СтройПортал

Статьи и рекомендации

Гальванометр

Физика А.В. Перышкин

1.Как можно наблюдать на опыте тепловое действие тока?

Тепловое действие тока можно наблюдать на проволоке, через которую пропускают электрический ток, она нагревается, удлиняется от нагревания и провисает. Если ток увеличить, можно нагреть проволоку докрасна. В лампах накаливания вольфрамовая спираль накаляется током до яркого свечения.

2. Как можно наблюдать на опыте химическое действие тока?

Химическое действие тока состоит в выделении веществ из растворов при прохождении через
них электрического тока — явление электролиза используется для получения чистых металлов. На опыте это можно продемонстрировать, пропуская ток через раствор медного купороса, получая на отрицательно заряженном электроде чистую медь.

3. Где используют тепловое и химическое действия тока?

Тепловое действие электрического тока используется в различных нагревательных приборах: плитах, утюгах, лампах накаливания, обогревателях воздуха и воды, полов, грелках и т.п. Химическое действие электрического тока используется в промышленном производстве чистых металлов и других веществ электролизом.

4. На каком опыте можно показать магнитное действие тока?

Магнитное действие электрического тока можно продемонстрировать следующим опытом. На железный гвоздь намотать медную проволоку в изоляции, концы которой подсоединить к источнику тока. Когда ток идет, к гвоздю примагничиваются мелкие железные предметы: скрепки, гвоздики, кнопки, как только цепь разрывается, магнитное действие пропадает, все осыпается.

5. Какое действие тока используют в устройстве гальванометра?

В устройстве гальванометра используют явление взаимодействия катушки с током и магнита.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Большинство электроизмерительных приборов имеют много общего в конструкции. Поэтому можно выделить основные узлы измерительного механизма этих приборов. Это – устройства, создающие вращающий момент; устройства, создающие противодействующий момент, зависящий от угла отклонения стрелки (спиральные пружинки или растяжки); отсчетное устройство (шкала и стрелка или световой указатель); успокоительный механизм, гасящий колебания, возникающие в измерительном устройстве; вспомогательные устройства (стрелочные упоры, корректоры и т. д.).

В зависимости от устройства, создающего вращающий момент, приборы разделяют на системы: приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической систем; цифровые и т. д.

Приборы магнитоэлектрической системы

Принцип работы приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии измеряемого тока, протекающего по обмотке подвижной катушки, с магнитным полем постоянного магнита. Схема устройства показана на (рис.7). Магнитное поле создается сильным постоянным магнитом 1 подковообразной формы, к ножкам которого прикреплены полюсные наконечники 2 с вогнутыми цилиндрическими поверхностями.

Рис.7.

Между ними неподвижно укреплен железный сердечник 3. В небольшом зазоре между сердечником и полюсными наконечниками постоянного магнита может свободно поворачиваться на оси катушка 4. На оси 5, связанной с катушкой, закреплена стрелка 6, конец которой перемещается по шкале 7. Каркас катушки сделан из алюминия. При прохождении тока через рамку возникает вращающий момент, под действием которого подвижная часть прибора поворачивается вокруг своей оси на некоторый угол α.

Вращающий момент прямо пропорционален силе тока:

где k1= B · S · n,

B – магнитная индукция поля постоянного магнита,

S – площадь катушки,

n – число витков катушки.

Противодействующий момент создается спиральными пружинами 8 и пропорционален углу поворота рамки:

где k2 – коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины. При равновесии подвижной части прибора вращающий момент равен противодействующему. Из этого условия равновесия для приборов магнитоэлектрической системы следует, что угол отклонения катушки (а, следовательно, и стрелки) пропорционален протекающему по катушке току и поэтому их шкалы равномерны. Линейная зависимость между током и углом отклонения является большим достоинство приборов магнитоэлектрической системы.

Магнитоэлектрические приборы служат только для измерения постоянного тока и напряжения, так как направление поворота рамки зависит от направления тока в ней. Если по катушке пропустить переменный ток частотой 50 Гц, то направление вращающего момента станет меняться сто раз в секунду, подвижная часть не будет успевать за током и стрелка не отклонится.

Приборы электромагнитной системы

Принцип работы приборов электромагнитно системы (рис.8) основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки 1 с подвижным сердечником из ферромагнитного материала 2, внесенного в это поле.

Рис.8.

Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора, пропорционален квадрату силы тока:

где С – коэффициент, зависящий от числа витков катушки, материала, формы сердечника и его положения относительно подвижной части. При равновесии подвижной части прибора угол поворота оказывается пропорционален квадрату тока.

Вследствие этого шкала приборов электромагнитной системы неравномерна.

С изменением направления тока меняется направление магнитного поля в катушке, вследствие чего сердечник перемагничивается. Поэтому приборы электромагнитной системы могут применяться в цепях как постоянного, так и переменного токов.

Приборы электродинамической системы

Принцип работы приборов электродинамической системы (рис. 9) основан на взаимодействии двух катушек (рамок), по которым течет ток. Одна из них неподвижна, а другая подвижна. Перемещение катушек относительно друг друга обусловливается тем, что проводники, по которым протекают токи одного направления, притягиваются, а с токами противоположных направлений – отталкиваются.

Подвижная катушка 2 жестко связана со стрелкой 3, может вращаться на оси внутри неподвижной катушки 1. Вращающий момент, созданный взаимодействием магнитных полей катушек, пропорционален произведению силы тока в подвижной катушке и силе тока в неподвижной катушке :

где С1 – коэффициент, зависящий от числа витков катушек, размеров и формы катушек и их взаимного расположения. Противодействующий момент создается спиральными пружинами 4 и пропорционален углу α:

,

где С2 – коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины. Из условия равновесия несложно определить, что угол поворота стрелки пропорционален токам, протекающим через катушки

Следовательно, шкалы амперметра и вольтметра электродинамической системы неравномерны.

Рис.9.

При перемене направления тока в катушках направление вращающего момента не меняется, поэтому эти приборы пригодны для измерений, как на постоянном, так и на переменном токе.

На практике электродинамические приборы широко применяются для измерения мощности (ваттметры). Электродинамический ваттметр (Рис.10) состоит из двух катушек.

Рис.10.

Неподвижная катушка 1 намотана толстым проводом и имеет небольшое число витков и включается последовательно с тем участком цепи, на котором измеряется мощность. Подвижная катушка 2 имеет большое количество витков и включается в цепь параллельно потребителю H. В этом случае угол поворота будет пропорционален мощности: . То есть шкалу прибора можно проградуировать в ваттах и шкала будет равномерной. Ваттметры имеют два верхних предела измерений: по току и по напряжению. Они указываются обычно на переключателе пределов или около соответствующих клемм. Верхний предел измерений по мощности определяется как произведение верхних пределов по току и напряжению.

Приборы электростатической системы

Принцип работы приборов электростатической системы основан на кулоновском взаимодействии заряженных проводников, точнее, на действии электростатического поля, созданного между двумя неподвижными электродами, на подвижный электрод.

Конструктивно приборы этой системы представляют собой воздушный конденсатор (рис.11).

Рис.11.

Когда к неподвижным электродам 1 приложено напряжение, подвижный электрод 2 стремится расположиться так, чтобы электроемкость была наибольшей, вследствие чего подвижная часть отклоняется от первоначального положения.

Вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора, пропорционален квадрату напряжения:

Вследствие этого угол поворота стрелки прибора также пропорционален квадрату напряжения и шкала приборов электростатической системы неравномерна. Вращающий момент в приборах этой системы весьма мал, поэтому чувствительность прибора невелика. Этот недостаток компенсируется такими достоинствами, как возможность измерения на высоких частотах и в высокоомных цепях.

Цифровые измерительные приборы

Основой цифрового прибора является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В настоящее время имеется множество схемотехнических принципов построения АЦП, однако общим из них является сравнение измеряемой величины с набором эталонов. Основными характеристиками АЦП являются точность преобразования (число разрядов в выходном коде) и быстродействие. Можно условно разделить АЦП на два класса: последовательного счета, когда выходной код определяется равенством измеряемого напряжения с дискретно растущим эталонным напряжением, и параллельного, когда сигнал сравнивается с набором эталонных напряжений.

Широкое распространение получили цифровые измерительные прибора для измерения малых сигналов, а также для измерений в слаботочных цепях. Цифровые приборы представляют собой сочетание электронного усилителя и системы цифровой индикации. Структурная схема цифровых приборов представлена на рис.12.

Рис.12.

При измерении электронными приборами с цифровой индикацией измеряемая величина (напряжение постоянного тока Ux, постоянный ток Ix или сопротивление Rx) подается на вход аналогового масштабного преобразователя (АМП), который преобразует ее в напряжение постоянного тока U . Сигнал U поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП, где происходит его измерение. Результат измерения с выхода АЦП выдается на устройство индикации УИ, где высвечивается измеряемая величина в цифровом значении.

Приборы с цифровой индикацией дают более точный отсчет измерений, независимый от человека, проводящего измерения.

Приложение 1

Условные обозначения, наносимые на электроизмерительные приборы

Обозначения принципа действия прибора

1. Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой

2. Электромагнитный прибор

3. Электродинамический прибор

4. Электростатический прибор

5. Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом

6. Ферродинамический прибор

7. Индукционный прибор

8. Выпрямительный прибор с магнитоэлектрическим измерительным механизмом

9. Тепловой прибор

Обозначения класса точности

0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0

Обозначения тока

  1. Постоянный

  1. Переменный однофазный

  1. Постоянный и переменный

Обозначения положения прибора

1. Горизонтальное положение шкалы

2. Вертикальное положение шкалы

3. Наклонное положение шкалы под углом к горизонту

Обозначения единиц измерения физических величин

1. Ампер – A

10. Микроом – мкОм

2. Миллиампер – мА

11. Фарада – Ф

3. Микроампер – мкА

12. Микрофарад – мкФ

4. Вольт – B

13. Нанофарад – нФ

5. Киловольт – кВ

14. Пикофарад – пФ

6. Милливольт – мВ

15. Генри – Гн

7. Ом – Ом

16. Миллигенри – мГн

8. Мегаом – МОм

17. Микрогенри – мкГн

9. Килоом – кОм

18. Тесла – Тл

Приставки и множители

для образования десятичных кратных и дольных единиц

Приставка

Символ

Множитель

Приставка

Символ

Множитель

Дека

да

Деци

д

Гекто

г

Санти

с

кило

к

Милли

м

мега

М

Микро

мк

гига

Г

Нано

н

тера

Т

пико

п

Обозначения условий работы и защиты

1. Измерительная цепь прибора изолирована от корпуса и испытана напряжением 2 кВ.

2. Прибор нормально работает на частоте 500 Гц

500 Hz

3. Прибор нормально работает на частотах от 45 до 500 Гц

45-500 Hz

4. Прибор защищен от внешних магнитных полей

5. Прибор защищен от электрических полей

6. Направление ориентировки прибора в земном магнитном поле

7. Внимание! Смотри дополнительные указания в инструкции

Обозначения на корпусе прибора

1. Отрицательный зажим

2. Положительный зажим

+

3. Общий зажим (для комбинированных и многопредельных приборов)

Þ

4. Зажим, соединенный с корпусом

5. Зажим для заземления

6. Корректор

Типовая инструкция по правилам безопасности труда

для студентов

1. Входите в лабораторию только с разрешения преподавателя или лаборанта.

2. Будьте внимательны и дисциплинированы, точно выполняйте указания преподавателя.

3. Перед выполнением лабораторной работы изучите ее содержание и порядок выполнения.

4. Размещайте приборы и материалы на своем рабочем месте таким образом, чтобы исключить их падение или опрокидывание.

5. Не приступайте к выполнению лабораторной работы без разрешения преподавателя или лаборанта.

б. При работе с приборами из стекла (мензурка, пробирка, стакан, термометр) соблюдайте особую осторожность.

7. Собранную электрическую цепь подключайте к источнику тока после проверки и с разрешения преподавателя или лаборанта.

8. Следите за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях. Не прикасайтесь к вращающимся частям

приборов и механизмов.

9. При сборке электрических цепей избегайте пересечения и скручивания соединительных проводов.

10. При проведении опытов не допускайте короткого замыкания проводов и перегрузок измерительных приборов (динамометр, амперметр, вольтметр).

11. Не производите присоединения в электрических цепях до отключения их от источника тока.

12. При обнаружении неисправностей в электрических цепях и приборах, немедленно отключите их от источника тока и сообщите об этом преподавателю или лаборанту.

13. По окончании работы отключите источник тока, после чего разберите электрическую цепь.

14. Не уходите с рабочего места без разрешения преподавателя или лаборанта.

Заведующий лабораторией электричества Коротков П.К.

Примерный перечень перевязочных средств и медикаментов для аптечки в лаборатории электричества

  1. Бинт – 2 упаковки
  2. Бинт эластичный трубчатый – 1 упаковка
  3. Вата стерильная – 1 пакет
  4. Лейкопластырь – 1 рулон
  5. Жгут резиновый 1 шт.
  6. Раствор йода спиртовой 5 %-ый – 1 флакон
  7. Раствор пероксида водорода 3 %-ый
  8. Валидол – 1 упаковка
  9. Нашатырный спирт – 1 ампула
  10. Ножницы – 1 шт.
  11. Нитросорбид – 1 упаковка
  12. Пакет гипотермический для оказания первой помощи при ушибах и переломах – 1 упаковка
  13. Активированный уголь – 1 упаковка
  14. Анальгин – 1 упаковка
  15. Раствор бриллиантовый зеленый 1 % – 1 ампула

Вопросы

1. Классификация электроизмерительных приборов.

2. Характеристики электроизмерительных приборов. Определение цены деления однопредельных и многопредельных приборов. Снятие показаний с электроизмерительных приборов.

3. Погрешности электроизмерительных приборов. Классы точности электроизмерительных приборов. Как по классу точности определить погрешности прибора?

4. Основные узлы измерительных механизмов электроизмерительных приборов.

5. Устройство и принцип действия электроизмерительных приборов различных систем.

6. Нарисовать и объяснить общую структурную схему цифрового измерительного прибора.

7. Комбинированные аналоговые и цифровые электроизмерительные приборы.

8. Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов.

Литература

1. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин. М.: «Дрофа», 2005;

2. Панфилов В. А. Электрические измерения. М.: «Академия», 2008;

3. Савельев И. В. Курс общей физики в 5 классе кн. 2. Электричество и магнетизм. АСТ: Астрель, 2005, 336с.;

4. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш.шк.2008, 543 с.

Применение

Измерительные приборы

Гальванометр является базовым блоком для построения других измерительных приборов. На основе гальванометра можно построить амперметр и вольтметр постоянного тока с произвольным пределом измерения:

  • Для получения амперметра необходимо подключить шунтирующий резистор параллельно гальванометру.
  • Для получения вольтметра необходимо подключить гасящий резистор (добавочное сопротивление) последовательно с гальванометром.

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).

Экспонометр, термометр

В сочетании с датчиком света (фотодиодом) или температуры (термоэлементом), гальванометр может быть использован в качестве, соответственно, экспонометра в фотографии, измерителя разности температур и т. п.

Баллистический гальванометр

Для измерения заряда, протекающего через гальванометр в виде короткого одиночного импульса, используется баллистический гальванометр, в котором наблюдают не отклонение рамки, а её максимальный отброс после прохождения импульса.

Нуль-индикатор

Гальванометр используется также в качестве указателя (нуль-индикатора) отсутствия тока (напряжения) в электрических цепях. Для этого он обычно исполняется с нулевым положением стрелки посередине шкалы.

Механическая запись электрических сигналов

Гальванометры используется для позиционирования писчиков в осциллографах, например в аналоговых электрокардиографах. Они могут иметь частотный отклик в 100 Гц и отклонение писчиков в несколько сантиметров. В некоторых случаях (у энцефалографа) гальванометры настолько сильны, что двигают писчики, находящиеся в непосредственном контакте с бумагой. Их пишущий механизм может быть основан на жидких чернилах или на подогреве писчиков, двигающихся по термобумаге. В других случаях гальванометры не обязаны быть столь сильными: контакт с бумагой происходит периодически, поэтому требуется меньше усилий на перемещение писчиков.

Оптическая развёртка

Системы зеркальных гальванометров используются для позиционирования в лазерных оптических системах. Обычно это механизмы высокой мощности с частотным откликом свыше 1 кГц.

Современное состояние

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.

Получение, хранение и обработка данных в компьютерных системах по гибкости значительно превышает все способы фиксации электрических сигналов самописцами на бумаге.

Зеркальные гальванометры также потеряли своё значение в системах развёртки, сначала с появлением электронно-лучевых устройств, а там, где необходимо управление внешним световым потоком — с появлением эффективных пьезоэлектрических устройств и сред с управляемыми свойствами (например, жидких кристаллов). Однако на базе зеркальных гальванометров делаются устройства для отклонения луча лазера в лазерной технологии и установках для лазерных шоу (англ.).

См. также

  • Е-метр

Примечания

  1. Словарь естественных наук. Статья «Гальванометр»
  2. Апериодический гальванометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Литература

  • Гальванометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Ссылки

Фото на Викискладе

  • Статья «Гальванометр» в Большой советской энциклопедии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх