IV. Домашнє завдання.

§3-4. Вправа 1 (5), вправа 2 (1).

V. Систематизація і узагальнення нових знань

Питання до класу:

1. Яка сила спричинює переміщення електронів у рухомих провідниках?

2. За яким законом визначається напрям індукційного струму?

3. Застосувати правило Ленца до одного із контурів.

Тема уроку.

Принцип дії електровимірювальних приладів. Гучномовець.

Мета. Розглянути принцип дії електровимірювальних приладів; вивчити будову і дію гучномовця. Показати значення закону Ампера для розвитку електротехніки та приладобудування.

Обладнання: схеми, таблиці: „Будова і дія амперметра і вольтметра”, „Будова і дія гучномовця”

Тип уроку: засвоєння нових знань.

ХІД УРОКУ

І. Актуалізація опорних знань.

Питання до класу:

1.Сформулювати закон Ампера.

2. Як можна визначити силу Ампера? (за допомогою правила лівої руки)

3. Від чого залежить сила, яка діюча на прямолінійний провідник і струмом у зовнішньому магнітному полі.

II. Виклад нового матеріалу.

У всіх електровимірювальних стрілочних приладах дія електричного струму зводиться до переміщення рухомої частини вимірювального механізму. Звичайно рухома частина і зв'язана з нею стрілка приладу обертається навколо своєї осі. Момент сил, який викликає це обертання, називають обертальним моментом. Для того, щоб стрілка відхилялась не безмежно, а кут відхилення відповідав вимірюваній величині, необхідно протидіяти обертанню стрілки. Момент сил, який чинить таку протидію, називають протидіючим моментом.

Практично завжди протидіючий момент створюється силами пружності пружини. А ось обертальний момент може створюватися по-різному. Залежно від способу виникнення обертального моменту електровимірювальні прилади належать до тієї чи іншої системи. У шкільних фізичних лабораторіях найчастіше застосовуються електровимірювальні прилади трьох систем: магнітоелектричної, електромагнітної і електродинамічної, їх ми і розглянемо.

Принцип дії приладів магнітоелектричної системи ґрунтується на взаємодії провідника зі струмом і магнітного поля. Поле створюється постійним магнітом 1 (мал. 1), струм проходить через котушку у вигляді рамки 2. Рамка є рухомим елементом приладу і міститься на одній осі із стрілкою 3. Обертальний момент, який діє на рамку, завдяки спеціально сконструйованому магнітові не залежить від кута повороту рамки і дорівнює

(1)

де В — індукція магнітного поля, І — сила струму, N — кількість витків у рамці, S — її площа. Під дією цього моменту рамка повертається. При цьому спіральна пружина 4 закручується і виникає протидіючий момент, пропорційний куту повороту рамки a :

(2)

де к — коефіцієнт пропорційності, який залежить від властивостей пружини. Коли протидіючий момент зрівняється з обертальним:

(3)

або

(4)

рамка зупиняється. При цьому кут повороту рамки, а значить і стрілки, дорівнює

(5)

тобто прямо пропорційний силі струму в рамці. Це забезпечує рівномірність шкали приладу.

Магнітоелектричні прилади придатні для вимірювань лише в колах постійного струму, що, безумовно, є їх недоліком. Достоїнствами цих приладів є мале споживання енергії і висока чутливість.

Найбільш чутливі прилади магнітоелектричної системи — дзеркальні гальванометри. В них на осі обертання замість стрілки прикріплено маленьке плоске дзеркальце. Вузький пучок світла від лампочки падає на дзеркало, а відбитий від нього зайчик потрапляє на віддалену шкалу. Чутливість дзеркальних гальванометрів може досягати 10^-12 А/мм.

