Электричество (Лабораторный практикум часть 1)

Э Л Е К Т Р И Ч Е С Т В О

лабораторный практикум

Часть 1

Учебно-методическое пособие для студентов специальностей: 020101 – химия

020201 – биология

020301 – геология

020302 – геофизика

020304 – гидрогеология

020306 – экологическая геология

020900 – физика, химия и механика материалов

Воронеж - 2009

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение…………………………………………………………….….4

2.Работа № 1. Электроизмерительные приборы… ……………………4

3.Работа № 2. Измерение сопротивления мостиком Уитстона…… ..12

4.Работа № 3. Проверка закона Ома для цепи переменного тока …..17

5.Работа № 4. Исследование гармонических колебаний с помощью осциллографа…………………………………………………………....29

3

ВВЕДЕНИЕ

Основные правила техники безопасности в электрической лаборатории

1.Перед сборкой цепи проверьте, чтобы все приборы на рабочем столе были выключены.

2.При сборке цепи используйте провода с исправной изоляцией. Подключая приборы, проверяйте соблюдение норм нагрузки (рабочее напряжение конденсатора, максимальный ток для катушек индуктивности и т.п.).

3.Сборку электрической цепи ведите по контурам, начиная с основного (содержащего источник питания); вольтметр, образующий вспомогательный контур, подключайте в последнюю очередь.

4.Обязательно проверяйте собранную схему вместе с преподавателем или лаборантом.

5.Для проведения любых переключений в цепи необходимо отключить источник питания, чтобы избежать короткого замыкания участка цепи.

6.В подключенной к источнику напряжения цепи не касайтесь неизолированных металлических контактов.

7.Перед разборкой цепи проверьте, чтобы все приборы на рабочем столе были выключены.

РАБОТА № 1

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Цель работы: ознакомиться с основными характеристиками и способами применения электроизмерительных приборов

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Подавляющее число электроизмерительных приборов предназначено для измерения силы тока в цепи и напряжения на участках цепи. Эти два типа приборов называются, соответственно, амперметрами и вольтметрами. Существуют приборы, рассчитанные на измерение токов и напряжений в различных диапазонах значений: амперметры (на их шкале помещена буква А), вольтметры (буквы В или V), миллиамперметры (мА или mA), милливольтметры (мВ или mV).

Принцип действия электроизмерительных приборов основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и подвижной катушки

4

(магнитоэлектрическая система), магнитного поля катушки и подвижного сердечника (электромагнитная система), двух катушек (электродинамическая система). Общее для всех трех систем состоит в том, что подвижная часть измерительной системы способна отклоняться при пропускании тока через прибор.

Так, в приборах магнитоэлектрической системы (рис. 1) возникает вращающий момент M1, приложенный к подвижной катушке и пропорциональный силе проходящего тока: М1 k1I1. Так как противодействующий момент M2 , создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу закручивания (М2 k2 ), то угол отклонения катушки, а, следовательно, и скрепленной с ней стрелки также пропорционален силе протекающего тока. Действительно, если M1 M2 , то kI , где k k1 /k2 . Таким образом, зависимость между током I и углом отклонения является линейной, что обеспечивает равномерность шкалы прибора.

Рис. 1. Схема устройства магнитоэлектрического прибора: 1 — постоянный магнит; 2 — магнитопровод; 3 — полюсные наконечники; 4 — подвижная рамка; 5 — сердечник; 6 — магнитный шунт для регулировки чувствительности прибора; 7 — растяжки; 8 — опоры; 9 — стрелка-указатель.

Приборы магнитоэлектрической системы применяются только для измерения постоянных токов и напряжений.

Приборы электромагнитной (см. рис. 2) и электродинамической систем можно использовать для измерений в цепях постоянного и переменного

5

токов. Дело в том, что угол отклонения и ток, протекающий через прибор,

связаны соотношением kI2 . Поэтому направление отклонения стрелки не зависит от знака протекающего тока.

а б Рис. 2. Электромагнитный (а) и электродинамический (б) измерительные

приборы. а: 1 — катушка; 2 — сердечник; 3 — ось; 4 — стрелка; 5 — шкала; 6 — пружина; б: 1 и 2 — неподвижная и подвижная катушки; 3 — ось; 4 — пружина; 5 — стрелка; 6 — шкала.

Итак, все приборы, в том числе и вольтметры, реагируют на ток, протекающий через прибор. Для вольтметра ток пересчитан по закону Ома в напряжение, в единицах которого и проградуирована шкала прибора.

Однопредельные приборы

Амперметры и вольтметры различаются тем, что внутреннее сопротивление амперметра обычно мало (порядка 10 Ом), а внутреннее сопротивление вольтметра велико (порядка 105 Ом). Амперметры включают в исследуемый участок цепи последовательно, а вольтметры – параллельно. Ввиду малого сопротивления амперметра при включении прибора в цепь ток почти не меняется. В случае подключения вольтметра заметного перераспределения тока в исследуемой цепи также не происходит.

6

Все измерительные приборы должны вносить в исследуемую цепь достаточно малые искажения. Исходя из этого требования, обоснуем ограничения на внутреннее сопротивление амперметров RA и вольтметров RV .

При включении амперметра в исследуемую цепь последовательно (рис. 3а) через прибор будет протекать ток, близкий к измеряемому. По закону Ома ток, протекающий в цепи без амперметра и с амперметром, I / R и I /(R RA ) соответственно, где – электродвижущая сила источника тока, R – сопротивление нагрузки.

