = 1 А при х = 100 А считать высокой точностью, то вряд ли можно считать ее таковой при х = 1 А. Поэтому вводят понятие относительной погрешности δ – отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

δ = ∆x/х_д или δ = (∆x/х_д)∙100%.

Но данная характеристика непригодна для нормирования погрешности прибора, так как δ = ∞ при х = 0. Для этих целей используют приведенную погрешность:

δ_пр = ∆x/х_к,

где х_к - соответствует пределу измерений.

Точность ряда приборов можно сравнивать только по приведенным (нормированным) погрешностям.

На практике вместо истинного значения х_д используют х_п (показание прибора). Способ определения ∆x должен быть известен заранее. Для этого на каждом приборе указывается класс точности в виде числа, например, 4; 2.5; 1.5; 1.0; 0.5; 0.1 и т.д.

Класс точности прибора показывает, сколько процентов составляет абсолютная ошибка ∆х от предела измерений х_к. Таким образом, класс точности равен (∆х/х_к)∙100%, откуда легко найти ∆х.

Рассмотрим пример. Пусть предел измерений амперметра - 20 А (I_к= 20 А), на приборе указан класс точности - 1,5. Значит

(∆I/I_к)∙100 = 1,5 и ∆I = 1,5∙20/100 = 0,3 (А)

Таким образом, при любом (!) показании амперметра I_п для действительного значения силы тока имеем:

I = (I_п ± 0,3) А,

Например: если I_п = 3 А, то I = (3 ± 0,3) А;

если I_п = 12 А, то I = (12 ± 0,3) А.

В том случае, когда прибор многопредельный, класс точности, указанный на приборе, относится к каждому пределу. Пусть, например, вольтметр имеет два предела измерения - 1 В и 10 В, а класс точности его - 2,5. Тогда при измерениях на первом пределе ∆U = 0,025 В, а при измерениях на втором пределе ∆U = 0,25 В.

Так как относительная ошибка измерений δ = ∆x/x_п, ясно, что при наличии нескольких пределов измерений выбирать надо наименьший, при котором стрелка прибора еще "не зашкаливает".

Если указываемый прибором класс точности обведено кружком, например , то это означает, что абсолютная погрешность составляет 1.5 % от данного показания прибора, а не от конечного значения шкалы х_к.

Приборы класса точности до 0,5 включительно применяются для точных измерений и называются прецизионными.

Для цифровых измерительных приборов относительная погрешность δ

определяется по формуле

δ = [c + d(|х_к/х_п| - 1)],

где с и d - постоянные числа, %;

х_к - конечное значение величины в данном поддиапазоне;

х_п - показание прибора.

Значения с и d указываются в паспорте прибора для каждого поддиапазона. Так, например, если с = 0.02, d = 0.01, х_к= 1.000 В, х_п= 0.500 В, то

δ= [0.02 + 0.01(|1.000/0.500| - 1)] = ± 0.03

δ = ± 0.03 %.