Тангенс гальванометр своими руками

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 18.09.2024

На рынке измерительных приборов производители представляют достаточно широкие модельные ряды устройств, предназначенных для замеров сопротивления, напряжения и силы тока, то есть омметров, вольтметров и амперметров. Однако в некоторых ситуациях незаменимыми становятся гальванометры, описание принципов работы которых и характеристики разновидностей можно найти на многих специализированных ресурсах. Подобное оборудование актуально в ситуациях, когда требуется измерить малые токи или выявить отсутствие напряжения в сетях, имеющих различные параметры.

Что это такое?

По сути, любой гальванометр представляет собой прибор, разработанный для измерения параметров электрических сетей. С учётом характеристик данных устройств следует отметить, что речь идёт о минимальных значениях количества электричества, силы тока и сопротивления. К примеру, для определения наличия и минимальных показателей I на конкретных участках цепи используют гальванометры с повышенной чувствительностью.

Впервые особенности отклонения магнитной стрелки под воздействием электрического тока в проводнике описал Ганс Эрстед ещё в 1820 году. В то время подобное явление рассматривалось в качестве способа измерения тока. Говоря об изобретателе гальванометра, необходимо отметить, что первым упомянул подобный прибор Иоганн Швейгер. Это произошло 16 сентября 1820 года и связано с университетом Галле. Сам же термин появился только в 1836-м и произошёл от фамилии учёного Луиджи Гальвани.

Изначально действие устройства основывалось на силе магнитного поля Земли. Подобные образцы измерительного оборудования назвали тангенциальными гальванометрами. Перед использованием их требовалось сориентировать в пространстве. Позже на свет появился первый астатический прибор, создатели которого использовали противоположно направленные магниты. Подобный подход позволил исключить фактор воздействия упомянутого магнитного поля планеты.

Современные устройства на схемах отмечаются в соответствии с действующим ГОСТом на схеме. Гальванометр имеет обозначение в виде стрелки, направленной вверх и расположенной внутри круга.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, эти приборы имеют ряд важных особенностей.

Один из главных параметров – это постоянная, значение которой определяет расстояние между зеркалом и шкалой и высчитывается с учётом стандартного отрезка длиной 1 метр. В ситуациях с переносными устройствами эта величина является ценой одного деления шкалы. Для стационарных моделей она составляет 10–11 А/м/мм, а для мобильных – 10-8 или же 10-9 А/дел. В обоих случаях допустима 10-процентная погрешность в обе стороны.
Невозвращение стрелки к нулевой отметке в процессе её перемещения от крайней точки шкалы, то есть так называемое постоянство нуля. Этот показатель в числовом выражении наносится на шкалу в виде ромбообразного символа.
Наличие такого конструктивного элемента, как магнитный шунт. Его положение меняется поворотом специальной ручки, что, в свою очередь, приводит к изменению постоянной гальванометра и показателя магнитной индукции в зазоре. С учётом данного момента техническая документация, включая паспорт измерительного прибора, содержит значения постоянной при двух положениях магнитного шунта, то есть во введённом и выведенном состоянии.
Присутствие корректора, с помощью которого осуществляется перемещение стрелки между двумя крайними положениями.
Наличие арретира, который представляет собой неотъемлемую часть всех современных приборов, имеющих подвесы. Этот элемент позволяет надёжно зафиксировать подвижную часть и тем самым минимизировать риск повреждения прибора в процессе его транспортировки.
Возможность установки электростатического экранирования для обеспечения максимально эффективной защиты устройства от I утечек.

Определённые особенности конструкции гальванометров связаны именно с наличием упомянутой подвижной части. В частности, регулировка успокоения, пропорционального её колебаниям, осуществляется путём подборки внешнего сопротивления (R).

В паспорте каждого прибора в обязательном порядке прописывается максимально значение этого параметра, являющееся критическим.

На практике в подавляющем большинстве случаев наружное сопротивление устанавливают с максимальным приближением к критическому показателю. Это, в свою очередь, исключает риск возникновения колебаний стрелки (указателя) в пределах положения равновесия.

Функции

У многих возникает вполне логичный вопрос, касающийся того, для чего нужен гальванометр в физике и повседневной жизни. Как уже было отмечено, этот прибор измеряет параметры электрической сети. При этом его функционирование базируется на преобразовании тока в механическое движение, в результате которого на шкале отображаются искомые показатели.

Как правило, рассматриваемое оборудование выполняет функции аналоговых приборов, измеряющих силу тока в сети.

