Министерство образования Российской Федерации Псковский государственный педагогический институт имени С.М. Кирова
Лабор...
31 downloads
285 Views
2MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Министерство образования Российской Федерации Псковский государственный педагогический институт имени С.М. Кирова
Лабораторный практикум по курсу электричества и магнетизма Сборник 2 - описание приборов
Псков 2000
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ББК ********** Печатается по решению кафедры физики и редакционно-издательского совета ПГПИ им. С.М.Кирова. Н.Н. Васильев Лабораторный практикум по курсу электричества и магнетизма. Сборник 2 - описание приборов. Псков, 2000. - 144 с. В данном сборнике собраны описания приборов, которые используются в лабораторном практикуме по электричеству и магнетизму. Основное внимание при описании было обращено на назначение, технические данные, принципиальные (иногда - монтажные) схемы приборов. Подробно рассмотрены системы электроизмерительных приборов. Все описания снабжены рисунками. Безусловно, эти сведения не исключают изучения принципа действия, устройства и применения прибора по рекомендуемой литературе, приводимой в тексте после каждой главы. При описании правил эксплуатации прибора обращено внимание на технику безопасности при работе с конкретным прибором. Автор выражает благодарность за помощь в подготовке данного сборника зав. кафедрой физики доценту В.Г. Соловьеву, доценту А.И. Аносовой и доценту В.Н. Маркову. Печатается в авторской редакции. Составитель: канд. физ-мат. наук, доцент Н.Н. Васильев. Рецензент: канд. физ-мат. наук, доцент В.Г. Соловьев. Ответственный за выпуск: канд. физ-мат. наук, доцент В.Н.Марков. Технический редактор: А.А. Кирсанов
ISBN 5-87854-171-8
© Н.Н. Васильев © Псковский государственный педагогический институт им. С.М.Кирова (ПГПИ им. С.М.Кирова), 2000
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Введение Знание системы прибора, принципа его действия, правил включения и эксплуатации поможет Вам в нашем лабораторном практикуме по электричеству и магнетизму, а затем и в других практикумах (по методике преподавания физики, по электротехнике, радиотехнике и др.). В работах практикума, которые выполняются по готовым описаниям, как правило, приборы уже подобраны, но бывает, что Вам самим надо подобрать нужный прибор. Среди многообразия электроизмерительных приборов Вам нужно выбрать прибор, который по всем параметрам подходит для измерения в данных условиях. Например, нужно измерить силу тока в цепи, состоящей из гальванического элемента с ЭДС 2 В и резистора 100 Ом. Оценим, какой ток будет в цепи. По закону Ома определим: I = Å / R = 0,02 A = 20мA Видим, что нужен миллиамперметр постоянного тока. Но на какой предельный ток, какой системы? Хорошо, если имеется миллиамперметр магнитоэлектрической системы на 100 мА, но, конечно, лучше, если будет на 50 мА класса точности 0,5 или 1,0. Можно этот ток измерить и другими приборами, например, электромагнитной или электродинамической системы и другого класса точности, но точность будет несколько хуже. Во многих случаях, когда не требуется высокая точность, этим можно удовлетвориться. Выбор вольтметра, вообще говоря, в первую очередь зависит от напряжения источника тока. Иногда силу тока можно успешно измерить и вольтметром! Если измеряемая цепь имеет очень большое сопротивление, больше, чем внутреннее сопротивление вольтметра, то этим прибором можно измерить силу тока без особых искажений в цепи. Так мы поступаем при измерении анодного тока во время снятия вольтамперной характеристики двухэлектродной электронной лампы. На шкале вольтметра, обычно, написаны допустимый предельный ток или его внутреннее сопротивление. А вот измерить э.д.с. на клеммах гальванического элемента можно только специальным вольтметром электростатической системы, который обладает большим собственным сопротивлением, стремящимся к бесконечности, в этом случае ток через элемент не
3
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
проходит. Обычно э.д.с. гальванических элементов измеряют компенсационным методом. Поэтому нужно очень внимательно изучать электроизмерительные приборы и в каждом конкретном случае использовать тот, который более подходит для данных измерений. Эти знания не будут лишними и в дальнейшей работе, особенно для учителя физики в школе. Грамотный учитель может легко переделать амперметр, изменить шунт к нему и этим расширить диапазон измерения прибора, переделать амперметр в вольтметр и наоборот, изменить шкалу, починить прибор и еще многое, многое другое.
4
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Глава 1 Источники питания электрических цепей На схемах обозначаются
Гальванические элементы. Аккумуляторы.
и
Элемент Вольта. Первым источником электрического тока - гальваническим элементом является элемент Вольта (1799 г.), названный так в честь итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта (1745 - 1827 г.). Всякий гальванический элемент имеет два электрода, находящихся в контакте с электролитом. В элементе Вольта (Рис. 1.1, 1.2.) цинковый и медный электроды погружены в раствор серной кислоты. Между электродами ( Zn и Cu ) и элект-
Рис. 1.1.
ролитом H 2 SO4 , в который они опущены, происходят химические реакции. Так цинковая пластинка Zn , опущенная в раствор серной кислоты, растворяется. Однако в раствор уходят не нейтраль-
ные атомы цинка, а положительные ионы Zn ++ , в результате чего раствор около электрода заряжается положительно, а цинковая пластинка - отрицательно. При этом между раствором и пластинкой возникает разность потенциалов. При некотором потенциале металла относительно раствора, называемом электрохимическим потенциалом, переход ионов цинка в раствор прекращается. Этот переход зависит от свойств металла, жидкости и от концентрации ионов металла в растворе. Для цинка в растворе серной кислоты электрохимический потенциал U Zn = 0,5B . Другой электрод - медный заряРис. 1.2. Элемент Вольта: жается положительно относицепь, в которой два различных тельно цинкового электрода, т.к. металла (медь и цинк) сопри- разность потенциалов между кискасаются с электролитом лотой и медью, так же как и меж(раствором серной кислоты). ду кислотой и цинком, - отрица-
5
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
тельна, но по абсолютной величине они будут разными. Если отсчитывать все разности потенциалов от уровня кислоты, потенциал которой можно принять за 0, то химический потенциал меди будет равен: U Cu = 0,6 B , а потенциал цинка U Zn = −0,5B . Таким образом, между медью и цинком окажется разность потенциалов U = U Cu − U Zn = 0,6 В − ( −0,5) В = 1,1B . Разность потенциалов между электродами в гальваническом элементе называется электродвижущей силой элемента и она равна 1,1 В. Если соединить электроды элемента проводником, то по нему потечет ток от медной пластины, являющейся положительным электродом элемента, к цинковой пластине, являющейся отрицательным электродом. В растворе между электродами ток течет от цинковой пластины к медной. При прохождении тока в цепи элемента Вольта ионы Zn ++ переходят в раствор, где соединяются с отрицательными ионами −− SO4 , на которые наряду с ионами H + диссоциирует серная кислота. В растворе происходит реакция Zn ++ + SO4 −− = ZnSO4 , продукты которой выпадают в виде осадка. Положительные ионы водорода устремляются к медной пластине и там нейтрализуются электронами проводимости в пластине. В результате на поверхности медного электрода образуется пленка водорода H 2 , которая, с одной стороны, увеличивает внутреннее сопротивление, а с другой, создает дополнительный электрохимический потенциал, направленный против потенциала, существовавшего там до образования пленки. В результате всех этих процессов э.д.с. элемента уменьшается. Такие процессы называются поляризацией элемента. Чтобы избавиться от нее, применяют разные способы. Устранение явления поляризации называется деполяризацией.
Рис. 1.3.
Элемент Даниеля. Для этой цели можно составить элементы с двумя жидкостями. Так в элементе Даниеля (1790 - 1845 г.) положительным электродом является медь, погруженная в
6
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
медный купорос ( CuSO4 ), а отрицательным - цинк, погруженный в цинковый купорос ( ZnSO4 ) или серную кислоту. Чтобы предохранить растворы от быстрого смешивания, Рис. 1.4. Элемент Даниеля, они разделены пористой А, В, С, D, - отдельные части его. перегородкой из необоСправа - элемент в собранном виде. жженной глины. (Рис. 1.3, 1.4.) Пористая перегородка не препятствует движению ионов. Когда элемент разомкнут, т.е. внешняя цепь отсутствует, концентрация обоих растворов нормальна. В этом случае абсолютный электрохимический потенциал меди равен +0,61 В, а соответст-вующий потенциал цинка равен -0,50 В. Э.д.с. такого элемента равна Е = U Cu − U Zn = 0,61B − ( −0,50) B = 1,11B . Если соединить проводником электроды элемента, т.е. включить внешнюю цепь, то разница в их потенциалах приводит к переходу электронов с цинковой пластинки на медную. Одновременно внутри элемента происходит перемещение ионов цинка и меди, а −− также ионов SO4 и H + . Водород, образующийся при растворении цинка, проходит сквозь поры глиняной перегородки и вытесняет медь из медного купороса, образуя серную кислоту. Вытесненная медь оседает на медной пластинке. Этим путем устраняется образование пузырьков газа на электродах. Э.д.с. элемента не уменьшается. В технике же обычно пользуются элементом Даниеля в той форме, которую ему придал Мейдингер. Здесь цинковая пластинка находится в растворе цинкового купороса ( ZnSO4 ) или в растворе серРис. 1.5. Часто применяемое устройство элемент Дание- нокислого магния ( MgSO4 ), а медля (элемент Мейдингера). ная пластинка - в насыщенном ра-
7
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
створе медного купороса ( CuSO4 ). Расход медного купороса при работе элемента автоматически пополняется растворением запасенных в специальном коническом сосуде кристаллов CuSO4 ⋅ 5H 2 O . Пористая перегородка в этом элементе отсутствует, т.к. смешиванию растворов противодействует разность их плотностей. Раствор CuSO4 , находящийся внизу элемента, имеет большую плотность, чем верхний раствор ZnSO4 . См. Рис. 1.5. Элемент Грене. Этот элемент состоит из угольной и цинковой пластин, погруженных в водный раствор серной кислоты (примерно 30 % или плотностью (1,20 - 1,23) г/см 3 ) и двухромовокислого калия ( K 2 Cr2 O7 ). Эта смесь является чрезвычайно сильным окис-лителем, и поэтому водород, выделяющийся на угольном электроде, сразу же окисляется в воду, чем и предотвращается поляризация элеРис. 1.6. Элемент Грене. мента. Для того, чтобы цинк не Электроды - уголь (анод) и цинк (катод) - погружены в растворился в кислоте в то время, раствор серной кислоты, к когда элементом не пользуются, которой добавлен двухро- цинковый электрод сделан подъеммовокислой калий. ным. Положительным полюсом в этом элементе является уголь, отрицательным - цинк; э.д.с. около (1,8-2) В. См. Рис. 1.6. Элементы Лекланше. В настоящее время чаще всего применяются водоналивные и сухие элементы Лекланше (Георг Лекланше (1839 - 1882 г.) - французский химик). На рис. 1.7, 1.8. показано устройство водоналивного элемента. Его электродами являются угольный стержень C и цинковый цилиндр Zn , а электролитом служит водный раствор нашатыря (хлористого аммония, NH 4 Cl ). В качестве деполяризатора в этом
8
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Рис. 1.7. Элемент Лекланше
Рис. 1.8. Водоналивной элемент Лекланше (Е ≈ 1,5 В).
