книги / Электромагнетизм

22

Лицевая панель прибора изображена на рис. 3.3, где зажимы НЭ,

грубо точно

Рис. 3.3

БП, Х служат для подключения нормального элемента N, батареи питанияи источника с неизвестной ЭДС - х. Как правило, N и уже подключены и находятся внутри потенциометра, поэтому переключатели должны быть в положении “В” (внутреннее). Ключ ”Питание” соответствует ключу К1 (см. рис. 3.2), ключ “K” и “И” - переключателю П.

При компенсации N ключ К1 замыкают, переключатель П ставят в положение “К” (контроль). Во всех участках цепи (рис.3.2) будет течь ток. Рукоятками Р1 (грубая настройка) и Р2 (доводка) устанавливают ток в гальванометре IГ = 0. При этом падение напряжения на участке R ab будет равна N , т.е.

I R аb = N .

После этого рукоятки Р1 и Р2 трогать нельзя.

Ток I , который течет через резистор R (рис. 3.2) , при отсутствии тока в гальванометре будет постоянным и называется рабочим током.

Величина его зависит только от и полного сопротивления контура, по которому течет ток I.

При определении х нужно переключатель П поставить в положение

“И” (измерение). При этом в цепь (см. рис. 3.2) вместо N будет включен х Нажав кнопку “Грубо”, замкнем цепь гальванометра и по ней будет течь ток.

Рукоятками L1 и L2 (они связаны с сопротивлением R) установим ток в гальванометре, равный нулю. Затем вместо кнопки “Грубо” нужно нажать кнопку “Точно” и рукояткой L2 установить Ir = 0.

23

Конструктивно потенциометр устроен так, что величина измеряемой ЭДС х определяется в милливольтах показаниями шкал, которые расположены под рукоятками L1 и L2 (измеряемая ЭДС равна сумме показаний при Iг = 0).

Порядок выполнения работы

1.Установить рабочий ток I (скомпенсировать N).

2.Определить х . Так как х должна быть меньше , а у нас они

одного порядка, то х нужно подключать не непосредственно к клеммам “X”, а через делитель напряжения. Составить схему такого подключения

ивнести ее в отчет. Зная, какая часть от х будет измерена, легко

подсчитать и все х.. Измерять х нужно не менее шести раз.

После каждого измерения рукоятками L1 и L2 сбиваются показания. Результаты занести в таблицу. Таблицу сделать самостоятельно.

3.Обработать результаты измерений:

а) найти полуширину доверительного интервала по формуле

где S - среднеквадратичное отклонение; t (n) - коэффициент Стьюдента, выбирается в зависимости от надежности ( 0,95) и числа измерений n; k - коэффициент Стьюдента при n , k t ( ); - максимальная погрешность прибора; - цена деления шкалы прибора (в данном случае при L2);

б) найти относительную ошибку; в) окончательный результат записать в виде

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Записать закон Ома для однородного и неоднородного участков цепи.

2.Записать закон Ома для замкнутой цепи.

3.Каков физический смысл разности потенциалов, напряжения,

ЭДС?

4.Порядок выполнения работы.

24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ

Цель работы: ознакомиться с методом градуировки термопары. Приборы и принадлежности: термопара, термометр, колба с

водой, электроплитка, потенциометр (прибор для измерения ЭДС источника тока. Принцип действия и описание его даны в работе № 3) или гальванометр.

Сведения из теории

Термопара представляет собой два разнородных проводника (I и II), соединенные своими концами (рис. 4.1, а). Места соединений называют спаями (А и В). Если температуры спаев не одинаковы (например, ТА>ТВ), то в цепи термопары потечет ток (термоток) - явление Зеебека.

Рис. 4.1 Рис. 4.2

Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС пропорциональна разности температур “горячего” (А) и “холодного” (В) спаев

где - удельная термо-ЭДС, определяется свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, для пары железо - константан= 5,3 10-5 В/К.

Возникновение термотока при ТА ТВ связано с наличием разных по величине контактных разностей потенциалов (КРП) в спаях А и В. КРП в любом из спаев определяется выражением

При одинаковых температурах спаев их КРП одинаковы, но противоположны по направлению. ЭДС, равная алгебраической сумме скачков потенциалов в цепи, в этом случае нулевая, так как имеется два одинаковых источника тока, соединенных одинаковыми полюсами (рис. 4.1, б).

Если ТА ТВ, то

/ A/ / B/,

= A - B = k ln n1 (T T ), e n2 A B

что совпадает с формулой (4.1), если

k ln n1 . e n2

Используются термопары чаще всего для измерения высоких (или низких) температур. Для этого “горячий” спай помещают в среду, температуру Т которой хотят узнать (ТА = Т), а “холодный” спай - в среду с известной температурой ТВ = ТО (например, в тающий лед). Измерив термо-ЭДС (термоток) и зная , по формуле (4.1) легко вычислить Т. При измерениях удобно иметь предварительно проградуированную термопару. В этом случае нет необходимости в знании . По измеренным ЭДС и Т непосредственно по графику = f( Т = Т - ТО) определяют Т, а значит, и Т. Задача данной лабораторной работы состоит в том, чтобы получить градуировочную кривую. Градуировку термопары производят по той же схеме (рис. 4.2), что и при измерениях температуры, с той лишь разницей, что “горячий” спай здесь помещают в среду, температуру которой можно изменить и измерить независимым от термопары способом (обычным термометром).

П р и м е ч а н и е. Очень часто ”холодный” спай оставляют при температуре окружающего воздуха (особенно при измерении температур в производственных условиях). В этом случае нет необходимости

как на рис. 4.3) присоединить непосредственно к зажимам потенциометра (красный провод к “+”).

3. Измерить и записать температуру “холодного” спая - комнатную температуру. Эти и последующие измерения занести в табл. 4.1.

4.Включить плитку в сеть и довести воду в колбе до кипения.

5.Измерить температуру “горячего” спая и с помощью потенцио-

метра определить термо-ЭДС ( ).

6. Выключить плитку. Следя за температурой “горячего” спая, произвести 6 - 7 измерений ЭДС (п. 5) при других температурах - приблизительно через каждые 10о.

П р и м е ч а н и е. Пока производятся измерения, температура воды, т.е. “горячего” спая, понизится. В таблицу следует записать температуру, соответствующую концу измерений.

7. По измеренным данным нанести точки на график = f ( Т), не проводя пока линии самого графика.

8. По формуле

i Ti ,

Ti 2

27

которая следует из метода наименьших квадратов, вычислить коэффициент , совпадающий с тангенсом угла наклона прямой = f( Т) к оси абсцисс.

9. По данным п. 8 построить график = f( Т). Это и есть градуировочный график, которым можно воспользоваться при измерении температур данной термопарой.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Работа выхода электрона из металла.

2.Контактная разность потенциалов (КРП): а) сущность явления; б) законы Вольта; в) величина КРП;

3.Явление Зеебека: а) сущность явления; б) объяснение явления;

4.Термопара (устройство, градуировка, использование).

5.Сущность явления Пельтье.

6.Сущность явления Томсона.

7.Сущность метода наименьших квадратов для установления эмпирической зависимости между величинами.

8. Преимущества термопары по сравнению с термометрами.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В МЕЖПОЛЮСНОМ ЗАЗОРЕ ПРИБОРА МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Цель работы: ознакомиться с принципом действия измерительного прибора магнитоэлектрической системы, определить величину индукции магнитного поля в межполюсном зазоре прибора, исследовать графически зависимость угла поворота рамки прибора от силы тока в ней.

Приборы: амперметр магнитоэлектрической системы, шкала которого специально для данной работы проградуирована в градусах; два реостата; амперметр или прибор комбинированный типа Ф 4313, Ц 4315, Ц317 для измерения тока, напряжения и сопротивления.

Сведения из теории

Движущиеся заряды (токи) изменяют свойства окружающего их пространства - создают в нем магнитное поле. Наличие магнитного поля проявляется в действии силы на движущиеся в нем заряды (токи).

28

Если в магнитное поле поместить небольшую свободно ориентирующуюся (поворачивающуюся до тех пор, пока действует вращающий момент) рамку с током, то она установится определенным образом. Следовательно, магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину называют

индукцией магнитного поля (магнитной индукцией) и обозначают B .

За направление вектора B принимают направление положительной нормали (положительная нормаль к плоскости рамки образует правый винт с направлением тока в рамке), установившейся и свободно ориентирующейся небольшой рамки с током.

Согласно гипотезе Ампера в постоянных магнитах в частности, в магнитной стрелке, круговые «молекулярные токи» расположены в параллельных плоскостях и направлены в одну сторону. Благодаря этому действие магнитного поля на магнитную стрелку аналогично действию на

рамку с током. Поэтому за направление вектора B берут также

направление, в котором устанавливается северный конец магнитной стрелки, помещенный в данную точку поля.

Следовательно, вектор магнитной индукции численно равен отношению силы, действующей со стороны магнитного поля на элемент проводника с током, к произведению силы тока на длину элемента, если он расположен перпендикулярно вектору магнитной индукции.

Если индукция B в каждой точке поля одинакова, то такое поле называется однородным. В случае однородного магнитного поля и прямого проводника с током, расположенного перпендикулярно линиям индукции, из формулы (5.2) получим

29

что позволяет простейшим образом установить единицу измерения магнитной индукции B. В СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). Тесла есть индукция такого однородного магнитного поля, в котором на проводник с током в 1 ампер длиной 1 метр, расположенный перпендикулярно линиям индукции, действует сила в 1 ньютон.

Примером практического применения действия магнитного поля на проводник с током служат электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы.

Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы

Устройство прибора магнитоэлектрической системы, который может служить для измерения тока, напряжения и т.п. показано на рис.5.1.

Для уменьшения трения ось рамки оканчивается стальными кернами, опирающимися на подпятники, изготовленные из агата, рубина или корунда. С осью жестко связана стрелка прибора.

При включении прибора в электрическую цепь ток проходит по виткам рамки. При этом на каждую сторону рамки, расположенную в

Рис.5.2

магнитном поле зазора, действует сила F . С учетом числа витков рамки k согласно закону Ампера (5.4) имеем

l1 - длина той стороны рамки, которая расположена в зазоре; направление силы F определяется правилом ”левой руки” (линии магнитной индукции входят в ладонь, четыре пальца направлены по току, отогнутый большой

палец показывает направление силы). Каждая из сил F создает вращающий момент рамки, модуль которого равен

M1 = k B I l1 l2 / 2,

где l2 - длина стороны рамки, не помещенной в зазор.

Направление вектора M 1 можно определить по правилу ”правого винта”: если вращать винт так, как вращает рамку приложенная сила, то

поступательное движение винта указывает направление вектора M1. На рис.5.2 вектор M 1 направлен по оси вращения рамки к нам и обозначен точкой.

Момент пары сил, приложенных к рамке