Специалистами, представляющими разные отрасли, гальванометры используются для того, чтобы получить данные, подтверждающие нахождение искомых параметров в определённых пределах. Это позволяет эффективно контролировать состояние электрических цепей и своевременно выявлять неисправности.

Важно помнить, что чаще всего отклонение параметров от установленных норм свидетельствует о сбоях в работе систем.

С учётом того, какая именно часть устройства является подвижной, гальванометры делятся на две основные категории. Это, в свою очередь, определяет их функциональность. Так, к первой разновидности относятся приборы с подвижными магнитами, а ко второй – оборудование с подвижными токопроводами. Оба типа одинаково эффективны при измерении в конкретный момент времени медленно меняющегося тока, а также тока быстро меняющего соответственного напряжения. Помимо этого, в перечень функций входит учёт общего действия тока в течение заданного временного промежутка, осуществляемый, как правило, флюметрами и баллистическими гальванометрами.

Устройство и принцип работы

Отвечая на вопрос, как устроен подобный прибор, следует отметить, что конструкция самого простого гальванометра, появившегося на свет ещё в самом начале XIX столетия, включала в себя магнитный указатель (стрелку), которая подвешена на тонкой нити и помещена внутри неподвижной катушки. Как только в этой проволочной конструкции появляется электрический ток, стрелка отклоняется от своего исходного положения. При отсутствии тока в системе указатель будет оставаться неподвижным, то есть стрелка показывает на нулевую отметку.

Многие модели современных гальванометров представляют собой магнитоэлектрические устройства, в которых используется действие электрического тока. Их стандартная конструкция предусматривает наличие следующих элементов.

Постоянный магнит.
Поворачивающаяся катушка, расположенная между полюсами.
Облегчённый указатель (стрелка), который соединён с катушкой и образует с ней одну ось вращения. Если в последней отсутствует ток, то указатель фиксируется на нулевой отметке при помощи возвратной пружины.

В поле постоянного магнита помещается катушка (обмотка), на которой закреплена стрелка-указатель. В своём исходном положении эта конструкция удерживается упомянутой выше пружиной.

При прохождении через катушку электрического тока в ней сразу же появляется магнитное поле. Параллельно при этом возникает взаимодействие между ним и полем постоянного магнита. При этом обмотка вместе с указателем начинает отклоняться от нуля, что является сигнализатором наличия тока в системе. Как только электрический ток исчезает, магнитное поле катушки тоже пропадает. В этот момент под действием пружины стрелка возвращается в исходное положение. И речь в данном случае идёт о визуальной демонстрации отсутствия тока в цепи. Другими словами, выполняется одна из функций гальванометра, то есть проверка наличия напряжения.

Разбираясь с особенностями устройства, необходимо отметить, что на сегодняшний день широко используются разные модификации описываемых устройств.

Так, мобильные устройства оснащены подвижной рамкой, которая фиксируется на растяжках, а также интегрированной шкалой и стрелочным или световым указателем. Стационарные модели гальванометров устанавливают по уровню, а на рамке при этом закрепляется небольшое по размерам зеркало. Такие устройства комплектуются выносной шкалой со световым указателем, характеризующейся максимальной чувствительностью. При помощи отражающегося от зеркала и параллельно перемещающегося по шкале луча света осуществляется контроль углового движения рамки. Такие приборы рамочного типа на практике используют в качестве нуль-индикаторов, то есть приборов, фиксирующих отсутствие в сети электрического тока или напряжения. Они позволяют в условиях лабораторий осуществлять фиксацию параметров при минимальных показателях I и U.

Практически все гальванометры оснащены магнитными шунтами, положение которых регулируется наружной ручкой для того, чтобы изменялся показатель индукции в рабочем зазоре. Подобным образом можно изменять значения искомых параметров не менее, чем в три раза с учётом требований актуальных стандартов. За перемещение указателя в обе стороны от нулевой отметки отвечает специальный корректор.

Ещё одним важным моментом является необходимость эффективной защиты гальванометров от помех.

Наиболее актуально это для высокочувствительных приборов. Так, для стационарных моделей измерительной техники часто сооружают специальную основу (фундамент), надёжно предотвращающую механические воздействия. Утечки тока, как уже было отмечено, предотвращают за счёт экранирования. Помимо всего прочего, необходимо отметить, что каждый тип современных измерительных приборов имеет свои особенности конструкции и принципа действия.