элементе употребляют перекись марганца ( MnO2 ). Для деполяризации угольный стержень помещают внутри холщового или изготовленного из фильтровальной бумаги мешка ( D ), который набивают измельченной перекисью марганца, смешанной для лучшей проводимости с графитом. Выделяющийся при работе водород вступает в реакцию с деполяризатором по уравнению MnO2 + 2 H = MnO + H 2 O , в результате чего водород окисляется кислородом деполяризатора в воду и в газообразном состоянии не выделяется. Э.д.с. элемента Лекланше около 1,4 В. Особенно удобны так называемые “сухие” элементы Лекланше, имеющие обширные применения, в которых вместо жидкого электролита (рис. 1.9) используется крахмалистая масса ( M ) консис-тенции густого клейстера, содержащая нашатырь. Сверху элемент заливается слоем смолы ( P ), препятствующим выпадению массы при опрокидывании элемента и предохраняющим его от быстрого высыхания. Угольный электрод C имеет вид стерженька, а цинковый электрод Zn образует корпус элемента. Подобным образом устроены батарейки для карманных фонарей типа “Орион” или “Планета”: они содержат два или три маленьких сухих элемента, соединенных последовательно (элементы типа А-332, А-373 “Марс” и т.д.). Сухие Рис. 1.9. Сухой элемент Лекланше. батареи, широко применяемые для пита-
9
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ния радиоаппаратуры, имеют емкость, т.е. имеющая у них электрическая энергия, составляет ( 0,3 ÷ 0,4 ) ампер-часа на 1 кг массы батареи, они имеют большое внутреннее сопротивление (несколько тысяч Ом). Элемент Вестона. В лабораторной практике для измеритель-ных установок часто применяется ртутно-кадмиевый нормальный элемент Вестона (Рис. 1.10). Этот элемент состоит из стеклянного сосуда, имеющего форму в виде буквы Н. В нижней части впаяны платиновые электроды, соединенные с зажимами. Положительным полюсом служит Рис. 1.10. Кадмиевый нормальный ртуть, отрицательным элемент Вестона. Электродвижу- амальгама кадмия. Электщая сила при 200С равна 1,0183 В. ролитом является насыщенный раствор CdSO4 , а деполяризатором - смесь сернокислой ртути HgSO4 и сернокислого кадмия CdSO4 . Э.д.с. нормального элемента практически не меняется со временем, т.к. мала поляризация. Кроме того э.д.с. этого элемента мало изменяется с температурой. При t = 200С она равна 1,0183 В. Ввиду постоянства э.д.с. нормального элемента, ее удобно сравнивать с другими неизвестными э.д.с. Элемент Вестона применяется исключительно в компенсационных схемах. Кроме перечисленных выше гальванических элементов имеются другие типы химических источников тока, например гальванические элементы: марганцево-воздушно-цинковые, воздушноцинковые, медно-цинковые, окисно-ртутные и т.д.; резервные элементы: хлорсеребряно-магниевые, серебряно-цинковые, которые для приведения в действие заливаются водой или раствором щелочи непосредственно перед работой. Интересно отметить, что поиски новых источников энергии привели ученых к любопытному открытию: оказалось, что можно вырабатывать ток с помощью бактерий. Устройство такого эле-
10
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
мента довольно простое. Он состоит из двух электродов, погруженных в резервуары, которые соединены друг с другом трубкой с фильтром (рис. 1.11). Один из резервуаров заполнен сахарным раствором, в который помещены бактерии. Они разлагают сахар на углекислый газ и воду, что сопровождается образованием электрического заряда на электроде. Вследствие этого между электродами Рис. 1.11. возникает определенная разность потенциалов. Процесс продолжается до тех пор, пока в растворе имеется сахар. Однако содержание сахара в растворе не уменьшается. Дело в том, что в другом резервуаре находятся зеленые водоросли, которые под воздействием солнечных лучей синтезируют сахар из воды и углекислого газа. Поэтому такая “батарея” может работать бесконечно долго. Мощность экспериментальных биоэлементов составляет сейчас около 10 Вт. Кислотные аккумуляторы. Разновидностью гальванических элементов являются аккумуляторы, или вторичные элементы. Вещества, расходуемые пр и возбужде нии эл ектр ического тока, получаются внутри самих аккумуляторов путем Рис. 1.12. Электроды свинцо- электролиза. Наибольшее расвого аккумулятора. пространение получили свинцовые аккумуляторы, которые называются также кислотными аккумуляторами. Свинцовые аккумуляторы были изобретены в 60-х годах XIX века французским физиком Плантэ и усовершенствованы в 1881 году Фором. Первый свинцовый аккумулятор представлял собой элемент с двумя свинцовыми электродами, погруженными в раствор серной кислоты. Элемент в таком виде не обладает еще э.д.с., так как оба его электрода одинаковы и на них происходят одинаковые химические реакции Pb + H 2 SO4 = PbSO4 + H 2 . Однако, если через такой элемент пропускать известное время ток (зарядка аккумулятора), то на его электродах выделяются продукты электролиза, кото-
11
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
рые вступают в химические реакции с электродами. Так ионы водорода H + , которые получились в результате электролитической диссоциации серной кислоты H 2 SO4 → 2 H + + SO4 −− , перемещаются к катоду и восстанавливают сульфат в металлический свинец по формуле: PbSO4 + 2 H + + 2e − = Pb + H 2 SO4 Отрицательные ионы SO4 −− перемещаются к аноду и превращают сульфат в перекись свинца по формуле: −− PbSO4 + SO4 + 2 H 2 O = PbO2 + 2 H 2 SO4 + 2e − Таким образом, создается резкая несимметрия электродов: один из них свинцовый, а другой - из перекиси свинца. (Рис. 1.12) Одновременно с этим происходят вторичные реакции: свинцовый электрод растворяется в электролите, т.е. положительные ионы свинца Pb + + покидают электрод и он, по отношению к раствору, заряжается отрицательно. На втором электроде ионы водорода, отталкиваясь от положительного слоя электролита, оседают на PbO2 , отрывая у него два электрона, и электрод заряжается положительно. Аккумулятор теперь “заряжен”, он представляет собой гальванический элемент с определенной э.д.с. и способен служить источником тока. Давая ток во внешнюю цепь, аккумулятор разряжается, процессы в нем протекают в обратном порядке. В конце разряжения оба электрода оказываются вновь покрытыми одинаковым слоем сульфата свинца, и э.д.с. аккумулятора спадает до нуля. Описанный аккумулятор невыгоден тем, что происходящие в нем химические процессы захватывают лишь поверхность электродов, и поэтому количество накопленной в нем энергии незначительно. Аккумулятор разряжается быстро. Для увеличения емкости аккумулятора, т.е. количества накапливаемой им энергии, применяются различные способы. Современный кислотный аккумулятор состоит из ряда положительных и отрицательных пластин, находящихся в банке, изготовленной из пластмассы или эбонита, с водным раствором 30 % серной кислоты (с плотностью 1,2 г/см3). Все положительные пластины соединены между собой, также и все отрицательные, благодаря чему в небольшом сосуде можно иметь большую площадь электродов, разделенных тонким слоем электролита, т.е. иметь элемент с чрезвычайно малым внутренним сопротивлением. Отрицательные пластины состоят из чистого губчатого свинца, а положительные пластины имеют более сложное строение. Их изготовляют из свинца с многими ячейками, в которые впрессовывают специальную массу, состоящую из окислов свинца и связующих веществ. Затем
12
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
пластины подвергают “формовке”, их погружают в раствор серной кислоты, подвергая действию тока, превращающего окись свинца в трудно растворимое соединение сернокислого свинца PbSO4 , т.е. происходит реакция: PbO + H 2 SO4 = PbSO4 + H 2 O Для того, чтобы аккумулятор стал источником тока, его необходимо зарядить. С этой целью через аккумулятор пропускают электрический ток. Ион H + , двигаясь к катоду, нейтрализуется на нем и вступает в реакцию PbSO4 + 2 H = Pb + H 2 SO4 Отрицательные ионы SO4 − , достигая анода, также нейтрализуются и сначала вступают в реакцию PbSO4 + SO4 = Pb( SO4 ) 2 , а затем происходит обратная реакция → Pb ( SO 4 ) 2 + 2 H 2 O 2 PbO 2 + 2 H 2 SO 4 . ← Таким образом, после зарядки катод аккумулятора превращается в губчатую массу металлического свинца, а анод - в перекись свинца PbO2 . Концентрация серной кислоты в аккумуляторе при зарядке повышается. Если выключить внешний источник тока, то получается гальванический элемент с анодом из PbO2 и катодом Pb . Если такой элемент не замкнут, то он может сохраняться в заряженном состоянии весьма долго. При соединении полюсов аккумулятора проводником через цепь потечет ток. Аккумулятор начнет разряжаться. Отрицательные ионы SO4 − переходят из раствора на свинцовый катод, нейтрализуются и вступают в реакции: Pb + SO4 = PbSO4 . Около анода происходит обратная реакция → PbO2 + 2H 2 SO4 Pb ( SO4 ) 2 + 2 H 2O . ← + Положительные ионы H переходят из раствора на анод PbO2 , нейтрализуются там и вступают в реакцию Pb( SO4 ) 2 + 2 H = PbSO4 + H 2 SO4 . Концентрация серной кислоты понижается. В конце концов аккумулятор вернется в исходное состояние: обе пластины его будут состоять из PbSO4 , а концентрация H 2 SO4 примет свое начальное значение. Э.д.с. свинцового аккумулятора в самом конце зарядки может достигать 2,7 В. При разрядке она уменьшается: сначала быст-
13
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ро до 2,2 В, затем очень медленно приблизительно до 1,85 В. Дальнейшую разрядку производить нельзя, т.к. пластины покрываются трудно растворимым слоем PbSO4 , отчего аккумулятор портится. Максимальный заряд, который может отдать аккумулятор при разрядке, называется его емкостью, измеряемой в ампер-часах. Свинцовые (кислотные) аккумуляторы применяются в автомобильном транспорте, авиации, телефонных станциях и т.д., К.П.Д. достигает 80 %. Щелочные аккумуляторы. Первые щелочные аккумуляторы были созданы американским изобретателем Томасом Эдисоном (1877 -1931 г.) в 1903 году. Из щелочных аккумуляторов широкое распространение в настоящее время получили железо-никелевые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. В них электродами являются решетки Рис. 1.13. Электроды кадмиевоникелевого щелочного аккумулятора из стали, покрытые никелем. (Рис. 1.13.) Ячейки положительного электрода заполнены гидратом закиси никеля Ni (OH ) 2 , отрицательного - гидратами закиси кадмия и железа ( Cd ( OH ) 2 , Fe(OH ) 2 ). Электроды помещены в стальную коробку, к которой присоединен положительный электрод. Отрицательные пластины помещаются между положительными пластинами. Электролитом щелочного аккумулятора служит 20 %-ный раствор едкой щелочи ( KOH или NaOH ). Схематически реакции при зарядке и разрядке в кадмиевоникелевых аккумуляторах можно представить так: заряд
Fe(OH ) 2 + 2 Ni (OH ) 2
→
← разряд
Fe + 2 Ni(OH ) 3
заряд
Cd (OH ) 2 + 2 Ni (OH ) 2
→
← разряд
Cd + 2 Ni (OH ) 3
14
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
При зарядке аккумулятора активная масса положительных пластин окисляется, при этом гидрат закиси никеля Ni ( OH ) 2 переходит в гидрат окиси никеля Ni ( OH ) 3 , а активная масса отрицательных пластин Fe(OH ) 2 или Cd ( OH ) 2 восстанавливается и превращается в губчатое железо Fe или губчатый кадмий Cd . При разрядке все процессы протекают в обратном направлении. В конце зарядки э.д.с. щелочного аккумулятора достигает 1,8 В, которая при разрядке очень быстро падает до 1,2-1,15 В. Разрядка прекращается при э.д.с. примерно равной 1 В. Железо-никелевые аккумуляторы по своему устройству мало отличаются от кадмиево-никелевых и имеют почти одинаковые электрические характеристики. Правда, железо-никелевые аккумуляторы при низких температурах работают значительно хуже кадмиево-никелевых, а при высоких температурах обладают большим саморазрядом. Преимуществом щелочных аккумуляторов перед кислотными является большой срок службы, простота ухода и то, что они не боятся механических сотрясений и коротких замыканий в цепи. Благодаря этим преимуществам, несмотря на меньшую э.д.с., меньшую емкость (на единицу массы) и небольшой к.п.д. (порядка 60 %), эти аккумуляторы нашли широкое применение в ряде стационарных и передвижных установок. Они применяются в авиации, электрокарах, средствах связи, космонавтике (искусственные спутники Земли). В настоящее время широко распространены и другие типы аккумуляторов, например, серебряно-цинковые, серебряно-кадмиевые и др. Они обладают наиболее высокими удельными характеристиками (удельной энергией свыше 100 Вт-час/кг и удельной мощностью до 500 Вт/кг), однако срок их службы значительно меньше (20 - 100 циклов), чем у первых двух типов аккумуляторов. Серебряно-цинковые аккумуляторы могут работать при пониженной температуре до -300С и даже до -400С. Эти аккумуляторы используют в авиации, средствах связи, киносъемочной аппаратуре, искусственных спутниках Земли и т.д.
15
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Выпрямители Выпрямитель селеновый ВС 4-12
Общее обозначение на схемах или
на схемах обозначается
Назначение. Выпрямитель селеновый ВС 4-12 служит для преобразования переменного тока напряжением электросети 220 В (или 127 В) с частотой 50 Гц в постоянный пульсирующий ток, напряжение которого ступенчато регулируется в пределах от 4 В до 12 В при силе тока до 3 А. Прибор используется в качестве источника постоянного тока для питания различных электрических цепей и установок, по условиям работы которых выходные параметры выпрямителя достаточны, а пульсация выпрямленного тока допустима и не влияет на результаты опыта и работу установки. Примечание: в последнее время в результате совершенствования прибора селеновый столб выпрямителя заменяется мостом на кремниевых диодах. Устройство.
