Градуирование амперметра и вольтметра - Ya

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И СОЦИАЛЬНОПРАВОВОЙ ЗАЩИТЫ ДЕТСТВА АДМИНИСТРАЦИИ
ГОРОДА НИЖНЕГО НОВГОРОДА
МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 63 С
УГЛУБЛЁННЫМ ИЗУЧЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ПРЕДМЕТОВ»
Научное общество учащихся
Градуирование амперметра и вольтметра
Выполнил: Димаков Максим
ученик 8т класса
Научный руководитель:
М. В. Самсонова
учитель физики
первой квалификационной
категории
г. Нижний Новгород
2014
Содержание
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...3
ГЛАВА 1.Основные законы постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..5
1.1. Электрический ток. Сила тока. Закон Ома для участка цепи . . . . . . ..5
1.2. Последовательное и параллельное соединение проводников . . . . .6
1.3. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи . . . . . . . . . . .7
ГЛАВА 2. Устройство и принцип действия измерительных приборов . . . 9
2.1. История создания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2. Принцип действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3. Разновидности устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
2.4. Применение измерительных приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.1. Амперметр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.2. Вольтметр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
2.5. Современное состояние приборостроения . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.6. Необходимость измерений и испытаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
ГЛАВА 3. Исследовательская часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.Исходные данные и общие расчеты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.Градуирование амперметра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3Градуировнаие вольтметра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Фотографии проведённых работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2
Введение
Актуальность темы: Жизнь современного человека невозможно представить
без электричества. Промышленность, сельское хозяйство, наука, медицина,
радио и телевидение, интернет, многочисленные виды связи, бытовые приборы
и устройства, системы отопления и кондиционирования воздуха, освещение
городских улиц и автодорог – это лишь незначительная доля применения
электричества в современном мире. И естественно, что прекращение
энергообеспечения даже на незначительный период времени приводит к
полному параличу жизнедеятельности человека, что происходит не так уж и
редко. В ту пору, когда электричество еще не было открыто, человек был
чрезвычайно ограничен в своих возможностях. Огромное число идей, замыслов
и изобретений не могли быть реализованы из-за отсутствия в те времена
существующей ныне электроники. Открытие электротока произвело настоящий
переворот в существовании и мировоззрении всего человечества. Благодаря
этому бесценному и уникальному открытию, люди, жившие в тот момент
времени, получили возможность стремительно развиваться, достигать новых
высот в науке и технике. Человек получил возможность делать свою жизнь
значительно более комфортной, удобной, эффективной и радостной. Основной
пик работ и исследований, связанных с открытием электрического тока
приходится на период с конца XIX века до начала XX века. Этот период
чрезвычайно богат бесценными и удивительными открытиями и изобретениями
в данной области. Именно в этот период была заложена прочная научная база,
которая дала возможность стремительно развиваться электроэнергетике и
достичь современного высочайшего уровня ее развития практически во всем
мире. Вследствие того, что значение электричества во всех сферах
жизнедеятельности современного общества просто колоссально, то проблемы
стабильного и качественного энергоснабжения; надежной и устойчивой
передачи электроэнергии от электрических станций к потребителям; проблемы
бесперебойного функционирования разнообразного электротехнического
оборудования являются чрезвычайно важными и актуальными на сегодняшний
момент времени. В качественном, стабильном и бесперебойном
энергообеспечении на сегодняшний момент времени крайне нуждаются
промышленные и сельскохозяйственные предприятия, правительственные,
финансово-экономические и оборонные структуры, научно-исследовательские
центры, учреждения здравоохранения и образования. Невозможно назвать ту
область современной жизнедеятельности человека, где бы не использовалась
электроэнергия. Поэтому от качественной, эффективной и оперативной работы
структур, обеспечивающих бесперебойное снабжение электроэнергией
3
многочисленных объектов народного хозяйства, зависит, в высшей степени,
благополучное и успешное существование человеческого общества.
