Электричество (Лабораторный практикум часть 1)

Рассчитаем погрешность прибора по классу точности. Миллиамперметр класса точности 1,5 со шкалой 300 мА дает в любом месте шкалы абсолютную погрешность измерений

пред п 300 0,015 4,5 мА.

Кроме класса точности на шкалах приборов имеются и другие обозначения, которые необходимо учитывать для правильной эксплуатации прибора (см. табл. 2).

Табл. 2

Обозначение

Смысл данного обозначения

на шкале

Прибор измеряет постоянный ток

Прибор измеряет постоянный и переменный токи

Прибор магнитоэлектрической системы

Прибор электромагнитной системы

Прибор электродинамической системы

2 Испытательное напряжение изоляции 2 кВ

Вертикальное положение прибора при измерении

Горизонтальное положение прибора при измерении

Наличие защитной изоляции

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каков принцип действия электроизмерительных приборов?

2.Как используют шунтирование (добавочное сопротивление) для изменения предела измерения данного прибора?

3.Что такое цена деления и чувствительность прибора?

4.Как рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерений прибора, зная его класс точности?

5.Как правильно пользоваться многопредельными приборами?

11

РАБОТА № 2 ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ МОСТИКОМ УИТСТОНА

Цель работы: Ознакомление с компенсационным методом и измерение сопротивлений при помощи моста постоянного тока.

Оборудование: установка ФЭЛ-9.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Измерение электрического сопротивления проводника (резистора)

Aможно произвести с помощью амперметра и вольтметра, используя закон Ома (рис.1). Од-

нако введение в электрическую цепь ампер- V метра и вольтметра неизбежно приводит к определенным погрешностям. Введение в цепь амперметра уменьшает силу тока в цепи, а, значит, и показания вольтметра. Подключение в цепь вольтметра увеличивают силу тока и

показания амперметра. Конечно, хорошие измерительные приборы изготовляются так, чтобы сопротивление амперметра было как можно более малым, а сопротивление вольтметра как можно более большим. Тем не менее, метод амперметра - вольтметра невозможно принципиально избавить от указанных недостатков. Электродвижущая сила источника тока равна разности потенциалов на его полюсах при отсутствии разрядного тока. Напряжение U, измеряемое вольтметром при его подключении к источнику тока связано с протеканием тока в получившейся цепи. При этом показания вольтметра неизбежно оказываются меньше истинного значения э.д.с. на величину падения напряжение на самом источнике тока: U= Ir . Более точные результаты измерений различных электрических величин можно получить только компенсационными методами, суть которых заключаются в том, что измеряемая величина сравнивается с аналогичной величиной, измеренной с высокой точностью. Момент наступления «равновесия» фиксируется с помощью нуль-индикаторов той или иной конструкции. Роль нуль-индикатора заключается не в том, чтобы измерять ток, а в том, чтобы устанавливать его отсутствие. При этом через нуль-индикатор протекает очень маленький ток, что позволяет практически исключить влияние измерительного прибора на процесс измерения.

К установкам компенсационного типа относится мост постоянного тока. Один из вариантов, предложенный английским электротехником

12

нулю.

Ji 0.

i

Причем токам, входящим в узел, принято приписывать знак (+) , а выходящим (–).

Второе правило Кирхгофа относится к произвольному замкнутому контуру, который мысленно выделяется в разветвленной электрической цепи. Оно гласит: для любого замкнутого контура, произвольно выде-

ленного в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в этом контуре.

Направление обхода контура по часовой стрелке примем за положительное, отметив, что выбор этого направления произволен. Токи, совпадающие по направлению с направлением обхода контура, считаются положительными, не совпадающие – отрицательными.

13

Длины L1 = АД и L2 = ДС легко измеряются по шкале, а в качестве R2 используют магазин сопротивлений соответствующего класса точности.

Практическая схема, применяемая в лабораторной установке ФЭЛ-9, полностью сохраняя принципиальное устройство схемы рис.2, отличается использованной элементной базой и исполнением (рис.4).

Рис. 4 Принципиальная электрическая схема для измерений сопротивлений на учебной установке ФЭЛ-9.

