Лабораторна робота №1

ВСТУП

6.090221, 6.091711, 6.091702, 6.091706, 6.091709, 6.091707, 6.050301, 6.050302, 6.050303, 6.050201, 6.050206

Електрика та Магнетизм

методичні вказівки до виконання лабораторних робіт

для студентів спеціальностей:

Харків 2009

Рекомендовано кафедрою енергетики та фізики,

протокол № 9 від 13 травня 2009 р.

Ухвалено науково-методичною радою

факультету обладнання та технічного

сервісу,

протокол № від 2009 р.

Рецензент д.т.н., проф. Кіптела Л.В.

Методичні вказівки призначені для студентів факультетів обладнання та технічного сервісу, менеджменту, інженерно-технологічного та товарознавчого. До кожної лабораторної роботи сформульовані завдання, наведені необхідні теоретичні відомості, надано принципові схеми приладів, наведено порядок виконання роботи та форми таблиць для запису отриманих дослідних даних. Крім того, надані контрольні запитання для самоперевірки та контролю з боку викладача.

Метою лабораторних занять з фізики, розділ “Електрика та магнетизм” є:

- закріпити теоретичний матеріал лекційного курсу;

- дати змогу детально ознайомитись з пристроями та характеристиками найбільш важливих приладів, які складають лабораторний практикум; ознайомити з методами вимірювання та основними приладами, які застосовують в лабораторії “Електрики та магнетизму”: амперметром, вольтметром, омметром, джерелом живлення, автотрансформатором;

- навчити техніці безпеки експериментальних досліджень фізичних моделей та промислових зразків пристроїв;

- навчити вимірювати основні величини: силу струму, напругу, потужність, опір;

- навчити використовувати різні методи аналізу і оцінювати похибки вимірювань;

- навчити висловлювати свої висновки щодо робочих властивостей та ступеня придатності досліджуваних пристроїв для рішення практичних завдань.

Виконання кожної лабораторної роботи включає п’ять етапів: вивчення теоретичних положень майбутньої роботи, ознайомлення з приладом, проведення експерименту, обробки його результатів та складання звіту.

ПРАВИЛА ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

До роботи в лабораторії допускаються студенти, які прослухали та вивчили розділи теоретичного курсу, де викладено матеріал з теми лабораторних занять, а також опанували вимоги техніки безпеки під час виконання лабораторних робіт.

Кожен студент повинен заздалегідь підготуватись до лабораторного заняття, використавши лекційний матеріал, рекомендовану навчальну літературу та відповісти на питання, які дає викладач до теми заняття.

Ознайомитися з приладами, які використовуються у лабораторній роботі, та виконати необхідні вимірювання.

Кожна робота виконується за допомогою приладів, спеціально для неї призначених.

Під час роботи з електровимірювальними приладами студент повинен слідкувати за тим, щоб вимірювана величина не перевищувала допустимих значень.

У випадку виникнення несправності чи аварійного стану установки студент повинен вимкнути її та сповістити викладача.

Після закінчення досліду кожен студент повинен до вимикання установки або до припинення роботи з приладом пред’явити викладачу на підпис бланк з результатами спостережень. Якщо результати дослідів будуть визнані незадовільними чи зовсім не будуть пред’явлені викладачу, то у такому випадку робота не зараховується і знову призначається студенту до виконання.

Кожен студент до майбутнього лабораторного заняття повинен пред’явити викладачу окремий звіт з виконаної роботи, без якого студент не буде допущений до виконання наступної роботи.

У звіті необхідно привести результати спостережень, розрахунків та відповідні графіки, а також скласти висновок за результатами виконаної роботи.

ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТИ ЕЛЕКТРИЧНОГО КОЛА. ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ ФІЗИЧНОЇ ЛАБОРАТОРІЇ

Мета роботи: закріплення у студентів знань і навичок для самостійного виконання лабораторних робіт з електрики в фізичних лабораторіях.

Прилади та матеріали: амперметр, вольтметр, змінні опори, реостат, автотрансформатор, джерело струму.

Теоретичні відомості

Усі електричні кола складаються з джерела струму, навантаження, з’єднувальних проводів та електровимірювальних приладів.

Електричні вимірювання проводять або порівнюванням електричної величини з її еталоном, або шляхом безпосередньої оцінки за допомогою електровимірювальних приладів, які дають можливість отримати чисельні значення даної величини.

