2012_Lektsia_2_Vvedenie_v_fizpraktikum

Лекція 2. Електровимірювальні прилади	11
Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

Рис. 2.4. Конструкція електростатичного вольтметра.

При подачі напруги U на електроди 1 та 2 між ними виникає електростати-

чна взаємодія з силою F = k'U 2 . Під дією цієї сили рухома пластина 2, закріплена разом зі стрілкою 4 на вісі 3, втягується в простір між нерухомими пластинами,

створюючи обертаючий момент M oб U 2 . В положенні рівноваги M oб дорівнює протидіючому моменту закрученої пружини M пр = k1ϕ, а промінь світла від лам-

почки S , відбиваючись від дзеркальця 5, показує на поділку шкали приладу. Таким чином, у положенні рівноваги кут відхилення ϕ визначається квад-

ратом напруги, що вимірюється ϕ = kU 2 .

Квадратична залежність показів електростатичного приладу обумовлює такі ж особливості його характеристики, що й у приладів електромагнітної системи: можливість вимірювання сталої та змінної напруги; нерівномірність шкали; наявність неробочої ділянки на початку шкали.

Аналогічно приладам ЕМ системи при подачі змінної напруги кут відхилення стрілки пропорціональний середньому значенню квадрата напруги, що вимірюється, <U 2 >:

	ϕ = k <U 2	> =k	1 T		U 2	(t )dt .	(2.24)
				∫
			T
				0

Конструктивними та технологічними методами забезпечують рівномірність шкали на більшій частині діапазону вимірювання, окрім початкової частини шкали, яка виходить за клас його точності та вважається неробочою. Шкала електро-

Лекція 2. Електровимірювальні прилади	12
Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

статичного вольтметра градуюється в одиницях ефективної напруги

Uд = <U 2 >.

Перевагами приладів ЕС системи є високий вхідний опір ( >1010 Ом),

можливість вимірювання сталої та змінної напруги, широкий діапазон робочих частот.

Внаслідок високого вхідного опору R заряд на електродах вольтметра зберігається на протязі тривалого часу, не зважаючи на малу ємність C ≈10 пф. То-

му перед установкою покажчика вольтметра на "0" необхідно зняти сторонній заряд, замкнувши вхідні клеми.

Недоліками приладів ЕС системи є низька чутливість, невисока точність, необхідність екранування від зовнішніх електричних полів, чутливість до чистоти та вологості повітря, чистоти поверхні ізоляторів вхідних клем, нерівномірність шкали, наявність неробочої ділянки на початку шкали.

Електрична схема електростатичного вольтметра наведена на рис. 2.5. Вимірювальне коло вольтметра містить захисний опір R =1кОм, що захищає вимі-

рювальний механізм від пошкодження при випадковому замиканні між нерухомим і рухомим електродами. Для екранування приладу від зовнішніх електричних полів на його корпус зсередини наноситься провідна суміш, та корпус сполучається з клемою "екран".

Рис. 2.5. Схема електростатичного вольтметра.

При вимірюванні напруги сталого струму та змінного частотою до 20 кГц вольтметр необхідно включати по схемі з захисним опором. При вимірюванні змінної напруги з частотою вище 20 кГц вольтметр необхідно включати без захи-

Лекція 2. Електровимірювальні прилади	13
Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

сного опору. На частотах вище 1 Мгц довжина сполучних провідників повинна бути мінімальною, інакше з'являються великі похибки вимірювань.

2.3.5. Електродинамічна система (ЕДС)

У електродинамічних приладах (рис. 2.6) магнітне поле, що діє на рухому рамку зі струмом 2, створюється соленоїдом 2. Вісь обертання рамки зі струмом 5, що розташована усередині соленоїда, перпендикулярна його осі.

Рис. 2.6. Електродинамічний вимірювальний прилад.

За відсутності струму площина рамки паралельна вісі соленоїда. Соленоїд та рамка включаються послідовно і через них проходить один і той же струм I .

