физика_ часть 1

тока в сети, подключив амперметр к розетке. При малом сопротивлении ампер-

метра ток достигнет такой величины, что обмотка катушки сгорит. Произойдет так называемое - короткое замыкание (КЗ).

Шунтирующие сопротивления к амперметрам

Любой амперметр рассчитан на измерение тока определенной величины

Io (например, 5А), значение которого обозначено на шкале прибора. С помощью специального сопротивления, включенного параллельно амперметру (рис. 2.8),

можно изменить диапазон измеряемых токов в n раз в сторону увеличения (на-

пример, до 50А). Такое сопротивление называется шунтом.

Рис. 2.8

При этом через амперметр не должен протекать ток больше Iо, иначе ка-

тушка амперметра перегорит. Значит должно соблюдаться условие:

Iо=	I	.
	n
Это приведет к тому, что цена деления амперметра возрастет в n раз, но
во столько же уменьшится его чувствительность.
При параллельном соединении амперметра и шунта:
I=Iо n= Iо+Iш,,			(2.1)
падения напряжения на амперметре и шунте будут одинаковы Uш=Uа и равны:
Iш Rш=Iо Rа			(2.2)
Из уравнения (2.1) определим ток через шунт:

Iш=Iо n - Iо, или Iш=Iо(n - 1) (2.3)

Из уравнения (2.2) имеем:

31

Rш=	I0 Ra	;	(2.4)
	Iш

Решая совместно (2.3) и (2.4) получим:

Rш= Ra . n 1

Такое сопротивление нужно включить параллельно амперметру, чтобы предел измерения тока увеличился в n раз.

2.2.5. Измерение напряжения

Для измерения напряжения на участке цепи с сопротивлением к нему па-

раллельно подключают вольтметр. Так как сопротивление вольтметра очень велико, поэтому он не вносит заметных искажений в измерения напряжения.

Вольтметром можно измерить напряжение в сети, подключив его к розетке, без риска, что он сгорит. Нужно только быть уверенным, что он рассчитан на на-

пряжение такой величины.

Добавочное сопротивление к вольтметру

Вольтметры рассчитаны на измерение напряжений определенной вели-

чины Uо. Но этот диапазон можно увеличить в n раз, подключив последова-

тельно вольтметру добавочное сопротивление Rд (рис. 2.9).

При этом к вольтметру не должно быть приложено напряжение больше

Uо, т.е.

U			U	или U n U		(2.5)
	0				0
			n

В вольтметре и добавочном сопротивлении, как в последовательно со-

единенных элементах, устанавливается один и тот же ток I, а падение напряже-

ния на каждом:

U0 I Rв

(2.6), Uд I Rд

(2.7)

32

Рис. 2.9. Включение добавочного сопротивления

Решая совместно (2.5-2.7): U U0 Uд I Rв I Rд , получим:

U nIRв , откуда Rд Rв (n 1) .

Добавочное сопротивление такой величины позволит увеличить предел измеряемого напряжения в n раз.

2.2.6. Защитное заземление

Назначение защитного заземления - обеспечить безопасность персонала обслуживающего электроустановки.

В результате нарушения изоляции проводов или по ряду других причин между корпусом прибора и землей может возникнуть разность потенциалов по величине равная напряжению питания прибора. При прикосновении к корпусу прибора человек попадает под напряжение, называемое напряжением прикос-

новения (разность потенциалов между точкой прикосновения и землей). Для исключения этого явления металлические корпуса всех приборов подлежат обязательному заземлению, для чего корпус прибора соединяют специальным проводником с заземляющей шиной (рис.2.10).

Поскольку Земля обладает бесконечно большой, по нашим масштабам,

емкостью, то практически, Земля может принять сколь угодно большой заряд.

При этом ее потенциал останется равным нулю.

Заземляющий контур рассчитывается при строительстве и электрифика-

ции любого потребителя электроэнергии, так как в каждом конкретном случае учитывается структура грунта, влажность, глубина залегания подземных вод,

климатические условия и т.д.

