Практикум по электричеству / LAB0

Б.Н. Сипливый, В.К. Михайлов, В.В. Подгорный, П.И. Поленичкин.

Практикум по электричеству

Лабораторная работа №0

ПОНЯТИЕ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ И ПРАВИЛА ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

1.1. Измерение электрических величин

Целью проведения лабораторных работ, помещенных в настоящий сборник, помимо изучения на практике основных физических законов электричества и магнетизма, является получение студентами практических навыков при работе с электроизмерительными приборами и ознакомления с самим процессом измерения электрических величин. Поэтому перед началом выполнения лабораторных работ студентам рекомендуется ознакомиться с содержанием данного параграфа.

1.1.1. Общие сведения

Измерение любой физической величины заключается в экспериментальном сравнении ее с такой же эталонной величиной, принятой за единицу измерения:

A=N ,

где A — измеряемая величина; N — числовое значение измеряемой величины; — единица измерения. Измерения выполняют с помощью специальных технических средств: мер, измерительных приборов и вспомогательных приспособлений. При электрических и радиотехнических измерениях применяют меры активного сопротивления, емкости, индуктивности, ЭДС.

Измерительный прибор — средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в измерительную информацию, доступную для непосредственного отсчета. Однако подключение к исследуемой цепи измерительного прибора уже есть вмешательство в эту цепь, которое может привести 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 последнюю уже надо специально вычислять с учетом внутренних характеристик прибора.

По способу получения результата, измерения производится следующими основными мето-

дами.

1.Метод прямых измерений. При прямых измерениях искомую величину находят непосредственно по шкале измерительного прибора.

2.Метод косвенных измерений. При косвенных измерениях искомая величина определяется расчетом по результатам измерения других, связанных с ней величин на основании известной зависимости. Например, сопротивление можно определить из закона Ома, измерив отдельно напряжение и ток.

3.Метод сравнения. Искомая величина сравнивается с известной и принятой за эталон величиной того же типа. К этой группе методов относятся такие, как метод моста, компенсационный метод, измерение частот по фигурам Лиссажу и др. Основным достоинством таких методов является их высокая точность, близкая к точности эталона. Это связано с тем, что измерительный прибор используется в них как нулевой и градуировка его шкалы в результаты измерений не входит.

1.1.2. Единицы измерений

Как правило, в лабораторных работах, вошедших в данный сборник, используются единицы Международной системы единиц (СИ). Основными единицами системы СИ являются: длина

— метр (м); масса — килограмм (кг); время — секунда (с); электрический ток — ампер (А); термодинамическая температура — кельвин (К); сила света — кандела (Кд); количество вещества —

2

моль. Остальные единицы измерения системы СИ производные, определяемые через основные, в том числе в электричестве и магнетизме: напряжение — вольт (В); сопротивление — ом (Ом); индукция магнитного поля — тесла (Тл); электрическая емкость — фарада (Ф); индуктивность — генри (Гн); частота — герц (Гц) и т.д.

В радиотехнических измерениях отношений мощностей, напряжений и токов широко применяют логарифмические единицы измерения белы — Б (В) и децибелы — дБ (dB):

где Д — отношение электрических величин, измеренных в dB; Р2 , Р1 — величины электрической мощности; U2эф, U1эф — действующие значения напряжения.

1.1.3. Погрешности измерений

При любых измерениях результат измерения А отличается от истинного значения измеряемой величины А из-за наличия погрешности измерительного прибора, несовершенства метода измерения, возникновения ошибок при снятии и обработке данных. Отклонение результатов измерений от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения, которая бывает абсолютной и относительной.

Абсолютная погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины, равна разности между измеряемым А и действительным А0 значениями:

A = A A0

Эта погрешность характеризует точность измерений не полностью. Наиболее полно точность измерений характеризует относительная погрешность — выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности A к истинному значению A0 измеряемой величины:

При измерениях возникают различные погрешности, которые по характеру проявления делятся на систематические, случайные и промахи, связанные с ошибкой оператора. Систематическими называются такие погрешности, которые остаются постоянными по значению и знаку или изменяются по определенному закону. Случайными называются такие погрешности, закон изменения которых неизвестен. Их обнаруживают, когда при повторных измерениях одной и той же величины результаты получаются разными.

