000000315551
.pdfпасности и общих требований к выполнению лабораторных работ, которые содержатся в данном параграфе.
1.2.1. Меры безопасности при выполнении лабораторных работ
Лабораторные установки монтируются в помещениях, которые удовлетворяют условиям, изложенным в стандарте ГОСТ 12.4.113 - 87 “Работы учебные лабораторные. Общие требования безопасности”. Каждый студент допускается к работе в лаборатории электричества и магнетизма только после обязательного прохождения им вводного инструктажа по безопасности труда и пожарной безопасности, что фиксируется личной подписью студента в специальном журнале инструктажа. Студенты, не прошедшие инструктаж, а также грубо нарушившие установленные правила поведения и меры безопасности, лишаются права работы в лаборатории. Студенты, отстраненные от работы в лаборатории, вновь допускаются к выполнению лабораторных работ только после сдачи экзамена по безопасности труда и пожарной безопасности. Конкретный объем мер безопасности, с которыми студенты должны ознакомится при вводном инструктаже, устанавливается в утвержденной “Инструкции по технике безопасности при работе студентов в учебных лабораториях”.
Общие правила безопасности при работе студентов в лаборатории электромагнетизма включают в себя следующие:
—в помещении лаборатории студентам категорически запрещается включать и выключать главный щит электропитания (кроме ситуации, изложенной в последнем пункте);
—студентам категорически запрещается включать электроприборы и подавать напряжение на схему без проверки преподавателем, инженером или лаборантом лаборатории;
—студентам запрещается прикасаться к неизолированным токонесущим частям включенной установки;
—студентам запрещается прикасаться одновременно к двум приборам или к заземленным металлическим предметам (трубам центрального отопления, кожухам защиты проводки);
—при работе в лаборатории студенты должны выполнять только ту работу, которая им поручена. Категорически запрещается производить другую работу, или находиться в лаборатории без дела;
—во время выполнения заданий студентам запрещается перемещаться по помещению без дела и оставлять установку включенной без наблюдения;
—студентам запрещается увеличивать выходное напряжение источников питания сверх установленного в лабораторной работе;
—студенты не должны пользоваться оголенными или поврежденными проводниками, клеммами и штырями;
—студенты должны избегать перехлестывания проводов и прохождения их по элементам схемы;
—студенты должны проверять надежность контактов и особо внимательно обращаться с проводниками, идущими от выходов блоков питания, так как короткое замыкание приведет как порче приборов, так и к ожогу или поражению током работающего;
—студентам запрещается производить переключения в схемах, находящихся под напряжением;
—студенту запрещено работать одному в помещениях на установках с электрооборудованием;
—по окончании работы студент должен выключить в первую очередь источники питания, затем остальные приборы и привести в порядок свое рабочее место;
—о любой замеченной неисправности прибора или элемента схемы, а также нарушениях правил техники безопасности, студент обязан немедленно сообщить преподавателю, инженеру или лаборанту;
—в случае воспламенения установки, поражения человека током студент обязан немедленно обесточить лабораторию на главном щите электропитания.
1.2.2. Допуск к лабораторной работе
Для того чтобы студент приступил к выполнению конкретной лабораторной работы, он должен пройти через процедуру допуска. Процедура допуска включает в себя опрос студента на тему знания устройства лабораторной установки, содержания и порядка выполнения конкретной работы. Кроме того, во время допуска осуществляется дополнительный инструктаж студента по технике безопасности на конкретном рабочем месте.
Для того чтобы студент получил допуск к лабораторной работе, он должен:
—изучить методическое руководство к выполнению лабораторной работы, рекомендованную литературу и соответствующий раздел лекций;
—иметь тетрадь, подготовленную для выполнения работы и оформления отчета;
—знать принцип действия лабораторной установки;
—знать программу работы и последовательность действий по ее выполнению;
— ориентировочно представлять ожидаемые результаты.
1.2.3. Завершение лабораторной работы
Выполнение студентом лабораторной работы осуществляется строго по программе, которая приведена в методическом руководстве. Схема лабораторной установки разбирается только после проверки преподавателем полученных экспериментальных результатов. После этого каждый студент к следующему учебному занятию обязан сделать отчет по лабораторной работе.