Область исследования: законы постоянного тока (основы электродинамики)
Предмет исследования: зависимость силы тока и напряжения от
сопротивления.
Проблема: Определение точности измерительных приборов.
Цели: Цель моей работы - исследовать законы постоянного тока, зависимость
силы тока от напряжения и сопротивления, проградуировать шкалу амперметра
и вольтметра.
Задачи данной работы:
1. Изучить условия возникновения и свойства электрического тока, законы
постоянного тока.
2. Изучить методы измерения силы тока и напряжения электрического тока с
помощью амперметра и вольтметра.
3. Используя доступные методы, измерить ЭДС и внутреннее сопротивление
тока, осуществить градуирование амперметра и вольтметра.
4. Представить в виде таблиц и графиков результаты расчётов, измерений
значений силы тока и напряжения, способствующие градуированию
амперметра и вольтметра.
5. Сравнить результаты исследований и данные на заводской шкале приборов.
Методы исследования: сбор информации, анализ, обобщение, изучение
теоретического материала, проведение лабораторных работ.
Моя работа состоит из трех глав. В первой главе мною были рассмотрены
основные теоретические вопросы, определения и законыпостоянного тока. Во
второй главе я описал подробно устройство, принцип действия и применение
измерительных приборов (амперметра, вольтметра и гальванометра). В третьей
главе описано содержание, таблицы и графики основных исследований
связанных с градуированием амперметра и вольтметра. В своей работе я
использовал учебную, научную и монографическую литературу различных
авторов.
4
Глава 1 Основные законы постоянного тока.
1.1 Электрический ток. Сила тока. Закон Ома для участка цепи.
Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц.
За направление тока принято направление движения положительных зарядов.
Электрический ток вызывает нагревание проводника. Вокруг проводника с
током существует магнитное поле. Электрический ток способен оказывать
химическое действие.
Для создания постоянного тока в цепи необходим источник тока. Сторонние
силы, разделяя электрические заряды внутри источника, создают накопление их
на полюсах. Если замкнуть полюсы источника проводами с нагрузкой, то по
ней потечет ток.
Сила тока - заряд, переносимый через поперечное сечение проводника в
единицу времени:
При токе 1 А через поперечное сечение проводника за 1 с проходит заряд 1 Кл.
За время Δt через поперечное сечение проводника S проходят заряженные
частицы, содержащиеся в объеме
где - их средняя скорость направленного движения.
Если заряд каждой частицы равен q0, а их концентрация n, то общий заряд,
прошедший через поперечное сечение проводника за время t равен
Отсюда сила тока
Электрический ток возникает при наличии свободных заряженных частиц и
электрического поля.
Концентрация свободных носителей заряда в проводниках существенно выше,
чем в диэлектриках. Для создания стационарного электрического поля внутри
проводника между его концами должна поддерживаться разность потенциалов.
5
Если она длительное время остается неизменной, то по проводнику проходит
постоянный электрический ток.
Закон Ома для участка цепи
Сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно
пропорциональна сопротивлению проводника R :
I=U/R
Сопротивление проводника равно 1 Ом, если при напряжении 1 В через него
течет ток 1 А. Сопротивление R проводника прямо пропорционально его длине
l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:
где ρ- удельное сопротивление материала
1.2 Последовательное и параллельное соединение проводников.
При последовательном соединении двух проводников: I=I1=I2, U=U1+U2
Разделив второе равенство на первое, получаем:
Так как I=U1/R1=U2/R2
То U 1/U 2=R 1/R 2
При параллельном соединении двух проводников:
I=I1+I2, U=U1=U2
Разделив первое равенство на второе, получаем:
6
Так как
U=I 1/R1=I 2/R 2
тоI1/I 2=R 1/R 2
1.3 Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.
Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет
кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного
тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся
одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и
ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно
поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно
достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на
отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.
Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять
подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к
положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри
источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие
неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических
зарядов.
ЭДС источника равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках
цепи
где r - внутреннее сопротивление источника.
