Файл: Лаб. прак. частина 1.doc

Закон Ома у формі U=IR справджується лише для однорідної ділянки кола, тобто такої, на якій немає стрибків потенціалів за рахунок контактних явищ або дії електрорушійних сил.

Розглянемо неоднорідну ділянку кола 1-2 (рис. І), на кінцях якої діє різниця потенціалів ₁-₂ . Е.р.с., що діє на даній неоднорідній ділянці кола, позначимо через _1,2.

Знайдемо напрям струму (₁₂) . Тоді _1,20 , якщо вона діє в напрямі струму (позначено стрілкою). Скористаємось законом збереження і перетворення енергії. Оскільки провідники нерухомі, то робота dA електростатичних і сторонніх сил, яка виконується при переміщенні заряду dq на ділянці 1-2, дорівнює кількості тепла dQ , яке виділилось під час проходження заряду dq.

Тому можна записати:

Прирівнявши праві частини цих рівнянь, будемо мати:

(1)

Це - закон Ома для неоднорідної ділянки кола.

Якщо неоднорідна частина кола складається з кількох ділянок, то формулу (1) можна узагальнити на будь-яке число ділянок:

(2)

де — загальний опір усієї ділянки кола;

— алгебраїчна сума е.р.с., що діють на цій ділянці.

Хід роботи

1. Скласти електричне коло за схемою, показаною на рис. 2.

2. Замкнути вимикач 1, потім 2. Резисторами R₁ і R₂ добитися значення сили струму 0,3 А.

3. Виміряти значення I, U_AB, R₁, R₂, R₃. Результати вимірювань занести до таблиці, яку слід нарисувати самостійно.

4. Обчислити величини, які входять до лівої і правої частини рівняння (2):

При цьому слід врахувати знаки ₁ і ₂ .

5. Зміною опорів R₁ ,R₂ ,R₃ підібрати в колі струми 0,З5 А ; 0,40 А; 0,45А та провести необхідні обчислення згідно пунктів З, 4.

6. Обчислити похибки вимірювань за класом точності вимірювальних приладів та перевірити рівність (2). Зробити відповідні висновки.

Контрольні запитання

1. За яких умов при перевірці закону Ома для неоднорідної ділянки кола можна знехтувати внутрішнім опором амперметра?

2. Чому можна нехтувати внутрішніми опорами джерел струму?

3. Вказати межі застосування закону Ома.

Лабораторна робота № 2-8

Вивчення законів Кірхгофа для розгалужених електричних кіл

л. 1. §36. 2. §9.4

Мета роботи: набути навиків складання електричних кіл і вимірювання струмів і напруг.

Прилади і обладнання: джерела струму; амперметр; вольтметр; набір резисторів; провідники.

Теоретичні відомості

Розглянемо розгалужене електричне коло, в окремі ділянки якого включені джерела струму з відомими е.р.с. Розрахунок такого кола можна провести користуючись законом Ома для неоднорідної ділянки кола і законом збереження заряду. Однак завдання значно спрощується, якщо скористатися двома законами Кірхгофа або правилами Кірхгофа, які є дальшим узагальненням закону Ома для неоднорідної ділянки кола.

Перший закон Кірхгофа формулюється так: алгебраїчна сума струмів, які сходяться у вузловій точці, дорівнює нулю:

(1)

Струми які входять до вузлової точки, вважаються додатними, а струми, які виходять з неї, — від’ємними. Наприклад, для вузлової точки С (рис. 1) на основі (1) можна записати:

---

(2)

Перший закон Кірхгофа виражає закон збереження електричного заря­ду. Рівняння (1) можна записати для кожного із n вузлів складного кола, але незалежними будуть n-1 рівняння.

Другий закон Кірхгофа можна сформулювати так: у будь-якому замкненому контурі розгалуженого електричного кола алгебраїчна сума спадів напруг (тобто добутків сил струмів в окремих ділянках контура на їх опір) дорівнює алгебраїчній сумі електрорушійних сил, що діють в даному контурі.

(3)

Фізичний зміст цього результату полягає в тому, що робота з переміщення заряду вздовж будь-якого замкненого контура дорівнює тільки роботі сторонніх сил, а робота сил електростатичного поля вздовж замкненого контура дорівнює нулю.