Отчет оформляется в индивидуальной тетради студента и должен содержать:
—наименование и цель работы;
—программу работы;
—схему лабораторной установки;
—перечень приборов и оборудования;
—результаты эксперимента в виде таблиц, графиков и осциллограмм;
—расчеты, выполненные согласно программе работы, с соответствующими формулами.
Оформленный по всем правилам отчет по лабораторной работе
предъявляется к сдаче преподавателю. Отсутствие у студента оформленного отчета или наличие неправильно оформленного отчета равноценно тому, что лабораторная работа не завершена до конца, и работа к сдаче не принимается.
Глава 2.ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
2.1. Измерение постоянных токов, напряжений и ЭДС (Лабораторная работа №1)
Цель работы - ознакомление с техникой измерений постоянных токов и напряжений в цепях, а также ЭДС и внутренних сопротивлений источников с помощью градуированного чувствительного гальванометра и магазина сопротивлений. Сюда входят: а) расчеты шунтов и добавочных сопротивлений к амперметрам и вольтметрам; б) оценки степени влияния измерительного прибора на измеряемую величину.
2.1.1. Понятие об измерении
Измерить физическую величину - значит сравнить ее с эталонной, принятой за единицу. Однако подключение к исследуемой цепи измерительного прибора уже есть вмешательство в эту цепь, приводящее к изменению режима ее работы. Идеальный прибор не должен нарушать
процессов в цепи. Следовательно, для реального прибора очень важно, чтобы он как можно меньше влиял на измеряемую величину, иначе результат измерения не будет соответствовать истинной величине, т.е. той, которая была до вмешательства прибором, и истинную величину уже надо специально вычислять с учетом внутренних характеристик прибора. Поэтому к показаниям приборов следует относиться с пониманием сущности измерения и степени влияния прибора на измеряемую величину в каждом конкретном случае. Истинная величина может оказаться далекой от показания прибора.
Измерения электрических величин производятся следующими основными методами (см.п.1.1.1):
1.Метод непосредственного отсчета. Измеряемая величина определяется непосредственно по шкале прибора.
2.Косвенный метод. Искомая величина определяется расчетом по результатам измерений других, связанных с ней величин.
3.Метод сравнения. Искомая величина сравнивается с известной и принятой за эталон величиной того же типа.
Взависимости от рода измеряемой величины электроизмерительные приборы делятся на амперметры, вольтметры, омметры, частотомеры и др.
Внастоящей работе проводятся измерения токов и напряжений изготовленными амперметрами и вольтметрами, а также косвенные измерения ЭДС и сопротивлений.
2.1.2. Измерение тока
Амперметр включается в цепь последовательно с участком, через который требуется измерить ток. При этом ток через амперметр и участок будет один и тот же. Однако включение амперметра в цепь неизбежно вызовет уменьшение тока через исследуемый участок, так как сам прибор обладает внутренним сопротивлением. Следовательно, измеренное значение тока будет несколько меньше истинного, в отсутствии прибора. Поэтому для более точных измерений токов следует выбирать прибор с меньшим внутренним сопротивлением при том же пределе шкалы. Если исследуемая цепь низкоомная, т.е. ее сопротивление соизмеримо или меньше внутреннего сопротивления амперметра, то непосредственно измерить ток в данной цепи таким амперметром нельзя: прибор сильно уменьшит ток в цепи. Таким образом, в идеале амперметр должен иметь нулевое внутреннее сопротивление.
Рис.2.1.1. К расчету шунта
Для увеличения верхнего предела измерения тока к амперметру параллельно подключается некоторое сопротивление — шунт. При этом через прибор течет только часть измеряемого тока I: Ia, а остальная часть
— Iш идет через шунт (рис.2.1.1).
Расчет сопротивления шунта производится следующим образом. Пусть надо увеличить предел шкалы в N раз, т.е. измерять токи в N раз
большие предельного значения шкалы. Из рис.2.1.1 видно, что: |
|
I=Ia+ Iш ; |
(1) |
Ia r=Iш R, |
(2) |
где r — внутреннее сопротивление амперметра. |
|
Кроме того, по условию: |
|
I=N Ia |
(3) |
Совместное решение уравнений (1)-(3) дает:
Rш=r/(N-1) (4)
Пример. Пусть внутреннее сопротивление r микроамперметра на
100мкА равно 500 0м. Из этого прибора надо сделать амперметр на Iмакс=1 А. Из уравнения (4) для сопротивления шунта в этом случае получаем:
Rш= 500/(104 1) 0,05 Ом.