7
Закон Ома для полной цепи
Сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна
полному сопротивлению цепи:
Работа сторонних сил по перемещению вдоль замкнутого контура заряда
q = I ∆t равна
Она идет на нагревание внешнего и внутреннего участков цепи:
Сокращая, получаем: ε = IR + Ir .
В случае, когда последовательная цепь содержит несколько источников тока,
результирующая ЭДС равна алгебраической сумме ЭДС источников с учетом
их знаков: ε = ε1 + ε2 + ε3 + …, а внутреннее сопротивление - сумме всех их
внутренних сопротивлений: r = r1 + r2 + r3 + … .
8
Глава 2 Устройство и принцип действия измерительных приборов.
2.1 История создания.
Гальвано́метр (от фамилии учёного Луиджи Гальвани и древне
греческого μετρέω «измеряю») —
высокочувствительный
прибор
для
измерения малых постоянных и переменных электрических токов. В отличие от
обычных
микроамперметров шкала гальванометра
может
быть
проградуирована не только в единицах силы, но и в единицах напряжения,
других физических величин, или иметь условную, безразмерную градуировку,
например, при использовании в качестве нуль-индикаторов.
Отклонение магнитной стрелки под действием тока, протекающего в
проводнике было впервые описано Гансом Эрстедом в 1820 году. Это явление
рассматривалось, как один из способов измерения электрического тока. Самое
раннее упоминание о гальванометре сделал Иоганн Швейгер в университете
Галле 16 сентября 1820 года. Термин гальванометр впервые появился в 1836
году по фамилии ученого Луиджи Гальвани.
Ранние гальванометры с подвижным магнитом имели существенный
недостаток: любые магниты или железные предметы воздействовали на
гальванометр и отклонение стрелки не было прямо пропорционально
протекающему току. В 1882 году Жак-Арсен д'Арсонваль и Марсель Депре
разработали гальванометр с неподвижным магнитом и движущейся
проволочной катушкой, подвешенной на тонких проводах. В железной трубке
внутри катушки сосредотачивалось магнитное поле. К катушке прикреплялось
легкое зеркало, которое отклоняло луч света под действием тока в катушке.
Получившийся гальванометр был очень чувствителен и позволял обнаружить
ток силой 10 микроампер.
9
Эдвард Уэстон усовершенствовал эту конструкцию. Он заменил тонкие
провода на спиральные пружины, как в балансном колесе наручных часов. Он
разработал метод стабилизации магнитного поля постоянного магнита, так что
точность инструмента не уменьшалась с течением времени. Уэстон заменил
зеркало на стрелку и использовал плоское зеркало под стрелкой для
исключения параллакса при наблюдениях.
В 1888 году Уэстон запатентовал свое устройство, который стал стандартным
прибором в электрооборудовании. Такая конструкция и сегодня используется в
гальванометрах с подвижной катушкой Долгое время стрелочные
гальванометры
оставались
наиболее
массовой
разновидностью
электроизмерительных приборов.
2.2 Принцип действия.
Чаще всего гальванометр используют в качестве аналогового измерительного
прибора. Он используется для измерения постоянного тока, протекающего в
цепи. Гальванометры конструкции д'Арсонваля Уэстона используемые на
сегодняшний день сделаны с небольшой поворачивающейся катушкой,
находящейся в поле постоянного магнита. К катушке прикреплена стрелка.
Маленькая пружина возвращает катушку со стрелкой в нулевое положение.
Когда постоянный ток проходит сквозь катушку, в ней возникает магнитное
поле. Оно взаимодействует с полем постоянного магнита, и катушка, вместе со
стрелкой, поворачивается, указывая на протекающий через катушку
электрический ток. Угол поворота стрелки пропорционален силе тока,
протекающего через катушку.
2.3 Разновидности и устройство.