При складанні рівнянь за другим законом Кірхгофа вибирають незалежно замкнені контури, які можна виділити в даному розгалуженому колі. Оскільки ліва і права частини рівняння (3) являють собою алгебраїчні суми, то умовилися вважати знак добутку I_iR_i додатним, коли струм I_i збігається з наперед вибраним напрямком обходу контура і від’ємним, коли напрям струму протилежний напрямові обходу. Знак е.р.с. додатний, коли напрям власного струму збігається з напрямом обходу контура.

Розглянемо, наприклад, складне коло на рис. 1.

Рис.1

Застосовуючи правила Кірхгофа, можна дотримуватись такої схеми:

1. Визначити довільно напрями струмів, які входять і виходять з вузлових точок та проходять в окремих ділянках замкненого контура.

2. Вибрати довільно напрям обходу контура і, користуючись рекомендованим вище правилом встановлення знаків доданків алгеб­раїчних сум, скласти шукані рівняння.

3. Складеними рівняннями охопити всі е .р. с, і всі опори даного замкненого контура.

Застосуємо перше правило Кірхгофа до вузла D :

Вибираємо напрям обходу за годинниковою стрілкою,

тоді для контура АВМКА: I₁ R₁ + I₀ R₃ = - ₁

для контура АВDСА : I₁ R₁ - I₂ R₂ = ₂ - ₁,

Ці два рівняння взаємно незалежні. Для контура СDМКС рівняння вже не є незалежним, воно-результат накладання двох попередніх контурів один на другий. Маємо три рівняння з трьома невідомими, і, розв’язавши систему, визначимо невідомі струми.

Порядок виконання роботи

1. Скласти електричне коло за однією із поданих схем для бригад: 1,5,9 — рис. 2; 2, 6, 10 — рис. 3; 3, 7, II — рис 4; 4, 8,12 — рис. 5.

2. Після перевірки змонтованої схеми лаборантом або керівником занять включити в коло живлення.

3. Підключаючи паралельно кожній ділянці кола вольтметр, виміряти спад напруги на всіх ділянках кола.

4. Виміряти ЕРС джерел струму, для чого підключити вольтметр па­ралельно джерелу при розімкненому колі.

5. Виміряти струм на всіх ділянках кола, для чого через гнізда підключити у відповідні вітки амперметр.

6. Виміряні результати занести в таблиці 1, 2, 3.

Табл. 1

№	1	2	U1	U2	I1	I2	r0,1	r0,2

---

Табл. 2

I1	I2	I3	I4	I5	I6

Табл. 3

U1	U2	U3	U4	U5	U6	R1	R2	R3	R4	R5	R6

Обробка результатів вимірювань

1. Користуючись законом Ома і одержаними при вимірюванні результатами, розрахувати недостаючі параметри для складання правил Кірхгофа.

2. Результати розрахунків занести в таблиці 1,2,3,

3. Користуючись даними таблиць 1,2,3 скласти рівняння першого і другого правил Кірхгофа.

4. У випадку невиконання законів Кірхгофа провести повторні вимірювання більш уважно, враховуючи похибки електровимірювальних приладів.

Контрольні питання

1. Виведіть закон Ома в диференціальній формі на основі електронних уявлень.

2. Як практично використовують правила Кірхгофа для розгалужених кіл?

3. Який порядок розрахунків параметрів розгалужених кіл постійного струму.

Лабораторна робота № 2 - 9

Зміна чутливості електровимірювальних приладів

л. 2. §17.2.

Мета роботи: освоїти методику розширення меж вимірювання електро­вимірювальних приладів.

Прилади і матеріали: мікроамперметр на 100-300мкА; міст постійного стру-му; еталонний амперметр класу точності не нижче 0,5; еталонний вольтметр такого ж класу точності; джере-ло е.р.с. до 10-12В; мідна або константанова дротина для шунтів; реостати до 30 Ом на струми не менше 3А; магазин опорів.

