Назва роботи: Гальванометр і його застосування
Предметна область: Енергетика
Розмір файлу: 206.5 KB
Роботу скачали: 60 чол.
Гальванометр і його застосування
Вступ. Гальванометр називаються електровимірювальні при-бори, призначені для вимірювання малих величин струму, напруги або минулого електричного заряду. У лабораторній практиці застосовуються гальванометри різних конструкцій з різноманітними електричними і механічними параметрами. Але найбільшого поширення набули гальванометри постійного струму магнітоелектричної вимірювальної сис-теми, основна перевага яких # 150; висока чутливість. У цих приладах обертання рухомої частини і пов'язаного з нею покажчика (стрілочного, світлового) відбувається в результаті взаємодії рамки зі струмом і магнітного поля постійного магніту (рис.1).
У повітряному зазорі між полюсами постійного магніту 3 і нерухомого циліндричного сердечника 5 створюється радіальне магнітне поле. Рухома рамка 7, укріплена на розтяжках 4, може повертатися навколо сердечника 5 в поле магніту. До рамки 7 прикріплена вказівний стрілка 2, збалансована противагами 6. Електричний струм до вимірювальної рамці підводиться по розтяжок 4.
Розглянемо поведінку рамки в даних умовах (рис.2).
При протіканні електричного струму I по обмотці рамки, що складається з n витків тонкого дроту, на вертикальні сторони b. знаходячи-щиеся в радіальному магнітному полі, діє пара сил F. створюють крутний момент,
де # 150; магнітний момент рамки.
Величина крутного моменту дорівнює
де s # 150; площа рамки.
Під дією цього моменту рамка і пов'язана з нею стрілка повертаються до тих пір, поки момент пружних сил М уп. метушні-кающих в розтяжках при їх кручении, не врівноважує момент М.
У положенні рівноваги
Заспокоєння рухомої частини відбувається завдяки струмів, індукованим в каркасі рамки і в її обмотці, якщо остання замкнута на зовнішній опір.
У положенні рівноваги при наявності в рамці струму I кут відхилення стрілки приладу складає
Таким чином, кутове переміщення покажчика пропорційно току, що протікає в рамці. Коефіцієнт пропорційності S I називається чутливістю гальванометра по току.
З наведеного співвідношення видно, від яких конструктивних параметрів гальванометра залежить його чутливість.
Величина, зворотна чутливості, називається постійної по току
Однак, відхилення стрілки приладу зручніше вимірювати числом поділок шкали N. яке прямо пропорційно . тому замінимо з I іншою величиною # 150; C I. назвавши її ціною поділки шкали по струму
Ціна поділки вимірюється в А / справ і показує, який струм потрібно пропустити через гальванометр, щоб його стрілка відхилилася на одну поділку шкали.
При струмі I в рамці вимірювального приладу на його затискачах створюється напруга
де R G # 150; внутрішній опір гальванометра. Отже, по відхиленню стрілки можна визначити напругу на затискачах гальванометра, тобто гальванометр в даному випадку виконує функцію вольтметра. Величина C U називається ціною поділки шкали по напрузі і вимірюється в В / справ
Гальванометри з малим внутрішнім опором, призначені для вимірювання струму, називаються Мікроамперметр. При включенні амперметра в ланцюг опір її майже не збільшується і майже не змінюється протікає струм.
Максимальний струм, який можна пропускати через рамку гальванометра, малий, за визначенням. Для розширення діапазону вимірюваних струмів використовуються шунти # 150; резистори, включені паралельно вимірювального приладу. При шунтуванні тільки частина підлягає вимірюванню струму, причому мала, протікає через вимірювальний прилад і безпосередньо впливає на рамку, більша проходить через шунт. Тому для відгалуження більшій частині струму потрібно шунт малого опору в порівнянні з опором рамки R G. Таким чином, гальванометр з шунтом (амперметр) в цілому буде мати ще меншим опором, ніж R G.