Магнитоэлектрический. Представляет собой проводящую рамку (обычно
намотана тонким проводом), закреплённую на оси в магнитном поле
постоянного магнита. При отсутствии тока в рамке она удерживается пружиной
в некотором нулевом положении. Если же по рамке протекает ток, то рамка
отклоняется на угол, пропорциональный силе тока, зависящий от жёсткости
пружины и индукции магнитного поля. Стрелка, закреплённая на рамке,
показывает значение тока в тех единицах, в которых отградуирована шкала
гальванометра.
От прочих конструкций магнитоэлектрическая система отличается наибольшей
линейностью градуировки шкалы прибора (в единицах силы тока или
напряжения) и наибольшей чувствительностью (минимальным значением тока
полного отклонения стрелки).
Электромагнитный. Исторически самая первая конструкция гальванометра.
Содержит неподвижную катушку с током и подвижный магнит (в приборах
10
постоянного тока) или сердечник из магнитного мягкого материала (для
приборов, измеряющих и постоянный, и переменный ток), втягиваемый в
катушку или поворачивающийся относительно неё.
Данная
конструкция
отличается
большей
простотой,
отсутствием
необходимости делать катушку возможно меньшего размера и веса (что
требуется для магнитоэлектрической системы), отсутствием проблемы
подведения тока к подвижной катушке. Однако такие приборы отличаются
существенной нелинейностью шкалы (из-за неравномерностей магнитного поля
сердечника и краевых эффектов катушки) и соответствующей сложностью
градуировки. Тем не менее, применение данной конструкции приборов в
качестве амперметров переменного тока относительно большой величины
оправдано большей простотой конструкции и отсутствием дополнительных
выпрямительных элементов и шунтов. Вольтметры же переменного и
постоянного тока электромагнитной системы наиболее удобны для контроля
узкого диапазона значений напряжения, так как начальный участок шкалы
прибора сильно сжат, а контролируемый участок может быть растянут.
Тангенциальный. Тангенциальный гальванометр - один из первых
гальванометров, использовавшихся для измерения электрического тока. Он
работает с помощью компаса, который используется для сравнения магнитного
поля создаваемого неизвестным током с магнитным полем Земли. Свое
название он получил от тангенциального закона магнетизма, в котором
говорится, что тангенс угла наклона магнитной стрелки пропорционален
соотношению сил двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые это было
описано Клодом Пулье в 1837 году.
Тангенциальный гальванометр состоит из катушки, сделанной из
изолированной медной проволоки, намотанной на немагнитную рамку,
расположенную вертикально. Рамка может поворачиваться вокруг
вертикальной оси, проходящей через ее центр. Компас расположен
горизонтально, в центре круговой шкалы. Круговая шкала разделена на четыре
квадранта, каждый из которых проградуирован от 0° до 90°. К магнитной
стрелке компаса прикреплен длинный алюминиевый указатель. Чтобы избежать
ошибок из-за параллакса под стрелкой устанавливают плоское зеркало.
В процессе работы гальванометр устанавливают так чтобы стрелка компаса
совпала с плоскостью катушки. Затем к катушке подводят измеряемый ток,
который создает магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное
магнитному полю Земли. Стрелка реагирует на векторную сумму двух полей и
отклоняется на угол равный тангенсу отношения этих полей.
11
2.4 Применение измерительных приборов.
Гальванометр является базовым блоком для построения других измерительных
приборов. На основе гальванометра можно построить амперметр и
вольтметр постоянного тока с произвольным пределом измерения.
Основное отличие амперметра от вольтметра состоит в том, что измерительная
катушка амперметра подключена к шунту, установленному в приборе или вне
его, по которому протекает измеряемый ток, измерительная же цепь вольтметра
включается непосредственно в место измерения напряжения.
2.4.1 Амперметр
Для
получения амперметра необходимо
подключить
параллельно
гальванометру шунтирующий резистор. Используя шунты различного
сопротивления можно измерять большие токи.
Схема амперметра приведена на рисунке.