1.1.4. Классификация электроизмерительных приборов

По характеру измерений и виду измеряемых величин радиоизмерительные приборы классифицируют по группам, которые обозначают буквами русского алфавита (за буквами следуют цифровые обозначения):

А — приборы для измерения тока; В — приборы для измерения напряжения;

М — приборы для измерения мощности; С — приборы для исследования формы сигналов и спектра (осциллографы); Г — измерительные генераторы;

Ч — приборы для измерения частоты и времени; Ф — приборы для измерения разности фаз;

Е — приборы, измеряющие параметры цепей с сосредоточенными параметрами;

Р— приборы, измеряющие параметры цепей с распределенными параметрами.

Влабораторных работах применяются следующие основные электроизмерительные прибо-

ры:

Гальванометры. Гальванометрами называют наиболее чувствительные приборы, предназначенные для измерения очень малых токов и напряжений. Для измерения постоянных токов используют почти исключительно приборы магнитоэлектрической системы, главным образом с зеркальным отсчетом. Для измерения кратковременных импульсов электрического тока употребляются баллистические гальванометры.

Амперметры. Амперметры (миллиамперметры, микроамперметры) служат для измерения силы тока. Включают их последовательно с участком цепи, в котором измеряется сила тока. Внут-

3

реннее сопротивление амперметра должно быть значительно меньше сопротивления участка цепи, в котором измеряется сила тока.

Вольтметры. Вольтметры (киловольтметры, милливольтметры) служат для измерения напряжения (разности потенциалов) между двумя точками цепи. Подключают их параллельно участку цепи, между концами которого требуется измерить напряжение. Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть значительно больше сопротивления участка цепи, на котором измеряется падение напряжения.

Электронные осциллографы. Применяются чаще других среди радиоизмерительных приборов и позволяют исследовать напряжение любой формы как периодических, так и непериодических или редко повторяющихся колебаний. Высокая чувствительность этих приборов дает возможность наблюдать очень слабые колебания в широкой полосе частот, а большое входное сопротивление оказывает слабое влияние на цепи, к которым их подключают.

1.1.5. Системы стрелочных приборов

По принципу действия стрелочные электроизмерительные приборы делятся на приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, индукционной, электростатической, тепловой и вибрационной систем.

Система электроизмерительного прибора — это характеристика способа сообщения стрелке прибора вращающего момента.

Магнитоэлектрическая система. В поле постоянного магнита М находится вращающаяся катушка К, по которой проходит измеряемый ток (рис.1.1.1). Угол поворота катушки, преодолевающей противодействие спиральной пружины, прямо пропорционален току. Рамка содержит несколько десятков витков тонкой проволоки. Рамка вращается вокруг железного цилиндрического барабана Б в зазоре между полюсными наконечниками Н. Приборы этой системы имеют равномерную шкалу. Основным достоинством приборов этой системы является их высокая чувствительность. Применяются для измерения постоянных тока и напряжения, а с детектором — для измерения переменных тока и напряжения низкой частоты. Основной недостаток — недопустимость значительных электрических

перегрузок.

К1 и подвижной катушки К2. Ток проходит по обеим катушкам, причем катушка К2 вращается внутри катушки К1 (рис.1.1.3). Вращательный момент на стрелку создается взаимодействием неподвижной и подвижной катушек с током, причем угол поворота катушки К2 зависит от величины тока. Приборы этой системы имеют неравномерную квадратичную шкалу. Приборы электродинамической системы применяются для измерения токов и напряжений как постоянных, так и переменных. Приборы этой

Рис.1.1.3. Элек- системы можно использовать также в качестве ваттметров. Тогда шкала у них

4

ний в цепях постоянного и переменного тока. Прибор при этом практически не потребляет мощности.

1.1.6. Характеристики электроизмерительных приборов

Для грамотного пользования стрелочным электроизмерительным прибором необходимо изучить основные характеристики их рабочих шкал.

Цена деления. Цена деления равна изменению электрической величины, вызывающей перемещение указателя по шкале на одно деление. Следует обратить внимание, что у некоторых приборов с неравномерной шкалой цена деления различна в разных частях шкалы. Единица цены деления зависит от рода измеряемой величины.

Пример 1. Микроамперметр рассчитан на измерение силы тока i до 75мкА. Шкала имеет N=150 делений. В этом случае цена деления:

C=i/N=0,5 мкА/дел=0,5 10-6 А/дел.

Следует отметить, что у некоторых приборов с неравномерной шкалой цена деления различна в разных частях шкалы.

Чувствительность прибора. Чувствительность определяется как отношение угла поворота или линейного перемещения указателя по шкале к соответствующему изменению измеряемой величины. Чувствительность — величина обратная цене деления.