Рис. 1.15. Рис. 1.14. Выпрямитель ВС 4-12 (рис. 1.14 и 1.15) состоит из следующих основных частей: 1. Передней стенки 1, на дне которой установлены: понижающий трансформатор 2, селеновый столбик (выпрямитель) 3, щиток 4 для установки предохранителей, колодка 5 для присоединения электрошнура с вилкой, переключатель галетный 6 для ступенчатого изменения выходного напряжения. В дне имеются вентиляционные отверстия. На передней стенке смонтированы: ручка 7 галетного переключателя, сигнальная лампочка 8, тумблер однопо-
16
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
люсный 9, две клеммы (+) и (–) 10 для подключения потребителя выпрямленного тока. 2. Съемного кожуха 11 с ручкой 12. Кожух крепится двумя винтами к передней стенке (сбоку) и двумя язычками (снизу). Ручка служит для переноски прибора, а также для упора при установке прибора на столе. Трансформатор понижающий имеет следующие характеристики: питающее напряжение - от сети 220 В или 127 В при частоте 50 Гц: максимальная мощность - 75 ВА при силе тока 3 А и напряжении 12 В во вторичной обмотке. Селеновый выпрямитель (столбик). В качестве преобразователя однофазного переменного тока в ток постоянного направления (выпрямленный ток) используется селеновый столбик типа 75ГМ4Я-К. Он представляет собой набор из селеновых элементов квадратной формы, которые собраны на общей шпильке в виде столбика открытой конструкции. Элементы электрически соединены между собой по двухполупериодной мостовой схеме выпрямления тока. Эта схема обеспечивает использование вентильного действия селеновых элементов по отношению к однофазному переменному току, т.е. свойство пропускать ток только в одном направлении. Принципиальная электрическая схема соединения элементов выпрямителя показана на рис. 1.16. Селеновый выпрямитель имеет следующие данные: а) подводимое переменное напряжение - 25 В, б) выпрямленное напряжение не менее 18 В, в) выпрямленный ток 3 А, г) количество элементов - 4, д) количество элементов в плече - 2, Рис. 1.16. е) габариты столбика (75 × 95 × 95) мм3. Элементы селенового столбика имеют влагозащитное покрытие, предохраняющее от коррозии. Эксплуатация селенового столбика рекомендуется при температуре окружающего воздуха до +350С, а температура селеновых элементов не должна превышать +750С. Переключатель во вторичной цепи трансформатора позволяет получить 5 ступеней напряжения выпрямленного тока от 4 В до 12 В (4, 6, 8, 10, 12)В при максимальной силе тока 3 А. Переключе-
17
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ние осуществляется за счет подключения в определенном порядке выводов вторичной обмотки трансформатора, и тем самым меняется величина подводимого к столбику напряжения. Сигнальная лампочка МН 6,3-0,22 потребляет ток 0,22 А при напряжении 6,3 В. Выпрямитель комплектуется двумя плавкими предохранителями типа ПК-30 0,5 А на 220 В и 1 А на 127 В. Технические данные выпрямителя. Принципиальная электрическая схема выпрямителя представлена на рисунке 1.17. В выпрямителе применена однофазная мостовая схема выпрямления позволяющая получить двухполупериодный выпрямленный ток напряжением до 12 В и силой тока до 3 А. Потребляемая мощность при максимальных значениях вторичной цепи - 75 ВА. Гарантируемый срок службы выпрямителя не менее 15000 часов при условии соблюдения правил хранения и эксплуатации. Номинальные климатические условия: температура окружающего воздуха +200±50С, атмосферное давление 720-780 мм.рт.ст., относительная влажность не более 80%. Габаритные размеры выпрямителя (145 × 255 × 110) мм3. Масса прибора 3,2 кг. Рис. 1.17. Работа с прибором. 1. Перед включением выпрямителя в сеть необходимо проверить исправность и соответствие предохранителя сетевому напряжению. 2. Присоединить к выходным клеммам выпрямителя собранную цепь, соблюдая полярность. 3. Нагрузка на выпрямитель не должна превышать 3 А, не следует подавать на выпрямитель переменное напряжение выше номинального. То и другое может вывести выпрямитель из строя. 4. Выпрямитель следует хранить в шкафу в сухом, отапливаем и проветриваемом помещении при температуре от +50 до +400С и относительной влажности не более 80 % при отсутствии в окружающей среде паров ртути, кислот и щелочей.
18
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
5. При длительном хранении в не рабочем состоянии выпрямитель следует подвергать электрической подформовке, для этого один раз в год или перед эксплуатацией надо включать его на два часа на номинальное переменное напряжение без нагрузки (холостой ход).
на схемах обозначается Выпрямитель селеновый ВС - 24М
Назначение и технические данные. Выпрямитель селеновый ВС-24 М предназначен для питания различных учебных приборов и установок током постоянного напряжения от 0 до 24 В m 10 % при максимальной силе тока 10 А. Прибор позволяет также получать переменное напряжение от 0 до 30 В m 10% при силе тока 10 А. Питание выпрямителя производится от сети переменного тока 220 В или 127 В и частоте 50 Гц. Потребляемая мощность выпрямителя при максимальной нагрузке вторичной цепи 450 ВА. Габаритные размеры в мм 185 × 345 × 206. Масса прибора не более 9 кг. Устройство и работа прибора. В приборе применяется мостовая двухплечная схема выпрямления, позволяющая получать двухполупериодный выпрямленный ток (рис. 1.18). На шасси (рис. 1.19), которое одновременно является и основанием выпрямителя, установлены: понижающий тороидальный трансформатор Тр, селеновый выпрямитель (столбик) Ст и щиток Щ для двух предохранителей. На передней стенке прибора смонтированы: вольтметр постоянного тока, амперметр постоянного тока, сигнальная лампочка, тумблер и две пары контактных зажимов: одна пара (+) и (–), другая (~). Здесь же расположена ручка плавной регулировки снимаемого напряжения и выключатель (см. рис. 1.20). Конструкция выпрямителя защищена съемным кожухом с вентиляционными щелями, который при помощи двух винтов крепится к шасси. В выпрямителе использованы контрольно-измерительные приборы постоянного тока класса точности 2,5 с пределами измерений - вольтметр от 0 до 50 В, амперметр от 0 до 10 А. В качестве сигнальной лампы использована лампа МН-6,3 В; 0,22 А.
19
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Рис. 1. 18. Схема выпрямления двухполупериодного тока
Рис. 1.19.
Рис. 1.20.
20
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Сердечник понижающего трансформатора тороидальной формы выполнен из плотно навитых полос электротехнической стали 341 толщиной 0,5 мм. На нем намотаны первичная и вторичная обмотки. В отверстии сердечника установлены две пластмассовые накладки, которые снабжены кронштейнами для крепления трансформатора на шасси. В центре накладки установлена ось с контактной пластиной и меднографитовой щеткой. Ось непосредственно соединена с ручкой регулировки снимаемого напряжения. Для обеспечения надежного контакта меднографитовая щетка снабжена пружинной пластинкой, которая осуществляет равномерный прижим щетки по всей плоскости вторичной обмотки. Контактная пластина и конец вторичной обмотки трансформатора соединены с плечами селенового столбика, с которого снимается напряжение на контактные зажимы (+) и (-) и непосредственно, минуя столбик, с зажимами (~). В качестве преобразователя однофазного переменного тока в ток постоянного направления (выпрямленный ток) используется селеновый выпрямитель (столбик) типа 100ЕМ12ГЗ. Выпрямитель собран из селеновых элементов квадратной формы. Элементы соединены между собой по двухполупериодной однофазной мостовой схеме выпрямителя. Селеновый выпрямитель имеет следующие данные: а) подводимое переменное напряжение 35 В; б) выпрямленное напряжение не менее 26 В; в) выпрямленный ток 11 А; г) общее число элементов -12; д) количество элементов в плече-6; е) рекомендуемая температура окружающей среды не выше +35 0 С. Работа с прибором. 1. Проверить правильность включения предохранителя (на 220 В - 3 А). 2. Ручку плавной регулировки снимаемого напряжения поставить в нулевое положение шкалы (влево до упора). 3. Нагрузка переменного и постоянного токов не должны превышать 10 А. 4. Температура нагрева корпуса прибора не должна превышать +450С. 5. Время непрерывной работы выпрямителя не более 45 мин. 6. В сырых помещениях прибор следует заземлять. 7. Следует учитывать следующий вид опасности: электрический ТОК напряжением 220 В, частотой 50 Гц. 8. Выпрямитель следует хранить в отапливаемом помещении при температуре воздуха +250 m 100С с относительной влажностью (65 m 15) % вдали от нагревательных приборов, при отсутствии паров ртути, кислот, щелочей.
21
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
на схемах обозначается
Выпрямитель полупроводниковый универсальный ВУП - 2
Назначение и технические данные. Универсальный полупроводниковый выпрямитель ВУП-2 предназначен для питания выпрямленным электрическим током различного напряжения учебных радиотехнических приборов и демонстрационных установок (для изучения свойств электромагнитных волн, для генератора сантиметровых волн линии Лехера и т.д.). Выпрямитель рассчитан на питание от сети переменного тока напряжением 220 или 127 В, частотой 50 Гц. Выпрямленное напряжение до дросселя без нагрузки изменяется в пределах от 300 В до 350 В, а наибольший ток нагрузки достигает 200 мА (при этом токе выпрямленное напряжение может упасть до 250 В). Выпрямленное напряжение после дросселя равно (250 m 10) В при токе нагрузки до 50 мА (при этом токе выпрямленное напряжение на зажиме 350 В должно быть не менее 300 В). Регулируемое выпрямленное напряжение изменяется от 0 до 250 m 10 В при токе нагрузки до 50 мА, кроме того имеется выпрямленное регулируемое напряжение от 0 до (100 m 5) В при токе нагрузки до 5 мА. Прибор дает переменное напряжение 6,3 В при токе нагрузки до 3 А. Габаритные размеры прибора в мм. 350 × 190 × 185; масса 7,4 кг. Устройство и работа выпрямителя. Выпрямитель смонтирован в металлическом сварном корпусе с перфорированными стенками и установлен на изолирующих ножках. На передней панели (рис. 1.21) расположены: а) зажимы (клеммы) +350 В, +250 В, общ, ~6,3 В;
Рис. 1.21.
22
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
б) зажимы регулируемого напряжения от 0 до 250 В; в) зажимы регулируемого напряжения от 0 до m 100 В; г) тумблер для включения прибора; д) сигнальная лампочка; е) ручка для плавного регулирования напряжения от 0 до 250 В; ж) ручка для плавного регулирования напряжения от 0 до m 100 В; з) октальная ламповая панель. На выводы ламповой панели поданы напряжения: на выводы 6 и 8 - (350 m 50) В, на выводы 3 и 8 - (250 m 10) В, на выводы 4 и 5 (100 m 5) В, на выводы 2 и 7 - (6,3 ± 0,5) В. В выпрямителях типа ВУП-2М кроме указанных выводов есть еще выводы 1 и 8, на которые выведен выпрямленный ток с регулируемым напряжением от 0 до (250 ± 10) В. Октальная ламповая панель предназначена для подключения ряда установок, которые снабжены многожильным шнуром с октальным цоколем от радиолампы. Все клеммы выпрямителя позволяют подключать к ним внешние проводники как с наконечниками, так и со штеккерами. На дне выпрямителя (рис. 1.22) смонтированы основные его детали. Принципиальная схема выпрямителя приведена на рисунке 1.23. Силовой трансформатор Тр имеет мощность по первичной обмотке 150 Вт. Переключение первичной обмотки на различные напряжения производится путем перестановки плавкого предохранителя П1. (См. рис. 1.23.) Для защиты от помех, проникающих через электросеть, между первичРис. 1.22. ной и другими обмотками трансформатора помещен электростатический экран в виде однослойной обмотки из изолированного провода, один из концов которого присоединен к корпусу. Высоковольтный мост и однополупериодный выпрямитель выполнены на полупроводниковых диодах типа Д7Ж. Эти диоды конструктивно оформлены в цельнометаллическом сварном корпусе, благодаря чему они обладают повышенной влагостойкостью и прочностью. Температурный диапазон работы данных диодов от 550 до +700С. Гарантийный срок службы диодов 5000 часов и бо-
23
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
лее. В электрической схеме выпрямителя предусмотрен предохранитель П2 на 0,5 А, который предназначен для защиты выпрямителя в случае короткого замыкания высокого напряжения во внешней цепи.
Рис. 1.23. R1 - потенциометр 10 кОм ± 10%; 25 Вт; R2 - резистор переменный СП 47 кОм; 1 Вт; R3, R4 - резисторы постоянные ВС-1; 5,1 кОм; С1, С2 - конденсаторы электролитические К 50-3 20 мк Ф, 450 В; С3, С4, С5 - конденсаторы электролитические К 50-3 20 мк Ф, 350 В; С6 - конденсатор с бумажным диэлектриком МБГО 2 мк Ф, 400 В; Д1, Д2, Д3, Д4, Д5, Д6 - полупроводниковые диоды Д7Ж; Др - дроссель сглаживающего фильтра ПЭЛ 0,2 6000 витков; Тр - трансформатор силовой. Работа с прибором. 1. Прежде, чем включить выпрямитель, следует проверить исправность и соответствие установки предохранителя напряжению сети. 2. Присоединить к клеммам выпрямителя собранную цепь ДО включения выпрямителя в сеть. 3. При работе с выпрямителем следует соблюдать меры безопасности, как при работе с электрическим переменным ТОКОМ напряжением 220 В так и с постоянным ТОКОМ напряжением 350 В. 4. Прибор следует хранить в сухом отапливаемом помещении вдали от нагревательных систем, при отсутствии в окружавшей среде паров ртути, кислот и щелочей.
24
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
на схемах обозначается Выпрямитель ВУ - 4
Выпрямитель учебный ВУ-4 входит в комплект КЭК (комплект электроснабжения комбинированный), который предназначен для оснащения кабинетов физики, учебных мастерских и т.д. и применяется для обеспечения электропитанием различных электрических и электронных приборов. Комплект осуществляет: - преобразование переменного напряжения 220 В в 36 В или 42 В с номинальным током нагрузки 10 А, - разводку переменного напряжения 36 В или 42 В к рабочим столам учащихся и учителя, - снабжение до 20 рабочих мест учащихся выпрямленным напряжением 3,5 В с током нагрузки до 1,2 А. Прибором, отвечающим этим требованиям, и является выпрямитель ВУ-4. Технические данные выпрямителя: 1. Напряжение питающей сети - 40 В. 2. Частота питающей сети - 50 Гц. 3. Потребляемая мощность - 0,015 кВА. 4. Ток нагрузки не более - 1,2 А. 5. Выходное напряжение под нагрузкой (- 3,5 + 0,8) В. 6.Частота пульсации выпрямленного тока - 100 Гц. 7. Ток холостого хода не более - 0,12 А. Выпрямитель ВУ-4 устанавливается на столах учащихся и при работе подключается к линиям источника ИПН (источник питания нерегулируемый) через специальные штепсельные розетки на на пряжение 42 В. Конструкция штепсельной вилки (Т-образная) выпрямителя исклю-чает возможность включения в сеть 220 В. Выпрямитель ВУ-4 соответствует 3-му классу защиРис. 1.24. Выпрямитель: ВУ-4 ты по ГОСТ и не заземляется.