Отличия от амперметра

Независимо от специфики конструкции и спектра выполняемых операций, любой гальванометр – это электроизмерительное устройство, характеризующееся повышенной чувствительностью и используемое для определения силы тока незначительной величины. При этом многих интересует, в чём именно заключается разница между этими образцами измерительной техники и классическими амперметрами. Прежде всего следует отметить, что последние представляют собой оборудование для нахождения величины силы тока, измеряемой в амперах.

Шкала подобных устройств с учётом диапазона осуществляемых ими измерений может быть градуирована в микроамперах, миллиамперах, амперах и килоамперах.

В отличие от микроамперметра, который тоже способен определять показатели сравнительно небольших токов, шкала гальванометра градуируется несколькими электрическими величинами. В их перечень входят в том числе и единицы напряжения.

Ещё один важный момент заключается в том, что описываемые измерительные приборы могут иметь условную градуировку. Чаще всего такую шкалу можно встретить в ситуациях, при которых гальванометр выполняет функции нуль-индикатора.

Невзирая на то, что все описываемые измерительные приборы имеют одинаковый принцип действия, существует целый перечень их разновидностей. При этом каждый вид устройств отличается от других конструкцией и функционалом. Богатый выбор позволяет приобрести оборудование, в полной мере соответствующее всем требованиям и предпочтениям потенциального покупателя. В то же время некоторым достаточно тяжело разобраться в разнообразии доступных моделей и таких обозначениях, как, к примеру, М-001.

Так, гальванометры М195 и М195/1 предназначены для нулевых измерений. Стоит отметить, что все представленные на рынке образцы оборудования отличаются друг от друга прежде всего конструктивно. Магнитоэлектрические приборы имеют электропроводящую рамку, закрепляемую в процессе эксплуатации на специальной оси, размещённой в магнитном поле. Отклонение указателя от нулевого положения определяется величиной подаваемого тока, индукцией и жёсткостью возвратной пружины.

Главной характеристикой этого типа устройств является их повышенная чувствительность.

Особенность тангенциальных гальванометров – это наличие компаса, необходимого для сравнения магнитных полей электрического тока и Земли. Название устройства получили из-за того, что их функционирование основано на тангенциальном законе магнетизма. Катушка в данном случае выполнена из меди и имеет изоляцию. Сама рамка располагается вертикально и в процессе эксплуатации прибора проворачивается вокруг своей оси. Компас при этом находится в горизонтальной плоскости и в самом центре круглой шкалы. Перед началом работы тангенциальный гальванометр располагают таким образом, чтобы стрелка компаса совпадала с плоскостью обмотки. После этого через неё пропускают ток, создающий магнитное поле на оси катушки.

Стоит отметить, что искусственное поле – это перпендикуляр к магнитному полю планеты.

В результате указатель устройства реагирует на оба активных поля и отклоняется на определённый угол от нулевой отметки, который является тангенсом отношения искусственного и естественного полей.

Помимо уже описанных, существуют также следующие разновидности гальванометров.

Помимо всего перечисленного, стоит уделить внимание также струнным гальванометрам. Речь в данном случае идёт об одной из первых конструкций, которая изначально применялась в медицине. Создателем прибора в 1895 году стал голландский физиолог Виллем Эйнтховен. Измерительное устройство состояло из кварцевой нити, которая за счёт своей минимальной толщины была способна совершать колебания под действием воздуха. Она удерживалась в магнитном поле под напряжением.

Все перечисленные разновидности гальванометров характеризуются простотой конструкции и эксплуатации. Однако за счёт активного внедрения передовых технологий и инновационных технических решений в наши дни практически повсеместно используются электронные измерительные приборы. Их основными преимуществами являются надёжность и, конечно же, максимальная точность.

а—каркас катушки для гальванометра, б—стойка для якоря гальванометра, в—подвижная система гальванометра в собранном виде.

