 |
Измерение тока, напряжения
|
|
|
|
7.1 Измерение тока
Для измерения тока используют амперметры (миллиамперметры, микроамперметры). У этих приборов на шкале имеются соответствующие обозначения: А (mA, mA). Для измерения небольших токов используют гальванометры. В отличие от других приборов на шкале гальванометра нет обозначения, какой это прибор.
Для расширения пределов шкалы гальванометра или амперметра используют шунт. Это провод или лента, присоединяемые к прибору параллельно (рис. 11.7, а). Большая часть тока направляется через шунт, меньшая – через прибор. Для снижения чувствительности в n раз сопротивление шунта должно быть в (n – 1) раз меньше сопротивления прибора.
7.2 Измерение напряжения
Для измерения напряжения в электрических цепях служат вольтметры и милливольтметры. Для использования чувствительного прибора в качестве вольтметра используют добавочный резистор, присоединяемый к прибору последовательно (рис. 11.7 б). При этом большая часть измеряемого напряжения должна приходиться на этот резистор. Для расширения пределов прибора в n раз резистор должен иметь сопротивление в (n – 1) раз больше сопротивления прибора.
Применение шунтов и дополнительных сопротивлений дает возможность изготавливать серийно всего один чувствительный прибор (микроамперметр, гальванометр), делая его с помощью этих приспособлений амперметром или вольтметром с разными пределами шкал, т.е. можно получить многопредельные электроизмерительные приборы. Если в прибор вмонтированы выпрямитель, а также необходимые детали для омметра, то прибор называется комбинированным. Переносной комбинированный прибор называют тестером.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомитесь с электроизмерительными приборами, полученными у преподавателя.
|
|
|
2. Начертите схемы включения в электрическую цепь данных приборов.
3. Внесите в таблицу 11.4 все обозначения, имеющиеся на шкалах приборов, и расшифруйте их (см. в краткой теории).
4. Заполните остальные графы таблицы 11.4.
5. Объясните, как работают приборы данных системы.
Таблица 11.4 – Электроизмерительная аппаратура
| Прибор | Система прибора | Уравнение шкалы | Обозначения на шкале и их расшифровка | Пределы измерения | Цена деления | Чувствительность | Погрешности измерения | Достоинства и недостатки прибора |
Контрольные вопросы
1. Что такое измерение? Что понимают под прямыми и косвенными измерениями?
2. Основные и производные единицы измерения?
3. Что такое электроизмерительный прибор? Примеры.
4. Что такое погрешность? Перечислите погрешности измерений и измерительных приборов.
5. Погрешности единичного измерения и эксперимента, состоящего из нескольких опытов.
6. Приведенная погрешность прибора. Как ее определить?
7. Как по шкале прибора определить максимальную погрешность прибора?
8. Чувствительность электроизмерительного прибора
9. Класс точности. Что означает и как обозначен на шкале?
10. Что такое шкала измерительного прибора? Какие по виду бывают шкалы измерительных приборов?
11. Что такое многопредельный прибор?
12. Что такое цена деления прибора?
13. Как определяется необходимая шкала у многопредельного прибора?
14. Чем объясняется, что деления шкалы некоторых систем приборов неодинаковы (неравномерные шкалы)? Как конструктивно избегают этот недостаток?
15. Как из гальванометра сделать амперметр и вольтметр?
16. Особенности, недостатки и достоинства приборов магнитоэлектрической (электромагнитной, электродинамической и т.д.) системы?
17. Приборы какой системы обладают наибольшей чувствительностью и точностью?
|
|
|
18. Действие приборов какой системы не зависит от величины тока?
19. Приборы какой системы применяются как контрольно-измерительные?
20. Почему тепловые приборы больше подходят к работе в качестве амперметров, чем вольтметров?
21. Приборы каких систем имеют линейную (квадратичную) шкалу?
22. Какие приборы используют для измерения тока (напряжения)? К каким системам могут принадлежать эти приборы?
23. В каком случае прибор называется комбинированным?
24. Измерительные приборы каких систем используются в цепях постоянного тока?
25. Приборы какой системы предназначены для измерения электрических величин только в цепях переменного тока? Какие особенности работы таких приборов?
26. Приборы какой системы позволяют измерять параметры в цепях и переменного и постоянного тока?
27. Выведите уравнение шкалы для приборов магнитоэлектрической (электромагнитной, электродинамической и т.д.) систем.