Исследуемая схема питается от стабилизированного источника постоянного тока, обозначенного на рис.4 как батарея Uпит. Напряжение питания схемы Uпит=5 В. В качестве неизвестного сопротивления Rx используется «БЛОК НАГРУЗКИ», содержащий переменный резистор, сопротивление которого надо измерить в нескольких положениях. Изменяемое сопротивление Rvar представляет собой потенциометр (переменный резистор), значение сопротивления которого можно изменять в пределах 0…10 кОм. К контактам потенциометра подключен встроенный цифровой Омметр. Измеренное значение сопротивления Rvar переменного резистора (соответствущего сопротивлению магазина сопротивлений R2 на схеме 2) выводится на ЖК дисплей. В качестве переменных резисторов R1 и R2 используются две части одного сдвоенного переменного резистора «R1-R2» (см. рис. 4) со средней точкой (точка 1 на рисунке). Общее сопротивление R1+R2=10кОм. Вместо гальванометра G используются два встроенных цифровых вольтметра U2 (вольтметр 2) и U1 (вольтметр 1), измеряющие потенциалы соответствующих точек «2» и «1» относительно общего корпуса.

15

В этих условиях наиболее простой процесс измерений заключается в установке сопротивлениями R1 и R2 значения потенциала точки «1» U1 = 2,5 В., при этом R1 = R2. Потенциал точки «2» устанавливается вращением ручки Rvar. Эта операция подбора переменного сопротивления называется уравновешиванием моста, а мост, через гальванометр которого не идет ток (т. е. у которого потенциалы точек 1» и «2» равны), называется уравновешенным. Значения измеренных потенциалов в точках «1» и «2», а также значение Rvar выводятся на ЖК дисплей. Таким образом значение неизвестного сопротивления Rx = Rvar.

Порядок выполнения.

Подключить блок «НАГРУЗКА» к выходу «ИЗМЕРЯЕМОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ» на лабораторном модуле соединительными проводами.

Включить установку в сеть напряжением ~220 В. Поставить переключатель «СЕТЬ» на панели учебного модуля в положение «ВКЛ», при этом должен загореться сигнальный индикатор.

Поставить ручку «РЕЗИСТОР» на блоке «НАГРУЗКА» в приблизительно среднее положение для измерения первого сопротивления.

Вращением ручки «R1-R2» добиться значения потенциала в точке «1» равного U1= 2,5 В.

Вращением ручки переменного резистора «Rv» на передней панели учебной установки установить потенциал точки «2» равным потенциалу точки «1».

Записать значение сопротивления переменного резистора по показаниям цифрового Омметра Rvar. Оно будет равно Rx.

Поставив ручку «РЕЗИСТОР» на блоке «НАГРУЗКА» в другое положение, повторить пп. 5-6.

Проделать аналогичные действия для двух-трех других сопротивлений Rx, изменяя положение ручки «НАГРУЗКА».

По окончании работы выключить установку и вынуть сетевую вилку из розетки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что представляет собой мостовая схема измерения? Объясните принцип измерения.

2.В чем преимущества измерения по мостовой схеме перед другими методами.

3.Сформулировать правила Кирхгофа.

4.Вывести формулу для определения неизвестного сопротивления в мостовой схеме.

5.Пояснить принцип работы учебной установки согласно рис. 2. Рассчитать токи и напряжения на схеме, используя измеренные значения.

16

РАБОТА № 3

ПРОВЕРКА ЗАКОНА ОМА ДЛЯ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

Цель работы: Ознакомление с электрическими процессами в цепях переменного тока.

Оборудование: установка ФЭЛ-19.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Переменным называется ток, который с течением времени изменяет свою величину или направление.

В промышленности наибольшее распространение получил синусоидальный переменный ток, то есть ток, величина которого изменяется со временем по закону синуса или косинуса:

фаза.

Синусоидальный переменный ток имеет целый ряд преимуществ перед постоянным током, и в первую очередь, возможностью трансформировать его, то есть повышать или понижать его напряжение с помощью трансформаторов. Это объясняет его широкое использование в промышленности и в быту.

В цепях переменного тока, кроме процессов нагрева проводов протекают процессы, обусловленные изменяющимися магнитными и электрическими полями. Изменение этих полей оказывает влияние на величину и форму тока в цепи и может приводить к дополнительным потерям энергии. Электромагнитное поле распространяется по цепи со скоростью света в вакууме. Если за время, необходимое для передачи электромагнитного возмущения в самую отдалённую точку электрической цепи, величина тока не успевает значительно измениться, то мгновенные значения тока во всех сечениях цепи будут практически одинаковыми. Токи, удовлетворяющие такому условию, называются квазистационарными.