Теперь остается собрать гальванометр. Гальванометр собирается на доске размером 80X1Ю мм и толщиной в 15— 20 мм. На расстоянии 10 мм от переднего края и на расстоянии 30 мм от торцевых сторон делаются отверстия для клемм. Клеммы должны закрепляться с нижней стороны основания так, чтобы они не выдавались из него. В центре основания на таком же расстоянии друг от друга просверливаются шилом два отверстия для выводов катушки, и с нижней стороны основания эти отверстия соединяются канавками с отверстиями для клемм. В малые отверстия пропускают концы катушки прибора, и последнюю приклеивают к основанию столярным клеем. Борт катушки должен не доходить на 5 мм
до заднего края основания. Концы катушки соединяются с ввинченными клеммами.
Бумажную шкалу также наклеивают на металлическое основание и затем, смазав клеем с обратной стороны узкую часть шкалы, вставляют последнюю в катушку и приклеивают к задней стороне окна.
Ось с якорем и стрелкой вставляются в углубления в стойке и весь этот механизм устанавливается в окне катушки. Установив ось в центре, надо слегка качнуть стрелку. Если она, качнувшись несколько раз, остановится на нуле, можно всю эту систему закрепить в таком положении. Для этого ее вынимают, стойку с внешней стороны намазывают клеем и вставляют на прежнее место. Монтаж гальванометра со срезанной передней стенкой катушки показан на рис. 39 а.
Наш гальванометр может выдержать напряжение до 60 вольт. Большее напряжение не советуем включать—прибор может перегореть. Если же даже при малом напряжении — 8—12 вольт—стрелка прибора будет отклоняться до предела, то нужно увеличить противовес, напаяв еще кусочек олова.
Такой гальванометр можно с успехом использовать в качестве вольтметра, если его отрегулировать, как вольтметр, а также и в качестве амперметра.
Для того чтобы предохранить прибор от всяких случайных повреждений, его надо закрыть футляром. Футляр изготовляется из фанеры или толстого картона. Размеры его
указаны на рис. 39 б. В окно футляра желательно вклеить слюду или тонкое стекло.
Градуировка прибора производится так:
Если .мы хотим использовать наш измерительный прибор-гальванометр в качестве вольтметра, то его надо включить параллельно с фабричным вольтметром и через реостат присоединить к батарее или аккумулятору. Двигая ползун реостата, мы тем самым будем менять в цепи напряжение, стрелки приборов будут отклоняться и, согласно показаниям фабричного вольтметра, на шкале нашего прибора надо делать соответствующие отметки. Включение гальванометра для градуировки под вольтметр показано на рис. 40 а.
Амперметр градуируется таким же способом, только включать в цепь его надо последовательно и через какую-нибудь нагрузку,— например, группу электролампочек от карманного фонаря. Лампочки должны быть соединены между собой параллельно. Включая различное количество электролампочек в цепь, мы тем самым будем менять силу потребляемого тока, на что нам будет указывать амперметр. Эти показания надо перенести на шкалу самодельного амперметра (см. рис. 40 б).
Вольтметр и амперметр, описанные здесь, могут быть использованы только при измерении постоянного тока.

Рис. 40. Градуировка гальванометра.
а—схема включения гальванометра для градуировки под вольтметр, б- схема включения гальванометра для градуировки под амперметр.

Цель работы: ознакомиться с методами экспериментального определения напряженности магнитного поля Земли и способами расчета других элементов земного магнетизма.

Приборы и принадлежности:тангенс –гальванометр ,амперметр постоянного тока на 1-5 ампер, реостат со скользящим контактом на 30 Ом, источник постоянного тока/аккумулятор или выпрямитель селеновый на 6в/,коммутатор, ключ, провода.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Земля в целом представляет собой большой магнит и имеет два магнитных полюса: северный и южный. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитного поля. Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. Подобно тому как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным. Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем.

Изучая пространственное распределение магнитного поля Земли, геологи получают сведения о строении земной коры, о местонахождении полезных

ископаемых/железной руды и пр./ Изучение магнитных бурь помогает понять закономерности явлений в ионосфере, влияющих на распространение радиоволн .Изучение земного магнетизма необходимо для правильного понимания основных вопросов происхождения Земли, Солнца и звезд. По вопросу о происхождении земного магнетизма работали ученые Гильберт/1600г./,Ломоносов/1352г./,Гаусе/1939/. Теория Гаусса дала возможность представить магнитное поле Земли в виде двух полей: поля, источники которого находятся внутри Земли, и поля, источники которого-вне Земли. Все существующие ныне теории земного магнетизма можно разделить на две группы.

Теории первой группы полагают, что главная часть магнитного поля Земли создается земной корой, содержащей в разных своих участках различное количество магнитных пород.

Теории второй группы полагают, что главная часть магнитного поля Земли создается электрическими токами, циркулирующими на больших глубинах в жидком ядре Земли.

В настоящее время известно, что наблюдаемое геомагнитное поле является суммой двух полей: постоянного и переменного. Чтобы изучить магнитное поле Земли, надо знать величину и направление напряженности в каждой точке этого поля .Обозначим через Т полную напряженность магнитного поля в какой-либо точке 0 северного полушария Земли. (Рис1.)

Плоскость магнитного меридиана ОАВС. Плоскость географического меридиана ОВЕК.

