Хід виконання лабораторної роботи

1.Експериментальна установка представлена на фото. Вона має 1-3 лінійку з вимірювальною котушкою, 2- соленоїд, 4 - кнопка замикання, 5 - джерело живлення, 6 - амперметр, 7- балістичний гальванометр. Ознайомившись з експериментальною установкою і підключивши вимірювальну котушку К до балістичного гальванометра, приступити до виконання роботи. Установити на панелі джерела певну силу струму І соленоїда. Перший вимір проводити для точкки поля з координатою х=0, тобто в центрі соленоїда.

Вимірити величину кута відхилення стрілки балістичного гальванометра при замиканні та розмиканні ланцюга кнопкою К. Знайти середнє значення кутаі занести до Таблиці. Надалі провести вимірювання в точках праворуч та ліворуч центра соленоїда О, що відстоять одна від другої на 1 см в межах довжини соленоїда. Результати вимірювання і величини параметрів установки, що представленні на стендіL,S₂,N_2,R₂,C_qзанести до Таблиці.

Методика обробки результатів вимірів

1. За формулою (6) і даними Таблиці для розрахуйте експериментальне значенняі значення занесіть їх до Таблиці.

2. За формулами (1-2) розрахуйте теоретичне значення і занесіть їх до Таблиці.

3. Для порівняння одержаних результатів побудуйте гістограми для і.

4. Зрробіть висновки.

Контрольні питання

1. Записати та розказати зміст закону Біо-Савара-Лапласа.

2. Розрахуйте напруженість магнітного поля короткого соленоїда?

3. Що називається магнітним потоком?

4. Записати та дати тлумачення закону електромагнітної індукції Фарадея. Вивести із нього формулу (6).

5. Опишіть метод експериментального виміру напруженості магнітного поля за допомогою балістичного гальванометра.

Лабораторна робота № 36

ВИВЧЕННЯ ГАЛЬВАНОМЕТРА

Мета роботи

• визначити внутрішній опір гальванометра,

• визначити чутливість гальванометра по струму,

• визначити період вільних коливань рамки гальванометра,

• визначити зовнішній критичний опор гальванометра.

Прилади та обладнання.

• гальванометр,

• вольтметр,

• блок живлення,

• омічні опори.

Коротка теорія

Гальванометри — прилади для виміру малих електричних струмів.

При точних вимірах застосовуються тільки гальванометри магнітоелектричної системи. Рухлива система такого гальванометра являє собою чотирикутну рамку складену з щільно укладених і склеєних ізолюючим лаком чотирикутних витків плошею S ізольованого тонкого дроту перерізом у декілька сотих часток міліметра. Число витків N у такій котушці - від декількох десятків до сотні. Рухлива система гальванометра (рамка) підвішена на нитці, на якій укріплене дзеркальце.

Ниткою підвісу служить тонкий металевий дротик чи стрічечка (платина, бронза) перерізом у декілька мікрон, що одночасно є й одним з провідників підводу струму до рамки. Другим провідником струму до котушки служить звичайно металева срібна чи платинова стрічечка товщиною до десятих мікрона. Підведення струму до рухливої системи гальванометра не повинно мати пружного опору обертанню рухливої системи, щоб пружним моментом сил, що діють на рамку, був тільки крутильний момент нитки підвісу.

Перед початком роботи гальванометра потрібно правильно установити його у горизонтальній площині, що досягається обертанням трьох настановних гвинтів, на які спирається корпус приладу. Деякі гальванометри постачаються рівнем для контролю за правильною установкою.

Рамка правильно установленого гальванометра повинна вільно рухатися в зазорі між полюсами магніту і циліндром з м'якого заліза, не торкаючись їх при обертанні.

До початку роботи рухлива система гальванометра утримується у фіксованому положенні спеціальним пристосуванням (арретиром). Верхній кінець нитки підвісу закріплений в обертовій голівці (позначеної на корпусі приладу написом "коректор нуля"), виведеної на верхню частину корпуса гальванометра. Обертанням цієї голівки можна повертати рухливу систему гальванометра для установки її у нульове положення між полюсами магніту.

При протіканні струму І через обмотку рамки, розміщеної в магнітному полі з індукцією , на останню діє момент сил

, (1)

де

(2)

магнітний момент рамки, а додатня нормаль до рамки (з її вершини видно, що струм в рамці протікає проти годинникової стрілки). При цьому рамка з струмом повертається так, щоб вектори тастали паралельними і моментстав рівним 0. Для невеликих кутів повороту рамки, з боку підвісу виникає пружний момент сили, який протидіє моменту. При рівновазі рамки спостерігається рівність моментів сил

. (3)

Величина пружного моменту пропорційна куту поворотуз коефіцієнтом пропорційностіD, який називається модулем кручення

. (4)

діючих на рамку з боку магнітного поля, і пружного моменту нитки підвісу.

Підставляючи послідовно (1), (2) і (4) в (3), одержимо

. (5)

Величина С називається динамічною сталою, яка чисельно дорівнює силі струму, при якому кут повороту рамки дорівнює 1. Величина

(6)

називається чутливістю гальванометра по струму.

Чутливість по напрузі гальванометра визначається співвідношенням

, (7)

де - опір витків рамки гальванометра.

З рівняння (5) видно, що для збільшення чутливості гальванометра необхідно, щоб модуль кручення був невеликим і навпаки величини B, N, S ­ великими. Описана схема гальванометра дозволяє вимірювати силу струму до 10^-11 А і різницю потенціалів до 10^-8 В.

При роботі з гальванометром важливе значення має не тільки його чутливість по струму чи напрузі, але також характер руху його рухливої системи і час, протягом якого остання займе положення рівноваги, що відповідає кінцевому куту відхилення. При врахуванні моменту сил опору рухові рамки, величина якого пропорційна кутовій швидкості рамки, рівнодійний момент сил запишеться у вигляді

.