25
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
На рисунке 1.24 показан внешний вид выпрямителя (вид сбоку и сверху). Принципиальная схема выпрямителя предс-тавлена на рисунке 1.25. Рис. 1.25. Схема электрическая Необходимо соблюпринципиальная выпрямителя. ВУ-4. да ть пол ярность при сборке электросхемы. Подключать выпрямитель к розетке на напряжение 42 В!
на схемах обозначается
Источник питания «ПРАКТИКУМ» УХЛ4 (ИПП)
Этот источник питания предназначен для оснащения школьных кабинетов физики и используется при проведении демонстрационных опытов, лабораторных и практических работ с применением электрического тока. Основные технические данные: 1. Номинальное напряжение питающей сети - 40 В. 2. Частота тока в сети - 50 Гц. 3. Потребляемая мощность не более - 80 ВА. 4. Максимально допустимый ток нагрузки не более - 2 А. 5. Холостой ток - 0,4 А. 6. Номинальное выходное напряжение (переменное и выпрямленное) - 12 В, 10 В, 8 В, 6 В, 4 В.
Рис. 1.26. Рис. 1.27. Напряжение устанавливается переключателем, который смонтирован на крышке источника питания (рис.1.26).
26
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
На передней панели выпрямителя (рис 1.27) находятся: сигнальная лампочка 2, клеммы выпрямленного напряжения 3, клеммы переменного напряжения 4. Источник питания не пригоден для питания радиосхем, так как он не оснащен сглаживающим фильтром. Источник питания ИПП снабжен специальной Т-образной вилкой для включения в сеть с напряжением (36-42) В. Внимание!! В сеть 220 В прибор не включать! На рисунке 1.28 показана боковая сторона выпрямителя, на рисунке 1.29 - принципиальная электрическая схема источника питания ИПП.
Рис. 1.28.
Рис. 1.29. ИПП
на схемах обозначается Источник электропитания для практикума ИЭПП - 2
Источник ИЭПП - 2 предназначен для питания различных цепей при проведении работ физического практикума в школах, училищах и других учебных заведениях. Технические характеристики: 1. Питание источника осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В или 36 В с частотой 50 Гц. Номинальные значения выходных напряжений следующие: а) стабилизированное напряжение постоянного тока при токе нагрузки от 0 до 1 А соответствует (0,5 - 12) В (клемм в на рисунке 1.30),
27
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Рис. 1.30. Лицевая панель источника ИЭПП-2
Боковая сторона
б) стабилизированное напряжение постоянного тока при токе нагрузки от 1 до 1,5 А соответствует 12 В (клеммы в), в) нестабилизированное напряжение постоянного тока при токе нагрузки от 0 до 0,1 А соответствует 0 - 36 В (клеммы д), г) напряжение переменного тока при токе нагрузки 0,5 А соответствует 12 В (клеммы г). д) напряжение переменного тока при токе нагрузки 1,5 А соответствует 36 В (клеммы е на задней стенке выпрямителя), рис. 1.31. 2. Допустимое изменение выходного постоянного напряжения не Рис. 1.31. превышает 0,5 В. 3. Пульсация выходного стабилизированного напряжения не превышает +0,07 В, а для нестабилизированного - +2 В. 4. Допустимое изменение выходного переменного напряжения не превышает (1 - 3) В. 5. Потребляемая мощность источника 130 ВА. Суммарная нагрузка со всех выходов не должна превышать 70 Вт. Принципиальная электрическая схема приведена на рисунке 1.32. Для защиты от перегрузок различных цепей, питаемых от ИЭПП, в нем предусмотрена защита по току с плавной регулировкой на ток от 30 мА до 1,5 А. Ток защиты регулируется лаборантом через отверстие на задней стенке прибора (рис. 1.31), где надпись “Ток защиты”.
28
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Рис. 1.32. ИЭПП-2 От обмотки трансформатора, рассчитанной на напряжение переменного тока величиной 36 В и ток 1,5 А выполнены отводы на клеммы е, которые расположены на задней панели источника. От части этой обмотки выполнены отводы на клеммы г, от этой же обмотки питается сигнальная лампочка. На лицевой панели прибора имеется вольтметр, тумблер “сеть” для включения источника в сеть и отключения от сети и тумблер Т для переключения вольтметра на напряжения 20 В и 36 В. Порядок работы с источником. 1. Источник ИЭПП выпускается подготовленным для включения в сеть напряжением 220 В. 2. Установить необходимый ток защиты (выполняет лаборант). 3. Установить ручки регуляторов напряжений (ручки а и б) в крайнее левое положение. 4. Подключить нагрузки к источнику с таким расчетом, чтобы их суммарная мощность не превышала 70 Вт. 5. Подключить шнур питания источника к сети. Включить тумблер “сеть”. 6. Тумблер Т поставить в положение, включающее вольтметр на 20 В (влево) или на 36 В (вправо).
29
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
7. Ручками а или б установить на вольтметре необходимое напряжение. 8. После окончания работы отключите источник от сети, а нагрузки от источника.
на схемах обозначается Источник питания демонстрационный ИПД-1 (учебный) Прибор предназначен для электропитания установок, используемых при проведении демонстрационных опытов и лабораторных практикумов по физике в общеобразовательной школе. Технические данные. Источник питания осуществляет преобразование переменного электрического тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением 220 В в следующие виды тока: 1. Постоянный электрический ток с плавно регулируемым напряжением от 0 В до (12,6 ± 0,5) В. Сила тока 2 А при напряжении от 12,6 В до 8 В, а при напряжении от 8 В до 1 В сила тока линейно меняется от 2 А до 1 А. Коэффициент стабильности не менее 100; а коэффициент пульсации не более 0,01. 2. Постоянный электрический ток с нестабилизированным напряжением (12,6 ± 1,5) В. Сила тока 0,5 А; максимально допустимый ток - до 2 А. Коэффициент пульсации не более 0,1. Мощность, потребляемая прибором, не более 60 ВА. Устройство и работа прибора. На передней стенке прибора расположены (см. рис. 1.33.): 1. два контактных зажима (клеммы) для подключения потребителей к цепи постоянного тока с плавно регулируемым напряжением от 0 В до 12,6 В;
Рис. 1.33.
30
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
2. две клеммы для подключения к цепи постоянного электрического тока с нестабилизированным напряжением 12,6 В; 3. ручка плавной регулировки стабилизированного напряжения; 4. вольтметр класса точности 2,5, показывающий напряжение постоянного электрического тока со стабилизированным регулируемым напряжением; 5. тумблер включения прибора; 6. два сигнальных индикатора: - белого цвета, сигнализи-рующего о включении прибора, и - красного цвета, сигнализирующего о перегрузке и отключении от цепи электрического тока с регулируемым напряжением. Здесь установлены миниатюрные лампы типа КМ 24-35. На задней стенке прибора расположены (см. рис. 1.34.): 1. предохранитель на 1 А, включенный во входной цепи; 2. предохранитель на 3 А, включенный в цепь постоянного тока с нестабилизированным напряжением 12,6 В; 3. клемма заземления; 4. соединительный шнур с вилкой. Цепь постоянного электрического тока защищена от перегрузки электронным устройством. При величине Рис. 1.34. силы тока в цепи (2,5±0,5) А цепь автоматически отключается и включается сигнальный индикатор красного цвета, рядом с которым надпись “Перегрузка”. Для восстановления цепи необходимо выключить прибор тумблером, устранить в цепи причину, вызвавшую увеличение тока, и снова включить прибор. Входная цепь прибора и цепь электрического тока с нестабилизированным напряжением 12,6 В защищены плавкими предохранителями соответственно на 1 А и 3 А. Для смены предохранителя необходимо сзади прибора держатель соответствующего предохранителя повернуть против часовой стрелки и извлечь предохранитель. Новый предохранитель вставляется в обратном порядке. Замену предохранителей необходимо производить только в приборе, отключенном от сети.
31
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Не допускается включения прибора в сеть с напряжением, не соответствующим 220 В. Время непрерывной работы прибора не более 45 минут, после чего необходим перерыв в течение 10 минут. Не допускается одновременное включение нагрузки на оба выхода прибора. С прибором следует обращаться осторожно, т.к. электронное устройство защиты от перегрузки сложное и может легко выйти из строя. Необходимо предохранять прибор от ударов и механических повреждений. Правила хранения: Прибор следует хранить в сухом отапливаемом помещении.
32
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Трансформаторы на схемах обозначается
на схемах обозначается или
В ряде лабораторных работ требуется переменный ток низкого напряжения, т.е. меньше, чем сетевой ток напряжением 220 В. Для получения такого напряжения служат преобразователи напряжения - трансформаторы. Их устройство основано на использовании явления электромагнитной индукции. Трансформатор в простейшем виде состоит из двух обмоток с разным числом витков, намотанных на общий замкнутый сердечник. Переменный ток, проходящий через одну обмотку, создает переменный поток магнитной индукции, который почти целиком сосредоточен внутри сердечника и, следовательно, практически полностью пронизывает витки вторичной обмотки, в которой возникает э.д.с. индукции. При замыкании этой обмотки в ней возникнет переменный индукционный ток. Теория показывает, что если на первичную обмотку с числом витков N 1 подано напряжение U 1 , то во вторичной обмотке с числом витков N 2 будет напряжение U 2 , определяемое из соотношения:
E1 N1 U1 N1 = . В таком же соотношении будут и э.д.с.: E = N U2 N2 2 2
Если первичной обмоткой будет обмотка с меньшим числом витков, то такой трансформатор будет повышающим, т.к. э.д.с. во вторичной обмотке будет больше, чем в первичной. Всякий трансформатор, работающий как повышающий, может быть использован и как понижающий, для чего нужно первичный ток пропускать через обмотку с большим числом витков.
Трансформатор универсальный (школьный) Этот трансформатор предназначен для целого ряда опытов по электромагнетизму и электромагнитной индукции. Он состоит из U-образного сердечника с ярмом и двух катушек (рис. 1.35). Сердечник набран из пластин а электротехнической стали. Верхние торцы сердечника для плотного прилегания ярма отшли-
33
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
фованы. К сердечнику прикреплены 4 угольника б, служащие ножками, и 4 планки 2в. Планки имеют вырезы 4г. Ярмо 3а набрано из пластин электротехнической стали, одна плоскость ярма отшлифована. Для скрепления сердечника с ярмом служат два прижима 4в. Ярмо накладывается на сердечник шлифованной поверхностью вниз, в вырезы планок вставляются пластины прижима, после чего с помощью винтов 4а прижимают ярмо к сердечнику и во избежание ослабления винта затягивают гайкой.
Рис. 1.35.
Рис. 1.36.
Рис. 1.37.
Рис. 1.38. Катушка 120/220В. Катушка (рис. 1.36) представляет собой каркас а, на котором размещена обмотка, состоящая из двух секций, соединенных между собой последовательно по схеме, изображенной на рис. 1.37. Первая секция о имеет 490 витков провода ПЭЛ диаметром 0,59 мм. Вторая секция имеет 422+148 витков провода ПЭЛ диаметром 0,72 мм. Последние 148 витков выполнены проводом ПЭБО (Провод Эмалированный с хлопчатоБумажной Обмоткой) К каркасу катушки
34
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
прикреплена панель в с надписями 120 и 220, на ней смонтированы три зажима-клеммы г, к которым припаяны выводы обмотки. Катушка 6/6 В. Эта катушка (рис. 1.38) состоит из каркаса а, на котором размещена обмотка о, состоящая из двух секций. Обе секции выполнены из провода ПЭЛБО (Провод Эмалированный, Лакостойкий, с хлопчатоБумажной обмоткой в Один слой) толщиной 1,5 мм, Рис. 1.39. в каждой секции по 37 витков. Секции соединены по схеме рисунка 1.39.