К мгновенным значениям квазистационарных токов можно применять законы Ома и правила Кирхгофа.

Основные характеристики переменного синусоидального электрического тока.

Мгновенными значениями силы тока

17

i, напряжения u, ЭДС и мощности Р в цепях переменного тока называют их значения в данный момент времени.

Амплитудными значениями силы тока Im, напряжения Um , ЭДС m и мощности Pm в цепях переменного тока называют наибольшие мгновенные значения этих величин в случае синусоидального переменного тока.

Частотой переменного периодического тока называется величина обратная периоду:

(2)

Циклической или круговой частотой называют величину:

(3)

Сила тока и напряжение переменного тока непрерывно изменяются по величине, поэтому возникла необходимость каким-либо образом сравнивать различные токи друг с другом. При этом необходимо использовать такое действие переменного тока, которое бы не зависело от его направления. В этом отношении наиболее удобным оказалось тепловое действие тока. По тепловому действию тока можно сравнивать переменные токи с постоянными. В связи с этим возникло понятие эффективного значения переменного тока.

Эффективным (действующим, среднеквадратичным) значением переменного тока Iэфф называется такая величина силы постоянного тока, который оказывал бы в цепи такое же тепловое воздействие, что и переменный ток за время одного периода.

Расчеты показывают, что:

(4)

Большинство измерительных приборов измеряют действующие значения величин.

Все элементы электрической цепи обладают сопротивлением. Различают два вида сопротивления: активное и реактивное. Если при прохождении тока через элемент цепи происходит только необратимое превращение электрической энергии в теплоту, то сопротивление такого участка цепи называют активным. Если такого превращения не происходит, то сопротивление называют реактивным.

18

Элемент цепи с активным сопротивлением называется резистором. Реактивным сопротивлением – емкостным и индуктивным – обладают соответственно конденсаторы и катушки индуктивности.

Наличие реактивных сопротивлений в цепи переменного тока приводит к тому, что возникает разность фаз между изменениями напряжения и тока в цепи (то есть ток и напряжение не одновременно достигают своего максимального значения). Это обстоятельство значительно усложняет расчёты цепей переменного тока.

Сопротивлением участка цепи постоянного тока называют величину

Математическое описание переменного тока можно осуществить различными способами. Широко используют три метода:

-аналитический метод (с помощью тригонометрических функций),

-символический метод (с помощью комплексных чисел),

-метод векторных диаграмм (используется графический метод описания переменного тока).

Рассмотрим метод векторных диаграмм.

Гармонические колебания допускают наглядную графическую интерпретацию. Ее смысл состоит в том, что каждому гармоническому колебанию с частотой 0 можно поставить в соответствие вращающийся с угло-

вой скоростью 0 вектор, длина которого равна амплитуде s0 а его начальное (стартовое) положение задается углом 0 совпадающим с начальной фазой (рис. 2). Вертикальная проекция вектора s0 изменяется со временем:

Мгновенное положение вектора s0 определяется углом (t) - фазой:

Рис.2.

19

оборотов (циклов) в секунду, а продолжительность одного оборота (пери-

од) равна отношению угла 2 к угловой скорости 0 : T 2 .

0

С помощью векторных диаграмм легко осуществить сложение гармонических колебаний. Так, если необходимо сложить два гармонических колебания с одинаковыми частотами:

s t s1 t s2 t s01 sin 0t 1 s02 sin 0t 2 s0 sin 0t 0 , (9)

то амплитудуs0 и начальную фазу 0 суммарного колебания s t с той же частотой 0 можно легко рассчитать из рис. 3а, на котором графически изображена операция сложения векторовs0 s01 s02 в момент времени t=0

s0 s01 cos 1 s02 cos 2 2 s01 sin 1 s02 sin 2 2

Ясно, что вертикальная проекция вектора s0 будет также изменяться по гармоническому закону с частотой 0 поскольку взаимное расположе ние векторов s01 и s02 не изменяется с течением времени.

Из этой диаграммы наглядно видно, что суммарное колебание s(t)опережает по фазе колебание s1(t)и отстает по фазе от колебания s2(t). Полная фаза для каждого из трех колебаний в произвольный момент времени отличается от их начальных фаз на одну и ту же величину 0tкоторую при построении векторных диаграмм не учитывают. При этом колебание изображается результирующим вектором S0 (рис. 3б), а частота колебания предполагается известной.

Рис.3.

20