Lucrare de laborator nr 6

MĂSURĂTORI CU GALVANOMETRUL BALISTIC

Partea I

DETERMINAREA CAPACITĂȚII CONDENSAtorului
PRIN METODĂ BALISTICĂ

SCOPUL LUCRĂRII:

1. Dobândiți abilități practice în lucrul cu un galvanometru balistic. Stăpânește tehnica de calibrare a galvanometrului.
2. Stăpânește tehnica determinării capacității unui condensator folosind un galvanometru balistic.

DISPOZITIVE:

1. Galvanometru M 17/11 1 .
2. Set de condensatoare.
3. Chei.
4. Sursă de tensiune stabilizată IET.

5. Voltmetru.

Măsurarea capacității unui condensator se poate face în mai multe moduri fundamental diferite.

În această lucrare, măsurarea capacităților se bazează pe relația dintre sarcina condensatorului, capacitatea sa C și diferența de potențial . Pentru doi condensatori încărcați la aceeași diferență de potențial, obținem relația:

Prin urmare, dacă valoarea lui C 1 este cunoscut, deci, având definit q 1 și q 2 , putem calcula capacitatea necunoscută C 2 . Această metodă de măsurare a capacității relative stă la baza acestei lucrări de laborator. Cea mai importantă parte a problemei este măsurarea cantității de încărcare q sau compararea sarcinilor a doi condensatori. În această lucrare, compararea sarcinilor a doi condensatoare este efectuată folosind metoda balistică, căruia i se acordă un loc central studiului.

TEORIA GALVANOMETRULUI BALISTIC

Un galvanometru conceput pentru a măsura o cantitate mică de electricitate care curge printr-un circuit într-o perioadă de timp care este mică în comparație cu perioada de oscilație naturală a cadrului galvanometrului se numește balistic. Este un tip special de galvanometru al unui sistem magnetoelectric. Un galvanometru balistic diferă de un galvanometru oglindă convențional prin momentul mare de inerție al sistemului în mișcare. O creștere a momentului de inerție al unui sistem în mișcare duce la o creștere a perioadei naturale a oscilațiilor sale. Un curent de scurtă durată conferă o împingere sistemului în mișcare (impact - de unde și denumirea balistică), care provoacă vibrații de torsiune ale sistemului. Pentru ca oscilațiile să fie de natura oscilațiilor libere este necesar ca timpul de acțiune al curentului asupra bobinei să fie mai mic decât perioada naturală a oscilațiilor. Să arătăm că în această condițiemagnitudinea primei deviații a sistemului în mișcare este proporțională cu cantitatea de electricitate care trece prin bobină.

În timpul curgerii curentului, care este foarte scurt, momentul de contracarare al firului răsucit poate fi considerat egal cu zero, deoarece Cu un moment mare de inerție, sistemul nu are timp să se miște. În consecință, putem presupune că sistemul în mișcare în acest timp va fi doar sub influența cuplului M, cauzat de interacțiunea curentului și a câmpului magnetic al magnetului permanent. Se știe că impulsul momentului de forță este egal cu modificarea momentului unghiular, adică:

M 1 dt = Id  (1),

unde M 1 valoarea instantanee a cuplului care acționează asupra sistemului de mișcare al galvanometrului; I momentul de inerție al sistemului galvanometru mobil față de axa sa de rotație; d - modificarea vitezei unghiulare a sistemului în timp dt.

Un cadru care curge în jurul unui curent și plasat într-un câmp magnetic este acționat de o pereche de forțe al căror cuplu este M 1 determinat de formula:

M 1 = B n i sin  S (2),

unde B este inducția câmpului magnetic al unui magnet permanent,

n număr de ture de cadru,

zona bobinei S,

 - unghiul dintre normala la planul cadrului si directia vectorului.

i curent instantaneu.

Deoarece liniile de inducție ale câmpului magnetic în care se rotește cadrul dispozitivului acestui sistem formează un unghi cu normala față de planul cadrului = 90 o pentru toate pozițiile cadrului, apoi cuplul M 1 nu va depinde de poziția cadrului și va avea cea mai mare valoare egală cu:

M 1 = B n S i (2  ).

Să înlocuim M 1 din (2  ) în (1), obținem:

B n S i d t = I d  (3).

Integrând ambele părți ale expresiei (3), vom avea:

B n S (4) ,

Unde t este timpul în care curentul a trecut prin bobină.

Avand in vedere ca:

unde q cantitatea de energie electrică care curge în timpul t, vom avea:

B n S q = I  t .

De aici obținem:

unde  t viteza unghiulara pe care o dobandeste sistemul in miscare in momentul in care curentul se opreste.

Notat de K 1 (constanta acestui dispozitiv), obținem:

 t = k 1 q.

Energia cinetică primită de sistem ca urmare a acțiunii curentului, m O poate fi găsit folosind formula:

(5).

Înlocuind în (5) expresia t = k 1 q, obținem:

(5  a).

Rotirea bobinei va continua până când toată energia cinetică a sistemului este convertită în energia potențială a firului de suspensie răsucit. În acest moment, sistemul de mișcare se va opri, rotind în unghimax.

Să calculăm energia potențială a firului de suspensie răsucit. Moment de contracarare M 2 , creat de un fir atunci când este răsucit într-un unghi va fi egal cu:

M 2 = k 2 . (6),

unde sa 2 coeficient în funcţie de proprietăţile elastice ale firului de suspensie.

Lucrări elementare petrecute pentru răsucirea firului în unghi este egal cu:

dA = M 2 d  .

Munca totală cheltuită în răsucirea firului în unghi max , ţinând cont

(6), este egal cu:

(7).

Evident, (7) este o expresie a energiei potențiale a firului răsucit al suspensiei sistemului de mișcare al dispozitivului.

Echivalând (5  ) și (7), obținem:

De unde obținem:

După ce a desemnat

(8),

obținem:

q = K  max (9).

Astfel, am demonstrat că mărimea primului unghi de deviere a sistemului de mișcare al dispozitivului este proporțională cu cantitatea de electricitate care trece prin galvanometru.

Este ușor de arătat că deplasarea unghiulară a dispozitivului (pentru unghiuri mici),

(10),

unde n este numărul de diviziuni cu care indicatorul luminos „iepuras” a deviat pe scala galvanometrului, D distanța de la oglindă la scară.

Prin urmare, expresia (9) poate fi rescrisă:

(11).