Пример 2. Амперметр рассчитан для измерения тока i до 10А. Шкала разбита на N=50 делений. В этом случае чувствительность равна:

E=N/i=5 дел/А.

Класс точности прибора. Как правило, приборы градуируются так, чтобы цена деления шкалы несколько превышала максимальную ошибку градуировки. Поэтому за абсолютную погрешность x измерения величины x данным прибором можно принять цену деления в том месте шкалы, куда отклонится стрелка. Для линейной шкалы х=const по всей шкале. Отношение

= x/x

определяет относительную погрешность измерения данным прибором. Величина относительной погрешности измерения (в процентах) при положении стрелки в конце шкалы прибора называется классом точности этого прибора.

Пример 3. Пусть шкала микроамперметра имеет N=100 делений, а максимальное отклонение стрелки соответствует току i=50мкА. Абсолютная погрешность (т.е. одно деление шкалы) при этом будет i=0,5 мкА. Тогда min= i/imax 100%=1%, а класс точности прибора будет 1,0.

Выпускаются приборы следующих классов:

0,05; 0,1; 0,2 — образцовые приборы, применяемые, в основном, для проверки рабочих приборов; 0,5; 1,0; 1,5 — лабораторные приборы; 2,0; 2,5; 4,0 — технические приборы.

Пример 4. Пусть класс точности вольтметра min=2,0, а шкала отградуирована до Umax=300 В. Тогда его абсолютная погрешность: U=Umax min=6 В. Следовательно, напряжение на этом вольтметре можно измерять с точностью не ниже 6 В.

1.1.6.1. Обозначения на шкале

Назначение прибора

А — амперметр: прибор для измерения тока со шкалой в амперах; mA — миллиамперметр (1мА=10-3А);

5

A — микроамперметр (1мкА=10-6А);

V — вольтметр: прибор для измерения напряжения со шкалой в вольтметрах; mV — милливольтметр;

kV — киловольтметр (1кВ=103В);

W — ваттметр: прибор для измерения мощности со шкалой в ваттах;— омметр: прибор для измерения сопротивления со шкалой в омах; k — килоомметр.

Система прибора — магнитоэлектрическая;

— электромагнитная;

— электродинамическая;

— электростатическая.

Род тока

— прибор для измерения постоянного тока; ~ — прибор для измерения переменного тока.

Рабочее положение шкалы— вертикальное;— горизонтальное;

60o — наклонное под углом 60о;

— ориентировка в магнитном поле Земли.

Прочность изоляции

— измерительная цепь изолирована от корпуса прибора и испытана напряжением 1 кВ.

Частотный режим

45-550 Нz — область рабочих частот.

Класс точности

1,0 — класс точности прибора.

Категории защиты

— категория защиты от внешних магнитных полей;

— категория защиты от внешних электрических полей.

Вид преобразователя

— прибор с полупроводниковым выпрямителем;

— прибор с электронным преобразователем;

— Внимание! Смотри дополнительные указания в паспорте.

1.1.6.2.Обозначения на клеммах и зажимах приборов

— отрицательный полюс;

+— положительный полюс;

* (или 0) — общий у комбинированных приборов; ~ — зажим переменного тока в комбинированных приборах;

U, I, R — положительные полюсы для измерения, соответственно, напряжения, тока и сопротивления в комбинированных приборах;

— вход радиоизмерительного прибора (для коаксиального кабеля);

— выход радиоизмерительного прибора (для коаксиального кабеля);

— зажим, соединенный с корпусом прибора;

6

— зажим для заземления прибора.

1.1.7. Многопредельные приборы

Для расширения диапазона измерений одним и тем же прибором в нем делается переключатель пределов, который, изменяя величину хmax (уменьшая или увеличивая), например, в 10, 100, 1000 раз, позволяет проводить измерения в разных диапазонах примерно с одинаковой погрешностью. Для уменьшения относительной погрешности измерения предел прибора следует выставлять минимально возможным для данной измеряемой величины: если, например, измеряется напряжение U 20 В вольтметром с пределами Umax=300, 30 и 3 В, то надо выставить предел Umax =30 В.

1.2. Меры безопасности и правила выполнения лабораторных работ

Безопасность при работе в лаборатории электричества и магнетизма и правильное усвоение содержащегося в лабораторных работах учебного материала обеспечиваются при строгом соблюдении мер безопасности 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;

—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.