Амперметр измеряет значение тока в цепи и включается последовательно с
нагрузкой, и значит должен иметь минимальное сопротивление, иначе на нём
может падать напряжение, что недопустимо, а также будет выделяться
значительное количество тепла, которое будет приводить к дополнительным
погрешностям. При значительных токах большинство амперметров
включаются в цепь при помощи шунта, через который проходит весь ток
нагрузки, а сам амперметр включается параллельно к шунту.
2.4.2 Вольтметр
Для получения вольтметра необходимо подключить гасящий резистор
(добавочное сопротивление) последовательно с гальванометром.
Схема амперметра приведена на рисунке.
Вольтметр включается параллельно нагрузке или источнику электрической
энергии, на котором производится измерение разности потенциалов. Поскольку
внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его
клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить,
12
что вольтметр измеряет напряжение. Чтобы вольтметр своей нагрузкой не
вносил погрешность в измерения его внутреннее сопротивление должно быть
как можно больше. В некоторых специальных случаях применяют даже
электронные усилители тока, что бы повысить входное сопротивление
вольтметра
Для измерения больших напряжений в вольтметр встраивают добавочные
сопротивления или делители напряжений, или используют вольтметр
совместно с этими устройствами или измерительным трансформатором
напряжения.
Если к гальванометру не подключено никаких дополнительных резисторов, то
его можно считать как амперметром, так и вольтметром (в зависимости от того,
как гальванометр включен в цепь и как интерпретируются показания).
2.5 Современное состояние приборостроения.
В современных условиях аналого-цифровые преобразователи и приборы с
цифровой обработкой сигналов и числовой индикацией величин заменяют
гальванометры в качестве измерительных приборов, особенно в составе
универсальных (Авометров) и в механически сложных условиях работы.
2.6 Необходимость измерений и испытаний.
В современном высокотехнологичном мире безопасность людей напрямую
зависит от состояния и работоспособности электрических приборов. Не
замеченное нарушение изоляции, снижение сопротивления деталей
электроники, неисправность проводки, вот далеко не полный перечень
неисправностей, результатом которых может стать короткое замыкание и
пожар. Следить за состоянием электрических приборов и вовремя обнаружить
неисправность - работа измерительных приборов, и точность их показаний
является важнейшим параметром.
13
Глава 3 Исследовательская часть.
3.1 Исходные данные и общие расчёты.
Итак, имеется: амперметр, вольтметр, проволока из сплава марки Х20Н80,
батарея, резистор с известным сопротивлением, электронный мультиметр.
Для проведения необходимых исследований по градуированию амперметра и
вольтметра измерим сопротивления приборов используемых в опыте, ЭДС и
внутреннее сопротивление источника тока.
Для этого, при помощи электронного мультиметра измерим:
- Электродвижущую силу (ЭДС) источника питания - 4,45В;
- Сопротивление амперметра - 0,2Ом;
- Сопротивление вольтметра - 5,9кОм.
1.Внутреннее сопротивление источника найдем, собрав электрическую цепь в
соответствии со схемой 1.
схема 1.
При помощи вольтметра измерим ЭДС источника при разомкнутом ключе.
Подключив известное сопротивление и замкнув ключ, измерим силу тока в
цепи и напряжение на концах проводника. Далее вычислим внутреннее
сопротивление источника тока (r), получив значение ЭДС(𝜀)=4,45 В, силы тока
I=0,36А и подключив резистор с известным сопротивлением R=12Ом (из
набора).
Искомые значения подсчитаем по формуле (2), которая является следствием
Закона Ома для полной цепи (1)
(1)
14
𝐸
𝑟 = − 𝑅 (2)
𝐼
Это значит, что внутреннее сопротивление источника равно разности
отношения ЭДС источника к силе тока и внешнего сопротивления цепи.