Valoarea se numește constanta balistică a galvanometrului și este de obicei exprimată în coulombs sau microcoulombs pe diviziune de scară (de obicei pe mm). Ținând cont de K b expresia (11) va lua forma:

q = K b n max (12).

Astfel, mărimea celei mai mari abateri a indicatorului luminos de pe scară (respingere) este proporțională cu cantitatea de electricitate care trece prin galvanometru.

Expresia (12) nu este în întregime exactă, deoarece la deducerea acestuia nu s-a ținut cont de faptul că energia cinetică obținută din impulsul de curent este cheltuită parțial pentru depășirea rezistenței aerului. Cu toate acestea, în practică, acest raport dă rezultate bune.

Pentru a calma rapid vibrațiile de torsiune ale sistemului de mișcare, o rezistență mică și o cheie sunt adesea introduse paralel cu înfășurarea bobinei. Dacă cheia este închisă în momentul în care indicatorul luminos trece prin zeroul scalei, oscilațiile se vor opri. Acest lucru se întâmplă deoarece o FEM indusă apare într-o bobină care se rotește în câmpul magnetic al unui magnet permanent. Când cheia este închisă, apare un curent de inducție care, conform regulii lui Lenz, va contracara mișcarea bobinei.

În multe galvanometre, o rezistență fără comutator (shunt) este conectată în paralel cu sistemul de mișcare. Această rezistență este concepută pentru a face mișcarea sistemului în mișcare aperiodică. Această rezistență se numește critică, este de ordinul a câteva mii de ohmi conectarea unei rezistențe critice reduce sensibilitatea galvanometrului.

TEHNICA DE MĂSURARE

eu . Determinarea constantei balistice a unui galvanometru

Din expresia (12) avem:

K b = (13),

unde K b valoarea constantei balistice,

q cantitatea de sarcină care curge prin galvanometru,

n max cea mai mare abatere a indicatorului luminos de pe scară.

1. Pentru a determina K b asamblați circuitul conform fig. 1,

Fig.1.

unde Г galvanometru balistic;

R w șunt galvanometru;

K 0 cheie care oprește galvanometrul;

Tasta K, scurtcircuitarea galvanometrului;

K 1 cheie cu două poziții (întrerupător);

V voltmetru;

C - condensator (mai întâi cu o capacitate cunoscută, apoi cu una necunoscută);

Sursă de tensiune reglată IET.

Conform instrucțiunilor de utilizare a galvanometrului și a dispozitivului de citire orizontal, pregătiți galvanometrul pentru funcționare și setați indicatorul luminos la scara zero. Tasta K deschisă, tasta K 0 aproape.

Prin mișcarea lentilei iluminatorului, obțineți contururi clare ale „iepurașului”.

2. Comutator K 1 scurtcircuitare la bornele 1 și 2, alimentare de la divizorul IET la condensatorul C 0 capacitate cunoscută (1 µF) tensiune (diferență de potențial) U = 0,2 V 0,5 V.

3. Aruncați comutatorul K 1 la bornele 5 și 6, descărcați condensatorul prin galvanometru. Observați valoarea extremă a scalei la care ajunge indicatorul luminos în timpul primei oscilații (prima picătură). Dacă această respingere se află în scară, atunci puteți începe să măsurați. Dacă iepurașul depășește scara, reduceți tensiunea.

Numărarea n max (valoarea primei respingeri), pentru a calma galvanometrul, închideți tasta K, apoi „iepurașul” revine la diviziunea zero a scalei. Când „iepurașul” este setat la scară zero, deschideți tasta K.

4. După ce am calculat q = C 0 U și măsurarea valorii primei respingeri n pe o scară max, conform formulei (13  ) calculați constanta balistică:

(13  ).

Definiţia nmax efectuați de cel puțin cinci ori, de fiecare dată înregistrând în tabel valoarea celei mai mari respingeri a „iepurașului” și repetarea operațiilor conform punctelor 1, 2. Asigurați-vă că condensatorul este furnizat aceeași tensiune. Rezultatele măsurătorilor și calculelor sunt incluse în tabel. I .Aflați valoarea medie a lui n max si calculeaza din ea Kb.

Erori  K b și determinați folosind formule de eroare obținute din formula 13 .  n max definiți drept rădăcina medie pătratică a mediei aritmetice; Eroarea instrumentului U, determinată pe baza clasei de precizie a instrumentului; C 0 eroare determinată de eroarea relativă indicată în marcajul condensatorului.

Derivarea formulelor de eroare și calculele trebuie prezentate în raport.

5. Comparați rezultatele măsurătorilor K b . cu fișa tehnică a galvanometrului, explicați rezultatele comparației.

Tabelul I

	n max (fapte)	 nmax (del.)	(ÎN)	 U (ÎN)	( )	 C 0 ( )	K b (Cl/ del.)	 K b (Cl/ del.)
mier

II .Masurarea capacitatii condensatorului si verificarea formulelor pt
calcularea capacității băncilor de condensatoare

1. Înlocuiți condensatorul de capacitate cunoscută cu primul condensator de testare de capacitate necunoscută C 1 . Setați tensiunea U la ieșirea IET 1 = 1 V-2 V, cheia K 1 scurtcircuitare la bornele 1 și 2. Apoi comutați tasta K 1 la bornele 5 și 6, descarcând condensatorul prin galvanometru. Înregistrați cantitatea de respingere a „iepurașului” pe cântar. Prin închiderea tastei K, când „iepurașul” trece prin zeroul scalei, calmați bobina galvanometrului. Apoi deschideți tasta K.

2. Înlocuiți condensatorul C 1 un alt condensator de testare cu capacitate necunoscută C 2 , repetați toate operațiunile din pasul 1 cu acesta, aplicând tensiune la condensatorul U 2 = 2V-3V.

3. Experimente pentru determinarea n max efectuați pentru fiecare condensator de cel puțin 5 ori, obțineți valoarea medie n max.

4. Deoarece, a, atunci găsiți capacitatea necunoscută folosind formula:

(14),

unde C capacitatea determinată, n max valoarea medie a respingerii „bunny” pe scară, U tensiune constantă pentru fiecare condensator.

Erori  C și se determină folosind formulele de eroare obținute din formula (14). Rezultatele măsurătorilor și calculelor sunt incluse în tabel. II și tabel similar. III.