Нехай необхідно виміряти струм I 0. в n разів більший, ніж струм повного відхилення гальванометра I lim # 150; струм, який викликає відхилення стрілки на всю шкалу, він же # 150; максимально допустимий (граничний) струм приладу без шунта. Для розрахунку опору шунта R s застосуємо правила Кирхгофа до контуру, зображеного на рис.3,
Використовуючи умову I 0 = nI lim. знаходимо опір шунта
Шунт зазвичай роблять з відрізка високоомного дроту (константан, манганін) з питомим опором і перетином S s. Довжина його розраховується за формулою
Гальванометри, пристосовані для вимірювання різниці потенціалів, можна називати вольтметрами. Опір вольтметра має бути значно більше опору ділянки кола, на якому вимірюється падіння напруги, щоб включення вольтметра не викликало небажаного перерозподілу струму між навантаженням і вимірювальним приладом. Якщо внутрішній опір гальванометра недостатньо, то послідовно з ним включають додатковий резистор R ad (рис.4).
Включення додаткового резистора R ad проводиться також в тих випадках, коли необхідно розширити межі вимірювання приладу по напрузі. Величина R ad розраховується з умови, що струм у вимірювальному приладі не повинен перевищувати струм повного відхилення гальванометра I lim. Застосовуючи закон Ома для ділянки кола
Якщо є необхідність вимірювати напругу U 0. яке в m разів більше граничної напруги U lim. вимірюваного гальванометром безпосередньо U 0 = mU lim. то величина додаткового резистора розраховується наступним чином:
тобто для розширення меж вимірювання за напругою в m раз опір додаткового резистора повинно бути в (m -1) разів більше внутрішнього опору гальванометра.
Таким чином, для розрахунку опору шунтів R s і додаткових резисторів R ad потрібно знати внутрішній опір даного гальванометра R G. Вимірювати його звичайним способом, омметром наприклад, не можна, так як через гальванометр можна пропускати малий струм, значно менший, ніж струм омметра. Тому надходять по-іншому. Внутрішній опір гальванометра, його чутливість по струму і по напрузі можуть бути. зокрема, визначено шляхом вимірювань в електричному ланцюзі, схема якої наводиться на рис. 5. Тут G # 150; досліджуваний гальванометр, IP # 150; стабілізований джерело постійного струму з вбудованим вольтметром, резистори R 2. R 3 складають дільник напруги-ня, в той же час резистор R 2 є шунтом, а R 1 # 150; додатковим опором до гальванометра.
Струм на ділянці АТ. відповідно до закону Ома, дорівнює
U # 150; напруга на виході джерела живлення ВП.
Падіння напруги на ділянці кола АБ
За першим правилом Кірхгофа
Вирішуючи спільно рівняння (16,17,18) щодо I # 150; струму в гальванометрі, отримаємо
де N # 150; число поділок, на яке відхилилася стрілка при струмі I.
Зробимо опір R 1 = 0 і за допомогою змінних резисторів R 2 і R 3 встановимо стрілку гальванометра на крайнє праве оцифрованное поділ шкали. Цьому стану відповідає число поділок шкали N lim і ток гальванометра I lim. Тоді формула (19) прийме наступний вигляд:
Почнемо потроху збільшувати опір R 1. ток гальванометра буде зменшуватися. Зупинимося на деякому значенні R 1 i .Ток при цьому буде I i I lim і стрілка встановиться на якомусь розподілі шкали N i.
З виразу (19) напишемо наступне:
Прирівнявши праві частини виразів (21) і (22) і підставивши R АБ і R 1 АБ. отримаємо
Ціна поділки шкали по струму визначається з рівняння (20)
Ціна поділки шкали гальванометра по напрузі
Опис установки. На лабораторної панелі встановлені наступні прилади: гальванометр магнітоелектричної системи типу ЛМ. два магазини опорів Р33 в якості резисторів R 1 і R 3. змінний резистор R 2 на 1 Ом із ступінчастим регулюванням через 0,1 Ом. До складу установки входить стабілізований джерело постійного струму б5-70 з вбудованим вольтметром, що дає на виході регульоване напруга 0 ... 30 В, і багатограничний ампервольтметр.
