Отчет по лабораторной работе(физика) Шальнев Григорий АБ-110(исп. Шальнев Григорий Михайлович Преподаватель, ведущий занятие
 Скачать 326.26 Kb.
|
|
Шальнев Г.М., группа АБ-110 Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ) Кафедра Физики Лабораторная работа №3.3 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Выполнил: студент 1 курса института ИВТ, гр. АБ-110 Шальнев Григорий Михайлович Преподаватель, ведущий занятие: Сняты экспериментальны данные: Отчет принят: Защита: (Оценка) (должность) (Фамилия Имя Отчество) (дата) (подпись) (расшифровка подписи) (дата) (подпись) (расшифровка подписи) (дата) (подпись) (расшифровка подписи) Новосибирск, 2021 г. Шальнев Г.М., группа АБ-110 2 1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ 1)Изучить основные электроизмерительные приборы, определить их основные характеристики, освоить методику измерения с помощью этих приборов. 2) Исследовать зависимость силы тока от напряжения на резисторе. 3) Используя амперметр и вольтметр, определить величину неизвестного сопротивления. Шальнев Г.М., группа АБ-110 3 2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРИТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Электроизмерительные приборы широко применяются при различных измерениях в электрических цепях. Приборы различаются по назначению: амперметры, вольтметры, ваттметры и др. Мы рассмотрим лишь аналоговые (стрелочные) вольтметры и амперметры. Амперметр служит для измерения силы тока и включается в цепь последовательно. Вольтметр предназначен для измерения напряжения на участке цепи и включается параллельно этому участку. При включении приборы не должны вносить заметных изменений в цепь, чтобы не изменять токи и напряжения. Это значит, что амперметр должен обладать малым сопротивлением, а вольтметр большим по сравнению с сопротивлением цепи. Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются: система, класс точности, пределы измерения и цена деления, которые обычно обозначены на шкале условными знаками. Электроизмерительный прибор состоит из подвижной и неподвижной частей. По величине перемещения подвижной части (рамки со стрелкой) судят о величине измеряемого тока или напряжения. Наиболее распространенными являются системы: магнитоэлектрическая (обозначение на шкале ) и электромагнитная (обозначение на шкале ). Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии поля постоянного магнита и подвижной катушки, по которой течет измеряемый ток. Достоинством приборов такого типа являются: высокая чувствительность и точность, равномерная шкала, малое потребление мощности, но применять их можно только в цепях постоянного тока. В приборах электромагнитной системы измеряемый ток протекает по неподвижной катушке и создает магнитное поле, в которое втягивается Шальнев Г.М., группа АБ-110 4 ферромагнитный сердечник, намагниченный этим полем. Достоинства этого типа: простота и надежность, возможность измерения как постоянных, так и 2 переменных токов. Недостатки – невысокая чувствительность, неравномерная шкала. В связи с неравномерной шкалой измерения в начале шкалы имеют очень высокую погрешность, и начальная часть шкалы прибора считается нерабочей. Рассмотрим некоторые характеристики электроизмерительных приборов. Шальнев Г.М., группа АБ-110 5 2.1 КЛАСС ТОЧНОСТИ Любой электроизмерительный прибор дает при измерении некоторую погрешность. Пусть А - истинное значение измеряемой величины, А - показание прибора. Тогда разность: ∆𝐴 = 𝐴 − 𝐴, (1) определяет абсолютную погрешность измерения прибора. Относительной погрешностью называется отношение: 𝛿𝐴 = ∆𝐴 𝐴 ∙ 100%, (2) Все электроизмерительные приборы снабжены указателем класса точности, обычно это жирные цифры на шкале прибора, разделенные запятой. Класс точности соответствует приведенной погрешности прибора (γ): 𝛾 = ∆𝐴 𝐴 𝑚 ∙ 100%, (3) и определяет максимальную абсолютную погрешность прибора ∆𝐴, которая считается одинаковой для всех точек шкалы: ∆𝐴 = 𝛾∙𝐴 𝑚 100 , (4) В приведенных формулах 𝐴 𝑚 – максимально возможное показание прибора, предел измерений. Ясно, что при малом отклонении стрелки прибора точность измерения уменьшается. Для повышения точности рекомендуется проводить измерения таким образом, чтобы стрелка находилась во второй половине шкалы прибора. Шальнев Г.