Tabelul II. (III)

	n max (del.)	 n max (del.)	(ÎN)	 U (ÎN)	(F)	 C (F)
mier

5. Măsurați capacitatea bateriilor formate din condensatori C 1 și C 2 la conectarea lor în serie și paralelă, având finalizate toate operațiunile cuprinse la paragrafele 1, 2, 3, 4. Introduceți rezultatele măsurătorilor și calculelor în tabel. IV pentru conectare în serie, în tabel. V pentru paralel.

Tabelul IV. (V).

	n max (del.)	 nmax (del.)	(ÎN)	 U (ÎN)	(F)	(F)		(F)
mier

Comparați rezultatele măsurătorilor capacității pentru conectarea în serie și paralelă a condensatoarelor cu rezultatele calculelor acestor capacități folosind formulele pentru conectarea în serie și paralelă a condensatoarelor.

După finalizarea lucrării, cheia K 0 lăsați deschis

ÎNTREBĂRI DE TEST PENTRU I PĂRȚI ALE LUCRĂRII.

1. Descrieți metoda utilizată în lucrare pentru determinarea capacității condensatorului.

2. În ce unități se măsoară capacitatea electrică în SI și GHS? Dați definiții ale acestor unități și deduceți relația dintre ele.

3. De ce valori depinde capacitatea unui condensator plat, sferic, cilindric? Cunoașteți formulele pentru capacitatea acestor condensatoare.

4.Ce se înțelege prin capacitatea unui conductor sau condensator?

5.Explicați proiectarea și principiul de funcționare al unui galvanometru balistic.

6. Care este semnificația fizică a constantei balistice?

Partea a II-a

MĂSURAREA FLUXULUI DE INDUCȚIE MAGNETICĂ

PRIN METODĂ BALISTICĂ

SCOPUL LUCRĂRII:

1) Stăpânește tehnica de măsurare a mărimii fluxului de inducție magnetică și a inducției folosind metoda balistică.

1. Determinați constanta galvanometrului din fluxul magnetic.

Determinați inducția câmpului magnetic în bobina de măsurare atunci când este introdus un magnet cu bandă în ea.

DISPOZITIVE:

1. galvanometru M 17/11,

2. bobină de accelerație,

3.revista R 33,

4. bandă magnet,

5.chei

TEORIE

Una dintre principalele metode de determinare a caracteristicilor magnetice ale materialelor feromagnetice în câmpuri magnetice constante este balistica. A fost folosit pentru prima dată de A.G. Stoletov pentru a măsura magnetizarea fierului. Metoda balistică se bazează pe măsurarea cantității de electricitate care apare într-o bobină de măsurare care înconjoară o probă magnetică ca urmare a unei schimbări rapide a fluxului magnetic prin acea bobină. Aceeași cantitate de electricitate trece prin cadrul galvanometrului.

În prima parte a lucrării s-a determinat constanta balistică a galvanometrului K b . Vom folosi valoarea acesteia pentru a determina cantitatea de electricitate care trece în circuitul galvanometru atunci când fluxul magnetic se modifică prin bobina de măsurare. Vom schimba fluxul magnetic prin introducerea (sau îndepărtarea) unui magnet de bandă în bobina de măsurare.

Când fluxul magnetic se modifică prin bobina de măsurare, în ea apare o forță electromotoare de inducție

(1),

unde N este numărul de spire ale bobinei de măsurare.

Curentul va curge în circuitul galvanometrului

(2),

unde R este rezistența totală a bobinei și a circuitului galvanometru.

Dacă debitul se modifică cu cantitatea , prin cadrul galvanometrului cca th det cantitatea de electricitate

(3).

Această cantitate de energie electrică poate fi măsurată prin abaterea n a indicatorului gal b van o metru pe o scară

q = К b  n (4).

Apoi determinăm fluxul de inducție magnetică folosind formula (5)

(5).

Cunoscând dimensiunea zonei acoperite de spirele bobinei de măsurare, vom afla valoarea vectorului de inducție magnetică.

(6),

unde B n =B cos  ,  - unghiul dintre normala la planul bobinei si directia vectorului de inductie magnetica.

TEHNICA DE MĂSURARE

1.Asamblați circuitul conform diagramei prezentate în Fig. 2,

Fig.2

unde Г galvanometru, a cărui rezistență a cadrului este R 0g =300 Ohm (date pașaport);

R w un șunt, a cărui rezistență în părțile I și II ale lucrării este aceeași, egală cu 650 ohmi; (măsurată cu un M 371 ohmmetru);

R cr rezistență critică pentru un galvanometru dat și un circuit dat, egală cu 400 Ohmi (asamblată pe un magazie de rezistență R-33);

L bobină de măsurare, al cărei număr de spire este N=15, rezistență ohmică R L =3,2 Ohm (determinat de ohmmetrul M-371), aria bobinei S=100 cm 2 ;

Scopul cheilor K 0, K, K 1 indicat în partea I a lucrării.

1. Închideți tasta K 0 . Introduceți un magnet bandă vertical în interiorul bobinei de sufocare. Închideți tasta K 1 la bornele 1 - 2. Marcați poziția de pornire a indicatorului luminos n 1 .

Scoateți rapid magnetul din bobină. Înregistrați noua poziție a indicatorului n 2, găsiți n=n 2 -n 1 . Faceți măsurători de 5 ori, găsiți n mier . Eroare la determinarea n mier găsiți ca abatere standard.

Folosind formula (5), găsiți modificarea fluxului magnetic care trece prin bobina de măsurare atunci când este introdus (sau îndepărtat) un magnet de bandă. Trebuie avut în vedere că R în formula (5) este rezistența totală a circuitului constând dintr-o bobină de măsurare, un cadru galvanometru, un șunt și o rezistență critică. Folosind formula (6) găsiți mărimea vectorului de inducție magnetică.

Eroarea în determinarea fluxului magnetic poate fi găsită folosind formulele de eroare obținute din formulele (5) și (6).

1. Determinați constanta galvanometrului din fluxul magnetic K f. După cum se poate vedea din (5),

(6).

Eroarea în determinarea constantei galvanometrului din fluxul magnetic se determină folosind formula de eroare obținută din formula (6).

1. Rezultatele măsurătorilor și calculelor sunt incluse în tabel. 6.

Comparați rezultatele măsurătorii K F. cu fișa tehnică a galvanometrului, explicați rezultatele comparației.