28. В каких цепях, и для каких целей применяют выпрямляющий вентиль (детектор)?
29. Какую систему и почему называют - «с плоской катушкой»? Чем отличаются обмотки катушек амперметров и вольтметров данной системы?
30. Принцип работы счетчика электроэнергии.
31. Гальванометры. Для измерения каких физических величин их используют?
32. Что такое шунт и добавочное сопротивления? Для каких целей и как они включаются в электрическую цепь?
33. Группы и категории приборов по техническим условиям.
34. Варианты маркировки приборов по типам.
Лабораторная работа №12: Исследование электростатических полей
Цель работы: исследование электростатических полей с помощью метода электролитической ванны (построение силовых линий и определение напряженности электростатического поля).
Оборудование: электролитическая ванна, электролит, вольтметр, пантограф, лист миллиметровой бумаги.
Краткая теория
Всякий неподвижный электрический заряд создает в окружающем пространстве электростатическое поле, которое теоретически простирается до бесконечности.
В современной физике электростатическое поле рассматривается как особая форма объективной реальности – материя, посредством которой взаимодействуют заряды. Электростатическое поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света и обладает рядом физических свойств.
|
|
|
Силовой характеристикой поля является его напряженность 
. Напряженностью электростатического поля называется векторная физическая величина, численно равная и совпадающая по направлению с силой 
, действующей со стороны поля на единичный положительный заряд 
, помещенный в данную точку поля:
. (12.1)
По закону Кулона сила взаимодействия 
двух точечных зарядов направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам 
, 
и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними 
:
, (12.2)
где 
– электрическая постоянная,
– относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды.
Напряженность поля, созданного зарядом 
на расстоянии 
от этого заряда, определим из выражений (12.1) и (12.2), полагая 
:
. (12.3)
Для описания электрического поля нужно задать вектор напряженности в каждой точке.
Графически поле принято изображать с помощью силовых линий. Линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором напряженности электростатического поля, называется силовой линией. Густота силовых линий характеризует численное значение напряженности. Через единичную площадку, перпендикулярную силовым линиям, принято проводить число линий, равное 
. Линии напряженности электрического поля не замыкаются сами на себя: они выходят из положительного заряда и входят в отрицательный заряд, либо уходят в бесконечность.
Энергетической характеристикой электростатического поля в данной точке является потенциал, под которым понимают скалярную величину, численно равную потенциальной энергии 
единичного положительного заряда, помещенного в данную точку поля.
. (12.4)
За единицу измерения потенциала в системе СИ принят вольт. Работа, которая совершается силами электрического поля при перемещении точечного электрического заряда , равна произведению этого заряда на разность потенциалов начальной и конечной точек перемещения:
|
|
|
. (12.5)
Она не зависит от траектории перемещения, а зависит от начального и конечного положения заряда. Работа, совершаемая силами поля при перемещении заряда по замкнутому пути 
, равна нулю:
или 
. (12.6)
Выражение (12.6) определяет циркуляцию напряженности электростатического поля вдоль замкнутого контура . Силовое поле, напряженность которого удовлетворяет условию (12.6), называется потенциальным.
Потенциал электростатического поля является функцией координат. Геометрическое место точек равного потенциала носит название эквипотенциальной поверхности.
Напряженность электрического поля и потенциал связаны соотношением:
, (12.7)
т.е. напряженность в данной точке поля равна изменению потенциала на единицу длины вдоль нормали к эквипотенциальной поверхности, проходящей через эту точку, и направлена в сторону убывания потенциала.
Величина, указывающая быстроту изменения потенциала при перемещении в направлении, перпендикулярном к эквипотенциальной поверхности, называется градиентом потенциала и обычно обозначается символом 
:
. (12.8)
Величина 
в проекциях на координатные оси может быть представлена в виде:
, (12.9)
где 
, 
, 
– орты в направлении координатных осей.
Работа перемещения заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю. Поэтому силовые линии всегда перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям.
Зная эквипотенциальные поверхности, можно построить силовые линии поля. Поэтому любое поле можно графически изобразить при помощи силовых линий. Это зачастую необходимо при конструкции электронных ламп, конденсаторов, электронных линз и др. приборов. Хотя аналитический расчет поля удается только при самых простых конфигурациях электродов и в общем случае невыполним. Сложные электростатические поля исследуются экспериментально. Для измерений часто используются методом электролитической ванны.
|
|
|