М., группа АБ-110 6 2.2ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ЦЕНА ДЕЛЕНИЯ Важной характеристикой прибора является цена деления — величина, обратная чувствительности: 𝐶 = 1 𝑆 , (5) С другой стороны, цена деления равна значению измеряемой величины при отклонении стрелки прибора на одно деление шкалы и может быть рассчитана по формуле: 𝐶 = 𝐴 𝑚 𝑁 , (6) где N — полное число делений шкалы. Зная цену деления и величину отклонения стрелки, легко рассчитать значение измеряемой величины: 𝐴 = 𝐶 ∙ 𝑁 , (7) Чувствительностью измерительного прибора называется отношение линейного перемещения стрелки прибора к измеряемой величине, вызвавшей это перемещение: 𝑆 = 𝑁 𝐴 , (8) где N — перемещение стрелки или число делений шкалы, на которое указывает стрелка прибора, при измерении величины A. Приборы с более высокой чувствительностью позволяют измерить меньшие абсолютные значения физических величин. Шальнев Г.М., группа АБ-110 7 2.3 ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ Значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклонится до конца шкалы, называется пределом измерения. Электроизмерительные приборы могут иметь несколько пределов измерений (многопредельные приборы), осуществляемых с помощью переключателя пределов. НЕОБХОДИМО ПОМНИТЬ, что цена деления многопредельных приборов на различных пределах измерений — различна. Многопредельность амперметра достигается его шунтированием. Шунт — дополнительное сопротивление, подключаемое параллельно к амперметру (рис. 1). Значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклонится до конца шкалы, называется пределом измерения. Электроизмерительные приборы могут иметь несколько пределов измерений (многопредельные приборы), осуществляемых с помощью переключателя пределов. НЕОБХОДИМО ПОМНИТЬ, что цена деления многопредельных приборов на различных пределах измерений — различна. Многопредельность амперметра достигается его шунтированием. Шунт — дополнительное сопротивление, подключаемое параллельно к амперметру (рис. 1). Значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклонится до конца шкалы, называется пределом измерения. Электроизмерительные приборы могут иметь несколько пределов измерений (многопредельные приборы), осуществляемых с помощью переключателя пределов. НЕОБХОДИМО ПОМНИТЬ, что цена деления многопредельных приборов на различных пределах измерений — различна. Шальнев Г.М., группа АБ-110 8 Многопредельность амперметра достигается его шунтированием. Шунт — дополнительное сопротивление, подключаемое параллельно к амперметру (рисунок 1). Рисунок 1 Шунтирование амперметра При шунтировании только часть измеряемого тока I течет через амперметр ( 𝐼 𝐴 ), остальной ток идет через шунт. Пусть надо измерить ток I в n раз больший, чем максимально допустимый через прибор ток (рис. 1). Здесь 𝑅 𝐴 — внутреннее сопротивление амперметра. Определим сопротивление шунта 𝑅 Ш , пользуясь законом Ома. Напряжение на шунте и амперметре одинаково, т. к. они соединены параллельно: 𝐼 Ш ∙ 𝑅 Ш = 𝐼 𝐴 ∙ 𝑅 𝐴 Полный ток в цепи равен сумме токов: 𝐼 = 𝐼 𝐴 + 𝐼 Ш По условию требуется, чтобы: 𝐼 𝐼 𝐴 = 𝑛 Окончательно находим: 𝑅 Ш = 𝑅 𝐴 𝑛−1 (9) Шальнев Г.