VERIFICAȚI ÎNTREBĂRI PENTRU PARTEA II A LUCRĂRII.

1. Descrieți metoda folosită în lucrare pentru determinarea fluxului magnetic.
2. Schimbarea poziției magnetului în bobină (polul nord în jos sau în sus) afectează citirile dispozitivului?
3. Viteza de mișcare a magnetului față de bobină afectează citirile dispozitivului? De ce?
4. Fișa de date pentru galvanometrul M 17/11 indică valorile constantelor dispozitivului (K b, Kf etc.) pentru o distanță între iluminator și oglinda aparatului egală cu 1 m.

Care este această distanță în configurația noastră? Cum afectează mărimea acestei distanțe eu influență asupra valorilor constantelor dispozitivului?

Tabelul 6

№ p/p

 n

 R

K b

 K b

 F

K f

 K f

 S

Han

 Bn

mm

mm

Ohm

Ohm

Kl/mm

Kl/mm

Wb

Wb

Wb/mm

Wb/mm

m 2

m 2

Tl

Tl

mier

Aplicație

Dispozitivul unui galvanometru al unui sistem magnetoelectric

Galvanometre - dispozitive utilizate pentru măsurarea curenților electrici slabi, sunt împărțite în funcție de proiectarea lor în două grupe principale: 1) cu o bobină mobilă, care curge în jurul curentului și se rotește în câmpul unui magnet staționar sau electromagnet; 2) cu un magnet mobil și o bobină fixă.

Pentru a măsura puterea curentului, atât la acelea, cât și la alte dispozitive, se folosește rotația unui sistem în mișcare, deviând de la o anumită poziție de echilibru sub influența interacțiunii curentului și magnetului. Pentru măsurători precise se folosesc numai galvanometre de primul tip.

Sistemul de mișcare al unui astfel de galvanometru este, în cele mai multe cazuri, un cadru patruunghiular format din spire dreptunghiulare de sârmă subțire izolata cu o secțiune transversală de câteva sutimi de milimetru bine așezat și lipit cu lac izolator. Secțiunea transversală efectivă a unei astfel de bobine, pătrunsă de liniile de forță a câmpului magnetic, este nS, unde n este numărul de spire ale cadrului și S este aria secțiunii transversale a unei spire dreptunghiulare individuale de sârmă. Numărul de spire într-o astfel de bobină variază de la câteva zeci la sute. Filetul E cu o oglindă luminoasă M atașată la el (Fig. 3) servește drept suspensie pentru cadrul C. Cadrul se poate roti liber în golul format din doi poli ai unui magnet permanent și un cilindru J din fier moale, montat pe o placă P din material nemagnetic. În acest caz, așa cum se arată prin linia punctată din partea de jos a figurii, câmpul magnetic din spațiul de aer este aproape radial (în partea superioară a figurii, unul dintre polii magnetului este parțial îndepărtat).

Firul de suspensie este un fir subțire de metal (platină) sau o panglică de bronz cu o secțiune transversală de câțiva microni sau un fir subțire de cuarț, uneori platinizat la suprafață. A doua sursă de curent a bobinei este de obicei o panglică metalică de argint sau aur de câteva zecimi de microni grosime. În galvanometrele cu suspensie de cuarț, de obicei, ambele surse de curent ale cadrului sunt realizate sub formă de astfel de panglici conectate la înfășurarea cadrului galvanometrului (bobina) în partea inferioară. Sursele de curent către sistemul mobil al galvanometrului nu trebuie să ofere rezistență elastică la rotația sistemului mobil. Astfel, momentul forțelor elastice care acționează asupra cadrului este doar cuplul filetului suspensiei.

Fig.3.

Înainte de a începe lucrul, galvanometrul trebuie instalat corect, ceea ce se realizează prin rotirea celor trei șuruburi de fixare pe care se sprijină corpul dispozitivului. Aceasta înseamnă că sistemul mobil al galvanometrului, ținut într-o poziție fixă ​​înainte de începerea lucrului printr-un dispozitiv special (blocare), trebuie, după eliberarea încuietorii, să se miște liber între polii magnetului, fără a-i atinge în timpul rotației. Îngustimea distanței dintre polii magnetului și cilindrul central necesită o instalare foarte precisă a dispozitivului.

Pentru a asigura o instalare corectă, unele sisteme de galvanometru sunt echipate cu o nivelă pentru a ajuta la ghidarea instrumentului în poziția corectă. În alte sisteme de galvanometru, în corpul dispozitivului este instalată o oglindă specială lipită, ceea ce facilitează observarea poziției cadrului față de polii magnetului.

Dispozitivele de primul tip sunt instalate la nivel cu un sistem de mișcare blocat. Dispozitivele de al doilea tip sunt instalate cu sistemul mobil gratuit. Descărcătorul este acționat de o pârghie specială sau un cap de șurub, scos undeva din galvanometru și echipat cu o inscripție.

Eliberarea și fixarea sistemului galvanometru mobil înainte de funcționarea dispozitivului (sau după finalizarea acestuia) trebuie făcută cu mare atenție, deoarece șocurile sistemului galvanometru mobil, preluate de furca de oprire, sunt transmise direct suspensiei subțiri. fir. Nu este recomandat ca studenții să efectueze singuri această operație în atelier, aceștia ar trebui să solicite ajutor de la asistenții de laborator din atelier și să profite de ocazie pentru a monitoriza efectuarea acestor operații de către persoane cu experiență.

Capătul superior al firului de suspensie este fixat într-un cap rotativ (marcat pe corpul dispozitivului cu inscripția „zero corector”), situat pe partea superioară a corpului galvanometrului. Prin rotirea acestui cap, puteți roti sistemul galvanometru mobil pentru a-l seta în poziția zero între polii magnetului. În poziția zero, planul spirelor sistemului de suspensie mobil este instalat aproximativ paralel cu linia ab (Fig. 3). Operația de rotire a cadrului (bobinei) galvanometrului necesită aceleași precauții ca și deblocarea dispozitivului. Este necesar să rețineți că atunci când capul corector de zero se rotește, cadrul urmărește rotația capului cu o întârziere, deoarece transmiterea cuplului la cadru se realizează prin firul de suspensie. Prin urmare, după ce rotiți corectorul de zero cu un unghi mic, ar trebui să așteptați de fiecare dată până când sistemul de mișcare al dispozitivului este instalat într-o nouă poziție. Numai printr-o astfel de rotație intermitentă a corectorului de zero poate fi adus sistemul de mișcare în poziția dorită între polii magnetului. În atelier, aceste operații sunt, de asemenea, efectuate nu de studenți, ci de asistenți de laborator.

