Баллистический гальванометр

Баллистические гальванометры используются для измерения количества электричества (или потокосцепления) в кратковременных импульсах тока.

Основное условие баллистического режима работы гальванометра состоит в том, что длительность τ импульса тока должна быть гораздо меньше периода собственных колебаний подвижной части гальванометра: τ << T₀.

Увеличение периода колебаний (до 15–25с) достигается путём увеличения момента инерции подвижной части с помощью укрепленных на подвесе или растяжках дополнительных деталей (дисков или колец ).

рис. 3. Графики импульса тока и отклонения

рамки баллистического гальванометра

Кратковременный импульс тока i(t), протекающий в рамке гальванометра (рис. 4), вызывает кратковременной импульс вращающего момента, под действием которого подвижная часть отклоняется от нулевого положения на некоторой угол. Затем рамка под действием противодействующего момента возвращается в исходное положение. Если выполняется условие τ << T₀ , то отклонение указателя α_m (баллистический отброс) пропорционально количеству электричества Q, прошедшего через рамку за время τ:

₍₁₇₎

где C_Q – цена деления (баллистическая постоянная) гальванометра.

Баллистическая чувствительность S_Q= α_m/Q или цена деления (баллистическая постоянная) С_Q=1/S_Q зависит от сопротивления внешней цепи R_ВНЕШН., на которую замкнут гальванометр. Поэтому перед применением гальванометра необходимо определить опытным путём его баллистическую постоянную при том сопротивлении цепи, при котором гальванометр будет работать.

Упражнение 1. Изучение движения рамки гальванометра.

Принадлежности: настольный гальванометр магнитоэлектрической системы, магазины сопротивлений, аккумулятор, ключи и переключатели, секундомер.

Описание установки

Задача настоящего упражнения состоит в определении основных параметров магнитоэлектрического гальванометра.

Для исследования используется установка, принципиальная схема которой приведена на рисунке 4.

рис. 4. Схема установки для выполнения упр. 1.

На схеме: Б–аккумулятор(ε=1,3В),R–потенциометр, V–вольтметр, R1–магазин сопротивлений (1–100 Ом), R2–постоянное сопротивление (около 1000 Ом), R3–магазин сопротивлений (I=1000000 Ом), П1–переключатель, которым можно изменять направления тока, протекающего по гальванометру и при необходимости полностью отключать от источника тока, П2–переключатель для подключения гальванометра к источнику тока или замыкания на сопротивление R3, П3–ключ для замыкания (демпфирования) гальванометра.

Определение внутреннего сопротивления гальванометра и его чувствительности к току и напряжению

Ток, протекающий через сопротивление R1 и R2 (участок на рис.5) равен:

(т.к. R₁<<R₂),

где U – напряжение, показываемое вольтметром.

Напряжение на участке bc:

(при R₁<<R₃).

Отсюда легко рассчитать величину протекающего через гальванометр тока:

(18)

Запишем это равенство для двух значений U(U^’,U^”) и R₃(R₃^’,R₃^”)

(19)

Откуда легко вычислить сопротивление гальванометра:

(20)

По определению, чувствительность гальванометра к току , кроме того, где L - расстояние от шкалы до зеркальца гальванометра (в нашем случае L=0,15м), n – число делений в отклонении светового указателя от нулевого положения (в мм).

Тогда чувствительность гальванометра к току:

(21)

Порядок выполнения данного упражнения следующий:

а) собирают схему, приведённую на рис.5.Устанавливают R₁ на минимальное значение (5-20 0м) и с помощью реостата R выставляют U=0,10 – 0,20 В;

б) включает П1 и устанавливает П2 в такое положение, чтобы гальванометр был включён в цепь батареи;

в) изменяя U и R₃ , добиваются отклонения светового указателя зеркальца гальванометра на 50% - 100% шкалы. По показаниям приборов отсчитывают R^’’₃ и U^’’;

д) вычисляют значения r_Г и S_i .

Определение критического сопротивления гальванометра и критической чувствительности его к напряжению.

а) используют схему, приведённую на рис.5. Устанавливают R₁ на значение 10-20 Ом и напряжение U=0,10–0,20B, сопротивление R₃=9000-11000 Ом;

б) включают П1, присоединяя гальванометр к цепи батареи;

в) добиваются отклонения светового указателя гальванометра на 80-100 деления, изменяя величины U и R₂; (R₂>>R₁)

г) ставят переключатель П1 в нейтральное положение. При прохождении светового указателя через нуль переключатель П2 переводят в такое положение, чтобы гальванометр оказался замкнутым на сопротивление R₃ .

Наблюдают, в каком режиме (колебательном или апериодическом) движется рамка гальванометра к положению равновесия. Повторяют наблюдения, уменьшая постепенно величину R₃ до тех пор , пока движение рамки не станет апериодическим. Фиксируют в этом положении значение R_кр.=R₃+r_Г и зная чувствительность S_i к току, определяют чувствительность гальванометра к напряжению

Определение периода свободных колебаний и декремента затухания.

а) используют схему, приведённую на рис.5. Устанавливают значения R₁=10–20 0м, R₂=1000 Ом, U=0,10–0,20 В; R₃=200–1000 Ом;

б) включают гальванометр в цепь батареи;

в) добиваются отклонения светового указателя на 80–100% шкалы, изменяя напряжение U и сопротивление R₁;

г) устанавливают переключатель П1 в нейтральное положение, т.е. отключают гальванометр от батареи, оставив его разомкнутым и одновременно с этим включают секундомер;

д) измеряют время 10 полных колебаний и находят период одного колебания. Опыт повторяют не менее 3 раз, определяют абсолютную и относительную погрешности определения периода Т₀;

е) измеряют величины 3–4 последовательных отклонений светового указателя A₁, A₂, A₃, A₄ (в одну сторону от нулевого положения);

ж) вычисляют декремент затухания:

и логарифмический декремент .

Определяют среднее значение декремента затухания, а также абсолютную и относительную погрешности измерений λ.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

Произвести определение декремента затухания для различных сопротивлений R₃ (от R₃=R_кр. до R₃=10R_кр.). Строят и анализируют график или.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Рассказать о назначениях гальванометров магнитоэлектрической системы;

2. Объяснить устройство и принцип действия магнитоэлектрического гальванометра;

3. Дать определение основным параметрам гальванометра;

4. Рассказать об основных режимах работы гальванометра;

5. д) объяснить схему и порядок определения основных параметров гальванометра.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гольдин Л.Л. (ред.). Руководство к лабораторным занятиям по физике. Наука, 1973, работа 45.

2. Шрамков Е.Г. (ред.). Электрические измерения. Средства и методы измерений. Высшая школа. 1992.

3. Прытков В.Т., Талицкий А.В. Курс электрических измерений, ГЭИ, 1960, том 1, гл.5.

4. Евтихиев Н.Н., Купершмидт Я.А., Папуловский В.Ф. и др. Измерения электрических и неэлектрических величин. Энергоатомиздат, 1990.