Принцип дії приладів електромагнітної системи ґрунтується на втягуванні залізного осердя котушкою зі струмом. Такий прилад (мал. 2) складається з нерухомої котушки зі струмом 1 і залізної пластинки на осі 2, на якій закріплена пружинка, що утримує пластинку, і стрілка 3. При проходженні котушкою електричного струму будь-якого напряму залізна пластинка втягується в котушку, повертається на своїй осі і обертає стрілку. Для зменшення коливань стрілки застосовується «заспокоювач» з циліндра 4, в якому рухається поршень 5, зв'язаний із залізною пластинкою.

Електромагнітний прилад менш точний за магнітоелектричний, але простіший за конструкцією і придатний для вимірювання як постійного, так і змінного струму.

Принцип дії приладів електродинамічної системи ґрунтується на взаємодії провідників зі струмом. Такий прилад (мал. 3) складається з двох котушок у вигляді рамок, підвішених на спільній осі, одна — нерухомо, друга — на підшипниках.

Обидві рамки зв'язані двома пружинами, якими до них підводиться струм. При проходженні струму рухома рамка повертається на осі тим сильніше, чим більша сила струму, зв'язана з нею стрілка дає покази на нерухомій шкалі.

Електродинамічними приладами вимірюють як постійний, так і змінний струм (сили струму й напруги). Шкала цих приладів — нерівномірна. Приладами електродинамічної системи можна вимірювати потужність як у колах постійного струму

(6)

так і в колах змінного струму

(7)

Для цього слід одну котушку (нерухому) увімкнути послідовно з обраною ділянкою кола, а другу котушку (рухому) — паралельно цій ділянці. При такому вмиканні відхилення рухомої котушки пропорційне силі струму в нерухомій і напрузі на рухомій котушці, тобто пропорційне добутку сили струму на напругу, якими і вимірюється потужність струму.

Практично у всіх поширених електровимірювальних приладах покази зв'язані зі струмом у котушках. Тому один і той самий прилад, залежно від схеми його вмикання в коло, можна використати як для вимірювання сили струму (тобто як амперметр), так і для вимірювання напруги (тобто як вольтметр).

Найбільш важливими характеристиками приладу є його внутрішній опір і граничне значення сили струму, при якій рухома частина вимірювального приладу відхиляється на максимальний кут. Вимоги, що ставляться до внутрішніх опорів амперметра і вольтметра, протилежні. Амперметр вмикається в коло послідовно, і через нього проходить весь вимірюваний струм. Тому, щоб не вносити додаткового опору в коло, опір амперметра має бути якомога меншим. Вольтметр умикається паралельно ділянці кола, на якій слід виміряти напругу. Отже, його опір має бути якомога більшим, щоб не шунтувати досліджувану ділянку кола.

На практиці часто використовуються прилади з кількома межами вимірювання сил струмів і напруг. Для цього при вимірюванні напруг послідовно з приладом вмикаються додаткові опори, а при вимірюванні сил струмів до приладу приєднуються паралельні опори — шунти.

Дія магнітного поля на провідник зі струмом використовується в будові гучномовців — приладів для збудження звукових хвиль під дією електричного струму, сила якого змінюється із звуковою частотою. В електродинамічному гучномовці (динаміку) використовують дію магнітного поля постійного магніту на змінний струм у рухомій котушці. Звукова котушка 1 (мал. 4) з мідного дроту, з'єднана з гнучкою мембраною 2 і конічним дифузором 3, розміщена у проміжку сильного кільцевого постійного магніту 4.

При проходженні змінного електричного струму котушка під дією змінної сили Ампера коливається з частотою коливань сили струму. Котушка змушує коливатися з такою самою частотою мембрану і дифузор. Ці коливання створюють коливання тиску повітря, тобто звукові хвилі.

Першокласні гучномовці відтворюють без значних спотворень звукові коливання в діапазоні 40—15 000 Гц. Однак такі прилади дуже складні. Тому застосовують системи з кількох гучномовців, кожний з яких відтворює звук у певному невеликому інтервалі частот.

Загальним недоліком усіх гучномовців є малий ККД. Вони випромінюють лише 1—3 % усієї підведеної до них енергії.