Подключение амперметра в цепь изменяет первоначальный ток на величину I I I . Нетрудно убедиться, что относительное изменение тока

I I I 1 I 1 R RА RА .

I I I R R

Следовательно, включение амперметра в цепь тем меньше влияет на ток в цепи, чем меньше отношение RA/R. Поэтому обычно внутреннее сопротивление амперметра RA мало.

Вольтметр должен быть подключен к участку, на котором нужно измерить падение напряжения, параллельно, так как только при таком подключении на клеммах вольтметра возникнет напряжение, близкое к измеряемому. Исходя из закона Ома для участка цепи, запишем напряжение на сопротивлении R1 (рис. 3б) в исходной цепи и при подключении в цепь вольтметра соответственно

Относительное изменение напряжения на сопротивлении

Итак, включение вольтметра тем меньше влияет на падение напряжения на сопротивлении R1, чем больше сопротивление вольтметра.

7

Многопредельные приборы

Часто электроизмерительные приборы имеют несколько пределов измерений. Например, один и тот же вольтметр в зависимости от положения переключателя может быть рассчитан на измерение напряжения от 0 до 1 В, от 0 до 10 В и от 0 до 100 В. Переключатель пределов измерения (в данном случае 1, 10, 100 В) соединен с набором сопротивлений, которые могут поочередно подключаться к собственной токочувствительной схеме. К амперметру шунт подсоединяется параллельно (рис. 4а).

Рис. 4. Схемы подключения шунта для амперметра (а) и добавочного сопротивления для вольтметра (б)

Допустим, что амперметр рассчитан на предельный ток IА, а требуется измерить ток I > IА. Пусть внутреннее сопротивление амперметра RА, а сопротивление шунта Rш. Взяв Rш < RА и собрав схему (рис. 4а), можно получить амперметр, рассчитанный на измерение токов, гораздо больших IА. Токи I, IA и Iш, протекающие в цепи, и сопротивления Rш и RА связаны соотношением

По величине RA / Rш и току IA, измеряемому по шкале амперметра, рассчитывают величины Iш и I. Таким образом, шунтирование позволяет значительно расширять возможности измерительного прибора.

Аналогично вольтметр при использовании добавочного сопротивления Rд (рис. 4б) может измерять напряжения, значительно большие предела измерения исходного вольтметра. Пересчет производится по формулам

Rд

U Uд URV ; Uд URV RV .

8

предельное значение измеряемой величины; N – максимальное число делений шкалы.

Например, если пред = 300 В, N = 100 делений, то цена деления

300/100 = 3 В.

Другими словами, цена деления представляет собой значение измеряемой величины, вызывающей отклонение стрелки прибора на одно деление. Если прибор однопредельный, то цена деления прибора – неизменная величина. Если прибор многопредельный, то каждое переключение регулятора пределов вызывает изменение цены деления шкалы прибора. Например, если упомянутый выше прибор переключили на предел измерения 150 В, то цена деления уже составит 150/100 = 1,5 В. При работе с многопредельными приборами следует все время учитывать изменение цены деления шкалы прибора.

Зная цену деления С, можно легко пересчитать наблюдаемое отклонение стрелки прибора N' в собственно измеряемую величину CN . Например, если С = 1,5 В, а N = 53 деления шкалы, то 1,5 53 79,5 В.

Чувствительность прибора S есть величина, обратная цене деления, т.е. S 1/C N / пред , т.е. чувствительность представляет собой отклонение

стрелки прибора, если на прибор подана измеряемая электрическая вели-

чина, равная единице. Например, если пред = 300 В, N = 100, то

S 100/300 0,3В–1.

Расчет приборной погрешности по классу точности прибора

Предположим, что прибор дает значение измеряемой величины , а истинное значение измеряемой величины – 0 (найдено по образцовому прибору). Абсолютная погрешность измерения 0 , относительная погрешность / 0 . Точность электроизмерительных приборов обычно характеризуют приведенной погрешностью: п / пред .

Приведенная погрешность – это относительная погрешность прибора при измерении предельно допустимого значения измеряемой величины αпред, соответствующего максимальному делению шкалы прибора. Приведенная погрешность, выраженная в процентах – п / пред 100%, на-

зывается классом точности прибора. По степени точности электроизмерительные приборы делятся на семь классов: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Значение класса точности всегда наносится на шкалу прибора.

Зная класс точности прибора, т.е. п , можно найти абсолютную погрешность

9

п пред ,

которая одинакова для всех измерений, производимых на данном приборе. Относительная погрешность / 0 зависит от конкретной величи-

ны 0. Если 0 близко к пред, то п . Так как обычно 0 < пред, то всегда п . Если 0 значительно меньше пред (стрелка прибора находится недалеко от нулевого деления шкалы), то может превышать п в десятки раз. Например, если 0 / пред 0,1, то / п = 10. Это означает, что точность данного измерения в десятки раз ухудшилась по сравнению с техническими возможностями прибора.

В связи с этим можно дать следующие рекомендации для проведения измерений на многопредельных приборах: измерение каждый раз следует проводить при таком положении переключателя пределов шкалы прибора, чтобы отклонение стрелки было максимально по сравнению с измерениями на других пределах. Имея дело с однопредельными приборами, следует помнить, что измерения величин при малых отклонениях стрелки обычно сопровождаются значительными погрешностями.

Табл. 1

–конечное значение диапазона измерений

Взависимости от устройства и назначения прибора нахождение погрешности измерения может осуществляться по различным формулам, что задается соответствующими условными обозначениями, как показано в таблице 1.

10