33

Замеры сопротивления заземлителя проводятся дважды в год, в самую жаркую пору и зимнюю стужу. Величина сопротивления заземлителя для низ-

ковольтных сетей (сети напряжением до 1000 В) не должна превышать 4Ом,

для высоковольтных сетей (напряжением свыше 1000 В) эта величина равна

0,4Ома.

Рис. 2.10. Заземление корпуса прибора

В свою очередь определенные требования предъявляются и к заземляю-

щим шинам. Заземляющая шина должна обладать достаточной механической прочностью, исключающей ее случайный обрыв и термоустойчивостью, для пропускания токов короткого замыкания, но в любом случае, исходя из условий механической прочности, ее сечение не должно быть менее 16мм 2.

Поскольку сопротивление контура заземления мало, то потенциал зазем-

ленного корпуса прибора всегда будет равен нулю, так любой по величине за-

ряд, возникший на корпусе прибора, будет стекать по заземлителю, тем самым,

предотвращая возможность поражения персонала электрическим током.

РАБОТА № 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЖИДКОСТЕЙ ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ОТРЫВА КАПЕЛЬ

Актуальность работы:

Коэффициент поверхностного натяжения является важной характеристи-

кой жидкости, поскольку эта величина непосредственно связана с межмолеку-

лярными силами. Знание коэффициента поверхностного натяжения необходимо

34

для расчета всевозможных капиллярных явлений, для применения таких важ-

нейших технологических процессов, как флотация руд и минералов. С коэффи-

циентом поверхностного натяжения связаны другие существенные характери-

стики жидкостей: теплота испарения, адсорбции и др. Поэтому измерение этой величины имеет важное научное и техническое значение.

Цель работы:

Изучить поверхностные явления в жидкости, определить коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости, определение подлинности веществ методом отрыва капель

Целевые задачи:

знать: коэффициент поверхностного натяжения, методы определения коэф-

фициента поверхностного натяжения, формула Жюрена, метод отрыва ка-

пель.

уметь: находить коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва

капель

План подготовки конспекта:

1.Основные теоретические сведения

2.Выяснить, что измеряется в лабораторной работе, каким методом и для

чего.

2.Подготовить таблицу.

3.Записать расчётную формулу.

Вопросы для подготовки к входному тестированию:

1.Что называется силой поверхностного натяжения?

2.Определение коэффициента поверхностного натяжения и его размер-

ность?

3.Формула Жюрена?

4.В чём суть метода отрыва кольца?

5.В чём суть метода отрыва капель?

6.Какие силы действуют на каплю при её отрыве?

35

Теоретические сведения.

Внутри сферы радиусом R = 1,5 10 -9 м, называемой сферой молекулярно-

го действия, на каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих её молекул.

Рассмотрим единичную молекулу, находящуюся внутри жидкости. Со всех сторон эту молекулу (а) окружает в среднем одинаковое число молекул.

Поэтому результирующая сила притяжения, действующая на отдельно взятую молекулу (а), в среднем равна нулю (рис. 3.1).

а

Рис. 3.1

Иначе обстоит дело с молекулами (рис. 3.2), находящимися на поверхности жидкости.

Рис. 3.2

Так как концентрация молекул жидкости в газе, находящемся над её по-

верхностью мала, по сравнению с концентрацией молекул в самой жидкости, то результирующая сила F, всех сил f, действующих со стороны других молекул на молекулу (b), оказывается не равной нулю, и, направлена вглубь жидкости перпендикулярно её поверхности.

36

Таким образом, поверхностный мономолекулярный слой жидкости, слой толщиной примерно 1,5 10-9 м будет оказывать на нижерасположенную жид-

кость давление, равное сумме результирующих сил, действующих на все моле-

кулы, лежащие в одной квадратной единице поверхности. Это давление назы-

вают внутренним или молекулярным давлением. Величина этого давления по-

рядка 10 000 атмосфер (в этом и заключается причина несжимаемости жидко-

сти).

Под влиянием молекулярных сил поверхность жидкости сокращается до минимально возможных размеров. Если проволочное кольцо затянуть мыльной пленкой, то силы поверхностного натяжения F, будут недостаточны, чтобы сжать металлическое кольцо (рис. 3.3).