на схемах обозначается
Регулятор напряжения РНШ (ЛАТР)
Регулятор напряжения школьный РНШ (лабораторный автотрансформатор ЛАТР) предназначен для плавного регулирования напряжения однофазного переменного тока частотой 50 Гц при проведении лабораторных работ и демонстрационных опытов в физических кабинетах учебных заведений. Регулятор напряжения (рис. 1.40) состоит из металлического
Рис. 1.40. Рис. 1.41. основания 1, на котором закреплены: автотрансформатор 2, две колодки 3 для плавких предохранителей (к которым подключаются провода), панель с клеммами. Регулятор напряжения закрывается перфорированным металлическим кожухом, в передней части кожуха установлен вольтметр электромагнитной системы типа Э-30, который измеряет выходное напряжение трансформатора (рис.1.41,
35
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
1.42). Автотрансформатор состоит из тороидального сердечника, представляющего собой кольцо из полос электротехнической стали. По цилиндрической поверхности сердечник изолирован электрокартоном, а сверху и снизу закрыт пластмассовыми кольцами. На сердечник (поверх изоляционных деталей) намотана в один ряд обмотка из медного изолированРис. 1.42. ного провода 1,08 мм с числом витков 267. Отвод для включения в сеть 127 В сделан от 135-го витка, а для 220 В - от 235-го витка. Сердечник закрепляется неподвижно на основании с помощью стального стержня 4, специальной прижимной шайбы 5 и двух гаек, из которых одна 6 навертывается поверх прижимной шайбы, а другая - снизу, с оборотной стороны основания. В верхней части стержня имеется отверстие, в которое закрепляется ось 7, несущая роликовый токосъемник. Токосъемник состоит из пластмассовой втулки, к которой прикреплена металлическая плоская пружина. К пружине неподвижно прикреплена ось, на которую надет угольный роликовый контакт 8. Ось имеет электрический контакт с проводником (пружина и ось ролика на рисунке не показаны). Токосъемник неподвижно закрепляется на оси 7, на этой же оси сверху закрепляется пластмассовая ручка, поворачивая которую, можно менять положение роликового контакта. По торцу обмотки, где скользит контактный ролик, провод зачищен от изоляции, благодаря чему обеспечивается электрический контакт любого витка обмотки с роликом. Для нормальной работы автотрансформатора должна быть отрегулирована равномерная сила давления (3,9-6,8 H ) ролика на провод обмотки. Поэтому не рекомендуется разбирать токосъемник при отсутствии навыков его сборки и регулирования. Работа с прибором 1. Прибор присоединяется к сети выводным шнуром с вилкой. ЛАТР можно включать в сеть с напряжением 220 или 127 В, для этого необходимо установить соответствующий предохранитель: при напряжении 220 В - на 10 А, при напряжении 127 В - на 20 А. 2. Рабочее напряжение снимается с клемм, обозначенных “нагрузка”. 3. Необходимо учитывать, что при работе сердечник и об-
36
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
мотка ЛАТРа сильно нагреваются. Температура кожуха у ручки регулятора может достигать 600С, температура в месте касания ролика с обмоткой - 1100С. Поэтому рекомендуется при длительной работе с одним напряжением время от времени сдвигать ролик на несколько витков вправо или влево, а затем вновь устанавливать нужное напряжение. 4. При работе в номинальном режиме (45 минут непрерывной работы с последующим выключением в течение не менее 15 минут) ЛАТР позволяет получить регулируемое напряжение на нагрузке от 0 до 240 В (при сетевом напряжении 220 В), максимальный ток нагрузки до 8 А. При более длительном режиме работы, чем номинальный (2 часа непрерывной работы с последующим выключением в течение не менее 15 минут), сила тока нагрузки должна быть уменьшена до 4 А при сетевом напряжении 127 В и до 6 А при сетевом напряжении 220 В. 5. В целях правильной эксплуатации прибора следует придерживаться номинальных значений электрической мощности нагрузки (Вт) регулятора при различных напряжениях, ПОДАВАЕМЫХ НА НАГРУЗКУ (см. таблицу 1.1). Таблица 1.1. 6. Вольтметр, установленный на регуляторе напряжения, являет-
На пряжение на на грузке, В
На пряжение сети 220 В режим, Вт номинальный
длитель ный
4
32
24
6
48
36
12
96
72
36
288
216
100
800
600
127
1016
1143
200
1600
1200
220
1760
1320
240
1920
1440
37
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ся прибором электромагнитной системы, поэтому его шкала неравномерная, и начинать вести отсчет можно только с 50 В. 7. ЛАТР может быть использован как для понижения напряжения, так и для повышения напряжения переменного тока. 8. В цепь постоянного тока прибор НЕ включать! 9. Необходимо аккуратно и бережно обращаться с прибором. Эксплуатировать прибор можно только с закрытым кожухом. Запрещается менять предохранители, хранить и ремонтировать прибор с включенным в сеть питанием. 10. Для переноски прибора служат скобы, укрепленные на кожухе. Литература к 1 главе: 1. Фриш С.Э., Тиморёва А.В. Курс общей физики, т.II, М., ГИФМЛ 1961 г. стр. 186-187; 216-218; 256-260, 164-180. 2. Калашников С.Г. Электричество. М., “Наука”, 1985 г. стр. 18; 411; 415-421, 195, 197. 3. Марголис А.А. и др. Практикум по школьному физическому эксперименту. М. “Просвещение”, 1968, стр. 40-60, 93-104. 4. Галанин Д.Д. и др. Физический эксперимент в школе. т.3., М., Учпедиз, 1954 гл.1. 5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. - М.: Наука, 1983, § 96. 6. Путилов К.А. Курс физики. т.2, М. Физматгиз, 1962, §§ 40-42. 7. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Общий курс физики. Электричество. М. ”Просвещение”, 1970, §§ 72-76. 8. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. т.2. М. Ф.М. лит-ра, 1961, §§ 74-79. 9. Кортнев А.В. и др. Практикум по физике. М. Высшая школа, 1961, стр.191. 10. Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия, т-5, стр.375-376, 1966, 1988. 11. Бурсиан Э.В., Физические приборы, М., “Просвещение”, 1984. 12. Евсюков А.А., Электротехника, М., “Просвещение”, 1979.
38
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Глава 2 Электроизмерительные приборы Введение. В нашей лаборатории имеются разнообразные электроизмерительные приборы различных систем. Ниже будут приведены их основные характеристики. Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам: а) по роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры, счетчики и др., б) по роду тока: приборы постоянного тока, приборы переменного тока, приборы постоянного и переменного тока, в) по принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, вибрационные, тепловые и др., г) по степени точности они делятся на классы: 0,1; 0,2; 0,5, которые применяются для точных лабораторных измерений и называются прецизионными, и на классы: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0, которые применяются для технических измерений. Приборы класса больше 4 считаются внеклассными. Очень высокую точность имеют электрические цифровые измерительные приборы (до 0,05 и 0,02). Класс точности прибора и другие его технические характеристики обычно указываются на его шкале в виде условных обозначений. Электроизмерительные приборы, как правило, состоят из подвижной и неподвижной частей. При измерениях вращающий момент подвижной части уравновешивается противодействующим моментом пружины или другого устройства. При таком равновесии указатель прибора (стрелка, “зайчик”) фиксирует определенный угол поворота. Устанавливая однозначную зависимость между углом поворота указателя прибора и численным значением измеряемой величины, можно построить шкалу, по которой и производится отсчет измеряемой величины. Трение в опорах и другие причины влияют на показание прибора, т.е. вносят погрешность. Поправки к показанию прибора заранее определяются путем соответствующей проверки прибора.
39
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
1. Чувствительность и цена деления прибора. Чувствительностью S электроизмерительного прибора называется отношение линейного или углового перемещения указателя dβ к изменению измеряемой величины dx , вызывающему это перемещение: dβ . dx Размерность чувствительности зависит от характера измеряемой величины: [дел / мА], [дел / А] или [дел / мВ], [дел / В] и т.д. Чем больше приращение угла отклонения при одном и том же приращении измеряемой величины, тем меньшие величины можно измерить прибором и тем выше его чувствительность. Величина, обратная чувствительности, называется ценой деS=
1 . Величина C определяет значение электриS ческой величины, вызывающей отклонение указателя на одно деление (самое меньшее) шкалы. Шкала прибора (рис. 2.1.) служит для производства отсчета измеряемой величины. Цифры возле делений обозначают либо число делений от нуля шкалы (обычно в приборах 0,2; 0,5 класса точности), либо непосредственно значение измеряемой величины (в остальных классах точносРис. 2.1. ти). Для получения значения измеряемой величины в практических единицах нужно определить цену деления шкалы и умножить ее на число отсчитанных делений. Чаще всего это встречается у многопредельных приборов. Например, предел измерения вольтметра (рис. 2.1.) - 250 В, шкала этого прибора разделена на 50 малых делений. Чувствительность этого приболения прибора: C =
250 В В 50 дел =5 ⋅ и цена деления C = . Стрелка 50 дел дел 250 В стоит у N=11 деления. Показание прибора будет x = C ⋅ N = 5 ⋅ 11 B = 55B . Многие электроизмерительные приборы имеют зеркальные шкалы, которые позволяют избежать параллакса при отсчете. ра будет S =
40
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
В зависимости от конструкции приборы предназначаются для работы в определенном положении (горизонтальном, вертикальном или под определенным углом к горизонту). На шкале прибора имеется специальный символ: - горизонтальное положение (старое обозначение → ), ⊥ - вертикальное положение (старое обозначение ↑ ), ∠ 600 - допускается наклонение прибора под углом 600 к горизонту. На шкалу наносятся и другие технические обозначения: система прибора, класс точности, знаком
I 2
обозначено испытатель-
ное напряжение изоляции по отношению к корпусу - 2 кВ (старое обозначение - 2 кВ), теперь знак означает - “Осторожно!” Измерительная цепь находится под высоким напряжением по отношению к корпусу. На некоторых приборах есть изображение эмблемы завода и другие обозначения. 2. Классификация приборов по принципу действия. Приборы магнитоэлектрической системы ( - условное обозначение). Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по обмотке легкой подвижной катушки (рамки). На рисунке 2.2 показана схема устройства приборов этой системы. Неподвижный подковообразный магнит А имеет выполненные из мягкого железа полюса В, которые охватывают сплошной железный сердечник С. Между сердечником и полюсами магнита имеется кольцевой зазор. На одной оси с сердечником находится подвижная легкая прямоугольная рамка, имеющая обмотку из тонкого изолированного провода. Эта рамка может свободно вращаться в воздушном заРис. 2.2. зоре между сердечником и полюсами магнита. Рамка непосредственно соединена со стрелкой-указателем. Это основная часть подвижной системы прибора. Для подвода тока к концам обмотки на рамке служат спиральные пружины, выполненные из немагнитного материала. Они же оказывают противодействие вращению рамки. В результате взаимодействия магнитного поля магнита с током, протекающим по рамке, возникает вращающий момент, под
41
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
действием которого подвижная часть прибора поворачивается вокруг оси. В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент пропорционален силе проходящего по рамке тока M 1 = k1 ⋅ I . Противодействующий момент M 2 , создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу закручивания M 2 = k 2 ⋅ α . Стрелка остановится, когда M 1 = M 2 . Видно, что угол отклонения стрелки будет пропорционален силе тока, протекающего по рамке: k1 α = k ⋅ I , где k = k . 2 Линейная зависимость между величиной тока и углом отклонения рамки (стрелки) обеспечивает равномерность шкалы прибора. В силу того, что каркас катушки сделан из алюминия, возникающие в нем при движении в магнитном поле индукционные токи создают тормозящий момент, что обуславливает быстрое успокоение стрелки. Область применения магнитоэлектрических приборов весьма обширна. Они применяются в качестве гальванометров, амперметров, вольтметров постоянного тока как при технических измерениях, так и при контрольных лабораторных. Из всех электроизмерительных приборов с непосредственным отсчетом они дают наибольшую точность. Достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются: а) высокая чувствительность и точность показаний, б) нечувствительность к внешним магнитным полям, в) малое потребление энергии, г) равномерность шкалы, д) апериодичность (стрелка прибора устанавливается на соответствующее деление шкалы почти без колебаний) К недостаткам этой системы можно отнести: а) использование только в цепях постоянного тока; б) чувствительность к перегрузкам вследствие того, что ток подводится к рамке через тонкие спиральные пружинки, которые при перегрузке перегорают; в) сравнительно высокая стоимость приборов.
42
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Приборы электромагнитной системы (
- условное обозначе-
ние). Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки, с подвижным железным сердечником, помещенным в это магнитное поле.
Рис. 2.3.
Рис. 2.4.
Измерительный и отсчетный механизмы показаны на рисунках 2.3, 2.4. Магнитное поле катушки А, по которой протекает измеряемый ток, взаимодействует с железным сердечником В, являющимся подвижной частью прибора. Он закреплен на оси и может входить в щель катушки, поворачиваясь вокруг оси О, стремясь расположиться так, чтобы его пересекало возможно большее число силовых линий. Противодействующий момент создается пружинкой К. Приборы электромагнитной системы снабжаются воздушным (или жидкостным) успокоителем, представляющим собой камеру D, в которой перемещается алюминиевый поршенёк Е (демпфер). При повороте сердечника поршенек встречает сопротивление воздуха, вследствие чего колебания подвижной части быстро затухают. Индукция магнитного поля катушки пропорциональна силе тока в ней, намагничивание сердечника тоже увеличивается с увеличением силы тока. Поэтому можно считать, что вращающий момент M 1 , действующий на сердечник, пропорционален квадрату силы тока M = k1 ⋅ I 2 , где k1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора. Противодействующий момент M 2 , создаваемый пружиной К, пропорционален углу поворота подвижной части прибора M 2 = k 2 ⋅ α , где k 2 - коэффициент пропорцио-
43
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
нальности, зависящий от упругих свойств пружины. При равенстве M 1 = M 2 угол отклонения стрелки α = k ⋅ I 2 , где k =
k1 . Отсюда видно, что шкала электромагнитного прибора k2
неравномерная - квадратичная. С изменением направления тока меняется как направление магнитного поля катушки, так и полярность намагничивания сердечника, а направление вращающего момента останется без изменения. Поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерений как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока низкой частоты. Для устранения влияния внешних магнитных полей электромагнитные приборы изготовляются в астатическом исполнении с воздушным успокоителем. В этих приборах (рис. 2.5.) имеется два совершенно одинаковых измерительных механизма 1 и 2, магнитные r r жполя которых - B1 и B2 равны по величине, но имеют противоположное направление. Поэтому внешнее r магнитное поле B B настолько же ослабляет поле одного измерительного механизма, насколько усиливает поле другого, вследствие чего результирующий вращающий момент прибора не меняется от действия внешнего магнитного Рис. 2.5. поля. Достоинствами приборов этой системы являются: а) возможность измерений как на постоянном, так и на переменном токе; б) простота конструкции; в) механическая прочность; г) выносливость в отношении перегрузок, т.к. отсутствуют подвижные токоведущие части; д) возможность изготовления на большие токи. К недостаткам следует отнести: а) неравномерность шкалы; б) меньшую точность, чем у приборов магнитоэлектрической системы; в) зависимость показаний от внешний магнитных полей (за исключением астатической модификации). Приборы электродинамической системы ( - условное обозначение)
44
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии токов, протекающих по двум рамкам (катушкам), из который одна подвижная, а другая неподвижная. На рисунке 2.6 показана схема устройства прибора этой системы. Внутри неподвижно закрепленной катушки 1, состоящей из двух одинаковых частей, разделенных небольшим зазором, вращается на оси подвижная катушка 2, с которой жестко связана стрелка 3, переме-щающаяся над шкалой. Противодействующий момент М 2 создается спиральными пружинками 4. Измеряемый ток проходит через обе катушки. В результате взаимодействия магРис. 2.6. нитного поля неподвижной катушки и тока подвижной катушки создается вращающий момент M 1 , под влиянием которого подвижная катушка будет стремиться повернуться так, чтобы плоскость ее витков стала параллельной плоскости витков неподвижной катушки, а их магнитные поля совпали бы по направлению. Этому противодействуют пружинки, вследствие чего подвижная катушка устанавливается в положении, когда вращающий момент становится равным противодействующему. Катушки в электродинамических приборах, в зависимости от назначения. соединяются между собой последовательно или параллельно. Если катушки соединить параллельно, то прибор может быть использован как амперметр, если же их соединить последовательно и присоединить к ним добавочное сопротивление, то прибор может быть использован как вольтметр. Вращающий момент M 1 , действующий на подвижную катушку, пропорционален как силе тока I 1 в неподвижной катушке, так и силе тока I 2 в подвижной катушке: M 1 = k 1 ⋅ I 1 ⋅ I 2 , где - k1 коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора. Пружины создают противодействующий момент M 2 , пропорциональный углу поворота катушки α - M 2 = k 2 ⋅ α , где k 2 - коэффициент пропорциональности, зависящий от упругости пружин. При равенстве моментов M 1 и M 2 подвижная катушка останавливается.