Електровимірювальні прилади класифікуються:

1) за типом вимірювальної величини – амперметр, вольтметр, омметр, ватметр, магазин опорів і т. ін.;

2) за принципом взаємодії – розрізняють такі системи: магнітоелектрична, електромагнітна, електродинамічна, індукційна, електростатична, термоелектрична, електронна й ін.;

3) за ступенем точності (класу);

4) за способом захисту від впливу зовнішніх магнітних або електромагнітних полів – екрановані, неекрановані, астатичні та ін.;

5) за характером застосування – щитові, стаціонарні, переносні, пультові;

6) за способом відліку – стрілочні, цифрові, самописні.

Основні параметри електричних вимірювальних приладів

Основним елементом стрілочних приладів є механізм, у якому електричні величини (струм, напруга) перетворюються в механічну силу чи обертальний момент, під впливом яких відбувається відхилення рухомої частини механізму покажчика (стрілки). Цьому обертальному моменту протидіє момент, що створюється за допомогою пружних сил – спірального підвісу або розтяжок. Величина протидіючого моменту зростає зі зростанням кута відхилу рухомої частини, поки обертальний момент не стане врівноваженим. Для скорочення часу установки показчика передбачаються заспокоювачі (повітряні або магнітноіндукційні).

В залежності від принципу дії вимірювальних пристроїв їх шкали бувають лінійні або нелінійні. Шкала буде лінійною, якщо обертальний момент буде прямопропорційним вимірюваній величині, а протидіючий – куту відхилу рухомої частини. Коли ця залежність носитиме ступеневий, логарифмічний або більш складний характер, то шкала приладів буде нелінійною.

Рис.1.1. − Принципова схема магнітоелектричного приладу

Магнітоелектричні прилади використовують взаємодію рамки (рис.1.1), що утворена деякою кількістю витків дроту та по якій тече вимірюваний струм, із полем постійного магніту. Магнітна система утворена так, що в зазорі між полюсами NS створюється однорідне магнітне поле. В цьому зазорі знаходиться рухома рамка. До рамки приєднано дві спіральні пружини та стрілка.

Пружини використовуються для підведення струму до рамки і для створення протидіючого моменту. У результаті взаємодії магнітного поля і рамки зі струмом рамка прагне обернутися навколо вісі. При цьому обертальний момент пропорційний величині струму, що протікає по її обмотці. Лінійна залежність між струмом і кутом відхилення забезпечує рівномірність шкали. Каркас рухомої котушки роблять з алюмінію короткозамкненим. При посуванні в магнітному полі в ньому виникає індукційний струм, який створює гальмуючий момент і швидке заспокоювання рухомої частини. Магнітоелектричні прилади одержали широке розповсюдження тому, що вони мають такі переваги: висока чутливість, можливість виготовлення високочастотних приладів, мале споживання електричної енергії, лінійна шкала. Безпосередньо такі прилади застосовуються тільки в полях постійного струму, але за допомогою різних випрямляючих засобів вони використовуються також при вимірюванні змінного струму. Недоліки цих приладів: чутливість до перевантаження, порівняно складна будова.

Рис.1.2. − Принципова схема електромагнітного приладу

Електромагнітні прилади (Рис.1.2) засновані на взаємодії магнітного поля соленоїда – котушки, по якій протікає вимірюваний струм, створюючи магнітне поле.

В це поле втягується виготовлене зі сталі або заліза осердя у вигляді стальної (залізної) пластинки, що закріплена на вісі. Напруженість магнітного поля котушки пропорційна квадрату струму. Протидіючий момент створюється пружиною. Він пропорційний куту повороту рухливої частини приладу. Тому шкала електромагнітних приладів нелінійна – квадратична. Прилади цієї системи застосовуються для вимірювання постійного і змінного струмів. Для швидкого заспокоєння рухливої частини приладу і стрілки застосовують поршень (демпфер). Демпфер – це камера, в якій рухається алюмінієвий поршень. При повороті осередя поршень зазнає опір повітря, внаслідок чого коливання рухомої частини швидко згасають.

Переваги цих приладів: можливість вимірювання як постійного так і змінного струму; простота конструкції; механічна міцність; стійкість до перевантажень.

Недоліки: нелінійність шкали (стиснута початкова ділянка шкали дорівнює 20…25%); зменшена точність порівняно з магнітоелектричними приладами; залежність показників приладу від зовнішніх магнітних полів.