Величина струму в гальванометрі обмежується тим, що резистор R 2 має малий опір, а на резисторі R 3 встановлюється максимально можливий опір, так що коефіцієнт ділення напруги стає близько 10 6.
Визначення характеристик гальванометра
Вимірювання. 1.Підготуйте прилади до роботи. Для цього встановіть R 1 = 0. R 2 = 1 O м. R 3 # 150; максимальне.
2.Перед складанням ланцюга ручку регулювання "U" на джерелі живлення ІП поставте на мінімальний вихідна напруга, перемикач «Внеш / Внутр» # 150; в положення «Внутр», перемикач індикації «V / A» # 150; в положення «V» (вимір вихідної напруги).
3.Соберіте електричне коло за схемою (рис.5) і запропонуйте препо-даватель або лаборанту перевірити її.
4.Включіте в мережу джерело живлення б5-70 і встановіть ручкою регулятора "U" вихідна напруга 4 ... 6 В.
5.Уменьшая опір магазину R 3 (починаючи зі старшою декади), встановіть стрілку гальванометра на крайнє праве ділення шкали (на розподіл N lim). Значення N lim і R 3 запишіть в таблицю.
6.Подберіте опір магазину R 1 так, щоб стрілка гальванометра встановилася послідовно на N i = 35; 25; 15 розподілах шкали. Значення N i і R 1 i запишіть в таблицю.
Обробка результатів вимірювань. 1.За формулами (23, 24, 25) обчисліть внутрішній опір гальванометра, ціну поділки по струму і по напрузі для кожного вимірювання. Знайдіть їх середні значення.
2.Вичісліте полуширину довірчого інтервалу за Стьюдентом
3.Окончательний результат запишіть у вигляді
із зазначенням коефіцієнта довіри.
4.У такому ж вигляді запишіть результати визначення ціни ділення шкали гальванометра по току і ціни поділу по напрузі.
Робота гальванометра в якості вольтметра
Як було сказано вище, гальванометр можна використовувати в якості вольтметра, якщо штучно збільшити його опір. Це досягається шляхом включення послідовно з вимірювальною рамкою додаткового резистора R ad. Найбільша напруга, яке можна виміряти гальванометром безпосередньо, визначається ціною поділки приладу по напрузі і кількістю поділок на його шкалі N lim. тобто U lim = C U N lim.
Вимірювання. 1.Рассчітайте величину додаткового опору по формулі (13) для зазначеного викладачем межі вимірюваної напруги U 0 (але не більше 30 В, яке забезпечує дане джерело живлення). Коефіцієнт розширення меж m = U 0 / U lim.
2.Перед складанням ланцюга ручку регулювання "U" на джерелі живлення ІП поставте на мінімальний вихідна напруга, перемикач «Внеш / Внутр» # 150; в положення «Внутр», перемикач цифрового індикатора «V / A» # 150; в положення «V» (вимір вихідної напруги).
4.Предложіте лаборанту або викладачеві перевірити ланцюг.
5.Установіть на магазині R 1 розраховану величину R ad. Ваші подальші дії дозволять перевірити правильність зробленого розрахунку, а також проградуювати вольтметр, сконструйований на базі гальванометра, по контрольному вольтметру V.
6.Увелічівая вихідна напруга джерела ІП, виведіть стрілку гальванометра на крайнє праве оцифрованное поділ шкали. Якщо опір додаткового резистора розраховане і встановлено правильно, то контрольний вольтметр при цьому повинен показувати задану напругу U 0. Якщо ця умова не виконується, то необхідно підібрати на магазині R 1 величину опору, яка задовольнила б поставленому вимогу. Знайдене досвідченим шляхом значення додаткового опору запишіть, назвавши його експериментальним.
7.Установіте на магазині R 1 оптимальне значення додаткового опору і проведіть градуювання сконструйованого таким чином вольтметра на базі гальванометра. Для цього ручкою регулювання вихідної напруги джерела ІП по черзі встановлюйте стрілку гальванометра на кожне оцифрованное розподіл його шкали і записуйте показання контрольного вольтметра V в заздалегідь підготовлену таблицю.