Măsurarea intensității curentului se bazează pe observarea unghiurilor de rotație ale cadrului C. Când curentul trece prin înfășurarea cadrului, acesta din urmă experimentează un cuplu de forțe care acționează asupra curentului într-un câmp magnetic. În acest caz, cadrul tinde să fie poziționat astfel încât momentul magnetic al curentului care circulă prin el să fie direcționat de-a lungul câmpului magnetic extern. Ca rezultat, cadrul se rotește la un anumit unghi . Modurile de mișcare ale cadrului galvanometrului sunt următoarele:

1. Modul aperiodic.Acesta este un mod în care cadrul galvanometrului, sub influența curentului, se apropie lin de poziția de echilibru, fără a trece prin ea.
2. Modul periodic. Mișcarea cadrului în acest caz are loc în așa fel încât, îndreptându-se spre poziția de echilibru, acesta trece prin acesta și îl ocupă după mai multe oscilații.
3. Mod critic. Acesta este un mod în care cadrul galvanometrului, sub influența curentului, se apropie de poziția de echilibru în cel mai scurt timp posibil. Acest mod este cel mai benefic pentru muncă.Parametrii elementelor de circuit necesari implementarii modului critic sunt dati in fisa de date galvanometru.

1 Dispozitivul galvanometrului este descris în „Anexa” la munca de laborator. Parametrii lui M 17/11 sunt indicați în instrucțiunile pentru dispozitiv, pe care elevul trebuie să le citească.

Sunt diverse metode măsurători de capacitate: metoda ampermetru-voltmetru, metoda punții, metoda galvanometrului balistic, prin timpul de descărcare a unui condensator printr-un rezistor de rezistență cunoscută, metoda rezonante etc. Să le luăm în considerare mai detaliat.

Una dintre cele mai simple este metoda ampermetru-voltmetru. Se bazează pe măsurarea capacității unui condensator, care este invers proporțională cu capacitatea și frecvența. curent electric: ,

Prin urmare, pentru a măsura capacitatea folosind această metodă, este necesar să se cunoască frecvența tensiunii furnizate de la sursa de alimentare.

Balistice sunt numite galvanometre sensibile, în care perioada de oscilații naturale a cadrului este foarte lungă. Orice dispozitiv al unui sistem magnetoelectric poate funcționa în modul balistic dacă curentul din circuitul dispozitivului curge un timp care este de multe ori mai scurt decât perioada de oscilații naturale a cadrului său în mișcare. Când un condensator este descărcat printr-un galvanometru balistic, deviația acului galvanometrului este proporțională cu sarcina care curge prin el. Să realizăm următorul experiment. Să încărcăm condensatorul la tensiunea U și, după ce l-am descărcat prin galvanometru, observăm cantitatea de deviere a indicatorului. Să repetăm ​​experimentul, crescând tensiunea cu 2, 3 etc. dată. De fiecare dată raportul dintre tensiune și numărul de diviziuni cu care a deviat săgeata va fi o valoare constantă. Apoi, fără a schimba tensiunea, vom efectua un experiment cu condensatoare de capacitate C, 2C, 3C etc. Constatăm că raportul dintre capacitatea condensatorului și numărul de diviziuni cu care acul a deviat este, de asemenea, o valoare constantă.

Constanta balistică a unui galvanometru este raportul dintre sarcina q care curge prin cadrul galvanometrului și numărul de diviziuni n cu care acul a deviat: k = q/n. Pentru a determina constanta balistică, se efectuează un experiment de mai multe ori cu condensatoare de capacitate cunoscută. Sarcina unui condensator este calculată prin formula q = CU, unde q este sarcina de pe una dintre plăcile condensatorului, C este capacitatea condensatorului și U este tensiunea dintre plăcile condensatorului. Atunci k = CU/n. Din mai multe experimente la tensiuni diferite între plăcile condensatorului și diferite valori de capacitate, se determină valoarea medie a constantei balistice a galvanometrului.

Apoi un condensator de capacitate necunoscută este conectat la circuit și experimentul se repetă. Cunoscând constanta balistică și numărul de diviziuni prin care acul galvanometrului a deviat, se determină capacitatea: Cx = kn/U.

Pentru a măsura capacitatea, puteți utiliza orice dispozitiv al sistemului magnetoelectric, cu condiția ca produsul dintre capacitatea condensatorului și rezistența internă a dispozitivului să fie semnificativ mai mic decât perioada de oscilații naturale a acului dispozitivului. În acest caz, condensatorul este complet descărcat într-un timp mult mai mic decât perioada propriilor oscilații, iar o modificare a rezistenței rezistorului conectat în serie cu galvanometrul nu afectează în niciun fel deformarea acului galvanometrului.

Exercițiul 3

Determinarea perioadei și scăderea logaritmică a amortizarii oscilației cadrului

Măsurătorile. 1. Setați valorile inițiale de rezistență conform recomandărilor pentru exercițiul 3.

2.Utilizarea potențiometrului R obțineți o abatere „iepuraș” de 80-100 mm.

3.Deschideți comutatorul B2(rezistența în circuitul galvanometrului devine infinit de mare), „iepurașul” va reveni la scara zero și va face în același timp mai multe oscilații amortizate. Utilizați un cronometru pentru a determina durata a 2-3 oscilații complete pentru a determina „perioada”. Repetați această procedură de cel puțin trei ori pentru a putea găsi valoarea medie a perioadei de oscilație liberă T 0 și frecvența lor ciclică  0  T 0 .

4. Măsură cea mai mare abateri a două oscilații consecutive „bunny”. O La Şi O k+1 pe o parte a zeroului (de preferință pe dreapta). Pe baza rezultatelor măsurate, determinați scăderea logaritmică a amortizarii oscilațiilor d  cadre ale unui galvanometru cu rezistență infinită.

5. Blocare B2, acum circuitul galvanometru conține rezistența setată inițial R 1 , și de asemenea R 2 Şi r alte. Pornirea și oprirea curentului din galvanometru cu un comutator P, eliminați dependența scăderii atenuării logaritmice pe măsură ce aceasta scade R 1 atâta timp cât au loc oscilaţiile „iepuraşului”. Înregistrați rezultatele în tabelul 2.