Вычислим значение внутреннего сопротивления источника тока (r):
𝑟=
4,45В
− 12Ом = 0,36Ом
0,36А
2. Для проведения опыта будем использовать проволоку из сплава "Нихром",
марки Х20Н80, диаметром d=1,2 мм. Согласно справочным данным удельное
сопротивление нихрома 𝑞 = 1,1
Ом∗мм2
м
. Для того, чтобы производить расчеты
необходимо узнать длину проволоки, которая создает сопротивление 1 Ом. Для
этого
будем
использовать
формулу
(3),
позволяющую
рассчитать
сопротивление любого проводника
𝑅=
𝑞×𝑙
𝑆
(3),
где q - это удельное сопротивление нихрома,
l- длина проволоки,
s - площадь её поперечного сечения.
Из формулы сопротивления проводника получим формулу длины проволоки
известного сопротивления (4):
𝑙=
𝑅×𝑆
𝑞
(4),
площадь поперечного сечения получим из формулы (5), позволяющей
рассчитать площадь круга:
𝑆 = 𝜋𝑟р 2
(5),
где 𝜋=3,14; 𝑟р – радиус проволоки. По формуле (5) подсчитаем площадь
поперечного сечения исходного проводника
S = 3,14*(0,5*1.2)2 = 1,13мм2.
Таким образом, используя формулу(4), получаем
𝑙=
1Ом∗1,13мм2
Ом∗мм2
м
1,1
= 1,03м, т.е. чтобы создать сопротивление в 1Ом, нужно 1,03
метра проволоки из сплава "Нихром", марки Х20Н80. Отсюда следует, что для
15
создания необходимого сопротивления в 2 Ом нужно 1,03*2=2,06 метра
проволоки и т.д.
3.2 Градуирование амперметра.
3. Возьмем минимальное сопротивление (1Ом) и высчитал силу тока по закону
Ома для полной цепи (6):
𝐼=
в
этой
формуле
𝜀
𝑅 + 𝑟 + 𝑟′
(6),
r-
сопротивление
источника,
а
𝐼=
4,4В
= 2,75𝐴
1Ом + 0,4Ом + 0,2Ом
r'-
сопротивление
амперметра=0,2Ом.
Но предел измерений амперметра - 2А, а подсчитанные показания - 2,75А,
поэтому и сопротивление нужно создать большее, чтобы не выйти за пределы
измерения, градуироваемого амперметра.
4. Рассчитаем величину сопротивления и длину проволоки, необходимые для
получения величины силы тока - 2А. Сопротивление высчитаем по формуле (7),
являющейся следствием закона Ома для полной цепи (6):
𝐸
𝑅 = − 𝑟 − 𝑟′ (7)
𝐼
𝑅=
4,4𝐵
2𝐴
− 0,4Ом − 0,2Ом = 1,8Ом,
тогда длина проволоки, необходимая для создания сопротивления при котором
ток в цепи 2А
l=1,8Oм*1,13мм2/1, 1
Ом∗мм2
м
=1,85м.
5. Принимаем решение градуировать амперметр с шагом значений шкалы 0,2А. Результаты расчётов приведены в таблице:
Таблица 1.
Ток, А
Сопротивление, Ом
Длина, м.
2
1,8
1,85
1,8
1,84
1,9
1,6
2,15
2,21
1,4
2,54
2,61
16
1,2
3,1
3,18
1
3,8
3,9
0,8
4,9
5,03
0,6
6,7
6,9
0,4
10,4
10,7
0,2
21,4
22
На диаграмме графически представлена зависимость тока от сопротивления.
Сопротивление, Ом
25
20
15
10
5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Ток, А
Зависимость не линейная, так как в цепи еще участвуют внутреннее
сопротивление амперметра и источника. При малых значениях сопротивления
они будут играть большую роль. И наоборот, при больших значениях
сопротивления сопротивление источника и амперметра влияют на показания
амперметра меньше. Поэтому если продлить график, он будет все более
прямолинейным.
6. Соберем электрическую цепь в соответствии со схемой 2,
схема 2.
17
где присутствовал амперметр, источник и проволока из сплава "Нихром",
марки Х20Н80, с отметками длин в соответствии с таблицей.