8. За отриманими результатами побудуйте градуювальний графік. на якому по осі абсцис відкладіть ділення шкали гальванометра, по осі ординат # 150; показання контрольного вольтметра V.
Робота гальванометра в якості амперметра
Межі вимірювання гальванометра по току можна істотно розширити за допомогою шунтів, перетворивши його тим самим в амперметр.
Вимірювання. 1.Рассчітайте опір шунта за формулою (10), щоб межа вимірювання по струму розширити до I 0 = 45 мА (або 90 мА). Більше розширення меж в умовах навчального практикуму неможливо реалізувати, якщо в якості шунта використовувати магазин Р-33. Якщо така необхідність виникає, то шунт виготовляють з константановой або манганінового дроту (стрічки) і підганяють його опір індивідуально (див. Формулу (11). Коефіцієнт розширення меж n = I 0 / I lim. Де I lim # 150; ток повного відхилення гальванометра, він визначається через постійну по струму C I. знайдену в упр.1, і число ділень всієї шкали I lim = C I N lim.
2.Перед складанням ланцюга реостат R (500 ... 600 Ом), який використовується в якості навантаження, поставте на найбільший опір, щоб ненароком не влаштувати коротке замикання.
- На магазині R 1. що використовується в даному випадку як шунт, поставте нульовий опір з метою захисту гальванометра від перевантаження при можливих помилках в збірці ланцюга.
- На джерелі живлення ІП ручку регулювання вихідної напруги встановіть на мінімум, перемикачі: один # 150; в положення «Внутр», інший # 150; в положення «V».
4.Предложіте викладачеві або лаборанту перевірити зібрану ланцюг.
5.Установіть на магазині R 1 розраховане Вами опір шунта R s на обраний межа вимірювання струму.
6.Включіте джерело живлення в мережу. Збільшуйте повільно і плавно вихідна напруга джерела, спостерігаючи за показаннями гальванометра, доведіть стрілку гальванометра до найбільшого оцифрованого поділу шкали. Якщо шунт розрахований і встановлений правильно, то показання контрольного миллиамперметра будуть збігатися з заданим граничним значенням струму I 0. А якщо справді буде відрізнятися, то різниця не повинна бути значним.
7.Проградуіруйте шкалу гальванометра, що працює тепер як амперметр, в одиницях сили струму. Для цього повільно знижуйте вихідна напруга джерела, зупиняйтеся на кожному оцифрованному розподілі його шкали і записуйте в підготовлену таблицю показання контрольного миллиамперметра mA.
8.Постройте градуйований графік, на якому по осі абсцис відкладайте показання гальванометра в поділках шкали, а по осі ординат # 150; показання контрольного миллиамперметра mA.
1.Рассмотріте пристрій і принцип дії приладів магніто-електричної системи.
2. Що таке гальванометр? Що специфічного в його конструкцію треба закласти, щоб він відповідав своєму призначенню?
3.За рахунок чого досягається висока чутливість гальванометра до току? Виведіть формулу чутливості.
4. Чому рамка гальванометра намотується на алюмінієвий каркас, а не на пластмасовий, наприклад?
5.Зачем в зазор магніту поміщається циліндричний сердечник з магнітомягкого заліза? Що буде без нього?
6.Почему рамка підвішується на розтяжках, а не встановлюється на півосях як в інших приладах?
7. Як можна розширити діапазон вимірювання гальванометра по току? Розрахуйте шунт на задану межу вимірювання струму. Чи можна на основі даного гальванометра виготовити амперметр на 100 А?
8. Як розширити межі вимірювання гальванометра по напрузі? Розрахуйте додатковий опір, наприклад на 100 В.
1.Кортнев А.В. Рубльов Ю.А. Куценко О.М. Практикум з фізики. М. Вища школа, 1963. с.214.
2.Попов В.С. Електричні вимірювання. М. Енергія, 1974. С. 72-76.
Рис.2. Схематичне зображення рамки гальванометра в магнітному полі (вид спереду і вигляд зверху)