Tabelul 2

R 1	O k	O k+1

6.Tratați graficul dependenței 1/ d= f(R 1 ) . Ar trebui să ne așteptăm la o formă liniară a acestei dependențe. Dacă extrapolăm graficul 1/ d  0 , apoi traversează axa x la R 1  R 1k, ceea ce face posibilă determinarea rezistenței critice (9) în alt mod. Într-adevăr, la rezistența critică în circuitul galvanometru, deplasarea cadrului în poziția de echilibru are loc fără oscilații, aperiodic, care pot fi interpretate ca „oscilații” cu o scădere foarte mare de amortizare.

R cr = R 1k + R 2 + r.

Comparați rezistența critică determinată de această metodă și cea utilizată în exercițiul 2.

Exercițiul 4

Determinarea constantei balistice a galvanometrului și a capacității electrice a condensatorului

Modul balistic de funcționare a galvanometrului (în jargon fizic - galvanometru balistic, o analogie cu un pendul balistic este potrivită aici) este folosită pentru a măsura mărimea sarcinii electrice q, trecut prin circuit în timpul unui impuls de curent de scurtă durată, de exemplu, în timpul descărcării unui condensator. Se presupune că durata impulsului este mult mai mică decât perioada de oscilații libere a cadrului galvanometrului. Cu această ipoteză, este evident că întreaga încărcătură va trece prin cadru într-un timp atât de scurt încât nu va avea timp să se devieze. Cadrul, însă, primește o împingere, a cărei mărime determină unghiul prin care se rotește, ceea ce înseamnă unghiul  proporțional cu taxa q.

unde este constanta balistică la rezistență infinită în circuitul cadru galvanometru. În această condiție, frânarea cadrului este minimă (vezi exercițiul 3).

Din formula (13) rezultă definiția constantei balistice

, (14)

G

de n– numărul maxim de diviziuni de scară prin care „iepurasul” deviază atunci când „alunecă” prin cadrul de încărcare q (prima respingere balistică).

Constanta balistică poate fi determinată experimental folosind un condensator cu o capacitate cunoscută CU 0 (de referință) prin conectarea acestuia la un circuit electric, a cărui schemă este prezentată în Fig. 2.

Condensatorul de referință este încărcat la diferența de potențial U 0 de la o sursă de curent (comutator Pîn poziție 1 ), apoi descărcat printr-un galvanometru G(comutator Pîn poziție 2 ). Sarcina electrica

q= C 0 U 0 (15)

curge prin cadrul galvanometrului. Înlocuind sarcina (15) în formula (14), obținem o expresie pentru determinarea constantei balistice:

. (16)

Dacă în loc de condensator CU 0 porniți un alt condensator cu capacitate necunoscută CU 1 și încărcați-l la diferența de potențial U 1 , atunci cunoașterea constantei balistice face posibilă determinarea capacității CU 1 conform formulei

. (17)

Măsurătorile. 1.Blocați amortizorul ÎN d pentru a proteja galvanometrul.

2.Asamblați circuitul electric conform schemei (Fig. 2) și invitați profesorul sau asistentul de laborator să-l verifice.

3. Închideți comutatorul B1și setați tensiunea U 0 = 0,50 V.

4.Switch P conectați condensatorul la sursa de alimentare (comutator în poziție 1 ), determinând-o să se încarce la 0,50 V.

5.Deschideți clapeta ÎN dși verificați dacă indicatorul luminos se află la marcajul zero al scalei. Dacă nu, atunci realizează-l. Cum se poate face acest lucru?

6. Mutați comutatorul în poziție 2 și marcați cea mai mare abatere a „iepurașului” pe scară - n 0 .

7.Rezultatele măsurătorilor n 0 la trei tensiuni diferite U 0 intra in tabelul 3.

Tabelul 3

U 0	n 0		U 1	n 1	C 1

8.Porniți în schimb CU 0 condensator de capacitate necunoscută CU 1 și să efectueze cu acesta măsurători similare ale deșeurilor balistice n 1 (punctul 3-6).

9.Prelucrarea rezultatelor se rezumă la calcularea constantei balistice folosind formula (16) și determinarea capacității CU 1 conform formulei (17), precum și determinarea lățimii intervalului de încredere conform Student.

10.Verificați dacă este valabilă următoarea egalitate:

.

Existența lui este justificată în manual, acolo este formula (66). De asemenea, vă reamintim că CU eu – sensibilitatea curentului , T 0 – perioada de oscilații libere ale cadrului (vezi exercițiile 1 și 3). Această verificare este unul dintre elementele monitorizării corectitudinii măsurătorilor și calculelor parametrilor galvanometrului.

Exercițiul 5

Determinarea constantei balistice

Când un condensator este conectat la un galvanometru, rezistența acestui circuit este într-adevăr foarte mare. Dar este posibilă și o altă situație.

P
O bobină este conectată la galvanometru, în care este excitat un impuls scurt. În acest caz, pulsul trece prin circuit, inclusiv prin galvanometru, dar rezistența sa nu este la fel de mare ca la un condensator, mai degrabă chiar mică. Să luăm în considerare circuitul, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 3. Circuitul galvanometru include o bobină cu inductanță L 1 și rezistență activă r 1 , precum și magazin de rezistență R 1 . Diagrama de mai sus diferă de cea discutată mai sus (Ex. 4) prin aceea că aici rezistența în circuitul galvanometrului, în primul rând, nu este infinită și este așa nu poate fi, în al doilea rând, acesta poate fi schimbat din cauza R 1 . Aceasta înseamnă că, în funcție de mărimea rezistenței, natura mișcării cadrului către și în jurul poziției de echilibru devine diferită, iar această alegere este în mâinile experimentatorului. În aceste condiții, cea mai favorabilă este o mișcare de relaxare cu caracter critic. Pentru aceasta, rezistența circuitului galvanometru trebuie să fie critică R cr, a cărui valoare este determinată în ex. 2 și 3. Prin urmare, pe magazin R 1 trebuie instalat

R 1 =R cr – (r+r 1 ) .

Să luăm în considerare răspunsul unui galvanometru la un impuls de curent într-un circuit cu rezistență critică. Dacă în bobină L 1 cu numărul de spire w 1 pentru dt secunde schimbă fluxul magnetic în d , atunci va fi indusă o fem indusă în bobină.