Вектори лежать на одній прямій, за додатній напрямок якої візьмемо напрямок кутового пискорення рамки. Тепер величина результуючого моменту сили запишеться так

. (8)

Коефіцієнт опору можна представити як суму коефіцієнта опору у повітряному просторіта коефіцієнта електромагнітного гальмування, що виникає за рахунок індукованої в котушці рамки електрорушійної сили індукції

. (9)

Величина є сталою величиною, а величинуможна оптимізувати, виходячи із слідуючих міркувань.

При повороті рамки на кут d за час dt магнітний потік, що пронизує її контур, змінюється на величину dФ=BNSd. При цьому в рамці індукується електрорушійна сила величиною

, (10)

що викликає у рамці індукційний струм i

, (11)

де R_g  опір рамки, R_k  зовнішний опір на який закорочено рамку.

Обертовий електромагнітний гальмівний момент сили опору , що діє на контур з струмомІ в магнітному полі з індукцією В за величиною дорівнює

, (12)

де коефіцієнт опору дорівнює

. (13)

Запишемо другий закон Ньютона для обертового руху рамки з моментом інерції J, для моменту сил (3)

. (14)

Після підстановки величин з (8) в (14) та простих перетворень одержимо рівняння коливань рамки в магнітному полі

, (15)

де

.

Рівняння (15) має розвязком суму розвязку однорідного рівняння (І=0) вільних згасаючих коливань рамки

та частинного рзвязку неоднорідного рівняння

, (16)

де

. (17)

Формула (17) дозволяє зробити такі висновки.

I. Поворот рамки на кут  відбувається аперіодично, тобто рамка повертається і асимптотично підходить до положення рівноваги, не переходячи його у тому випадку коли =0, тобто при .

Гальванометр, що робить у зазначеному режимі, називається критично заспокоєним, причому такий режим зручніше за все можна досягти, змінюючи зовнішній опір, на який замкнуто обмотку рамки.

Нехтуючи опором повітря () одержимоі тепер

. (18)

У критичному режимі і тоді із (18) одержимо

(19)

Величина R_kp  називаєтся зовнішнім критичним опором, а  повним критичним опором гальванометра.

Критичний режим роботи гальванометра практично найбільш зручний для вимірів, тому що забезпечує мінімальний час підходу рухомої системи гальванометра до положення рівноваги.

2. Збільшуючи електромагнітне гальмування, тобто зменшуючи опір R_kp зовнішнього кола гальванометра, так щоб , ми змусимо повертатися рамку гальванометра також аперіодично, але з меншою швидкістю. У таких випадках гальванометр називається перезаспокоєним.

3. Якщо між сталими гальванометра існує нерівність , то рух рамки буде періодичним (коливальним) з періодомТ і величиною загасання коливань . Логарифмічний декремент загасання визначається логарифмом відношення двох наступних одна за другою через період амплітуд

(20)

а період дорівнює

.

При рамка гальванометра може коливатися гармонічно з періодом власних коливань

. (21)

Такий процес буде проходити при розімкнутому колі рамки.

З викладеного видно, що характер руху рамки (при незмінних J і D) ) легко і зручно змінюється в широких межах - від періодичного з малим загасанням до аперіодичного, причому той чи інший режим рамки досягається регулюванням опору зовнішнього кола, на який замкнута обмотка рамки приладу. На цьому явищі заснований спосіб швидкого заспокоєння коливань рамки (демпфірування). Досить обмотку замкнути накоротко в той момент, коли вона в процесі коливань проходить через положення спокою (нуля), щоб вона швидко зупинилася.

З формул (6), (13) і (21) для чутливості гальванометра по струму одержимо вираз

. (22)

Таким чином, при заданому періоді гальванометра (практично 1- 6 с) чутливість по струму пропорційна кореню квадратному з повного критичного опору, що, здавалося б, потрібно його робити як можна більшим. Але збільшення критичного опору веде до зниження чутливості приладу по напрузі

. (23)

У зв'язку з цим гальванометри поділяються на чутливі по струму і чутливі по напрузі. Перші мають великий критичний опір. Їх застосовують у високоомічних колах для виміру невеликих струмів, де значення опору гальванометра не вносить значних змін у досліджуване коло (наприклад, коло фотоелемента).

Другі мають менше значення критичного опору і застосовуються для виміру напруги в низькоомічних колах (наприклад, коло термопари).

Хід виконання роботи і обробка результатів вимірювання.

Завдання I. Визначення внутрішнього опору гальванометра. Для дослідження дзеркального гальванометра збирають схему, зображену на Мал.1. Якщо R₁<<R₀, то сСила струму в колі гальванометра (видно за схемою) визначається наступним наближеним виразом

. (24)

.

Для визначення опору гальванометра R_g (при замкнутому ключі К₂) підбирають опір R₁ і R₂. так, щоб "зайчик" гальванометра відхилявся майже до кінця шкали на кут . Після цього, залишаючи опір R₁ незмінним і меншим 0,1R₀ , збільшують опір R₂ до значення R₂', при якому відхилення "зайчика"  складало б /2 і записують нове значення опору R₂'.

Якщо сила струму через гальванометр у першому випадку визначалася по (24), то у другому випадку буде мати місце співвідношення

(25)

З формул (24) і (25) одержуємо

. (26)

Результати вимірів і розрахунків заносять у Табл.1.

Завдання 2. Визначення чутливості гальванометра по струму.

Визначивши силу струму І по (26) для відхилень "зайчика" гальванометра , визначаємо чутливість гальванометра по струму

.

Результати розрахунків заносимо в Табл.1.

Дослід повторити 7 разів.