Обозначение принципа действия прибора
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
Приборы и методы измерения электрических ВЕЛИЧИН
1. Градуировка амперметра и вольтметра 5
2. Электронный осциллограф. Осциллографирование физических процессов 15
Электрические и магнитные поля в вакууме и веществе
3. Исследование электрического поля 26
4. Изучение процессов зарядки и разрядки конденсатора 35
5. Изучение электрических свойств сегнетоэлектриков 40
6. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли 45
7. Изучение магнитного поля соленоида и определение магнитной постоянной m0 50
8. Определение удельного заряда электрона 60
9. Изучение магнитных свойств ферромагнетиков 65
Законы постоянного тока
10. Определение сопротивления методом мостовой схемы 71
11. Определение заряда электрона методом электролиза 76
Электромагнитные колебания 79
12. Исследование полной последовательной цепи переменного тока 88
13. Затухающие электрические колебания 96
14. Исследование вынужденных электромагнитных колебаний 101
15. Измерение параметров L-C-R колебательного контура 107
Электронные свойства твердых тел
16. Эффект Холла 111
17. Определение работы выхода электрона 117
Введение
Лабораторные работы общего физического практикума выполняются в течение семестра и, наряду с практическими занятиями и лекциями, являются составной частью учебной работы по освоению соответствующих разделов курса общей физики.
При выполнении лабораторных работ студенты знакомятся с современными методами физических исследований, самостоятельно экспериментально подтверждают общие физические закономерности, на практике проверяют теоретические знания, индивидуально приобретают навыки и умения, необходимые в дальнейшей самостоятельной работе, учатся оценить полученные экспериментальные результаты.
Лабораторный практикум составлен под редакцией проф. Попкова Ю.А. и проф. Андерса А.Г.
Работы подготовлены:
№ 1, 2 – доц. Мураховский А.А.;
№ 3, 7 – доц. Палехин В.П.;
№ 5, 11 – асс. Таранова И.А.;
№ 6, 8 доц. Савченко Е.М.;
№ 9, 10 – проф. Кунцевич С.П.;
№ 13, 14, 15 – доц. Ефимова Н.Н., инж. Колпакова Л.Н.;
№ 12, 4 – пр. Куфтерина С.Р.;
№ 16, 17 – доц. Горбач В.Н.
Лабораторная работа №1
ГРАДУИРОВКА АМПЕРМЕТРА И ВОЛЬТМЕТРА
Цель работы – изучить важнейшие элементы электрических схем, принцип работы электроизмерительных приборов магнитоэлектрической, электромагнитной и цифровой систем. Освоить методы подключения амперметров и вольтметров в электрические схемы, освоить приёмы измерений силы тока и напряжения. Выполнить градуировку измерительного прибора по эталонному прибору. Научиться расширять пределы измерений стрелочных приборов и определять погрешности измерений.
Введение. Электрические измерения и электроизмерительные приборы.
Измерения представляют собой последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемых с помощью различных контрольно–измерительных приборов или других технических средств и охватывают определение параметров и характеристик исходных материалов, сред и режимов процессов. В физике, биологии, химии, геологии и различных направлениях человеческой деятельности наиболее часто производятся измерения физических величин, перечень которых приведен в таблице 1.1.
Таблица 1.1.
Физические величины и пределы их измерения в лабораторных условиях.
| Физическая величина, единица измерения | Пределы измерения | Физическая величина, единица измерения | Пределы измерения |
| Длина, м | 10–9–1 | Электрическая ёмкость, Ф | 10–15 – 10–3 |
| Масса, кг | 10–8 – 0.6 | Индуктивность, Гн | 10–9 – 10–1 |
| Время, с | 10–13–103 | Частота, Гц | 10–2 – 1015 |
| Сила тока, А | 10–15–102 | Температура, К | 4 – 1.5 103 |
| Электр. Напряжение, В | 10–7–105 | Давление, Па | 10–10 – 103 |
| Мощность, Вт | 10–15–108 | Работа выхода, эВ | 0.1 – 50 |
| Электр. Сопротивление, Ом | 10–3–1015 | Плотность, кг.м–3 | 10–1 – 103 |
| Магнитная индукция, Тл | 10–9–1 | Концентрация частиц, см–3 | 1013 – 1019 |
Во время измерений производится сравнение измеряемой физической величины с некоторым ее значением, принятым за единицу. Электрические измерения производятся двумя способами:
– используя приборы сравнения (компенсационные и мостиковые приборы), в которых происходит сравнение электрической величины с ее эталоном;
– используя приборы непосредственной оценки, показания которых дают числовые значения измеряемой величины.
В данной работе применяются приборы первого типа. Их можно разделить на электромеханические и электронные. По способу представления измеряемого результата электроизмерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые.
