Файл: MetodichkaElektrika.doc

Перевагою цифрових приладів є малі похибки вимірювання (0,1 – 0,001%) у широкому діапазоні вимірювальних сигналів, висока швидкість дії (до 500 вимірювань/с), видача результатів вимірювань у цифровому вигляді, можливість документальної реєстрації вимірювальної інформації за комп’ютерної техніки для наступного опрацювання.

До недоліків варто віднести: складність схем і конструкції, високу вартість, меншу надійність. Ці недоліки можна вважати тимчасовими, оскільки в даний час вони швидко усуваються у зв’язку з розвитком мікроелектронної елементної бази.

Будова багатомежових приладів. Шунти та додаткові опори

Щоб збільшити діапазон вимірювання сили струму в раз необхідно, щоб крізь амперметр, як і раніше, проходив струм силою , а струм проходив крізь паралельний амперметру шунт (рис.1). Напруга між точками і :

Рис.1 Рис. 2

Звідси видно, що опір шунта (1)

Щоб збільшити діапазон вимірювання напруги в разів необхідно, щоб на вольтметрі була напруга , а на додатковому опорі (рис.2)

Оскільки крізь вольтметр та додатковий опір протікає струм однієї і тієї ж сили, то . Звідси додатковий опір

. (2)

Багатомежові вольтметри та амперметри містять у собі системи шунтів та додаткових опорів, які змінюють діапазони (межі) вимірювальних величин.

Вплив вимірювальних приладів на роботу електричної схеми

Завжди потрібно пам’ятати про те, що вмикання в схему вимірювального приладу змінює умови її роботи. Тому виміряні приладом значення сили струму або напруги будуть відрізнятися від тих значень, що існували у схемі без приладу.

Так, якщо вимірювати невідомий опір резистора за допомогою амперметра та вольтметра, потрібно підключити резистор до джерела струму та вимірити силу струму, що тече крізь резистор, і падіння напруги на ньому. Потім, використовуючи закон Ома, визначити значення невідомого опору:

(3)

Схеми підключення амперметра і вольтметра зображені на рис. 3 і рис.4.

Рис. 3 Рис. 4

Перша схема застосовується тоді, коли внутрішній опір вольтметра . Сила струму, що вимірюється амперметром:

(4)

Якщо , то . При цьому внутрішній опір амперметра – будь-який.

При використанні другої схеми напруга, що вимірюється вольтметром,

. І, якщо , то . При цьому внутрішній опір вольтметра може бути будь-яким.

При значеннях , , одного порядку необхідно скористатися обома схемами одночасно.

При використанні другої схеми , (5)

а при використанні першої схеми, вважаючи, що дорівнює зовнішній напрузі, яка подається на обидві схеми, маємо: . (6)

Виражаючи з рівняння (6) внутрішній опір амперметра і підставляючи його значення в (5), одержимо: (7)

Враховуючи, що порядок опору резисторів може бути невідомий, необхідно використовувати обидві схеми і за отриманими результатами визначити, якими значеннями та необхідно користуватися, щоб з достатньою точністю розрахувати значення .

Якщо , а , то . Якщо , а , то .

ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ.

Завдання 1. Вимірювання опору резисторів за допомогою амперметра і вольтметра.

1. Зібрати схему відповідно до рис 5.

Рис.5

2. Підключити вольтметр до точок і схеми (діапазон 3 В).Амперметр встановити на діапазон 5 А. Поставивши ручку перемикача у нейтральне положення, подати від джерела струму на схему напругу 2-2,5 В (не більше, оскільки резистори внаслідок перегріву вийдуть з ладу). Виміряти силу струму і напругу при під’єднанні резистора . Результати занести до таблиці 2.

3. Підключити вольтметр до точок і схеми, не змінюючи напруги джерела струму. Зробити вимірювання згідно з п.2, результати занести до таблиці 2.

4. Розрахувати опір резистора за формулою (7). Оцінити похибки вимірювання.

5. Аналогічно визначити опір резистора , результати занести до таблиці 2

Таблиця 2.

№ досліду	, В	, А	, Ом	, В	, А	, Ом
1
2
Середнє

Завдання 2. Ознайомлення з принципом роботи цифрового вольтметра.