На проволоке сделаем отметки расчётных длин согласно таблице. Снимем с
амперметра крышку. В промежуток между стрелкой и заводской шкалой
вставим чистый бумажный лист. Отметим карандашом нулевое положение
стрелки.С помощью зажимов замкнем электрическую цепь на участке
соответствующем показанию - 2А. Зафиксируем положение стрелки прибора.
Замыкаем цепь кратковременно, чтобы не разряжать источник, в нашем случае
батарею. После чего замыкаем цепь на следующем участке длины, отмечаем
положение стрелки прибора. То же самое проделываем и с другими известными
по таблице длинами, отмечая на амперметре значения. В результате
исследования
получаем
проградуированную
шкалу
амперметра.
При
сравнении с заводской шкалой амперметраполучаются минимальные отличия.
3.3 Градуирование вольтметра.
Для градуирования вольтметра будем собирать электрическую цепь в
соответствии со схемой 3.
Значения R1, R2, ...Ri соответствуют рассчитанным далее значениям
сопротивлений.
схема 3.
Сопротивление участка цепи, необходимое для градуирования вольтметра,
рассчитывается согласно формуле (8):
R1𝑖 =
𝑟𝑏∗𝑅𝑖
𝑟𝑏+𝑅𝑖
(8),
где rb - это внутреннее сопротивление вольтметра. Полное сопротивление цепи
равно:
18
R=Ri+(Ro-Ri)+r', где r' - внутреннее сопротивление источника тока, а Ri сопротивление соответствующего участка цепи.
Ток в цепи определяется по закону Ома (9):
𝜀
𝐼 = 𝑟𝑏∗𝑅𝑖
+ (𝑅𝑜 − 𝑅𝑖 ) + 𝑟′
(9),
𝑟𝑏 +𝑅𝑖
Сопротивление источника тока оказывает столь малое влияние на результат
вычислений, что им можно пренебречь.
Напряжение на участке вычисляем по формуле (10):
𝑈𝑖 =
𝜀
𝑟𝑏 𝑅𝑖
+(𝑅0 −𝑅𝑖 )
𝑟𝑏 +𝑅𝑖
×
𝑟𝑏 𝑅 𝑖
𝑟𝑏 +𝑅𝑖
(10)
Преобразовав выражение (10) получаем выражение (11):
𝑈𝑖 =
𝜀
𝑅𝑜 𝑅𝑜 −𝑅𝑖
+
𝑅𝑖
𝑟𝑏
(11),
При вычислении
𝑅𝑜 −𝑅𝑖 21,4Ом−𝑅𝑖
=
𝑟𝑏
5900Ом
максимальное значение может быть - 0,005 Ом, и в расчёте можем не
учитывать. Тогда напряжение участка рассчитается по формуле (12):
𝜀
𝑈𝑖 =
𝑅𝑜
𝑅𝑖
.
(12)
Преобразовав формулу (12), искомое сопротивление для градуирования
вольтметра находим по формуле (13):
𝑅𝑖 =
𝑅𝑜 ∗𝑈𝑖
𝜀
(13)
7.Для градуирования вольтметра подсчитаем значения сопротивления при
напряжениях
от 0 до 4В, кратные 0,5В. Значение напряжения и
соответствующее ему значение делений шкалы вольтметра при данном
сопротивлении R1i записал в таблицу 2. Длину проволоки подсчитываем исходя
из удельного сопротивления 1,1
Ом∗мм2
м
. Вольтметр решаем градуировать с
шагом 0,5В. Результаты расчётов заносим в таблицу 2:
Таблица 2.
19
№
Вычисленное
Ri/Oм
значение Длина проволоки, м
напряжения, Ui
1
2,43
0,5
2,5
2
4,86
1
5
3
7,3
1,5
7,5
4
9,73
2
10
5
12,16
2,5
12,5
6
14,6
3
15
7
17,02
3,5
17,5
8
19,45
4
20
На диаграмме графически представлена полученная зависимость напряжения
от сопротивления.