В електродинамічних приладах використовується взаємодія соленоїдів – котушок (рухомої і нерухомої), по яким тече вимірюваний струм. Ці прилади відрізняються від електромагнітних заміною залізного осердя рухомою котушкою, яка обертається всередині нерухомої. При появі струму на обмотці обох котушок між ними виникають сили взаємодії, що визивають поворот рухомої котушки, скріпленою зі стрілкою – покажчиком. Протидіючий момент створюється пружинами. Він пропорційний куту повороту котушки. Обертальний момент при взаємодії рухомої і нерухомої котушки пропорційний силі струму в них. Якщо котушки з’єднані послідовно, то обертальний момент пропорційний квадрату струму. Отже шкала приладу в цьому випадку нелінійна (квадратична). В електродинамічних приладах, як і в електромагнітних, використовують повітряні демпфери.

Прилади електродинамічної системи мають свої переваги: їх можна застосувати для вимірювань в колах постійного і змінного струмів; вони відрізняються високою точністю, яка обумовлена відсутністю в котушках металевих частин. Недоліки приладів цієї системи: низька чутливість; вплив зовнішніх магнітних полів на точність показів приладу; чутливість до перевантажень; нерівномірність шкали.

Прилади електростатичної системи побудовані за принципами взаємодії рухомих електрично заряджених пластин. У всіх електростатичних механізмах при переміщенні рухомої частини змінюється електроємність між пластинами внаслідок зміни їх активної площі або відстані між ними. Електростатичні прилади використовуються головним чином для вимірювання напруги в колах постійного та змінного струмів у широкому діапазоні частот. Шкали цих приладів в основному нелінійні.

Термоелектричні прилади засновані на вимірюванні термо-ЕРС, що виникає в термопарі, яку нагрівають. Значення термо-ЕРС визначають із різниці температур сплавів, що залежить від квадрату сили струму в опорі. Ці прилади використовуються для вимірювання струмів високих частот за допомогою індикаторів сили струму магнітоелектричної системи.

Прилади електронної системи (електроні вольтметри) являють собою поєднання вимірювальної схеми, яка містить електронні лампи або напівпровідникові прилади, і вимірювального механізму магнітоелектричної або електростатичної системи. Прилади електронної системи використовуються для вимірювання в схемах напруг і частот значних діапазонів. Для них характерні великі вхідні опори, тому їх широко застосовують для вимірювання напруги високоомних малопотужних джерел.

Цифрові прилади. Величину, що вимірюється, визначають в дискретно-цифровій формі за допомогою цифрових індикаторів. Цифрові прилади мають ряд переваг над звичайними, основні з яких – висока точність і швидкість вимірювання, об’єктивність і повна автоматизація процесу вимірювання, можливість передачі результатів на відстань тощо. Поряд з цим є і певні недоліки: складність схеми, порівняно великі габарити, менша надійність, ніж звичайних. Найбільш поширеними цифровими приладами є цифрові вольтметри.

В табл.1.1 наведено деякі умовні позначення на шкалах електровимірювальних приладів.

Таблиця 1.1

Позначення принципу дії приладу	Умовне позначення
Магнітоелектричний з рухомою рамкою
Магнітоелектричний з рухомим магнітом
Електромагнітний
Електродинамічний
Індукційний
Вібраційний
Електростатичний

Додаткові позначення

Позначення принципу дії приладу	Умовне позначення
Термоперетворювач неізольований
Термоперетворювач ізольований
Перетворювач електронний у вимірювальному колі
Випрямляч напівпровідниковий
Напруга випробувальна 500В
Напруга випробувальна, більш за 500В, наприклад, 2кВ
Посилання на відповідний документ
Резистор
Екран електростатичний
Екран магнітний
Зажим для заземлення
Коректор
Клас точності, % при нормуванні похибки від межі вимірювання, наприклад, 1,5%	1,5
Клас точності, % при нормуванні похибки від довжини шкали, наприклад, 1,5%
Струм змінний однофазний
Струм постійний
Струм постійний і змінний
Струм трифазний змінний
Горизонтальне положення приладу
Вертикальне положення приладу
Положення під кутом

Інші електричні прилади лабораторного обладнання.

Джерело стуму. У нашій лабораторії як джерело постійного струму використовуються різноманітні випрямлячі. Живлення вони отримують від мережі змінного електричного струму. Як низьковольтні міцні джерела постійного струму використовуються селенові та напівпровідникові випрямлячі. Для регулювання змінної напруги використовують ЛАТРи і реостати.

Резистор (опір). У лабораторії використовуються резистори: еталонні (магазини опору), постійні і змінні резистори (реостати, реохорди, потенціометри), величину яких змінюють в обумовлених межах. Основні параметри резисторів – величина опору R і максимальний струм , що вказуються на приладі.

Детальний опис і методичні вказівки для інших елементів лабораторного обладнання даються в описах і методичних вказівках до конкретних лабораторних робіт.

Похибки вимірювання електричних величин

Шкали електричних приладів градуюються – деякі мітки позначаються цифрами. Різниця значень вимірюваної величини між двома сусідніми мітками шкали називається ціною поділки. Якщо і − числові позначки вимірювальні величини; n – число поділок (міток) між ними, то ціна поділки буде:

(1.1)

Чутливість приладу − це . При одноразовому вимірювані за абсолютну похибку приймається половина ціни поділки електричного приладу. Зведена похибка електричного приладу дорівнює відношенню абсолютної похибки до нормуючого значення :

(1.2)

Нормуюче значення – це умовне значення, яке може в приладах з односторонньою шкалою дорівнювати верхній межі вимірювань, а з двосторонньою – повному діапазону вимірювань (по обидві сторони від нуля). Клас точності приладу (γ к.п.) визначає найбільш допустиму зведену похибку в робочій частині шкали. Прилади поділяються за ступенем точності на 8 класів: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. За класом точності і найбільшим показником шкали приладу визначається абсолютна похибка вимірювання у будь-якому місці шкали.

Наприклад: вольтметр класу 1,0 зі шкалою N =50 поділок, що дорівнює 100В, має ціну поділки: чутливість − .

Даний вольтметр дає у будь-якому місці шкали абсолютну похибку 1В (1% від 100В). Відносна похибка при вимірюванні 5В складає 20%, а при вимірюванні 100В – тільки 1% (відповідно до класу точності приладу).

Прилади класу точності 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 використовуються для точних лабораторних вимірювань і називаються прецизійними. Прилади класів 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 мають назву технічних.

Рекомендації до виконання вимог техніки безпеки.

1) До початку виконання лабораторної роботи студент повинен навчатися управляти фізичним експериментом, тобто створювати в установці процес, що вивчається з дотриманням правил роботи у фізичній лабораторії і вимог техніки безпеки.

2) Для правильної та ефективної організації електричних вимірювань слід передусім досконало ознайомитися з основними параметрами електровимірювальних приладів, що позначені на їхніх шкалах. Тільки після цього можна приступити до збирання експериментальної установки.

3) При збиранні електричного кола треба уважно стежити за якістю контактів між клемами приладів та кінцями з’єднувальних проводів.

4) Збирання схеми слід починати з під єднання до джерела струму.

5) Забороняється вмикати джерело струму без перевірки викладачем монтажу кола.

6) Виконуючи експериментальну частину роботи, джерело струму слід вмикати тільки на час проведення експерименту. Решта часу він має бути вимкненим.

7) У випадку виявлення надмірного нагрівання елементів електровимірювальної схеми, і, особливо, при появі запаху гару або диму, студенту необхідно негайно вимкнути джерело струму і сповістити про це викладача.

8) При увімкненому джерелі струму всілякі з’єднання або роз’єднання в електричній схемі неприпустимі.

9) Слід пам’ятати, що напруга, більша за 36В, небезпечна для людини. Встановлено, що змінний струм більш небезпечний, аніж постійний. Тому не слід перевіряти наявність напруги, торкаючись клем пальцями. Це може привести до травми!

10) Рекомендується управляти елементами електричного кола тільки однією рукою, не торкаючись при цьому можливих струмонесучих елементів другою рукою.

Контрольні запитання.

1) Розкажіть про класифікацію електровимірювальних приладів.

2) Які основні особливості конструкцій характерні для різних систем електровимірювальних приладів?

3) Що називається ціною поділки і чутливістю електровимірювального приладу? Що таке клас точності приладу?

4) Як визначити похибку вимірювань за допомогою електровимірювальних приладів?

5) Які умовні позначення відносяться на шкалу електровимірювального приладу?

6) Розкажіть основні правила техніки безпеки при роботі з електричними приладами лабораторії.

7) Визначте ціну поділки і чутливість кількох електровимірювальних приладів, вказаних викладачем. Знайдіть абсолютну і відносну похибки вимірювань цими приладами.

Дата добавления: 2014-12-27