Показания аналоговых приборов являются непрерывными функциями изменений измеряемой величины. В аналоговых (например стрелочных) приборах непрерывная измеряемая величина вызывает подобное ей непрерывное отклонение стрелки по шкале, т.е. величина отклонения стрелки аналогична измеряемой величине.
В цифровых приборах непрерывная измеряемая величина автоматически преобразуется в дискретную и результат измерения выдается в цифровом коде. Следует учесть, что электромеханические приборы постепенно заменяются электронными, а аналоговые – цифровыми. Любой измерительный механизм электроизмерительных приборов является преобразователем входного электрического сигнала в информационный сигнал (отклонение стрелки по градуированной шкале в электромеханических приборах).
При проведении измерений наиболее часто применяются электроизмерительные приборы, предназначенные для определения и контроля параметров как электрических, так и не электрических величин. Рассмотрим кратко принцип работа наиболее часто применяющихся в лабораториях приборов.
1.1 Принцип работы основных типов электроизмерительных приборов.
1.1.1 Приборы магнитоэлектрической системы.
Электроизмерительные приборы этой системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. В основу работы приборов магнитоэлектрической системы (рис.1.1) положено взаимодействие магнитного поля постоянного магнита (1,2,3) с катушкой (5), по которой протекает измеряемый ток. При этом возникает вращающий момент, приложенный к катушке, который пропорционален силе проходящего тока М1 ~ I. Стрелка (8), жестко связанная с катушкой, поворачивается совместно с подвижной катушкой (5). Но преобразование не ограничивается только этим взаимодействием, так как при любом токе, при отсутствии сил сопротивления, поворот катушки осуществлялся бы на максимально возможный угол. Для устранения этого катушка подвешена в магнитном поле на упругой нити (6), которая создаёт противодействующий момент сил М2, пропорциональный углу закручивания ~ М2. Движение стрелки по шкале происходит до тех пор, пока момент противодействующих сил М2 не уравновесит М1. Благодаря этому достигается однозначность соответствия показаний прибора и входного сигнала. Равновесное положение стрелки определяется условием М1= М2.
1.1.2 Приборы электромагнитной системы.
|
Вращающий момент, возникающий в подвижной части прибора, равен:
(1.1)
где 
электромагнитная энергия катушки с током I и индуктивностью L.
В цепи переменного тока сердечник перемагничивается, так что направление вращательного момента остаётся неизменным. Поэтому приборы электромагнитной системы могут работать как в цепях постоянного, так и переменного токов. Недостатком таких приборов является неравномерность шкалы, которая сильно сжата вначале и растянута в конце. Как следствие – относительно малая точность измерений по сравнению с магнитоэлектрическими приборами.
1.1.3 Приборы электродинамической системы.
Приборы электродинамической системы предназначены для измерения силы тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока. Принцип действия электродинамических приборов (рис.1.3) основан на электродинамическом взаимодействии двух или более катушек, по которым течёт измеряемый ток. Механизм электродинамического прибора состоит из неподвижной катушки (1), и подвижной катушки (2), расположенной на оси внутри неподвижной. В результате взаимодействия протекающих по катушкам токов I1 и I2 и магнитных потоков возникает вращающий момент, под 
действием которого катушка (2) и стрелка (3) поворачивается на угол . Успокоение прибора чаще всего воздушное с помощью крыльчатого успокоителя (4). Противодействующий момент создаётся спиральными пружинками (5).
Вращающий момент:
(1.2)
где 
электромагнитная энергия двух катушек, а М12 - их взаимная индуктивность.
Угол поворота пропорционален измеряемой силе тока, напряжению или мощности. Катушки в электродинамическом приборе, в зависимости от назначения, соединяются между собой последовательно или параллельно. В этом случае измерительный прибор работает как амперметр. Если последовательно к прибору подсоединить дополнительное сопротивление, то такой прибор будет работать как вольтметр. При комбинированном подключении катушек (одна последовательно, а другая параллельно) прибор будет работать как ваттметр.
1.1.4 Цифровые измерительные приборы.
Магнитоэлектрические и электромагнитные приборы относятся к категории стрелочных. Они объединены в группу аналоговых приборов. В настоящее время в лабораторных измерениях всё чаще используются цифровые приборы. Измеряемые с их помощью значения физических величин высвечиваются на цифровом табло.
В основу работы цифровых приборов положен принцип преобразования аналогового сигнала – силы тока или напряжения в код – последовательность импульсов с последующим пересчётом их числа с преобразованием в цифровую форму. Эти операции выполняют аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Процесс аналого-цифрового преобразования включает процедуры квантования (дискретизации) непрерывной величины по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно. При квантовании непрерывная величина преобразуется в её последовательность мгновенных значений, выделенных по определённому закону и в совокупности отображающих измеряемую величину. Ею может быть сила электрического тока, напряжение, частота или фаза. Так, для квантования по времени переменного тока его пропускают через контакты периодически включаемого реле, в результате чего образуется последовательность электрических импульсов, амплитуда которых соответствует мгновенным значениям тока в момент замыкания контактов. При кодировании выделяемые в процессе квантования мгновенные значения исходной величины измеряются и результаты фиксируются в виде цифрового кода, обычно в десятичной системе счисления.