М., группа АБ-110 9 Следовательно, для увеличения предела измерения в n раз сопротивление шунта должно быть в (n - 1) раз меньше сопротивления амперметра. Предел измерения вольтметра изменяют с помощью дополнительного сопротивления 𝑅 Д , подключаемого последовательно к вольтметру (рисунок 2). Рисунок 2 Изменение пределов измерений вольтметра Здесь 𝑅 𝑉 — внутреннее сопротивление вольтметра, R — сопротивление нагрузки, на котором измеряется напряжение. Для того, чтобы измерить с помощью вольтметра напряжение, в n раз превышающее максимально измеряемое вольтметром, нужно подключить дополнительное сопротивление, равное: 𝑅 Д = 𝑅 𝑉 ∙ (𝑛 − 1), (10) Эта формула может быть получена из соображений, аналогичных при рассмотрении шунтирующего сопротивления к амперметру. Следовательно, для увеличения предела измерения вольтметра в n раз, последовательно к нему нужно подключить дополнительное сопротивление в (n - 1) раз большее внутреннего сопротивления вольтметра. Рассмотрим простой метод определения сопротивления проводника с помощью вольтметра и амперметра. Измеряя величину тока, протекающего по сопротивлению, и напряжение на нем, можно рассчитать величину сопротивления по закону Ома: 𝑅 = 𝑈 𝐼 (11) Для повышения точности обычно проводится несколько измерений и строится график зависимости силы тока от напряжения (вольтамперная Шальнев Г.М., группа АБ-110 10 характеристика сопротивления, ВАХ), (рисунок 3). Через экспериментальные точки прямую проводят так, чтобы точки в среднем были одинаково расположены по обе стороны от проведенной линии. Относительную погрешность определения сопротивления находим по формуле: 𝛿𝑅 = (√( ∆𝐼 𝐼 ) 2 + ( ∆𝑈 𝑈 ) 2 ) ∙ 100% (12) Рисунок 3 ВАХ резистора Шальнев Г.М., группа АБ-110 11 Абсолютные погрешности при измерении силы тока и напряжения определяются классом точности приборов. В качестве I и U в формуле (12) можно взять наибольшие измеренные величины, если экспериментальные точки отклоняются от прямой не более чем на ∆𝐼 𝐼 и ∆𝑈 𝑈 . Абсолютную погрешность расчета сопротивления определим следующим образом: ∆𝑅 = 𝑅 изм ∙𝛿𝑅 100 (13) Шальнев Г.М., группа АБ-110 12 3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Установка состоит из регулируемого источника постоянного напряжения с подключенными к нему многопредельными амперметром и вольтметром, и неизвестным сопротивлением. Она смонтирована на электрическом стенде согласно схеме, рисунок 4. Рисунок 4 Схема экспериментальной установки Шальнев Г.М., группа АБ-110 13 4. ХОД ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ Таблица 1 Характеристики аналоговых электроизмерительных приборов Наименование прибора Система Класс точности Предел измерений Множитель Число Делений шкалы Цена деления Чувствительность Абсолютная погрешность V 1 Маг.Эл 1.5 5B X0.5 50 0.1B 10 B/дел 0.075B 10B X1 0.2B 5 B/дел 0.15B 20B X2 0.4B 2,5 B/дел 0.3B 30B X3 0.6B 1,67 B/дел 0.45B I 1 Маг.Эл 1.5 100mA X2 25 4 mA 0,25 mA/дел 1.5 mA 150mA X3 6 mA 0,17 mA/дел 2.25 mA 500mA X10 20 mA 0,05 mA/дел 7.5 mA 2000mA X40 80 mA 0,012 mA/дел 30 mA Шальнев Г.М., группа АБ-110 14 Таблица 2 ВАХ резистора U I ∆𝑈, 𝐵 ∆𝐼, 𝐴 𝑅 экст , Ом Дел. В Дел. mA 0 0 0 0 9B 38.8mA 5 2 2 8 250 10 4 4 16 250 15 6 6 24 250 20 8 8 32 250 25 10 10 40 250 30 12 12 48 250 35 14 15 60 233 40 16 17 68 235 45 18 19 76 237 Шальнев Г.М., группа АБ-110 15 ∆𝑈 = 0 + 2 + 4 + 6 + 8 + 10 + 12 + 14 + 16 + 18 10 = 9𝐵 ∆𝐼 = 0 + 8 + 16 + 24 + 32 + 40 + 48 + 60 + 68 + 76 10 = 38.8𝑚𝐴 𝑅 = 2 0.008 = 250 Ом 𝛿𝑅 = (√( 9 18 ) 2 + ( 0.0388 0.076 ) 2 ) ∙ 100% = (0.25 + 0.26) ∙ 100% = 51% 𝑅 изм = 2205 9 = 245 Ом ∆𝑅 = 245 ∙ 51 100 = 124.95 Ом 𝑅 = 245.00 ± 124.95 Ом, 𝛿𝑅 = 51% (14) Шальнев Г.М., группа АБ-110 16 Рисунок 5 график зависимости силы тока от напряжения на сопротивлении (ВАХ резистора). Шальнев Г.М., группа АБ-110 17 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. Амперметр должен обладать малым сопротивлением, а вольтметр большим по сравнению с сопротивлением цепи. 3. Относительная погрешность - в соответствии с классом - 1%. Абсолютная - 1% от предела = ±0,15 В. 4. а) Цена деления: C = 30/500 = 0,6 б) Чувствительность: 𝑆 = 1 0.6 =1.67 5. Нет Шальнев Г.М., группа АБ-110 18 6. ВЫВОД 1.Изучены основные электроизмерительные приборы, определены их основные характеристики, освоена методика измерения с помощью этих приборов. 2.Исследована зависимость силы тока от напряжения на резисторе. 3.Используя амперметр и вольтметр, определена величина неизвестного сопротивления. R = 245.00 ± 124.95 Ом, δR = 51% |