Т;Нх;Ну;Нz;D;j;H -элементы земного магнетизма

Силовые линии магнитного поля лежат в плоскости магнитных меридианов. Магнитным меридианом называется дуга большого круга, проходящего через магнитные полюсы Земли. Магнитные полюсы Земли совпадают с ее географическими полюсами, вследствие чего между плоскостью магнитного меридиана, проходящего через данную точку 0 земной поверхности и плоскостью географического меридиана имеется некоторый угол Д/угол склонения/. Склонение может быть восточным или западным в зависимости от того, проходит ли магнитный меридиан к востоку или к западу от географического. Полную направленность Т можно разложить на две составляющие, лежащие в плоскости магнитного меридиана: напряженность Н/горизонтальная составляющая /в горизонтальном направлении напряженность Hz b вертикальном направлении /Вертикальная составляющая/. Нz считается , если она направлена вниз. В южном полушарии Нz отрицательна. Горизонтальная составляющая имеет максимальное значение на магнитном экваторе, равное 0,7 и постоянно уменьшается к полюсам. Вертикальная составляющая имеет максимальное значение вблизи магнитных полюсов/0,6-0,7/уменьшается на магнитном экваторе.

Горизонтальную составляющую можно разложить на две составляющие лежащие в горизонтальной плоскости, на северную Hx направленную вдоль географического меридиана и восточную Нy перпендикулярную к меридиану. Составляющая Нx считается положительной, если она направлена к северу, Н-составляющая считается положительной, если она направлена к востоку.

Магнитные элементы T, Н, Нx,Ну, Н, Дj связаны между собой простыми соотношениями, которые легко получить из рис 1

Целью настоящей работы является определение горизонтальной составляющей магнитного поля Н с помощью прибора, называемого тангенс-гальванометром и зная числовое значение горизонтальной напряженности и угла наклонения j найти полную напряженность магнитного поля Земли Т.

Тангенс-гальванометр представляет собой плоскую катушку большого радиуса. Плоскость катушки вертикальна: в центре ее находится короткая магнитная стрелка, расположенная горизонтально и могущая вращаться около вертикальной оси. Концы стрелки перемещаются по кругу /по лимбу/, разделенному на градусы. Такую магнитную стрелку с лимбом называют буссолью/рис.2/.

Плоскость витков катушки следует расположить в плоскости магнитного меридиана, которая определяется по направлению магнитной стрелки. На рис .4а пунктиром показано направление магнитного меридиана Земли, небольшие кружки Аи В-сечение одного витка горизонтальной плоскости, проходящей через центр катушки: магнитная стрелка.

При отсутствии ток в катушке на полюса магнитной стрелки действует только магнитное поле Земли Н/рис.4а/

Магнитное поле в центре витка большого витка радиуса перпендикулярно плоскости витка, направление его определяется направлением тока,

проходящего по витку .Напряженность поля, созданного током, на рис.4б обозначена через НТ.

Под действием двух полей Н и Нт - магнитная стрелка отклоняется на некоторый угол d :равновесие ее наступает тогда, когда она станет по направлению результирующего магнитного поля.

Из рис.46 видно что:

Напряженность магнитного поля в центре кругового тока определяется законом Лапласа: Нт= У\2ч

Подставляя полученное значение Н /2а/в формулу /I/,можно определят горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Упражнение 1. Определение горизонтальной составляющей земного магнитного поля.

Установка для экспериментального определения горизонтальной составлявшей напряженности земного магнитного поля Н дана на рис.5,где ТГ-тангенс-гальванометр, А-амперметр, R –реостат , К-ключ , Е-аккумулятор, К1-коммутатор тока в тангенс-гальванометре.

1.Ознакомившись с приборами и заготовив таблицу записей наблюдений, собирают приборы по схеме рис.5

Амперметр необходимо поместить не ближе 1м от тангенс-гальванометра, т.к. магнитное поле амперметра может оказать сильное влияние на магнитную стрелку.

При проведении опыта нужно остерегаться так же влияния магнитного поля реостата. Коммутатор поставлен в сеть для того, чтобы иметь возможность менять направление тока в тангенс-гальванометре.

2. Очень часто т-г имеет установочные винты и уровень: буссоль снабжена эрретиром, для закрепления магнитной стрелки при переносе прибора. Освободив стрелку от арретира, при помощи установочных винтов добиваются того, чтобы она могла свободно вращаться, не задевая лимбы. Такая свободная стрелка довольно быстро устанавливается по магнитному меридиану, и будет сохранять его положение.