Велику групу серед цифрових приладів складають цифрові вольтметри. На рис. 6,а наведена структурна схема цифрового вольтметра з часовим перетворювачем, де вимірювальна напруга перетворюється на інтервал часу, тривалість якого визначається числом імпульсів генератора зразкової частоти (ГЗЧ), що запам’ятовуються. Вольтметр має: вхідний пристрій (ВП), що забезпечує високий опір приладу; керуючий пристрій (КП), який запускає генератор лінійно змінюваної напруги (ГЛЗН) та обнуляє лічильник імпульсів напруги і лінійно спадаючої напруги (Л); порівняльні пристрої ПП₁ і ПП₂, які виробляють сигнали при рівності напруг; ключ (К), що пропускає імпульси частоти за час із ГЗЧ на лічильник Л; цифровий відліковий пристрій (ЦВП), який фіксує результат вимірювання.

Рис. 6,а Рис. 6, б

Робота цифрового вольтметра пояснюється діаграмами, наведеними на рис. 6,б. З них видно, що , де число імпульсів, що надійшли у лічильник за час , а . Множник чисельно дорівнює швидкості зміни лінійно спадаючої напруги. Підставляючи у вираз для , одержимо або .

Таким чином, показники цифрового відлікового пристрою, який фіксує кількість імпульсів у лічильнику, будуть пропорційні значенню вимірювальної напруги .

Завдання 3. Визначення температури нитки розжарення.

Залежність електричного опору металів від температури виражається формулою: (8)

де електричний опір металевого зразка при температурі ; його електричний опір при 0^оС; температурний коефіцієнт електричного опору даної речовини. З формули (8) можна визначити температуру:

(9)

1. Виміряти опір нитки розжарення лампи при кімнатній температурі за допомогою омметра. Вважати, що отриманий опір приблизно дорівнює опору .

2. Підключити лампу до джерела струму. Виміряти силу струму в колі при напрузі 4 В на кінцях нитки розжарення лампи. Обчислити її опір в нагрітому стані за законом Ома.

3. Знаючи величини , та температурний коефіцієнт опору для вольфраму ( ), обчислити температуру нитки розжарення лампи.

4. Результати обчислень занести до таблиці 3.

Таблиця 3.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

1. Які електровимірювальні прилади називають прецизійними?

2. Як визначити ціну поділки в багатомежових приладах?

3. Як збільшити діапазон вимірювання сили струму або напруги?

4. Які переваги і недоліки у цифрових приладів порівняно з аналоговими?

5. Пояснити за структурною схемою принцип дії цифрового вольтметра.

6. Які основні джерела похибок вимірювання у третьому завданні?

7. Як можна підвищити точність вимірювань в цьому експерименті?

Л А Б О Р А Т О Р Н А Р О Б О Т А № 302.

Вмикання реостата в електричне коло.

Мета роботи:

1. Вивчення закону Ома для однорідної ділянки електричного кола.

2. Ознайомлення із способами вмикання реостата в якості регулятора сили струму і дільника напруги.

Прилади і матеріали: амперметр, вольтметр, джерело струму, два дротяних резистори, монтажна плата, реостат, лінійка.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ.

Німецький фізик Георг Симон Ом експериментально встановив, що сила струму , який протікає по однорідній ділянці кола, прямо пропорційна напрузі , прикладеної до кінців цієї ділянки:

. (1)

Однорідною називають таку ділянку електричного кола, на яку не діють сторонні сили. Отже, величина напруги збігається з різницею потенціалів на кінцях ділянки.

Величину називають електричним опором ділянки кола. Опір залежить від форми, розмірів і властивостей матеріалу провідників, що складають ділянку кола.

Для однорідного циліндричного провідника його опір дорівнює

, (2)

де довжина провідника; площа його поперечного перерізу; питомий електричний опір речовини.

Залежністю (2) користуються на практиці для виготовлення реостатів. Реостат – це прилад для регулювання сили струму або напруги в електричних колах. Опір реостата може змінюватись плавно або дискретно.