Обертаючий момент M об , що діє на рамку, дорівнює:

M об = IS N	1	B sin β = IS N		1	B cosα ,			(2.25)
1		2	1		2
де N1 - число витків дроту в рамці; S1 - площа витка;						β =	π	−ϕ- кут між віссю
							2

соленоїда та нормаллю до площини рамки; ϕ - кут повороту рамки з положення

рівноваги; B2 = μ0n2 I					- індукція магнітного поля соленоїда, що містить n2 витків
на одиницю довжини.
Враховуючи, що M об = ϕ							, знайдемо кут повороту рухомої системи
						α
ϕ =αS N μ n I 2 cosϕ .							(2.26)
1	1	0	2
Кут повороту рамки ϕ ,							як правило, невеликий, тому cosϕ ≈1, так що
ϕ ≈γI 2 , де γ =αS N				μ n - стала приладу.
		1	1		0	2

Лекція 2. Електровимірювальні прилади	14
Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

Одним з недоліків електродинамічного гальванометра є те, що його шкала є нерівномірною внаслідок квадратичної залежності кута ϕ повороту стрілки від сили струму I в рамці. В той же час перевагою електродинаміч-

ного гальванометра є те, що він може бути використаний для вимірювання як сталих, так і змінних струмів.

Крім того, електродинамічний гальванометр може бути використаний для вимірювання потужності, що розвивається електричним струмом. Для цього обмотку соленоїда необхідно включити паралельно ділянці кола, а обмотку рамки - послідовно.

Тоді струм I2 у соленоїді та індукція B2											його магнітного поля пропорційні
не силі струму I у колі, а напрузі U на даній ділянці (оскільки I2 =U / R2 , де R2 -
опір кола соленоїда):
B		= μ n I				2	= μ n		U	.	(2.27)
2		0			2		0	2 R
								2
Отже
ϕ =γ				UI	=γ / UI ,						(2.28)
				R
		2
де γ / =	γ		, а P =U I - потужність струму, що вимірюється.
	R
2

Лекція 2. Електровимірювальні прилади	15
Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

2.3.6. Комбінований аналоговий вимірювальний прилад (тестер)

Комбінований аналоговий вимірювальний прилад - ампервольтомметр (тестер) - є універсальним приладом, за допомогою якого вимірюються струм, напруга в колах сталого та змінного струму (як правило, від 20 Гц до 20 кГц) та опір сталому струму.

В якості вимірювального механізму використовується мікроамперметр магнітоелектричної системи. При вимірюванні струму паралельно мікроамперметру включаються багатоступінчаті шунти, а при вимірюванні напруги послідовно з мікроамперметром - додаткові опори.

При вимірюванні змінного струму та напруги до мікроамперметра підключається випрямляч.

Вимірювання опорів проводиться по схемі, наведеній на рис. 2.7, де E - джерело струму.

Рис. 2.7. Схема вимірювання опорів за допомогою тестера.

Опір Rx , що вимірюється, включений послідовно з мікроамперметром, який має внутрішній опір Ra . Струм I у колі дорівнює

I =		E			.	(2.29)
	R	+ R	+ R
0		a		x
При заданих значеннях E, R0 , Ra						струм однозначно визначається опором

Rx , що вимірюється, це дозволяє проградуювати шкалу приладу в Омах.

Граничні значення струму дорівнюють

Лекція 2. Електровимірювальні прилади	16
Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

I	max	=		E	; при	R =0,
			R0	+ Ra		x	.	(2.30)
Imin =0;					при	Rx = ∞.
Таким чином шкала омметра повинна бути оберненою шкалі амперметра,

тобто "0" омметра співпадає з максимальним відхиленням стрілки амперметра і навпаки.

Розширення діапазонів вимірювання омметра здійснюється за допомогою опорів R0i , що перемикаються.

Для компенсації зміни напруги джерела живлення в процесі його експлуатації передбачено регулювання опору R0 . Регулювання необхідно проводити пе-

ред кожним вимірюванням опору Rx підстроюванням нуля "0" омметра при зако-

рочених вхідних клемах.

Лекція 2. Електровимірювальні прилади	17
Вступ в лабораторний практикум курсу загальної фізики “Електрика та магнетизм” в редакції В.П. Олефіра

Умовні позначення на шкалах приладів

A

V

W

Ω

mA mkA , μA

Магнітоелектричний прилад з рухомою рамкою

Магнітоелектричний прилад з випрямлячем

Електромагнітний прилад Електростатичний прилад Прилад працює в горизонтальному положенні

Прилад працює у вертикальному положенні Клас точності приладу

Прилад для вимірювання сталого струму (напруги)

Прилад для вимірювання змінного струму (напруги)

Прилад для вимірювання сталого і змінного струму (напруги).

Амперметр.

Вольтметр.

Ватметр.

Омметр

Міліамперметр

Мікроамперметр