.

Curentul de inducție apărut sub influența sa i va crea în bobină L 1 EMF autoindusă

.

Conform celei de-a doua reguli a lui Kirchhoff, suma algebrică a căderilor de tensiune într-un circuit închis este egală cu suma algebrică a fem.

După ce am separat variabilele și am integrat ecuația rezultată, vom avea următoarea soluție:

,

Unde q= i – sarcina electrică totală trecută prin circuit (inclusiv prin galvanometru) în timpul acțiunii unui impuls de curent de durată  ,

 2  1 – modificarea fluxului magnetic în timp  .

De aici puteți afla valoarea taxei,

. (19)

Trecerea taxei q prin galvanometru face ca cadrul să se rotească într-un unghi  , proporțional cu taxa,

Echivalând expresiile (19) și (20), obținem următoarea formulă pentru constanta balistică a unui galvanometru într-un circuit având o rezistență critică:

. (21)

Constantele balistice ale unui galvanometru diferă unele de altele, deoarece fiecare dintre ele este inerente unor condiții de funcționare anumite și incompatibile ale galvanometrului, în același timp, sunt interconectate, deoarece acestea sunt caracteristici unul dispozitiv. Este dovedit în formula (70) că

Cum să-l găsești practic? Pentru a face acest lucru, este asamblat un circuit care conține un galvanometru și două bobine cuplate inductiv: una este un solenoid lung cu un singur strat. L 0 , al doilea este o bobină scurtă cu patru secțiuni L 1 , plasat peste solenoid.

Când trece curentul eu se creează un câmp magnetic de-a lungul solenoidului, a cărui intensitate pe axa solenoidului este egală cu N, inducție ÎNși fluxul magnetic 

,

Unde l 0 , S 0 – lungimea și aria secțiunii transversale a solenoidului.

Același flux magnetic pătrunde în a doua bobină L 1 , să o notăm  1 . Dacă direcția curentului în solenoid este inversată, atunci fluxul magnetic își va schimba semnul  2 = – B.S. 0 .

Astfel, modificarea fluxului magnetic prin a doua bobină este

, (23)

iar după înlocuire

. (24)

Expresia pentru constanta balistică (21) poate fi scrisă ca:

[C/(mm/m)]. (25)

Semnul minus este omis, deoarece determină în ce direcție se va întoarce cadrul galvanometrului, dar nu afectează mărimea unghiului de rotație.

Magnitudinea

[Wb/(mm/m)] (26)

numit constantă balistică pentru flux magnetic.

Măsurătorile. 1.Asamblați un circuit electric conform diagramei din Fig. 3, incluzându-l ca bobină L 1 una dintre cele patru secțiuni care conțin w 1 se întoarce. Amortizor ÎN d Ca întotdeauna, trebuie să fie închis în timpul asamblarii.

2. Sugerați profesorului sau asistentului de laborator să verifice circuitul asamblat.

3.Instalați în magazin R 1 rezistență critică.

4. Setați circuitul solenoidului la un curent mic eu, atunci poate fi necesar să fie schimbat.

5. Rotirea comutatorului P dintr-o poziție în alta, măsurați aruncarea balistică maximă a „iepurașului” n. Acest lucru trebuie făcut la trei curenți diferiți eu. Introduceți rezultatele în tabelul 4.

Tabelul 4

6.Calculați și folosind formulele (25), (26), găsiți valorile medii ale fiecăruia dintre ele și lățimea intervalelor de încredere Student ca pentru măsurătorile directe. Verificați îndeplinirea condiției (22)

7.Pe baza rezultatelor obținute în Ex. 1...5, alcătuiți un tabel rezumativ al parametrilor metrologici ai galvanometrului studiat.

Rezumatul parametrilor metrologici ai galvanometrului M17, nr.………… .

Constanta curentului	c eu
Tensiune constantă	c U
Rezistenta interioara
Rezistență critică	R kp
Perioada de oscilație	T 0
Frecvența de vibrație liberă
Constanta balistică
Constanta balistică
Balist.constant. prin magnetic curgere

Exercițiul 6

Determinarea componentelor orizontale și verticale ale intensității câmpului magnetic al Pământului

În exercițiul de mai jos, puteți folosi un galvanometru bine cercetat pentru a rezolva o problemă practică - determinarea puterii câmpului magnetic al Pământului folosind un galvanometru foarte sensibil în modul balistic. Ideea din spatele experienței este simplă. Să existe un circuit închis în câmpul magnetic al Pământului, care include un galvanometru. Dacă modificați orientarea circuitului în spațiu, astfel încât fluxul magnetic prin acesta să se schimbe, atunci va apărea o fem indusă în circuit și impulsul de curent indus va duce la o deviere a indicatorului galvanometrului.

D
Pentru a efectua un astfel de experiment, se ia o bobină L 2 pe un cadru inel, situat pe un suport rotativ. Vectorul intensității câmpului magnetic al Pământului este situat în planul meridianului magnetic sub un unghi  până la orizont (Fig. 4), unde  – înclinația magnetică (în zona noastră se poate lua aproximativ egală cu latitudinea geografică).

Dacă bobina este rotită, de exemplu, în jurul axei z, apoi fluxul vectorial N G prin zona acoperită de circuit se va schimba, ceea ce va duce la apariția unei feme induse egale, în conformitate cu legea lui Faraday, E= d / dt.

2
.Se instalează în magazin R 1 rezistenţă

.

3. Determinați planul meridianului magnetic S–N folosind o busolă și plasați planul bobinei inelului perpendicular pe această direcție.

4. Deschideți amortizorul. Rotiți bobina în jurul axei verticale cu 180, observați deformarea „iepurașului” pe scară. Acest experiment trebuie făcut de cel puțin cinci ori, observând de fiecare dată aruncarea balistică maximă. Încercați să întoarceți bobina atât de repede încât durata de rotație să fie mai mică decât perioada de oscilații libere a cadrului galvanometrului, care este asociată cu condiția necesară pentru durata scurtă a impulsului de curent în circuit. Introduceți rezultatele măsurătorii în tabelul 5.

5. Efectuați măsurători similare atunci când rotiți bobina în jurul unei axe orizontale, instalând-o mai întâi pe orizontală.

6. Măsurați diametrul bobinei, acesta va fi necesar pentru a calcula aria acesteia S 2 , și notează numărul de ture w 2 secțiunea care a fost inclusă în circuit.