Реостати поділяють на дротяні (повзункові) та недротяні. Основа дротяних реостатів – щільно навитий на жаростійку трубу дріт з нікелю або константану. Вони мають три затискачі. Опір дротяного реостата лінійно залежить від довжини ввімкнутої частини дроту:

, (3)

де опір ввімкненої частини реостату; його повний опір; довжина ввімкненої частини реостату; його повна довжина.

Недротяні реостати,які застосовуються у радіотехніці, складаються з високоомного провідного шару, нанесеного на ізоляційний матеріал, найчастіше, у формі кільця. Вони можуть мати не тільки лінійну, але й логарифмічну або ступеневу залежність зміни опору від довжини ввімкненої частини.

Рис. 1 Рис. 2

Реостат може бути увімкнений в коло як регулятор сили струму (рис. 1). Відповідно до закону Ома (1), сила струму в колі

,

де напруга на ділянці кола; опір навантаження. Залежність сили струму від повного опору зовнішньої ділянки кола наведена на рис. 2.

Для незмінної напруги характер залежності визначається співвідношенням між і . При малому реостат може змінювати силу струму в широких межах (ділянка І на рис. 2), при великому сила струму змінюється незначно (ділянка ІІ на рис. 2).

Зазвичай, на практиці використовують два реостати: один для грубого, інший для плавного регулювання сили струму (рис. 3).

Рис. 3 Рис. 4

Щоб охарактеризувати відносну зміну сили струму в колі, що не залежить від величини , будують залежність , де сила струму в колі при .

Регулювання напруги за допомогою реостату здійснюється за схемою на рис. 4. Як залежить напруга на опорі навантаження від значення ?

Очевидно, що , де сила струму в нерозгалуженій частини кола, її опір.

Сила струму дорівнює , а опір зовнішнього кола . Після перетворення одержимо

. (4)

Рис. 5 Рис. 6

При напруга на буде лінійно залежати від ввімкненої частини реостата: .

При залежність буде нелінійною (рис. 5). Це природно, оскільки при цьому значна частина струму буде відгалужуватися на опір навантаження.

Для точного регулювання напруги застосовують два реостати (рис. 6), причому , що дозволяє плавно змінювати напругу в невеликих межах за допомогою другого реостата.

ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ.

Завдання 1. Вивчення схеми послідовного вмикання реостата в коло в якості регулятора сили струму.

1. Зібрати схему відповідно до рис. 7.

2. Увімкнути випрямляч в мережу і подати на вихідні клеми напругу порядку декількох вольт (розрахувати цю напругу, виходячи з величин опору резисторів і та потужності, що розсіюється на них). Переконатись, що при переміщенні повзунка реостата вздовж лінійки із зростанням сила струму в колі спадає.

3. Дослідити залежність сили струму в колі від довжини ввімкненої частини реостату , знімаючи показання амперметра через см для . Перше вимірювання провести при повністю вимкненому, а останнє – при повністю ввімкненому реостаті. Результати вимірювань занести до таблиці 1.

Рис. 7 Рис. 8

Таблиця 1.

, см	0
, А
	1

Завдання 2. Вивчення схеми вмикання реостата в коло в якості регулятора напруги.

1. Зібрати схему відповідно до рис. 8.

2. Подати на клеми джерела струму розраховану в попередньому завданні напругу (порядку декількох вольт). Переконатись, що при переміщенні повзунка реостата вздовж лінійки із зростанням напруга в колі зростає.

3. Дослідити залежність напруги , що знімається з реостата, від довжини ввімкненої частини , знімаючи показання вольтметра через см для . Результати вимірювань занести до таблиці 2.

4. Повторити вимірювання пункту 3 для . Результати вимірювань занести до таблиці 2.

5. За результатами вимірювань побудувати графіки залежності відносної величини напруги від .

Таблиця 2.

, см	0
	1
	1

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

1. З якою метою вмикають реостат в електричне коло?

2. Намалювати схему вмикання реостата в якості регулятора напруги.

3. На підставі якого закону отримано вираз (4)?

4. В якому випадку напруга, що знімається з ввімкненої частини реостата, залежить від неї лінійно?

5. Намалювати схему вмикання реостата в якості регулятора сили струму.

6. При яких співвідношеннях опору навантаження і опору реостата сила струму може змінюватися в широких межах, а при яких – змінюється незначно?