Рис. 3.3

Теперь возьмем проволочное кольцо, также затянутое мыльной пленкой,

но с привязанной внутри нитью (рис. 3.4).

Рис. 3.4

Нить 1 свободно лежит на поверхности мыльной пленки, так как на нить с обеих сторон действуют одинаковые силы натяжения F.

Но стоит только внутри петли проколоть пленку (рис. 3.5), как мыльная пленка, равномерно сокращаясь, вытянет нить, образуя полукольцо. Под дейст-

вием сил поверхностного натяжения F мыльная пленка принимает наименьшую поверхность из возможных при данных условиях.

37

Рис. 3.5

Капля несмачивающей жидкости (рис. 3.6) находящаяся, например, на поверх-

ности стола, под действием сил поверхностного натяжения F, которые направ-

лены внутрь капли, будет стремиться принять форму шара. Но под действием силы тяжести Р, капля будет приплюснута (рис. 3.6).

Рис. 3.6

Сумма всех сил притяжения, действующих на контур, ограничивающих поверхность жидкости, называется силой поверхностного натяжения.

Эта сила пропорциональна числу молекул n1 прилегающих к контуру, т.е.

F = K1 n1, где К1 – коэффициент.

Число молекул n1 пропорционально длине контура l, т.е. n1 = K2 l, где К2 -

коэффициент.

Поэтому сила поверхностного натяжения: F = K1 K2 l , приняв K1 K2 = ,

получим:

F = l, где - коэффициент поверхностного натяжения.

Отсюда: =	F	.	(3.1)
	l

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхно-

стного натяжения, направленной перпендикулярно контуру, ограничивающему поверхность жидкости, по касательной к этой поверхности.

Размерность коэффициента в СИ - Н·м-1.

Существует несколько методов определения коэффициента поверхност-

ного натяжения жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости может быть определен

38

по высоте поднятия жидкости по капилляру с использованием известной фор-

мулы Жюрена:

h = 2 соs ,

g r

где - угол смачиваемости, - коэффициент поверхностного натяжения, -

плотность жидкости, r - радиус капилляра.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения используется и метод отрыва кольца, основанный на измерении с помощью динамометра силы отрыва, а также метод отрыва капель. Точность этого метода позволяет исполь-

зовать его в фармации для идентификации различных жидкостей.

Способ определения коэффициента поверхностного натяжения, основан-

ный на методе отрыва капель, применяется в диагностических целях при опре-

делении коэффициента поверхностного натяжения спинномозговой жидкости,

желчи и других жидкостей. Прибор, используемый для таких измерений, назы-

вается сталагмометром.

3.2. Метод отрыва капель

Теоретическое обоснование метода: образование капель жидкости при её вытекании из малых отверстий является результатом взаимодействия силы по-

верхностного натяжения и силы тяжести.

Если из вертикально установленной трубки с узким (капиллярным) отвер-

стием медленно вытекает жидкость, то на конце трубки образуется постепенно нарастающая по величине капля. Увеличиваясь в размере, эта капля отрывает-

ся, когда её вес становится равным сопротивлению разрыва поверхностной пленки, поддерживающей каплю.

39

Перед отрывом капли у конца трубки образуется перетяжка l, по которой и происходит отрыв капли (рис. 3.7).

Рис. 3.7

Длина контура, по которому происходит отрыв капли, равна длине окруж-

ности перетяжки:

l = 2· r,

(3.2)

где r - радиус перетяжки, примерно равный радиусу капилляра.

Так как коэффициент поверхностного натяжения выражает силу, необхо-

димую для разрыва пленки и рассчитанную на единицу длины контура разрыва

l, то сила поверхностного натяжения по всему контуру будет равна:
F = l.
Если вместо l подставить его значение из равенства (3.2), получим:
F = 2 r			(3.3)
Перед отрывом капли сила натяжения F уравновесит вес капли Р, тогда:
F=Р = 2 r			(3.4)
Если в этом уравнении известны величины F и r, то находится из выра-
жения:
=	F	[ Н м-1]	(3.5)
	2 r

Вес одной капли Р может быть определен взвешиванием на аналитиче-

ских весах, но определение радиуса перетяжки r связано с некоторыми затруд-

нениями.

40