Физика / ___________ _____21
.docЛабораторна робота №21
Вивчення вольтметра та амперметра. Вимірювання опору провідника методом вольтметра та амперметра
Мета роботи.
-
Вивчити принцип роботи гальванометра магнітоелектричної системи і застосувати його для вимірювання напруги U та струму I.
-
Розрахувати величини опорів Rx, застосовуючи додатковий опір та шунт.
Прилади та обладнання
-
2 мікроамперметра,
-
2 магазини опорів,
-
2 невідомі опори,
-
блок живлення.
Коротка теорія.
Докладно будова гальванометра та будова вольтметра і амперметра на його основі викладено у вступній частині, а основні характеристики струму, напруги та опору розглянуто у Додатку.
Напругу U на деякому опорі R вимірють вольтметром V, вмикаючи його паралельно опорові, а струм, що тече через нього - амперметром А, ввімкненим послідовно з опором. Принципова схема електричного кола з джерелом струму Е, вольтметром V, амперметром А та опором R показана на Мал.1. Для розширення меж вимірювання вольтметра, його вімкнено послідовно з додатковим опором , а для збільшення межі вимірювання амперметра, до нього паралельно вімкнено опір , який називають шунтом. На малюнку позначено , - внутрішні опори приладів, - границя величини напруги, вимірюваної вольтметром, - границя величини струму, вимірюваного амперметром, - струм, що проходить через шунт, - напруга на додатковому опорі.
Як відомо, будь-який прилад для вимірювання струму можна використовувати і для вимірювання напруги.
Наприклад, мікроамперметр із верхньою межею вимірювання Іпр=200 мкА, що має внутрішній опір RпрV= 730 Ом, дозволяє виміряти максимальну напругу такої величини
. (1)
Отже, цей прилад може використовуватися як вольтметр із верхньою межею вимірювання . Для розширення межі вимірювання напруги послідовно з приладом вмикаємо додатковий опір Rд (Мал.2а). Якщо величина вимірюваної напруги дорівнює U=nUпр, то величина Rд може бути знайдена із таких міркувань. Напруга на приладі за законом Ома є , а напруга U на опорі R за законом Ома дорівнює . З одержаних виразів можна скласти відношення
. (2)
Розвязком (2) буде
. (3)
Якщо ж цей прилад необхідно використовувати для вимірювання струму І=nIпр, у n раз більшого ніж Іпр, його шунтують опором Rш (Мал.2б). Напруга на приладі та напруга на шунтові рівні за величиною, причому . Прирівнюючи ці напруги, одержимо рівняння відносно
, (4)
звідкіля
. (5)
Невідомий опір обчислюється через напругу U та струм І за законом Ома
. (6)
Вимірювання U і І здійснюється за допомогою вольтметра й амперметра (Мал.З). При такій схемі вимірювання показання вольтметра відповідає значенню U, але показання амперметра I0 підвищують значення I на величину IV, тобто на силу струму, що протікає через вольтметр. Це - систематична похибка методу вимірювання. Для її виключення треба увести поправку - відняти з показань амперметра I0 величину Iv.
Як вольтметр і амперметр можна використовувати мікроамперметри - один із додатковим опором, інший з шунтом (Мал. 4). За показами цих приладів IV й IA можна буде визначити значення напруги й струму U і I у невідомому опорі R. З урахуванням вищевикладеного одержимо
, (7)
. (8)
Однак при одноразовому вимірі U й І обчислення R по приведених формулах дає результат із невисокою точністю, причому похибка його невідома. Для одержання більш достовірних результатів необхідно одержати 7 пар значень Ui і Ii, обробка яких за методом найменших квадратів дозволить обчислити найбільш імовірне значення опору R і границі довірчого інтервалу.
Хід виконання лабораторної роботи
-
Вивчити принцип дії та розрахунок електровимірювальних приладів магнітоелектричної й електродинамічної системи, викладених у Вступі до практикуму.
-
Вивчити метод найменших квадратів і його застосування для розвязку рівняння лінійної регресії.
-
Зібрати схему, зображену на Мал.4. Значення Iпр і Rпр знайти по шкалі приладів (вони можуть бути неоднакові для обох приладів), прийнявши U=2 B і I= 2 мА, обчислити n для додаткового опору Rд і n для опору шунта Rш. За формулами (3) та (5) обчислити додатковий опір Rд і опір шунта Rш. Округливши отримані числа Rд - до сотень Ом, Rш -до десятих часток Ом, набрати ці значення на магазинах опорів приладів, ввімкнених як шунт і додатковий опір.
-
Після перевірки схеми установити движок дільника напруги R0 у ліве положення, замкнути ключ К і визначити показання приладів Iv і IA для 7 положень движка; значення Iv і IA занести в Таблицю 1.
-
За описаним способом зробити вимірювання опору 2-х резисторів кожного окремо та опір при їх послідовному та паралельному з'єднаннях.
-
Результати вимірювання занести до Таблиці 1.
Методика обробки результатів вимірів
1. За значеннями вимірювань Табл. 1 та формулами (7) та (8) розрахувати напруги U та струми I на невідомих опорах.
2. Знайти найбільш імовірні значення невідомих опорів і границі довірчих інтервалів за допомогою методу найменших квадратів у системі Ecxel.
3. Результати вимірювання для кожного з опорів записати у вигляді
,
з коефіцієнтом кореляції
,
де середнє значення, ΔR границя довірчого інтервалу, Р імовірність розрахунку.
Контрольні питання
-
Дати визначення заряду, струму, сили струму, опору, величин опору при послідовному та паралельному їх з'єднанні, напрузі, електрорушійній силі, закону Ома.
-
Як улаштовані електровимірювальні прилади різних систем і який їхній принцип дії?
-
Яке призначення шунта і додаткового опору? Як виконується розрахунок шунта та додаткового опору?
-
Як проводиться розрахунок довірчого інтервалу похибки результату непрямого вимірювання?