3. Вращают катушку около вертикальной оси и придают ей такое положение, при котором ее плоскость будет параллельна магнитной стрелке. Тогда плоскость катушки будет совмещена с плоскостью магнитного меридиана. В этом случае стрелка одним концом устанавливается на нулевое давление шкалы лимба.

4. Установите реостат на самое большое сопротивление и включив два витка прибора замыкают ключ К. Перемещением движка реостата увеличивают силу тока. Задавшись определенным углом отклонения стрелки / в пределах 35-55 / дают ей успокоится и производят отсчет ее положения по шкале лимба. Делать отсчет положения стрелки нужно обязательно по обоим ее концам: пусть эти отсчеты дают два значения угла d1 и d2. Записывают параметры Y.

5. Не меняя параметров цепи, коммутатором меняют направление тока в т-г. При той же (по абсолютной величине) силе тока делают еще два отсчета положения стрелки буссоли d1и d2.

6. Аналогично проделывают несколько опытов при различных значениях тока, беря углы отклонения в пределах 35-55.

7.Измеряют миллиметровой линейкой диаметр витков и находят их радиус.

8.Повторить опыты с числом витков 4,6,8,10.

9 .Результаты измерений и вычислений записать в таблицу:

№

d1 град

d2 град

d 1 град

d2 град

D ср град

Tg d

ч/(м)

У/А

10.Вычислить абсолютную и относительную погрешность Н.

Упражнение 2.Определить вертикальную составляющую Н и полную напряженность магнитного поля Земли Т, исходя из результатов опыта предыдущего упражнения, рис. 1 и принимая угол наклонения J равным 69.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Расскажите о земном магнетизме. Какого его происхождение? Какие вы знаете магнитные элементы ? В чем заключается практическое и теоретическое значение проблемы исследования земного магнетизма? В каких щитах горизонтальная составлявшая максимальна, в каких минимальна? Этот же вопрос для вертикальной составляющей земного магнитного поля.

2. Что такое плоскость магнитного меридиана?

3. Какие углы называются углами склонения и наклонения?

4. Закон Био-Савара-Лапласа (записать в скалярном и векторном виде).

5. Чему равна напряженность магнитного поля в центре кругового тока? Вывести формулу.

6. Почему катушка т-г делается всегда большего диаметра/ Z« 20см/.

7. Почему при отсчетах показания т-г нужно брать отчет по обоим концам стрелки?

8. Зачем нужно коммутировать ток в катушке т-г.?

9. Каким образом элементарные заряженные частицы из космического пространства улавливаются Землей/магнитная ловушка/?Что вы знаете о радиационных поясах вокруг Земли? Какова природа так называемого широтного эффекта?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА И ПОЛУПРОВОДНИКА (ТЕРМИСТОРА)

Цель работы: изучение методов термического коэффициента

сопротивления для проводников и полупроводников.

Приборы и принадлежности:

КРАТРАЯ ТЕОРИЯ

1. Все вещества в природе по своим электрическим свойствам делятся на проводники и диэлектрики (изоляторы). Диэлектрики - это вещества, которые практически тока не проводят (электроны все связаны). Проводники – вещества, хорошо проводящие ток. Различают проводники 1 рода (металлы) и проводники 2 рода (электролиты). Проводимость металлов обусловлена наличием свободных электронов в электролитах же-ионный тип проводимости.

Полупроводники в одних условиях ведут себя как проводники, а в других - как изоляторы. Проводимость полупроводника носит электронно-дырочный характер. Из электронной теории строения вещества известно, что положительной частицей является атом. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны. Орбиты электронов не произвольны, а строго определены.

Орбиты подразделяются по слоям, причем энергия электронов, занимающих орбиты одного слоя, сравнительно близки друг другу. Энергия электронов, орбиты которых относятся к разным слоям, различаются уже на весьма большее величины. Электроны, движущиеся вокруг отдельных ядер на внутренних электронных оболочках, практически не меняются. Что же касается внешних электронных оболочек, то они в результате сближения отдельных атомов и возникающего при этом сильного взаимодействия между электронами перестраиваются. В одних случаях электроны продолжают удерживаться молекулам и ионам. В этом случае подвижность электронов ограничена, и вещество представляет собой твердый диэлектрик. Электроны (валентные) освобождаются, и приобретают подвижность в веществе, в этом случае представляет собой проводник – металл.