45
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Тогда α = k ⋅ I 1 ⋅ I 2 (1), где k =
k1 . Если катушки соединены последоk2
вательно, то α = k ⋅ I 2 . Отсюда видно, что шкала электродинамического прибора неравномерная, однако, подбором конструкции катушек можно шкалу улучшить, т.е. приблизить ее к равномерной. При перемене направления тока в обеих катушках направление вращающего момента не меняется. Поэтому приборы этой системы пригодны для измерения как на постоянном токе, так и на переменном токе. Успокоение подвижной части в этих приборах достигается при помощи воздушного успокоителя. Электродинамическая система применяется для изготовления электродинамических ваттметров (рис. 2.7). Такие приборы состоят из двух катушек: неподвижной, с небольшим числом витков толстой проволоки, включаемой последовательно с тем участком цепи - Rн , в котором требуется измерить мощность, и подвижной, содержащей большое число витков тонкой проволоки и помещенной на оси внутри неподвижной катушки. Подвижная катушка включается в цепь подобно вольтметру, т.е. параллельно потребителю мощности Rн - и для увеличения ее сопротивления R2 последовательно с ней включается добавочный резистор rд ; Если ток в первой катушке - I 1 , во второй - I 2 , то по закону Ома напряжение на зажимах нагруз-
Рис. 2.7.
U ки равно: U = I 2 ( R2 + rд ) , тогда I 2 = ( R + r ) . 2 д Для угла поворота α из (1) получаем α=
k ⋅ I1 ⋅ U ~ I1 ⋅ U = P R2 + rд
(2)
Таким образом, отклонение подвижной части пропорционально мощности, и поэтому шкалу прибора можно проградуировать в ваттах. Из (2) следует, что ваттметр этой системы имеет равномерную шкалу. Электродинамические приборы, у которых катушки имеют
46
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
стальные сердечники, называются ферродинамическими. Применение стали делает эти приборы практически независимыми от внешних магнитных полей. Ферродинамические приборы благодаря их большому вращающему моменту применяют в качестве самопишущих приборов. Достоинствами приборов этой системы являются: а) применение в цепях постоянного и переменного тока; б) равномерность шкалы; в) большая точность, поэтому приборы этой системы применяют в качестве приборов класса точности 0,1; 0,2; и 0,5; г) большая прочность конструкции. К недостаткам этих приборов можно отнести: а) неравномерность шкалы у амперметров и вольтметров; б) чувствительность к внешним магнитным полям (исключая ферродинамические приборы); в) чувствительность к перегрузкам, т.к. ток к подвижной части прибора подводится через пружинки, которые при перегрузке могут перегореть; г) большой расход энергии; д) большую стоимость. - условное обоПриборы электростатической системы ( значение). Устройство приборов этой системы основано на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных проводников. Под действием сил электрического поля подвижные проводники перемещаются относительно неподвижных провод-ников. Электростатические приборы служат преимущественно вольтметрами для непосредственного измерения высоких напряжений и э.д.с. Рассмотрим работу электростатического вольтметра, где разность потенциалов определяется путем измерения силы притяжения между двумя пластинами плоского конденсатора. Конденсатор представляет собой две плоскопараллельные пластины, расположенные друг от друга на расстоянии d (рис. 2.8) Верхняя пластина состоит из кольца А (называемого охранным) и небольшого диска В. Между кольцом и диском имеется зазор. Благодаря наличию охранного кольца поле между диском и нижней пластиной С является однородным, так как отступление от однородности имеет место лишь на краях пластин. Рис. 2.8.
47
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Если диск В и охранное кольцо А находятся под одинаковым потенциалом ϕ 1 , а потенциал нижней пластины ϕ 2 , то емкость кон онденсатора, образованного диском В и равной ему противолежащей частью q нижней пластины, определится выражением: С = (ϕ − ϕ ) , где q 2 1 заряд диска В, ϕ 2 − ϕ 1 = U - разность потенциалов между верхней и нижней пластинами. Емкость средней части можно определить по форS , где ε - относительная d диэлектрическая проницаемость среды, ε 0 - электрическая постоянная в СИ. S - площадь диска, d - расстояние между пластинами. Сравнивая последние выражения для емкости, получаем:
муле плоского конденсатора: С = εε 0 ⋅
ϕ 2 − ϕ1 =
qd q εε 0 S ~
(3)
Заряд диска можно определить, измеряя электрическую силу F (4), где E - напряE женность поля, созданная нижней пластиной, q - заряд верхнего диска. Напряженность поля внутри конденсатора притяжения диска к пластине, т.е. q =
(ϕ 2 − ϕ 1 ) . d Используя (3) и (4), находим разность потенциалов E 1 = 2 E , с другой стороны E 1 =
U = ϕ 2 − ϕ1 = d ⋅
2F εε 0 S
(5)
Таким образом, определение U сводится к измерению силы F взаимодействия диска с нижней пластиной. Сила обычно определяется с помощью абсолютного электрометра, и прибор градуируется в единицах напряжения. Вибрационная система ( - условное обозначение). Вибрационная система основана на резонансе при совпадении частоты собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой системы применяются для измере-
48
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ния частоты тока или в каче- стве нулевого индикатора (вибрационный гальванометр) в мостовых и компенсационных схемах переменного тока. Принцип действия приборов этой системы изложен при описании работы вибрационного гальванометра (стр. 95). Амперметры, вольтметры и гальванометры. Амперметрами называют приборы, служащие для измерения силы тока. При измерениях амперметр включают в цепь последовательно, чтобы весь измеряемый ток проходил через обмотку амперметра. Поэтому амперметры должны иметь малое сопротивление, чтобы их включение не могло заметно изменить ток в цепи. Слабые токи измеряются магнитоэлектрическими амперметрами, которые имеют конструктивные улучшения и благодаря этому приобретают высокую чувствительность. Такие приборы называются миллиамперметрами (токи до 10-3 А) и микроамперметрами (токи до 10-6 А). Для измерения сильных токов применяют шунты (резисторы, включаемые в цепь параллельно амперметру или миллиамперметру), вследствие чего через обмотку амперметра проходит только часть измеряемого тока. Кроме амперметров для измерения сильных токов применяются вольтбметры. Вольтаметр измеряет количество электричества q , протекающее в цепи за определенный промежуток времени t . q . t Устройство вольтаметра основано на химическом действии тока (cм. рис. 2.9) Электрический ток пропускается через 20-40 % водный раствор азотнокислого серебра. Катодом является платиновый тигель 1, анодом - стержень или диск 2 из химически чистого серебра. Отдельный стакан 3 служит для сбора механически отпавших частей серебра и случайных примесей. При пропускании тока серебро откладывается на внутренней поверхности тигля. Количество электричества q определяетТогда средняя сила тока будет равна: I =
Рис. 2.9.
ся по массе тигля до опыта - m1 , и
49
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
( m 2 − m1 ) , где k - электрохимический эквивааk лент серебра. Зная время прохождения тока через вольтаметр, находят среднюю силу тока. Вольтметрами называют приборы, служащие для измерения напряжения. При измерениях вольтметр включают параллельно тому участку цепи, на концах которого хотят измерить разность потенциалов. Для того, чтобы включение вольтметра не изменяло заметно режима цепи, сопротивление вольтметра должно быть очень велико по сравнению с сопротивлением этого участка цепи. Для расширения пределов измерений вольтметров применяются добавочные сопротивления (резисторы, которые подключаются последовательно с обмоткой вольтметра). Гальванометрами называют чувствительные приборы, служащие для измерения весьма малых токов, напряжений и количеств электричества (меньше 10-6 ампера, вольта или кулона). По принципу действия и устройству гальванометры бывают магнитоэлектрические с подвижной катушкой, магнитоэлектрические с подвижным магнитом, струнные, вибрационные, термогальванометры, электродинамометры и электрометры. Гальванометр также может служить нулевым прибором для определения с большой точностью отсутствия тока в замкнутой электрической цепи или нулевой разности потенциалов между двумя точками в ее параллельных ветвях. В лабораторной практике применяются гальванометры постоянного и переменного тока различных систем. Наиболее распространенными являются гальванометры постоянного тока магнитоэлектрической системы (стрелочные, со световым указателем и зеркальные) и для переменного тока - вибрационные. Многопредельные приборы. Измерительный прибор, электрическую схему которого можно переключить для изменения пределов измеряемой величины, называется многопредельным. В многопредельных амперметрах внутрь прибора вмонтированы шунты, а в случае вольтметра - добавочные сопротивления. Пользуются многопредельным прибором так, чтобы выбранный предел измерения давал наименьшую погрешность (если у прибора одна шкала), или выбранная шкала (если их несколько) давала бы наименьшую погрешность. В случае одной шкалы приходится делать перерасчет цены деления для различных пределов измерения. Пусть имеется многопредельный миллиамперметр, который имеет пределы для измерепосле опыта - m 2 : q =
50
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ния тока от 0 до 3 мА, от 0 до 15 мА и от 0 до 30 мА. Его шкала имеет 150 делений. Тогда на первом диапазоне цена деления шкалы будет C1 =
3 мА мА 15 мА мА = 0,02 = 0,1 , на втором диапазоне C 2 = ,а 150 дел 150 дел
30 мА мА = 0,2 . Пусть измеряемый ток оценивает150 дел ся по подсчетам около 10 мА. Тогда первым диапазоном пользоваться нельзя, а вторым и третьим - можно. Какой выбрать? На втона третьем C 3 =
ром диапазоне стрелка отклонится на
10 мА = 100 делений , а 0,1мА / дел
на третьем диапазоне - на 50 делений. Результат будет точней, если измерения ведутся в середине или во второй части шкалы. Поэтому целесообразней выбрать второй предел. Оценка погрешностей электрических измерений. Важнейшей характеристикой каждого измерительного прибора является его погрешность (приборная). В качестве действительного значения измеряемой величины принимается величина, измеряемая образцовым точным прибором. Разность между показаниями данного прибора α и действительным значением измеряемой величины α 0 называется абсолютной погрешностью: ∆а , т.е. ∆α = α − α 0 . Обычно точность измерения характеризуется относительной погрешностью ε , которая представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряе∆α мой величины: ε = α . 0 В большинстве случаев для характеристики точности большинства электроизмерительных приборов пользуются приведенной погрешностью ε п , которую определяет показатель класса точности в процентах. Приведенной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к предельному значению измеряемой величины - α пр (т.е. к наибольшему ее значению, котороее может быть измерено по шкале прибора в данном диапазоне):
51
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
εп =
∆α α пр
и ∆α = ε п ⋅ a пр
Необходимость введения приведенной погрешности объясняется тем, что даже при постоянстве абсолютной погрешности по всей шкале прибора относительная погрешность по мере уменьшения значений измеряемой величины не остается постоянной, а увеличивается. Точность электроизмерительных приборов является главнейшей их характеристикой и лежит в основе деления приборов на классы точности. Обозначение класса точности 0,2; 0,5; 1,0 и т.д. не только характеризует прибор в отношении системы, конструкции, качества материалов, точности градуировки и т.д., но и позволяет определить абсолютную погрешность показаний прибора соответствующего класса в любом месте шкалы. Таким образом, показатель класса точности определяет приведенную погрешность измерения в процентах (0,2 %; 0,5 %; 1 % ) или в дольных величинах (0,002; 0,005; 0,01 и т.д.). Примеры. Вольтметр 0,2 класса, шкала которого рассчитана на 300 вольт, имеет в любом месте шкалы абсолютную погрешность ∆U = ±0,002 ⋅ 300 В = ±0,6 В Амперметр класса 1,5, рассчитанный на 5 А, имеет абсолютную погрешность ∆I = ±0,015 ⋅ 5 А = ±0,075 А Так как абсолютная погрешность считается одинаковой по всей шкале данного прибора, то относительная погрешность ∆I в % будет тем больше, чем меньше измеряемая величина. ДейI ствительно, если данный амперметр измеряет ток в 4 А, то относительная погрешность будет 1,9 %, а при измерении силы тока около 1 А она составит уже 7,5 %. Поэтому при точных измерениях следует пользоваться таким прибором (или таким диапазоном измерения), чтобы предполагаемое значение измеряемой величины составляло 70-80 % от максимального (номинального) значения. Приборная ошибка является частью общей ошибки любого измерения. Поэтому рассмотрим еще один пример. Определим внутреннее сопротивление гальванического элемента и его приборную погрешность. Э.д.с. элемента - Е напряжение на полюсах - U , сила тока в цепи - I . Для измерения применены приборы: вольтметр класса точности 0,5 с номинальным значением 2,5 В с высоким внутренним сопротив-
52
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
лением и амперметр класса точности 1,0 с номинальным значением 1,5 А с малым внутренним сопротивлением. Результаты измерений: Е = 2 В , U = 1,3В , I = 1,2 А , абсолютные погрешности измерений: ∆ Е = ∆U = ±0,0125 B; ∆I = 0,015 А . Вычисляем внутреннее сопроЕ −U . I Находим относительную погрешность:
тивление по формуле r =
∆r ∆ ( Е − U ) ∆I ∆Е + ∆U ∆I = + = + r Е −U I Е −U I ∆r ≈ 0,05 ; r r = 0,58 Ом и ∆r = ±0,03 Ом , таким образом, r = ( 0,58 ± 0,03) Ом . Последовательность работы с любым прибором будет следующей: 1. В лаборатории познакомиться с прибором, в данном сборнике найти его описание и внимательно прочесть. Не исключено, что в приборе есть особенности, характерные только для него. 2. Выписать в протокол все характеристики прибора: название, тип прибора, систему, класс точности, пределы измерения. Пример. Миллиамперметр (можно сокращенно): ; Э 59; ; 0,5; (25-50100) мА 3. Вычислить чувствительность и цену деления каждого прибора на каждом диапазоне. 4. По классу точности приборов определить приборную ошибку приборов. 5. Можно приступать к измерениям. Подставив
числовые
значения,
получим
на схемах обозначаются Электронные цифровые измерительные приборы. В современной измерительной технике все большее распространение получают электронные цифровые измерительные приборы, в которых результаты измерения выдаются на световое табло в виде числа. Этим они отличаются от аналоговых приборов, где указателем значения величины служит стрелка или световой указатель на шкале
53
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
прибора. В аналоговом приборе при плавном изменении измеряемой величины указатель перемещается также плавно. В цифровом - одна цифра сменяет другую скачком, т.е. ответ получается квантованным, хотя измеряемая величина меняется плавно. Казалось бы, что цифровой прибор менее точен. Но это не так. В аналоговом приборе показания получают, сопоставляя положения указателя с делением шкалы, при этом наибольшее число значащих цифр, которые можно получить, - не более трех. Цифровой же прибор дает ответ с шестью и более значащими цифрами после запятой и является значительно более точным. Погрешность цифровых электронных приборов обычно не превышает 0,1 %, но есть и более точные приборы (0,05 % и 0,02 %). Цифровые приборы удобны в обращении и позволяют быстро и точно производить измерения. Существующие цифровые измерительные приборы, как правило, универсальны. Они позволяют измерять постоянные и переменные напряжения и силу тока, сопротивление, емкость, индуктивность, добротность, частоту, сдвиг фаз, временные интервалы и т.д. Результаты измерений этих приборов удобно регистрировать с помощью цифропечатающих устройств и вводить в вычислительную машину (ЭВМ) и в другие автоматические системы. Недостатком цифрового прибора является сложность устройства и высокая стоимость. Первые приборы имели большие габариты и массу, но по мере внедрения интегральных полупроводниковых схем габариты и масса стремительно уменьшаются. Основным прибором этой системы является электронный цифровой вольтметр, который становится практически универсальным прибором, пригодным для измерения напряжения, силы тока, температуры, освещенности, уровня звука, ядерного излучения и т.д.