Процессы квантования и кодирования в современных аналого-цифровых преобразователях выполняются с помощью интегральных микросхем. АЦП широко применяются в системах передачи данных, измерительно-информационных системах и автоматических регистрирующих приборах.
1.2 Символьные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов.
Вся информация о назначении электроизмерительного прибора, его системе, классе точности, правилах установки содержится на его шкале. В таблицах 1.2 – 1.4 даны описания символьных обозначений на шкалах электроизмерительных приборов.
В таблице 1.2 приведены обозначения принципа действия некоторых измерительных приборов, которые обычно наносятся на их шкалы.
Таблица 1.2.
Обозначение принципа действия прибора.
| Магнитоэлектричский прибор | Электростатический прибор | |||||||||||
 
| Электромагнитный Прибор | Тепловой прибор | |||||||||||
 
| Электродинамический прибор | Защита от магнитных полей |
Символьные обозначения класса точности некоторых электроизмерительных приборов, указания по назначению приборов для цепей постоянного, переменного или для постоянного и переменного токов, рабочая установка прибора и другая информация, которая обычно необходима для правильной эксплуатации прибора и которая наносится на его шкалу изготовителем, приведена в таблице 1.3.
Таблица 1.3.
Символьные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов.
 1.5
| Класс точности | Прибор постоянного тока | |
 
| Смотри дополнительные указания | Прибор переменного тока | |
  
| Измерительная цепь изолирована от корпуса прибора и испытана напряжением 2 кВ | Прибор постоянного и переменного тока | |
     
*
| Зажим: – общий; – положительный; – отрицательный. |
| Установка прибора: – горизонтальная; – под углом; – вертикальная. |
Таблица 1.4.
Условные обозначения некоторых элементов электрических и электронных схем.
| Источник постоянного тока | Вольтметр | ||
| Резистор: – регулируемый – нерегулируемый; | Милливольтметр | ||
| Потенциометр | Омметр | ||
| Диод | Осциллограф | ||
| Индуктивность: – без сердечника; – с сердечником | Амперметр | ||
| Конденсатор: – регулируемый; – нерегулируемый. | Микроамперметр | ||
 
| Фотоэлемент | Цифровой прибор | |
| Заземление |
1.3.1 Основные характеристики электроизмерительных приборов.
К основным характеристикам электроизмерительных приборов относятся: уравнение преобразования (градуировочная характеристика, отображенная шкалой прибора), чувствительность, порог чувствительности (цена деления), погрешность показаний прибора (класс точности). Уравнение преобразования y = F(х) – функциональная зависимость между выходным y и входным x сигналами. В стрелочных приборах это обычно зависимость деления шкалы n от значения измеряемой величины I, т.е. n = f(I).Это уравнение связывает n и I зависит от принципа действия и конструктивных особенностей прибора. Идеальной функцией преобразования является линейная.
Чувствительность S характеризует способность прибора реагировать на изменения входного сигнала, определяется из уравнения преобразования и представляет собой в случае стрелочных приборов отношение числа делений шкалы n к изменению измеряемой величины I, вызвавшему это перемещение:
(1.3)
При линейном преобразовании
(1.4)
Порог чувствительности представляет собой изменение входного сигнала, вызывающее наименьшее изменение выходного сигнала, которое может быть обнаружено с помощью данного прибора. В стрелочных приборах мерой порога чувствительности служит цена деления, равная значению измеряемой величины, которое вызывает отклонение указателя на одно деление шкалы. В приборах с линейным уравнением преобразования цена деления
(1.5)
и, следовательно, для них
(1.6)
Всякое измерение производится с некоторой ошибкой. Для стрелочных приборов существуют ошибки двух типов:
– связанные с конструкцией прибора, определяемые классом точности прибора . Каков бы ни был отсчет, конструкция прибора такова, что абсолютная погрешность Dа1 составляет величину
(1.7)
где апр – верхний предел избранного диапазона (калибр прибора);
– связанные с точностью отсчета положения стрелки на шкале, которое может быть отсчитано с точностью до половины цены деления шкалы а2.