25
Сопротивление, Ом
20
15
10
5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Напряжение, В
20
Зависимость между задаваемым сопротивлением и напряжением участка
линейная.
8.На проволоке сделаем отметки расчётных длин, согласно таблице. Снимем
крышку вольтметра, положим на заводскую шкалу лист бумаги и отметим
нулевое положение стрелки.
С
помощью
зажимов
произведем
замер
напряжения
на
участке
соответствующем показанию - 4В. Зафиксируем положение стрелки прибора.
То же самое проделываем и с другими известными по таблице длинами,
отмечая на вольтметре показания стрелки. В результате эксперимента получаем
проградуированную шкалу вольтметра. При сравнении полученной шкалы
вольтметра с заводской шкалой получаем минимальные отличия.
21
Заключение
В своей работе я в первую очередь посвятил изучению основных
теоретических вопросов, ответил на вопрос, что такое электрический ток и
каковы необходимые условия возникновения электрического тока, что такое
электродвижущая сила и каково её назначение. Познакомился с законами Ома
для участка и полной цепи, законами последовательного и параллельного
соединения, изучил методы измерения силы тока и напряжения электрического
тока с помощью амперметра и вольтметра, рассмотрел зависимость силы тока
от напряжения и сопротивления. Далее, используя доступные методы, измерил
ЭДС и внутреннее сопротивление тока, осуществил градуирование амперметра
и вольтметра.
Представленные в виде таблиц и графиков результаты расчётов,
измерений значений силы тока и напряжения, способствующие градуированию
амперметра и вольтметра, подтверждают основные теоретические выкладки,
согласно которым сила тока обратно пропорциональна общему сопротивлению
в цепи, а напряжение на участках прямо пропорционально сопротивлению
этого участка.
Сравнив результаты полученных исследований и данные на заводской
шкале приборов, можно с уверенностью сказать о том, что использованный
мной метод с небольшой погрешностью позволяет достаточно точно
проградуировать шкалу амперметра и вольтметра.
Кроме того, я выяснил, что для обеспечения стабильности,
эффективности
и
безопасности
при
функционировании
систем
энергоснабжения и электрооборудования чрезвычайно большое значение
имеют своевременные комплексные электроизмерения и электроиспытания.
Электроизмерения, выполненные в строгом соответствии с принятыми
технологическими нормами и установленными сроками, позволяют в
значительной степени повысить уровень пожаробезопасности объектов
различного назначения, предотвратить вероятность поражения электрическим
током потребителей электроэнергии и обслуживающего персонала.
Комплексные электроизмерения дают возможность привести в соответствие с
проектно-технической
документацией
параметры
и
характеристики
действующего или вводимого в строй электрооборудования, а также
осуществить проверку правильности электромонтажа.
22
Список используемой литературы
1. А. В. Перышкин. Физика.8кл.:Учебник для общеобразоват.учеб.
заведений.-М: Дрофа, 2010 год.
2. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Учебник: Физика 10кл.М: Просвещение, 2012 год.
3. Физика и астрономия: Учеб.для 8 класса общеоразоват. учреждений / А.
А. Пинский, В. Г. Разумовский, Н. К. Гладышева и др.; Под ред. А. А.
Пинского, В. Г. Разумовского. – М.: Просвещение, 2011.»
4. http://elektrolaboratoriyavpermi.ru/vidyizmereniy.html
5. http://lifeandlight.ru/svet-i-chelovek/istoriya-osveshheniya/istoriya-razvitiyaelectro-osvescheniya.html#ixzz2omVEDYpU
6. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/121236
23
Приложение 1
Схема 1
Нулевое положение амперметра
Напряжение источника тока
Отметки длин для градуирования
амперметра
Градуирование амперметра - значение 1,6А
24
Градуирование амперметра - значение 0,8А
Граудирование вольтметра - значение 1В
Градуирование вольтметра - 1,5В
Градуирование вольтметра - 3В
Проградуированные шкалы вольтметра и амперметра.
25