Практикум по разделу курса общей физики “Электричество и маг­нетизм” призван помочь студентам глубже уяснить основные физические законы и явления, отчетливое понимание которых необходимо буду­щим инженерам. При выполнении лабораторных работ студенты должны приобрести элементарные навыки экспериментирования и осво­ить основные методы электрических измерений.

Электроизмерительные приборы

Электроизмерительные приборы по принципу действия делятся на следующие системы: магнитоэлектрическую, электромагнитную, элек­тродинамическую, индукционную, электростатическую, тепловую и др.

Рассмотрим устройство и принцип действия приборов магнито­электрической системы (рис. 1).

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток.

Применяя различные преобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы можно использовать также для электрических измерений в цепях переменного тока высокой частоты и для перемещения неэлектрических величин (температуры, давлений, перемещений и т. д.). Лабораторные измерения на постоянном токе производятся преимущественно посредством магнитоэлектрических приборов.

Неподвижную часть прибора со­ставляют постоянный подковооб­разный магнит 1 и железный цилиндр 2. В рабочем зазоре между ними образуется радиальное магнитное поле. Подвижная катушка 3 выпол­нена из тонкого изолированного провода, намотанного на алюминие­вый каркас, помещена в узком рабочем зазоре, укреплена на оси и может свободно поворачиваться относительно этой оси.

Концы катушки электрически соединены с пру­жинками, по которым поступает ток в катушку. При наличии тока в катушке возникают силы со стороны магнитного поля, создающие вра­щаю­щий момент, пропорциональный току: . В то же время возникает и противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинками, который пропорционален углу закручивания пружинок .

При равенстве вра­щаю­щего и противодействующего моментов получаем

Таким образом, угол отклонения катушки, а следовательно, и скрепленной с нею стрелки, будет пропорционален силе протекающего по обмотке тока: .

Из последнего выражения следует, что шкала приборов магнито­электрической системы равномерная.

Для того чтобы по­движная часть возможно скорее устанавливалась в положении равновесия, в приборы есть успокоители. Последние нужны для поглощения кине­тической энергии подвижной части. Для большинства стрелочных при­боров время успокоения должно быть не более 4 с, причем временем успокоения считается время от момента включения прибора до момен­та, когда стрелка прибора отклоняется от положения равновесия не более чем на 1% шкалы. Применяются магнитоиндукционные и воздушные успокоители. Магнитоиндукционное успокоение основано на взаимодействии вихревых токов, индуктируемых в подвижной алюминие­вом каркасе при его движении в магнитном поле постоянного магнита, с этим полем.

Магнитоэлектрические приборы применяют для измерения посто­янных токов и напряжений, а также в качестве гальванометров и инди­каторов при измерении сопротивле­ний.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: высокая чувствительность и точность показаний; нечувствительность к внешним магнитным полям; малое потребление энергии; равномерность шкалы; апериодичность (стрелка быстро устанавливается на соответствующем делении почти без колебаний).

К недостаткам приборов этой системы относятся: возможность измерения только в цепях постоянного тока; чувствительность к перегрузкам. Для измерения переменного тока магнитоэлектрический измерительный механизм должен быть соединен с тем или иным преобразователем переменного тока в постоянный (напри­мер, двухполупериодный выпрямитель).

Для расширения пределов измерения приборы магнитоэлектриче­ской системы; а также приборы других систем снабжают набором ре­зисторов для делителей измеряемых величин. Резистор, включаемый последовательно с катушкой измерительного механизма, называется добавочным резистором (рис. 2);резистор, который включается параллель­но с катушкой измерительного механизма или с ветвью, содержащей катушку и добавочный резистор, называется шунтом (рис. 3).

Если магнитоэлектрический прибор, применяемый для измерения напряжения, имеет внутреннее сопротивление и номинальный предел измерения , а нужно расширить предел до , то сопротив­ле­ние добавочного резистора рассчитывается по формуле (вывести самостоятельно)

,

где , U – измеряемое напряжение, U_V - предел измере­ния.

Если магнитоэлектрический прибор, применяемый для измерения тока, имеет внутреннее сопротивление и номинальный предел измерения I_A, а нужно расширить предел до , то сопротив­ле­ние шунта определяется по формуле (вывести самостоятельно)

,

где , I - измеряемый ток, I_A - предел измере­ния.

Шунты и добавочные резисторы являются простейшими измери­тельными преобразователями.

Приборы электромагнитной системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в цепях переменного и постоянного тока. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки А, по которой протекает измеряемый ток, и подвижного сердечника В из магнитомягкого ферромагнитного материала (рис. 4). Сердечник закреплен эксцентрично на оси и может входить в щель катушки, поворачиваясь вокруг оси О к которой прикреплена стрелка-указатель. Под действием магнитного поля катушки сердечник, стремясь расположиться так, чтобы его пересекало возможно больше силовых линий, втягивается в катушку по мере увеличения в ней силы тока. Противодействующий момент создается спиральной пружиной К. Приборы электромагнитной системы снабжаются воздушным успокоителем, представляющим собой камеру D, в которой перемещается алюминиевый поршенек Е (демпфер). При повороте сердечника поршенек встречает сопро­тивление воздуха, вследствие чего колебания подвижной части быстро затухают.

Магнитное поле катушки пропорционально току; намагничивание железного сердечника тоже увеличивается с увеличением тока, поэтому вращающий момент пропор­ционален квадрату силы тока:

,

где k₁ – коэффициент, зависящий от конструкции прибора.

Противодействующий момент М_пр, создавае­мый пружиной К, про-пропорционален углу поворота подвижной части прибора:

,

где k₂ – коэффициент пропорциональности, зависящий от упру­гих свойств пружины.

Равновесие подвижной части прибора определится равенством моментов, действующих на нее в противоположных направлениях, т. е.

, где k=k₁/k₂ .

Таким образом видно, что угол отклонения подвижной части и указателя пропорциона­лен квадрату тока, поэтому шкала электромагнитных при­боров нерав­номер­ная.

С изменением направления тока меняется как направление магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника. Поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерения как на постоянном, так и на переменном токе низких частот, что является одним из их достоинств.

К другим достоинствами приборов электромагнитной системы относятся: про­стота конструкции, механическая прочность, выносливость в отношении перегрузок. Их недос­татками являются: неравномерность шкалы, меньшая точность и чувст­вительность, чем у приборов магнитоэлектрической системы, зависи­мость показаний от внешних магнитных полей.

Электромагнитные приборы являются одними из самых распро­страненных щитовых приборов для измерений в цепях переменного тока. Следует отметить, что основные данные электроизмерительного прибора указаны уловными обозначениями на его шкале (часть их может быть размещена и на корпусе прибора) которые приведены в приложении I.