Таким образом, абсолютная погрешность измерения при учете двух типов ошибок составит
а = а1 + а2
Для того чтобы правильно сделать отсчетизмеряемой величинысо стрелочного прибора, следует:
– проверить нулевое положение стрелки прибораи, если это необходимо, при помощи регулировочного винта установить стрелку на нуль;
– для многопредельных приборов выбрать нужный для отсчета предел измерения и режим постоянного или переменного тока;
– сделать отсчет, располагая глаз по нормали к шкале, а в случае зеркальной шкалы, совмещая стрелку прибора с ее изображением в зеркале.
–
1.3.2. Шунты, добавочные сопротивления и их применение
Шунтом (рис.1.4) называется сопротивление, подключаемое параллельно амперметру, вследствие чего через амперметр проходит только часть измеряемого тока. Если необходимо измерить амперметром ток в k раз больший максимально возможного для этого прибора, то необходимо включить шунт с сопротивлением Rш , удовлетворяющим равенству
, (1.9)
где: k – коэффициент шунтирования 
; I – сила тока в цепи; Ia – сила тока, проходящего через амперметр; R0 – внутреннее сопротивление амперметра.
|
Если U-новый предел измерений вольтметра, Uv-прежний предел измерений вольтметра, то учитывая, что через вольтметр и добавочное сопротивление протекает один и тот же ток, получаем 
. Откуда: Rд=Rv(k – 1), где k=U/Uv.
1.4. Выполнение работы
1.4.1. Изучить приборы, находящиеся на рабочем месте, и записать основные характеристики приборов и других элементов электрических цепей.
1.4.2. Градуировка микроамперметра.
 |
Соберите электрическую схему, приведенную на рис. 1.6 и подключите её к источнику постоянного тока.
После этого:
– подготовьте таблицу для записи экспериментальных результатов по форме:
| Iизм.пр, мкА | ||||||||||||
| Iэталон.пр, мкА | ||||||||||||
| Абс. погрешн. | ||||||||||||
| Отнсит. погрешн. |
– определите цену деления шкалы микроамперметра;
– вращая ручку сопротивления R1, установить стрелку микроамперметра на "0". На цифровом табло прибора В7-21А также должно высвечиваться нулевое значение силы тока; внесите эти данные в таблицу;
– медленно вращая ручку сопротивления R1, установить стрелку микроамперметра на деление, соответствующее силе тока 5мкА и определите значение силы тока по эталонному цифровому прибору; данные внесите в таблицу;
– повторите измерения, каждый раз увеличивая силу тока на 5мкА до конца шкалы микроамперметра;
– заполните таблицу, рассчитайте абсолютные и относительные погрешности измерений в каждой точке, постройте градуировочную кривую микроамперметра Iизм.пр=f(Iэталон.пр.).
1.4.3 Расширение предела измерения микроамперметра и его градуировка.
 |
Соберите схему, приведенную на рис.1.7.
 |
– подготовьте таблицу для записи экспериментальных результатов по форме:
| Uизм.пр, В | ||||||||||||
| Uэталон.пр, В | ||||||||||||
| Абс. погрешн. | ||||||||||||
| Относит. погрешн. |
– последовательно с нагрузкой R2включите исследуемый прибор A, работающий в режиме вольтметра, и образцовый вольтметр ЭП (В7-21А);
– схему подключите к источнику, клеммы которого обозначены на панели = U;
– снимите зависимость n(I)-числа делений шкалы mA от силы тока (ЭП);
– постройте график n(I). Нанесите на график погрешности измерений. Определите цену деления и чувствительность mA.
– Проведите измерения сопротивлений Rш, R2 и R1+R' при помощи прибора B7-21A;
– определите коэффициент шунтирования kи, зная сопротивление шунта, вычислить внутреннее сопротивление амперметра RмкА.
1.4.4 Градуировка вольтметра по постоянному напряжению
В качестве вольтметра используется тот же стрелочный прибор, что и при выполнении предыдущего задания, но к нему подключается добавочное сопротивление Rд = R2.
 |
Соберите схему, приведенную на рис.1.8.
–
 |
снимите зависимость числа делений прибора n от напряжения Uмежду точками ab n=n(U);
– постройте градуировочный график;
– определите цену деления и чувствительность прибора по напряжению.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается смысл измерения физической величины?
2. Перечислите назначение и способы включения переменного сопротивления в электрическую цепь.
3. Можно ли измерить силу тока в 2А с помощью использованного в работе стрелочного микроамперметра? Если да, то как?
4. Что означает класс точности электроизмерительного прибора?
5. Как определить абсолютную погрешность измерения стрелочного прибора? цифрового прибора?
6. Какие физические явления используются для преобразования силы тока в момент силы, момента силы в перемещение стрелки, напряжения в силу тока?
7. Что такое чувствительность и цена деления прибора?
8. Перечислите основные характеристики электроизмерительных приборов?
9. Каков принцип действия приборов магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем?
10. Объяснить смысл условных обозначений на использованном стрелочном приборе.