Prelucrarea rezultatelor constă în calcularea componentelor orizontale și verticale ale intensității câmpului Pământului folosind formula

. (27)

Tabelul 5

Învârtindu-se vertical topoare				Învârtindu-se orizontală topoare
n 1	N G			n 2	N V

Bazat pe medii N GŞi N V Calculați puterea totală a câmpului magnetic al Pământului și comparați-o cu valoarea găsită în literatură.

1.Curs de măsurători electrice. /Ed. V.G. Prytkov, A.V. M.-L.: Stat. energic ed., 1960. Partea 1, cap. 5.

2. Echipamente electrice de laborator. Ed. Permanent. Univ., 1976. §15-16.

3. Ghid pentru orele de laborator de fizică./Ed. L.L.Goldina. M.: Nauka, 1973. P.274.

4. Sivukhin D.V. Curs de fizica generala. M.: Nauka, 1977. T.3, p.556.

5. Kortnev A.V., Rublev Yu.V., Kutsenko A.N. Atelier de fizică. M.: Liceu, 1963. P.232.

Cercetare Lucrări de curs >> Chimie

Înlocuiește cu altul. Zonele principale aplicatii crom – protectie decorativa, ... electrozi; fascicul de raze reflectat oglindită galvanometru, instalat lângă marginea din stânga... componente ale procesului de cromare Obiect cercetare: deșeuri solide din galvanic...

1.4. Trecem rapid la K 1 și numărăm prima abatere maximă a punctului luminos b de pe scară. (Pentru a liniști cadrul galvanometrului balistic, trebuie să activați tasta K).

1.5. Apoi repetați același experiment pentru alți doi curenți I 2 = 0,2A și

1.6. Folosind formula (8), determinăm C și apoi valoarea medie a acestuia:

Tabelul 1 - Determinarea setarii constantei balistice

			C c r, Wb/m

2. Demagnetizarea unui tor.

2.1. Deschideți circuitul de măsurare cu cheia K pentru a nu arde galvanometrul în timpul demagnetizării.

2.2. Conectați capetele de ieșire ale LATR („Încărcare”) la bornele de „Demagnetizare” situate pe panou.

2.3. Setați regulatorul de tensiune LATR în poziția zero.

2.4. Conectați LATR la o rețea de tensiune alternativă de 220 V.

2.5. Schimbați ușor tensiunea de ieșire a LATR de la 0 la 100 V și apoi de la 100 la 0. Repetați acest lucru de 5 ori.

2.6. Dezactivați LATR.

3. Studiul dependenței lui B de H.

3.1. Folosind comutatorul K 2, închideți circuitul la tor.

3.2. Folosind reostatele R 1 și R 2, setați curentul la 0,1 A.

3.3. Schimbați rapid direcția curentului în torus prin comutarea tastei K 1 în sens opus și înregistrați abaterea punctului luminos al galvanometrului balistic a.

3.4. La valoare dată curent, repetați experimentul de cel puțin 3 ori și determinați valoarea medie a medie.

3.5. În mod consecvent, de fiecare dată când crește curentul în tor cu DI = 0,1A, se efectuează experimentele din paragrafele 3.1-3.4 până când se atinge valoarea maximă a curentului care se poate obține în instalație.

3.6. Pentru fiecare valoare a curentului din înfășurarea torului, se calculează intensitatea câmpului magnetic H folosind formula (6), determinând

3.7. Pentru fiecare valoare curentă, determinați B folosind formula (5).

3.8. Trasează un grafic cu B = f(H).

3.9. Folosind formula (7), calculați m și reprezentați grafic dependența m=f(H).

3.11. Trageți o concluzie despre natura dependențelor B = f(H) și m=f(H).

Tabelul 2 – Rezultatele studierii câmpului magnetic al miezului torusului

			V,T

REGULI DE SIGURANȚĂ

1. Conectați suportul la o rețea de tensiune alternativă de 220 V numai cu permisiunea profesorului.

2. Demagnetizați cu grijă torul. La demagnetizare, asigurați-vă că deschideți circuitul galvanometrului balistic cu cheia K (în poziția „Oprit”).

VERIFICAȚI ÎNTREBĂRI PENTRU PERMISIUNEA DE MUNCĂ

1. Care este scopul lucrării?

2. Care este ordinea lucrării?

3. Cum se determină constanta balistică a instalației?

4. Cum se determină B?

5. Cum se determină H?

6. Cum se determină m?

7. Care este schema de instalare? Povestește-ne despre ea.

ÎNTREBĂRI DE TEST PENTRU A ȚI PROTEJA MUNCĂ

1. Ce fenomen stă la baza performanței muncii?

2. Care este caracteristica clasei de substanțe - feromagneți?

3. Ce sunt materialele diamagnetice și paramagnetice?

4. Care este semnificația fizică a instalației constante balistice?

5. Care este cantitatea de sarcină care curge printr-un galvanometru balistic atunci când fluxul magnetic se modifică?

6. Explicați dependența B = f(H) pentru un feromagnet.

7. De ce a fost demagnetizat torul?

8. Explicați dependența m=f(H).

1. Trofimova T.I. Curs de fizică - M.: Şcoala superioară, 1999. - 542 p.

2. Zisman G.A., Todes O.D. Curs de fizica generala. T.2.-M.: Știință, 1969.-

3. Doroșenko N.K., Voronov I.N. Proprietățile magnetice ale materiei - SibGGMA: Novokuznetsk, 1997. - 27 p.

Planul 2002

Compilat de:

Doroșenko Nadejda Kuzminichna

Voronov Ivan Nikolaevici

Konovalov Serghei Valerievici

Bokova Tatyana Grigorievna

Martuşevici Elena Vladimirovna

STUDIUL INDUCȚIEI MAGNETICE ÎN FIER

PRIN METODĂ BALISTICĂ

Orientări pentru efectuarea lucrărilor de laborator pe curs

„Fizica generală”

Editorul N.P. Lavrenyuk

Editor Nr 01439 din data de 04.05.2000 Semnat pentru sigiliu

Format hârtie 60x84 1/16 Hârtie de scris Imprimare offset

Cond.bake.l. 0,58 Academic-ed.l. 0,65 Tiraj 100 exemplare. Comanda

Universitatea Industrială de Stat Siberian

654007, Novokuznetsk, str. Kirova, 42

Centrul de editare SibGIU