Теоретичні відомості

Розглянемо способи розширення меж вимірювання або зменшення чутливості вимірювальних приладів — амперметрів та вольтметрів постійного струму.

Основною частиною будь-якого амперметра і вольтметра постійного струму є високочутливий прилад магнітоелектричної системи (мік­роамперметр або міліамперметр). Незалежно від того, в якій схемі використовується мікроамперметр — при вимірюванні великих струмів, великих напруг або опорів провідників, він має певну чутливість і стрілка його відхиляється на всю шкалу при проходженні через нього певного струму I₀ . У зв’язку з цим, коли потрібно вимірювати великі струми з номінальним значенням I_н = nI₀, де n може бути числом порядку 1010⁵, до мікроамперметра паралельно підключають шунт r_i (рис. 1,а).

Величину опору шунта визначають із співвідношення

(1)

де r₀ – внутрішній опір мікроамперметра;

n – число, яке показує, в скільки разів зменшується чутливість приладу.

Для вимірювання великих напруг з номінальним значенням U_n до мікроамперметра послідовно підключають додатковий опір (рис.1,б), величина якого визначається формулою:

(2)

Амперметр і вольтметр постійного струму мають ряд переваг: вони можуть бути приладами високого класу точності, майже не чутливі до сторонніх магнітних полів, а шкали їх рівномірні. Виготовлені амперметри чи вольтметри градуюють за еталонними приладами.

---

Схему для градуювання амперметра подано на рис.2.

Обидва амперметри — еталонний А_е і досліджуваний А — вмикаються послідовно. Реостатом R₁ добирають певні струми, які відхиляють стрілку досліджуваного амперметра до відповідних поділок його шкали.

Величини цих підібраних струмів визначають за еталонним ампер-метром А_е. Аналогічно градуюють вольтметр за схемою, поданою на рис.3.

Після потенціометра R₁ напруга подається на вольтметр V_e i V. Для точного встановлення напруги заданої величини, користуються до­датковим реостатом R₂. При градуюванні знаходять ряд значень I() і U() для досліджуваних амперметра і вольтметра, на основі яких будують робочі графіки.

Порядок виконання роботи

1. Підібравши відповідний мікроамперметр з номінальним значенням струму I₀ і внутрішнім опором r₀, розрахувати за формулою (І) шунт для заданого n . Величину n визначає викладач безпосередньо на занятті.

2. За допомогою моста підібрати шунт потрібного опору так, щоб густина струму в ньому становила 4 А/мм² . Довжина шунта має бути такою, щоб був деякий запас, потрібний для закріплення шунта в клемах.

3. Під’єднати шунт до клем мікроамперметра i за схемою, поданою на рис.2, проградуювати прилади в одиницях струму за еталонним амперметром.

4. Обчислити за формулою (2) додатковий опір для заданої номінальної напруги U_U . Підібрати потрібний опір r_y за допомогою магазину опорів.

5. Під’єднавши опір r_y до мікроамперметра за схемою, поданою на рис.3, проградуювати його в одиницях напруги за еталонним вольтметром.

6. Побудувати на міліметровому папері робочі графіки I() і U() . Перевірити, чи зберігається на графіках лінійність цих функцій.

Контрольні запитання.

1. Що називається чутливістю вимірювального приладу?

2. Як визначити клас точності вимірювального приладу?

3. Абсолютна і відносна похибки вимірювальних приладів.

Лабораторна робота № 2-10

Експериментальне визначення термо-е.р.c. термопари

Мета роботи: набути навиків експериментального визначення коефіцієнта термо-e.p.c. термопари.

Прилади і матеріали: хромель-алюмелева термопара; два термометри; електрична пічка; потенціометр ПП-63.

Теоретичні відомості

Коло явищ, пов’язаних з виникненням термоелектричного струму при різній температурі контактів, а також явищ Пельтьє і Томсона, дістали назву термоелектричних явищ.

Розглянемо замкнене коло, складене з двох різнорідних металів А і В (рис.1). Місця спаїв 1 і 2 будемо підтримувати при однаковій температурі. В місцях контактів 1 і 2 виникнуть контактні різниці потенціалів ₁ - ₂, але в колі струму не буде:

(1)

де А₁ і А₂ – роботи виходу електронів із металів;

k – стала Больцмана;

Т – абсолютна температура;

n₁ і n₂– концентрації вільних електронів в металах;

e — заряд електрона.

Це пояснюється тим, що у тонкому шарі контакту двох металів виникає подвійний електричний шар і його поле гальмує дальший перехід електронів — настає динамічна рівновага.

---

При нагріванні спаїв 1 і 2 до різних температур Т₁ і Т₂ , у колі виникає струм, а термо-е.р.с. буде дорівнювати різниці контактних різниць потенціалів ₁-₂ :

(2)

де — стала термопари , яка дорівнює е.р.с., що виникає при різниці температур спаїв в 1°С. Таким чином, з формули (2) видно, що е.р.с. термопари пропорційна різниці температур її спаїв.

Експеримент показує, що стала термопари С у різних пар металів і даної пари металів для різних температурних інтервалів має різне значення. Отже, треба визначити диференціальні значення сталої термопари для окремих температурних інтервалів:

(3)

Термопарою називають пристрій з двох різнорідних провідників, з’єднаних між собою надійним контактом (зварені або спаяні) (рис.1).

Явище виникнення е.р.с. в термопарі (2), спаї якої знаходяться при різних температурах, називається ефектом Зеєбека.

При включенні в термопарне коло джерела сторонньої е.р.с. і виникненні при цьому у колі струму, спаї термопари будуть охолоджуватись або нагріватись. Це явище носить назву явища Пельтьє. При цьому теплова енергія або поглинається, або виділяється.

 Q = П I t, (4)

де П – коефіцієнт Пельтьє;

t – час;

I – величина струму.

Термопари широко застосовуються для вимірювання і контролю за сталістю температури — це так звані термоелектричні термометри, які складаються з термопари і приладу, що вимірює термо-е.р.с..

Явище Пельтьє реалізується в численних пристроях і термостатах, в яких охолодження або стабілізація температури може здійснюватись аж до -130С.

Перевагою всіх термоелектричних пристроїв, як металевих так і напівпровідникових є їх простота, висока надійність, повна автономність, безшумність, мініатюризація і т.п. Недоліком таких пристроїв є низький к.к.д., який не перевищує 10-12%.

Для збільшення величини термо-е.р.с. термоелементи збирають в батареї (рис.2)

Парні спаї такої термобатареї підтримують при одній температурі, а непарні — при іншій.

Залежно від інтервалу робочих температур на практиці застосовують такі типи термопар:

1. До 1900 К — група ПП, платина- платинородій, С= 6,410^-3 мВ/К.

2. До 1300 К— група ХА, хромель- алюмель, С= 4, 210^-2 мВ/К.

3. До 900 К— група ХК, хромель-копель, С= 6,9510^-2 мВ/К.

4. До 600 К— група МК, мідь-копель, С= 4,7510^-2 мВ/К.

5. До 500 К— група МК, мідь-константан, С=410^-2мВ/К.

У даній лабораторній роботі визначається термоелектрична стала С хромель-алюмелевої термопари. Лабораторна установка складається згідно рис.3.

На рис.3: А— термостат — посудина, заповнена рідиною при кімнатній температурі; В — нагрівальна пічка; D — потенціометр постійного струму ПП63; К-термометри; М-термопара.

Порядок виконання роботи

1. Перед початком виконання лабораторної роботи лаборант приводить потенціометр ПП-63 до робочого стану. При цьому виставляється робочий струм і така напруга, що при однаковій температурі спаїв гальванометр, в колі потенціометра, повинен знаходитись на відмітці “нуль”.

2. Включити електричну пічку і через кожні 5°С виміряти величину термо-е.р.с. в мВ. Вимірювання продовжувати до 80-90°С.

3. Результати вимірювань термо- е.р.с. і температури занести в таблицю.

4. На міліметровому папері побудувати графік залежності =f (T).

5. Користуючись одержаним графіком, визначити коефіцієнт термо-е.р.с. С, який у цьому випадку чисельно буде рівний тангенсу кута нахилу одержаної прямої до вісі температур.

6. Оцінити похибки вимірювань.

---