Валентные электроны обладают энергией. Электроны атома могут обладать только определенными значениями энергии. Эти значения называются энергетическими уровнями. Энергетические уровни объединяются в зоны, электроны внешней оболочки атома составляют валентные зоны. Существует число электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны называются электронами проводимости. Они совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим, то есть следующие уровни объединяются между собой и получают зону проводимости.

Энергетические зоны в металле (Рис.1). В полупроводниках зона проводимости отделена от валентной зоны, так называемой запрещенной зоной (Рис.2). В диэлектриках подобно полупроводникам присутствует широкая запрещенная зона (Рис.3).

2.Способность вещества проводить электрический ток характеризуется его проводимостью (G). Величина, обратная проводимости, называется сопротивлением (R). Сопротивление меняется при изменении температуры. Для большинства металлов сопротивление с повышением температуры увеличивается, с понижением - уменьшается.

Качественно это обстоятельство объясняет классическая теория проводимости металлов (Лоренц) тем, что при повышении температуры тепловое движение атомов мешает упорядоченному движению электронов. В результате сопротивление металлов увеличивается, а проводимость уменьшается.

Опыт показывает, что в первом приближении со противление проводника линейно возрастает с температурой по закону Rt = R₀ (1+αt) (1)

где R, R₀ - сопротивления при температуре и ,

α - температурный коэффициент сопротивления, показывающий величину относительного изменения сопротивления при нагревании на один градус.

Величину термического коэффициента можно получить, не прибегая к измерению. Для этого достаточно формулу (1) записать для сопротивления при двух разных температурах и поделить одно выражение на другое:

3.Правильное объяснение температурной зависимости сопротивления дает современная теория проводимости металлов, созданная на основе квантовой механика физиком Я. И. Френкелем и немецким физиком А. Зоммерфельдом. Это так называемая зонная теория.

Согласно зонной теории и, что полностью согласуется с опытом.

В отличие от металлов, где имеются свободные электроны в полупроводниках (германий, кремний, селен в др.) электроны находятся в связном или полусвободном состоянии (ковалентные парно - ионные связи в атомной кристаллической решетке). Поэтому электропроводность полупроводников при обычных температурах очень мала, а сопротивление их достигает громадных значений. При нормальных условиях полупроводники проводят ток в миллионы раз хуже, чем металлические проводники. По сравнению с металлами полупроводники обладают важным свойством: сопротивление полупроводника чрезвычайно чувствительно к внешним воздействиям (освещение, нагревание и др.).

Например, с повышением температуры полупроводника его электрическое сопротивление резко падает, электропроводность сильно возрастает. Это свойство полупроводников используется в термисторах, которые широко применяются в практике.

Зависимость сопротивления полупроводника от температуры можно объяснить с точки зрения зонной теории. Суть ее заключается в том, что энергия электронов твердого тела распределяется по энергетическим зонам, соответствующим определенным состояниям атомов (рис.1).

Состояниям невозбужденных атомов соответствует валентная или заполненная зона (1). Эти уровни энергии электронов полностью заполнены при абсолютном нуле.

Возбужденным состояниям атомов соответствует свободам зона или зона проводимости (3). Имея такие значения энергии, электроны в зоне проводимости являются свободными.

В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к заполненной зоне или перекрывает ее (рис. 1 а), поэтому электроны могут легко переходить с одного уровня на другой. Этим обусловлена хорошая проводимость металлов.

В отличие от металлов, в полупроводниках заполненная зона отделена от зоны проводимости, так называемой запрещенной зоной шириной

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

В электротехнике существуют различные измерительные приборы, с помощью которых можно выполнить замеры силы тока, напряжения и сопротивления. Соответственно, это амперметр, вольтметр и омметр. В некоторых случаях, когда требуется обнаружить и измерить очень малые электрические токи, напряжения и количество электричества, применяется гальванометр, обладающий высокой чувствительностью. Он также указывает на отсутствие напряжения или тока в цепях с различными электрическими параметрами.

Общее устройство и принцип работы

Конструкция простейшего гальванометра, созданного еще в начале 19-го века, включала в себя магнитную стрелку, подвешенную на тонкой нити и помещенную внутрь неподвижной проволочной катушки. При появлении в катушке электрического тока, стрелка начинает отклоняться от своей первоначальной позиции. Если же ток отсутствует, то стрелка будет находиться в одинаковом положении с меридианом этого места. То есть, она показывает нулевую отметку.

Многие гальванометры являются магнитоэлектрическими приборами. В конструкцию стандартного прибора входит постоянный магнит, катушка, установленная между магнитными полюсами, облегченный указатель, соединенный с катушкой и образующий с ней единую ось вращения. Сам указатель фиксируется на нулевой отметке с помощью пружины при отсутствии в катушке электрического тока.