54
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Амперметры, миллиамперметры и микроамперметры магнитоэлектрической системы на схемах обозначаются АМПЕРМЕТРЫ, МИЛЛИАМПЕРМЕТРЫ И МИКРОАМПЕРМЕТРЫ ТИПА М-109/1. Приборы этого типа представляют собой переносные приборы класса точности 0,5 с внутрирамочным магнитом, который создает магнитное поле индукцией в 1400 - 1600Гс. Эти приборы предназначены для точных измерений силы тока в цепях постоянного тока. Измерительный механизм прибора состоит из магнитной системы и подвижной части (рамки, по которой проходит ток), укрепленной на растяжках (устройство см. на стр. 41). Время успокоения подвижной части прибора не более 4 секунд. Отсчетное устройство состоит из шкалы и алюминиевой стрелки. Для устранения погрешности от параллакса шкала снабжена зеркалом. На лицевой стороне прибора расположен корректор для установки стрелки на нулевую отметку шкалы. Схемы подвижной части прибора представлены на рис. 2.10, 2.11. Пределы измерения (рис.
Рис. 2.10.
Рис. 2.11.
2.10) определяются числом витков рамки, а пределы измерения (рис. 2.11) определяются величиной шунта R2 , резистор R1 ограничивает ток через рамку и называется компенсационным сопротивлением. Лицевая панель прибора показана на рис. 2.12. Основные характеристики приборов этого типа приведены в таблице 2.1.
55
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Таблица 2.1.
Рис. 2.12. Продолжение таблицы 2.1. Приборы, имеющиеся в лаборатории, отмечены знаком (*) Сопротивл. R подв. Компенса ц. Сопротивл. системы сопрот., Ом шунта , Ом (ра мки), Ом
N п/п
Пределы измерения
1
0-50 мкА
930± 170
-
-
2
0-75 мкА
930± 170
-
-
3
0-100 мкА
440± 70
-
-
4*
0-150 мкА
440± 70
-
-
5
0-300 мкА
160± 25
-
-
6
0-500 мкА
51± 6
-
-
7
0-750 мкА
51± 6
-
-
8
0-1000 мкА
51± 6
-
-
9
0-1 мА
51± 6
-
-
10
0-1,5 мА
6± 0,6
-
-
11
0-3 мА
1,3± 0,13
-
-
12
0-5 мА
0,49± 0,05
-
-
13
0-7,5 мА
0,33± 0,03
-
-
56
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Сопротивл. R подв. Компенсац. Сопротивл. системы сопрот., Ом шунта, Ом (рамки), Ом
N п/п
Пределы измерения
14
0-10 мА
0,49±0,05
6
10
15
0-15 мА
0,49±0,05
6
5
16
0-30 мА
0,49±0,05
26
6
17
0-75 мА
0,49±0,05
26
2,14
18
0-150 мА
0,49±0,05
26
1,03
19
0-300 мА
0,49±0,05
26
0,508
20
0-750 мА
0,49±0,05
27
0,201
21
0-1,5 А
0,49±0,05
27
0,1
22
0-3 А
0,49±0,05
27
0,05
МИЛЛИАМПЕРМЕТРЫ ТИПА М 45М, М 45МОМЗ, М 45МУЗ. Эти миллиамперметры многопредельные, переносные, с непосредственным отсчетом применяются для измерения силы тока в цепях постоянного тока. Указанные марки приборов одинаковы по принципу устройства, отличаются лишь диапазоном рабочих температур. По конструктивным особенностям измерительного механизма эти приборы относятся к магнитоэлектрическим с подвижной частью на кернах и подпятниках, с механическим противодействующим моментом. Время установления показаний не превышает 4 секунд. Класс точности приборов 1,0 или 1,5. Падение напряжения на зажимах миллиамперметра на пределе 7,5 мА не превышает 75 мВ. На рисунках 2.13, 2.14 показаны схемы внутренних соединений этих приборов. Выпускаемые миллиамперметры имеют следующие диапазоны измерений (см. таблицу 2.2.). Таблица 2.2. Лицевые панели приборов представлены на рисунке 2.15. Отсчет-
57
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ное устройство состоит из шкалы, снабженной зеркалом, и алюминиеД иа па зо ны из мер ений
С о пр о т ивле ние р а мки (R о ), О м
(7,5-15-30) мА
3,12 + 0,23 -0,17
*(1,5-7,5-15-30) мА (3-15-75-150) мА
237
+ 31 -27
72 ± 6
Rо - рамка; Rш - шунт; Rd - резистор компенсационный. Рис. 2.13. Схема миллиамперметров
К о мпенса С о пр о т ивление цио нны й ш унт а (R ш ), р езист о р Ом (R d ), О м 11± 0,1
14± 0,01
210± 0,2
2х136± 0,13
36± 0,03
2х28± 0,02
Rо - рамка; Rш - шунт; Rd - резистор компенсационный. Рис. 2.14. Схема миллиамперметров
Рис. 2.15. вой стрелки.
МИКРОАМПЕРМЕТРЫ ТИПА М 95 и М 95Т 58
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
С МНОГОПРЕДЕЛЬНЫМИ ШУНТАМИ ТИПА Р4. Эти приборы магнитоэлектрической системы служат для точного измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Прибор М95Т предназначен для работы в тропическом климате. Отсчет показаний ведется по шкале со световым указателем. Освещение указателя осуществляется лампой на резьбовом цоколе напряжением 6,3 В и током - 0,25 А. Осветительное устройство питается от сети 220 В или постоянным током напряжением 6 В. Для этого на передней стенке прибора (рис. 2.16.) слева имеется контактная колодка для переключения напряжения питания осветительного устройства. Пучок света от осветительной лампы проходит через оптическую систему (линзы, диафрагмы, зеркала и пр.) и, отражаясь от зеркала, скрепленного с подвижной рамкой, попадает на шкалу. На шкале получается изображение свеРис. 2.16. тящегося прямоугольника с теневой нитью посередине. Время успокоения светового указателя не превышает 4 секунд. Справа на передней стенке расположен переключатель пределов измерения, имеющий 5 положений. На боковой поверхности прибора (справа) имеется ручка корректора для установления светового указателя на нулевое деление. На задней стенке прибора смонтированы: два зажима для включения прибора в измерительную цепь, зажим экрана, штепсельная колодка для подвода напряжения к осветительному устройству. Прибор снабжен специальным экраном, соединенным с зажимом “ЭКРАН”, для исключения влияния токов утечки, которые могли бы изменить результаты измерений. Шунт тоже снабжен экраном, соединенным с зажимом, обозначенным буквой Э. Прибор может включаться в цепь непосредственно или со своим наружным шунтом Р4, который расширяет основной предел измерения в 1; 5; 10; 100; 500; 1000 раз. На рисунке 2.17 показана схема внутренних соединений прибора и шунта. Из схемы видно, что переключатель (сдвоенный, показанный пунктиром) пределов измерения имеет 5 положений: 1 - цепь обмотки рамки и внешняя цепь замкнуты накоротко.
59
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Рис. 2.17. Прибор арретирован. 2 - цепь обмотки рамки шунтируются резисторами r3 и r2 . Основной предел измерения прибора при этом повышается в 10 раз (дополнительный предел). 3 - прибор работает на основном пределе измерения. 4 - прибор включен на милливольтовый предел. 5 - прибор предназначен для работы только с шунтом Р4. Выпускаемые приборы имеют следующие пределы измерений (см. таблицу 2.3.): Таблица 2.3. Погрешность приборов с основными пределами измерений 1 и
Тип прибора
Основной предел измерения, мкА
Дополнительные пределы измерения мкА
мВ
*М95
0,1
1
5
*М95
1
10
5
*М95 10 100 0,5 10 мкА не превышает ±1 % и ±1,5 % для приборов с основным пределом измерения 0,1 мкА. Погрешность сопротивления шунтов не превышает ±0,2 % номинального сопротивления. При работе с шунтом необходимо переключатель пределов измерений поставить в положение “нар. шунт”. Левые зажимы шунта включить в измерительную цепь, соблюдая полярность, а правые зажимы шунта подключить к микроамперметру, тоже соблюдая по-
60
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
лярность. Теперь шкала прибора будет рассчитана на тот предел измерения, который будет установлен на шунте, но уже в мА. Если переключатель шунта установить в положение “ ∞ ”, шунт замыкается накоротко, и в этом случае через него можно пропускать ток силой до 5 А. Внимание! Прибор должен постоянно находиться в арретированном состоянии за исключением момента измерения.
АМПЕРМЕТРЫ, МИЛЛИАМПЕРМЕТРЫ И МИКРОАМПЕРМЕТРЫ ТИПА М 252 Приборы данного типа имеют магнитоэлектрическую систему, класс точности 0,5 и предназначены для точных измерений силы тока в цепях постоянного тока. Приборы М252 выпускаются со следующими пределами измерений: а) амперметры - 1,5 А и 3 А. б) миллиамперметры - (1; 1,5: 3; 5; 7,5; 10; 75; *150; 750) мА. в) микроамперметры - (50; 75; 100; 150; 300; 500; 750; 1000) мкА Измерительный механизм этих приборов состоит из магнитопровода, магнита и подвижной части (рамки), укрепленной на растяжках. Измерительный механизм снабжен магнитным шунтом для точной регулировки прибора при сборке. Время успокоения подвижной части прибора не более 6 секунд. Отсчетное устройство состоит из шкалы с зеркалом, которое исключает параллакс, и стеклянной стрелки. Принципиальные электрические схемы приборов показаны на
Рис. 2.19.
Рис. 2.18.
рисунках 2.18, 2.19. Различие в схемах обусловлено теми пределами измерений, на которые они рассчитаны. В микроамперметрах и в части миллиамперметров пределы измерения определяются различным числом витков в рамке. В миллиамперметрах на большой ток и в амперметрах пределы
61
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
измерения определяются значением сопротивлений резистора R1 ограничивавшего ток через рамку, и шунта R2 . На лицевой панели прибора (рис. 2.20) расположен корректор для установки стрелки на нулевую отметку шкалы и зажимы (клеммы). Рис. 2.20.
АМПЕРМЕТРЫ ТИПА М 104 и М 104/1
Амперметры данных типов относятся к магнитоэлектрической системе, переносные, многопредельные, стрелочные. М 104 имеет класс точности 0,5; а М 104/1 - 0,2. Они предназначены для измерения силы тока в цепях постоянного тока. На лицевой панели прибора (рис. 2.21) расположены: корректор для установки стрелки на нулевую отметку шкалы, зажимы (клеммы) для включения прибора в измерительную цепь, переключатель пределов измерения и зеркальная шкала. Устройство прибора основано на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по обмотке подвижной рамки. В результате этого взаимодействия возникает вращающий момент, отклоняющий подвижную часть прибора. Противодействующий момент создается двуРис. 2.21. мя спиральными пружинами из оловянноцинковой бронзы, которые одновременно служат и для подвода тока к рамке. Успокоение подвижной части осуществляется тормозными токами, возникающими в обмотке рамки при ее перемещении в магнитном поле постоянного магнита. Время успокоения рамки не более 2 секунд. Наличие разнообразных шунтов в приборе (рис. 2.22) обеспечивает разнообразие пределов измерения: (*0,015; 0,03; 0,075; 0,15; 0,3; 0,75; 1,5; 3; 7,5; 15; 30) А. Падение напряжения на рамке при различный пределах измерения различно: на пределах (0,015-0,03-0,075-0,15) А составляет (32 - 47) мВ, (0,3-0,75-1,5-3) А (49 - 65) мВ, (7,5-15-30) А (87 - 175) мВ.
62
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Рис. 2.22.
Вольтметры и милливольтметры магнитоэлектрической системы на схемах обозначаются
ВОЛЬТМЕТРЫ И МИЛЛИВОЛЬТМЕТРЫ ТИПА М 109/1. Приборы этого типа являются переносными приборами класса точности 0,5 магнитоэлектрической системы с внутрирамочным магнитом и предназначены для точных измерений напряжения в цепях постоянного тока. Измерительный механизм прибора состоит из магнитной системы и подвижной части, установленной в обойму и укрепленной на растяжках. Измерительный механизм снабжен магнитным шунтом для тонкой регулировки при сборке. Отсчетное устройство состоит из шкалы и алюминиевой стрелки. Для устранения погрешности от параллакса шкала снабжена зеркалом. На лицевой панели прибора (рис. 2.23) расположен коррек-
63
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
тор для установки стрелки на нулевую отметку, клеммы для включения прибора в цепь и шкала. Принципиальные схемы рамки с добавочными и компенсационными сопротивлениями в зависимости от предела измерений приведены на рисунках 2.24, 2.25.
Рис. 2.23.
В нижеследующей таблице 2.4. указаны пределы измерений выпус-
Рис. 2.24. Рис. 2.25. каемых приборов этого типа, имеющиеся в лаборатории отмечены знаком (*). Таблица 2.4. Продолжение таблицы 2.4. Вольтметры этого типа могут быть как однопредельными, так и
Пределы измерения
Сопротивление R подв. системы (ра мки), Ом
Доба вочное сопротивление, Ом
0-10 мВ
1,3± 0,13
12 ± 1,6 (M MT-81)
0-15 мВ
"
"
22 ± 1,6 (M MT-81)
0-30 мВ
"
"
23
0-45 мВ
"
"
39
0-75 мВ
6± 0,6
65
0-150 мВ
"
"
140
0-300 мВ
"
"
290
0-750 мВ
51± 6
695
0-1,5 В
"
"
1452± 5
64
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
многопредельными, например, (* на 0-5-20-100-500 В)
Пределы измерения
Сопротивление R подв. системы (ра мки), Ом
Доба вочное сопротивление, Ом
0-3 В
"
"
2952± 10
0-7,5 В
"
"
7446
0-15 В
"
"
14946
*0-30 В
"
"
30000
0-75 В
"
"
75000
0-150 В
"
"
150000
*0-300 В
"
"
300000
ВОЛЬТМЕТРЫ И МИЛЛИВОЛЬТМЕТРЫ ТИПА М 45М Приборы этого типа, относящиеся к магнитоэлектрической системе класса точности 1,0 или 1,5, многодиапазонные, переносные, брызгозащитные, с непосредственным отсчетом, применяются для измерения напряжения в цепях постоянного тока. Кроме типа М 45М выпускаются приборы типа М 45МОМЗ**, М 45МУЗ* и М 45МТЗ**, которые одинаковы по устройству, а отличаются только температурным интервалом, рекомендуемым для работы. Измерительный механизм приборов М 45М имеет подвижную часть (рамку) на кернах и подпятниках и противодействующий механический момент. Отсчетное устройство имеет зеркальную шкалу и стрелку (рис. 2.26). На лицевой панели имеется корректор для установки стрелки на нулевую отметку. Принципиальные электрические схемы вольтметров и милливольтметров представлены на рисунках 2.27; 2.28. В зависимости от верхнего предела диапазонов измерений выпускаются вольтметры в виде следующих модификаций: Рис. 2.26.
65
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Рис. 2.27. Схема вольтметров
Рис. 2.28. Схема милливольтметров
на 3 В: на (3-7, 5-15-30) В; *на (3-15-150-300) В; на (3-30-300) В; на (3-150-450) В; на (15-150-450) В; на (30-75-150-300) В; на (150-300-450) В; на (150-300-600) В. Милливольтметры имеют следующие модификации: *на 75 мВ; на (75-0-75) мВ; на (75-150-750-1500) мВ: *на 75 мВ - (3-15-150) В. Милливольтметры первой и второй модификаций могут быть использованы как амперметры при подключении к ним шунтов 75ШП или 75ЩСМ (на 1,5 А и 7,5 А). Приборы данной системы могут выпускаться в модификации миллиампер-вольтметров на такие пределы: 1,5 мА - 7,5 мА - 150 В
ВОЛЬТМЕТРЫ И МИЛЛИВОЛЬТМЕТРЫ ТИПА М 252 Эти приборы относятся к магнитоэлектрической системе класса точности 0,5 и предназначены для точных измерений напряжения в цепях постоянного тока. Измерительный механизм этих приборов состоит из магнитопровода, магнита и подвижной части (рамки), укрепленной на растяжках. Измерительный механизм снабжен магнитным шунтом для точной регулировки прибора при сборке. Время успокоения подвижной части прибора не более 6 секунд. Отсчетное устройство состоит из шкалы с зеркалом, которое исключает параллакс при отсчете показаний прибора, и стеклянной стрелки. Принципиальные электрические схемы вольтметров и милливольтметров показаны на рисунках 2.29, 2.30. На лицевой стороне прибора (рис.2.31) расположен корректор для установки Рис. 2.29.
66
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
стрелки на нулевую отметку шкалы и зажимы (клеммы). Приборы этой системы выпускаются на следующие пределы измерений: на (10; 15; 30; 45; 75; *150; 300; 750) мВ; на (1,5; 3; 7,5; 15; 30; 75; 50; 300) В.
Рис. 2.30.
Рис. 2.31.
Прочие электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы МИЛЛИАМПЕРМЕТР ЛАБОРАТОРНЫЙ С НУЛЕМ ПОСЕРЕДИНЕ (школьный) Миллиамперметр является электроизмерительным прибором магнитоэлектрической системы, служащим для измерения силы постоянного тока до 5 мА. Шкала прибора отградуирована с нулем посередине, что позволяет использовать прибор как индикатор направления тока или как индикатор наличия (отсутствия) тока в мостовых схемах для измерения сопротивлений. Цена одного деления 1 мА, допустимая погрешность прибора 4 %, внутреннее сопротивление прибора 9 Ом. Этот прибор используется в основном для проведения лабораторных работ по физике в школе (рис. 2.32). Измерительный механизм прибора состоит из неподвижной и подвижной частей. Неподвижная часть механизма состоит из постоянного магнита и железного сердечника, закрепленного между полюсами магнита. Подвижная часть механизма состоит из алюминиевой рамки, на которую намотана Рис. 2.32. обмотка из медного изолированного провода (74
67
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
витка). На оси рамки укреплена стрелка. Действие магнитного поля на ток в рамке создает вращающий момент, пропорциональный силе тока, спиральные пружинки, по которым подводится ток к рамке, создают противодействующий момент. При равенстве моментов стрелка остановится. Время ее успокоения 4-6 секунд. Угол ее отклонения будет пропорционален силе тока. Поэтому шкала прибора равномерная. Подробней принцип действия приборов магнитоэлектрической системы описан выше (“Электроизмерительные приборы” - вступление). В лаборатории электричества имеются и другие приборы с нулем посередине. Это класс нуль-гальванометров, имеющих то же назначение, что и школьный прибор, но более чувствительные. Ниже показаны (рис. A, B, C, D) лицевые панели этих приборов и их основные характеристики,но не вошедшие в основное описание, а также других приборов (рис. E, F, G, H) магнитоэлектрической системы.
АМПЕРМЕТР И ВОЛЬТМЕТР
А
В
С
D
68
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
F
E
G
H
С ГАЛЬВАНОМЕТРАМИ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ АГ и ВГ (УЧЕБНЫЕ) Назначение и технические данные. Амперметр и вольтметр демонстрационные (учебные) являются измерительными приборами для постоянного и переменного тока. Кроме того, прибор может быть использован в качестве гальванометра постоянного тока с “0” на середине шкалы, чувствительного к малым токам и напряжениям. В приборах применена магнитоэлектрическая система как наиболее точная и стабильная. Приборы с такой системой имеют равномерную шкалу, т.е. значение каждого деления шкалы одинаково. Прилагаемые к амперметру сменные шунты позволяют пользоваться прибором в качестве амперметра с пределами измерений (0 - 3) А и (0 -10) А. Сменные добавочные резисторы, прилагаемые к вольтметру, дают возможность пользоваться им как вольтметром постоянного тока с пределами измерений (0-5) В и (0-15) В и переменного тока с пределами измерений (0-15) В и (0-250) В.
69
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Приборы предназначены для работы в вертикальном положении. В нормальных условиях (при температуре +200±50С) погрешность приборов не превышает ±4 % от верхнего предела измерения на постоянном токе и ±5 % от верхнего предела измерения на переменном токе. Устройство прибора. Амперметр и вольтметр по своему устройству одинаковы и отличаются только элементами электрической схемы и начерта нием шка л. Приборы (рис. 2.33) состоят из следующих состав ных ч астей: измерительного механизма М магнитоэлектрической системы, сменных шкал Шк , полупр ов одРис. 2.33. никового вы пр ям ит ел я, сменных добавочных резисторов С в вольтметре или сменных шунтов Ш в амперметре. Смонтированы приборы в пластмассовых футлярах. Лицевая сторона футляра застеклена. Это позволяет учащимся видеть шкалу, стрелку и устройство измерительного механизма. Снизу на лицевой стороне установлено пять зажимов З. Три зажима (верхние) одного цвета, два зажима (нижние) другого цвета. У одного верхнего зажима имеется обозначение “~”, а у другого (крайнего правого) - “+”. Между нижними зажимами нанесена надпись: “Гальванометр”. Зажимы служат для присоединения к прибору токоподводящих проводов. Так как зажимы универсальные, то к ним можно подключать как провода с наконечниками, так и провода со штеккерами. В крышке футляра имеются три прямоугольных паза для установки шкал. Передний паз предназначен для установки рабочей шкалы, задние пазы - для хранения двух свободных шкал, которые не используются при данном измерении. На каждой шкале нанесены условные обозначения измеряемого рода тока: “-” для постоянного тока или “~” для переменного тока, условные обозначения системы прибора, рабочего положения прибора ( ⊥ вертикальное положение). Внутри каждого прибора укреплена неподвижная дополнительная фоновая шкала ФШ. С лицевой стороны на этой шка-
70
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ле нанесены буквы V в вольтметре и А в амперметре, номер прибора и фирменный знак завода, дата выпуска прибора, с обратной стороны прибора на шкале нанесены десять равномерных делений. Начало и конец делений соответствуют началу и концу рабочих шкал. Эти деления предназначены для относительного определения положения стрелки и контроля за работой при проведении преподавателем опытов. На задней стенке футляров (рис.2.34) расположена головка корректора К, вращая которую, устанавливают стрелку прибора в исходное нулевое положение, в нижней части футляра имеется выдвижной ящик Я, предназначенный для хранения сменных добавочных резисторов и шунтов. В наших работах эти приборы используются в качестве Рис. 2.34. гальванометров.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ГАЛЬВАНОМЕТРА на схемах обозначается
Основным узлом баллистического гальванометра, как и гальванометра обычного типа, является легкая рамка с обмоткой 1, подвешенная между полюсами магнита 2 (см. рис. 2.35). При пропускании тока через обмотку на рамку будет действовать вращающий момент, величина которого пропорциональна силе этого тока: (1) M = k ⋅i Будем теперь считать, что Рис. 2.35. трение при движении рамки настолько мало, что им можно пренебречь. Очевидно, что рамку можно рассматривать как механическую колебательную систему, об-
71
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ладающую определенным моментом инерции I . При отсутствии тока через гальванометр на рамку будет действовать только сила упругости со стороны подвеса, поэтому, будучи выведена из положения равновесия, рамка совершает механические крутильные колебания с периодом, пропорциональным корню квадратному из величины момента инерции: T ~ I . Предположим теперь, что мы подключили к гальванометру заряженный конденсатор. Он начнет разряжаться, и в гальванометре возникнет кратковременный ток (импульс тока), сила которого будет меняться во времени приблизительно так, как это показано на рис. 2.36. Будем считать, что время импульса весьма мало по сравнению с периодом собственных колебаний рамки: τ