Таким образом, одноамперный ток цепи разделится на 0,1 мА через прибор и 999.9 мА через шунт.
2.1.3. Измерение напряжения
Измерение напряжения на участке цепи основано на законе Ома. Если стрелочный прибор подключить параллельно исследуемому участку, например, резистору R, то часть тока цепи пойдет через прибор, причем по закону Ома ответвленный ток IV будет:
IV = UR/r,
где r — внутреннее сопротивление прибора (рис.2.1.2). Таким образом, отклонение стрелки прибора, чувствительного к току, будет пропорционально измеряемому напряжению UR. Шкалу такого прибора можно сразу
|
отградуировать в вольтах. Так как подключение при- |
|
бора в цепь должно по возможности меньше влиять |
|
на нее, то ток через вольтметр IV должен быть мал по |
|
сравнению с током IR. Следовательно, внутреннее со- |
|
противление вольтметра должно быть значительно |
|
больше сопротивления исследуемого участка цепи. |
Рис.2.1.2. Схема |
Если же цепь высокоомная, т.е. сопротивления ее |
вольтметра |
элементов соизмеримы или больше внутреннего со- |
|
противления вольтметра, то его показания могут |
|
быть сильно заниженными: параллельное под- |
|
ключение низкоомного вольтметра как бы зако- |
Рис.2.1.3. К расчету добавочного сопротивления
рачивает исследуемый участок цепи и напряжение падает на каких-то других, высокоомных участках цепи. Таким образом, в идеале вольтметр должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление.
Для увеличения верхнего предела измерения напряжения к вольтметру последовательно подключается добавочное сопротивление. При этом на вольтметре падает только часть измеряемого напряжения —
UV, а остальная часть — Uдоб падает на добавочном |
сопротивлении |
(рис.2.1.3). |
|
Расчет величины добавочного сопротивления производится сле- |
|
дующим образом. Пусть надо увеличить предел шкалы вольтметра в N |
|
раз большее предельного по шкале: |
|
U = N UV |
(5) |
Из рис.2.1.3 имеем: |
|
U = UV + Uдоб |
(6) |
а при общем токе: |
|
UV /r = Uдоб /Rдоб |
(7) |
Совместное решение (5)-(7) дает: |
|
Rдоб = r(N 1) |
(8) |
Пример. Пусть вольтметром на Uмакс= 0,1 В с внутренним сопротивлением r=1к0м надо измерять напряжения U до 300 В. Тогда к этому вольтметру следует присоединить добавочное сопротивление:
R= 103 (300 / 0,1 1) = 3 106 = 3 МОм.
2.1.4. Определение параметров источника ЭДС
Рассмотрим работу электрической цепи, показанной на рис.2.1.4, в которой параметры источника ЭДС (Е, r) неизвестны. Сопротивление Rмаг может задаваться с большой точностью в диапазоне от 0 до 105 Ом. Проведем два опыта измерения тока в цепи при двух существенно различающихся сопротивлениях магазина Rмаг: R1 и R2. Получим систему уравнений относительно неизвестных ЭДС источника E и внутреннего сопро-
тивления источника r:
I1 (R1 |
r rG ) E; |
(9) |
|
|
|
|
|
(R2 |
r rG ) E, |
|
|
I2 |
|
||
Рис.2.1.4. Схема определения параметров источника ЭДС
где токи I1 и I2 отсчитываются непосредственно по шкале гальванометра. Из системы (9) несложно найти r:
r |
I1 (R1 rG ) I2 (R2 rG ) |
. |
|
I2 I1 |
|
(10)
Подставив найденное значение r в одно из уравнений (9) определим неизвестное значение ЭДС Е.
2.1.5. Программа работы и обработка результатов
Правила эксплуатации приборов.
1.Во избежание выхода из строя исследуемого источника (нормальный элемент), ток через него не должен превышать 60-80 мкА. Время работы источника на любую нагрузку должно быть минимальным, т.е. подключать источник к нагрузке следует только на несколько секунд, необходимых для снятия отсчета по шкале прибора.
2.Прежде чем пропускать через гальванометр ток, необходимо проверить теоретически, что этот ток не превысит предельного значения шкалы гальванометра.
3.При использовании многопредельных приборов для измерения заранее неизвестных токов и напряжений следует сначала включать самый грубый предел измерений, а затем уменьшать предел до тех пор, пока показания не превысят половины шкалы прибора.
4.При использовании в качестве блока питания регулируемого источника напряжения или тока перед включением источника в сеть необходимо выставить на нем минимальное значение выходного напряжения или тока.
1.Выставить на магазине сопротивлений сопротивление Rмаг=105
Ом. Для определения параметров источника ЭДС собрать схему, показанную на рис.2.1.4. Плавно уменьшая сопротивление магазина, добиться того, чтобы стрелка гальванометра отклонилась примерно на половину шкалы. Записать значение тока I1 в цепи и соответствующее ему сопротивление магазина R1. Снова уменьшать сопротивление магазина до тех пор, пока стрелка гальванометра не отклонится примерно на всю шкалу. Записать новое значение тока I2 и соответствующее ему сопротивление магазина R2. Разобрать схему. По формулам (9) и (10) определить параметры источника ЭДС и записать результаты расчетов в лабораторный журнал.
2.Собрать схему (рис.2.1.4), используя вместо магазина сопро-
тивлений резистор с неизвестным сопротивлением Rx. Измерить гальванометром ток I в цепи. По результатам измерений определить номинал
неизвестного сопротивления Rx (параметры E и r источника известны) и записать результат в лабораторный журнал. Вычислить ток I0 , который протекал бы в этой цепи без гальванометра. Оценить относительную погрешность, вносимую измерительным прибором.
3.Используя магазин в качестве добавочного сопротивления, рассчитать и изготовить из гальванометра вольтметр (V1) на максималь-
ное напряжение Uмакс=1 В.
4.Проверить точность изготовленного вольтметра с помощью
образцового (цифрового) вольтметра (V2) по схеме, показанной на рис.2.1.5. В случае необходимости скорректировать добавочное сопротивление до полного совпадения показаний обоих приборов. Записать величины рассчитанного и скорректированного добавочного сопротивления.
5.Измерить напряжение на зажимах источника ЭДС отдельно
цифровым вольтметром (V2) и изготовленным (V1) и оценить относительное расхождение.
6.Рассчитать шунт и изготовить на основе гальванометра амперметр на 1 мА, используя в качестве шунта магазин сопротивлений. Шунт следует присоединять аккуратно, так как его обрыв при работе немедленно приведет к перегоранию обмотки гальванометра.
7.Используя резистор Rx в качестве ограничителя тока, проверить градуировку изготовленного амперметра (A1) c помощью образцового (A2), в качестве которого используется стрелочный многопредельный
амперметр, установленный на предел измерения тока 1 мА. Схема проверки показана на рис.2.1.6. Включить универсальный блок питания (БП) (имеющий практически нулевое внутреннее сопротивление), предварительно установив на его клеммах нулевое выходное напряжение. Проверку провести при токах 0,5 мА и 1 мА, которые выставляются на передней панели блока питания увеличением выходного напряжения блока. При необходимости скорректировать шунт до полного совпадения показаний обоих приборов.
8. Измерить изготовленным амперметром ток I в цепи “блок питания, резистор Rx” и сравнить результат с величиной I=U/Rx, где U — напряжение на выходе блока питания, измеренное цифровым вольтметром.
Результаты выполнения всех пунктов должны быть отражены в записях с изображениями схем каждой измерительной цепи.
2.1.6.Контрольные вопросы и задания
1.Вывести формулы для расчетов:
1.1.шунта, позволяющего увеличить предел измерения тока амперметром в N раз;
1.2.добавочного сопротивления, позволяющего увеличить предел измерения напряжения вольтметром в N раз;
1.3.добавочного сопротивления к гальванометру, отградуированному по току до Iмакс, с целью измерения этим прибором напряжений до
заданного Uмакс.
Внутренние сопротивления приборов считать известными.
Рис.2.1.5. Схема поверки изготовленного вольтметра
Рис.2.1.6. Схема поверки изготовленного амперметра
2.Чем отличается ЭДС источника от напряжения на его зажимах и когда они совпадают?
3.Почему в высокоомных участках цепей необходимо использовать электронные (в частности — цифровые) вольтметры?
4.К источнику ЭДС (E=1,5 B, r=1 Ом) подключен резистор R=2Ом. Ток в цепи измеряется амперметром с внутренним сопротивлением
RA=2Ом. Какой ток покажет прибор? Какой ток протекает в цепи в отсутствии амперметра?
2.1.7. Литература
Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985 §§ 57, 67, 68, 70.
2.2. Электронно-лучевая трубка (Лабораторная работа №2)
Цель работы — изучение устройства, принципа работы и некоторых характеристик осциллографической электроннолучевой трубки.
2.2.1. Устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки
Электроннолучевая трубка (ЭЛТ) является основным элементом осциллографа. Она обеспечивает визуальное наблюдение различных электрических процессов в цепях и позволяет измерять параметры этих процессов: напряжения, длительности и формы сигналов. Электроннолучевая трубка представляет собой вакуумированную стеклянную колбу с длинной цилиндрической горловиной и коническим уширением для экрана. Функционально ЭЛТ можно разделить на три части:
1)электронная пушка (электронный прожектор) — узел, т.е. группа электродов, предназначенных для формирования электронного луча вдоль оси трубки, сфокусированного на поверхности экрана;
2)отклоняющая система — группа электродов (отклоняющих пластин), предназначенных для управления лучом, т.е. для вертикального и горизонтального отклонения его на пути к экрану;
3)экран — слой люминофора, нанесенный изнутри на дно конической части трубки и способный светиться желтым, синим или зеленым цветом в том месте, где на него попадают электроны луча.
Фокусировка и управление лучом в трубке, вообще говоря, могут быть как электростатическими (с помощью электрического поля), так и магнитными (с помощью магнитного поля). В осциллографах обычно используются трубки с электростатическими фокусировкой и отклонением. Устройство осциллографической ЭЛТ показано на рис.2.2.1. Электронный прожектор трубки состоит из катода (К), подогреваемого нитью накала (Н), модулятора (М) и двух анодов — ускоряющего (А2) и фокусирующего (А1). Испущенные горячим катодом электроны ускоряются в поле анода А2, имеющего относительно катода высокий положительный потенциал UA2 ~ 1 2 кВ, и достигают скорости:
|
|
|
|
|
|
v |
2e |
U A . |
(1) |
||
m |
|||||
|
2 |
|
|
||
|
|
|
|
||
Ток луча, а, следовательно, и яркость его следа на экране, регулируется модулятором — стаканообразным электродом с небольшим (около 1 мм) отверстием в основании (см. рис.2.2.1). Модулятор имеет отрицательный относительно катода потенциал Um, варьируемый примерно от 0 до 50 В. При достаточно большом отрицательном потенциале Um, называемом потенциалом запирания трубки, ток луча близок к нулю, и свечения на экране не видно. Система двух анодов А1 и А2 создает на пути луча электрическое поле, называемое электронной линзой и фокусирующее луч на поверхности экрана. Профиль электронного луча в ЭЛТ показан на рис.2.2.1. У реальной трубки система анодов хорошо видна через стекло. Сформированный прожектором луч попадает в отклоняющую систему, представляющую собой пару вертикально отклоняющих пластин (Y) и пару горизонтально отклоняющих пластин (Х). Если между пластинами Y создать электрическое поле, то луч в нем будет отклоняться по вертикали, а под влиянием поля пластин Х - по горизонтали. Таким образом, варьируя напряжения UY и UX, приложенные к пластинам Y и X, мы можем управлять положением следа луча на экране. Попадая на экран, электроны вызывают свечение люминофора, которое в зависимости от его типа может длиться от 10-5 с до 10 с после ухода луча с данного места. Яркость свечения зависит от тока луча, от скорости электронов в нем и от времени действия луча на данную точку экрана. При остановке
интенсивного луча в одной точке экрана может произойти прожег люминофора. В зависимости от требуемого времени послесвечения экрана и от желаемого цвета, в качестве люминофоров используются обычно соли цинка или кадмия (ZnS, CdS, ZnSiO3) с примесями марганца, серебра и др. Для того, чтобы после выхода из прожектора электроны не тормозились вторым анодом, трубка изнутри покрывается тонким угольным слоем — аквадагом (А), соединенным с анодом А2 (рис.2.2.1). Таким
Рис.2.2.1. Устройство электронно-лучевой трубки