Практически каждый гальванометр имеет один и тот же принцип работы.

При прохождении электрического тока по катушке, вокруг нее создается магнитное поле. Оно взаимодействует с магнитным полем, которое создает постоянный магнит.
В результате, образуется сила, вызывающая поворот или вращение катушки.
Преодолев сопротивление пружины, она стремится занять свое место между полюсами постоянного магнита.
Одновременно с перемещением катушки, происходит и перемещение указателя.
Расстояние, на которое они переместились, составляет пропорцию с количеством тока, протекающим через катушку.

Все движения указателя отображаются на шкале, откалиброванной в нужных единицах измерения. Помимо единиц электрического тока, на нее могут быть нанесены и другие величины, например, милливольты. Нередко шкала гальванометра размечается довольно условно.

Характеристики и особенности конструкции

Устройства, используемые в цепях постоянного тока, могут быть переносными. Они имеют подвижную рамку, закрепленную на растяжках, встроенную шкалу и указатель стрелочного или светового типа.

Стационарный гальванометр устанавливается по уровню. На рамке закрепляется небольшое зеркальце. Эти приборы оборудуются выносной шкалой, обеспечивающей повышенную чувствительность и световым указателем. Угловое перемещение рамки контролируется положением отраженного от зеркала светового луча, отклоняющегося на шкале. Подобные рамочные устройства используются как нуль-индикаторы. В их помощью в лабораторных условиях проводятся измерения малых токов и напряжений.

Практически каждый гальванометр оборудован магнитными шунтами. Их положение регулируется с помощью ручки, выведенной наружу. За счет этого в рабочем зазоре изменяется величина магнитной индукции. Подобная регулировка позволяет изменять значения измеряемых величин как минимум в три раза в соответствии с требованиями стандартов. В маркировке и технической документации прибора эти величины указываются в обоих крайних положениях шунта – при полном вводе и при полном выводе. В схеме гальванометра предусмотрен корректор, с помощью которого указатель перемещается от нулевой отметки в ту или иную сторону.

Многие устройства оборудованы специальными защитными приспособлениями. В их число входит арретир, фиксирующий подвижную часть на подвесе во время переноски прибора. Высокочувствительные гальванометры требуют защиты от помех. Для стационарных устройств оборудуются специальные фундаменты, предотвращающие механические воздействия. Против утечек тока используется электростатическое экранирование.

Следует отдельно рассмотреть баллистический гальванометр. Данный прибор позволяет измерить количество электричества, передаваемого короткими токовыми импульсами в течение долей секунды. Для того чтобы получить точные данные, необходимо увеличить момент инерции подвижной части за счет установки специального диска.

Виды гальванометров

Несмотря на общий принцип работы, данные измерительные устройства отличаются между собой в соответствии с особенностями конструкции каждого из них. Например, магнитоэлектрический гальванометр выдает показания с помощью специальной электропроводящей рамки, закрепленной на оси и помещенной в поле действия постоянного магнита.

В нулевом положении ее удерживает специальная пружина. Когда по рамке протекает ток, происходит ее отклонение на определенный угол. На величину угла оказывает влияние не только сила тока, но и жесткость пружины, а также индукция магнитного поля. Показав высокую чувствительность, эти приборы позволяют получить максимально точные результаты.

Данные измерительные устройства бывают еще нескольких видов:

Электромагнитные. Отличаются простой конструкцией, в состав которой входит неподвижная катушка и подвижный сердечник или магнит, втягивающийся в катушку или поворачивающийся при наличии электрического тока. Недостатком считается нелинейная шкала и затруднения при ее градуировке.
Тангенциальные. В конструкции имеется компас, с помощью которого сравниваются магнитные поля тока и Земли. В катушке применяется медная изолированная проволока, намотанная на рамку из диэлектрического материала. Обмотка и стрелка компаса в плоскости должны совпадать между собой. Под действием электрического тока на оси катушки создается магнитное поле, перпендикулярное магнитному полю Земли. Угол отклонения стрелки получается равным тангенсу отношения обоих магнитных полей.
Зеркальные. Считаются наиболее точными и быстродействующими устройствами. Показания снимаются с помощью небольшого зеркальца и отраженного от него светового луча.
Тепловые. Представляют собой проводник и рычажную систему. Длина проводника увеличивается, когда по нему проходит ток. Рычажная система преобразует удлинение проводника в положение стрелки на шкале прибора.

Читайте также: