Горизонтальная составляющая вектора магнитной индукции магнитного поля земли (3 видео)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Земля имеет форму эллипсоида вращения. Если пренебречь ее сплющенностью (разность радиусов на экваторе и полюсах составляет 21 км), Землю можно принять за шар. Вращающийся земной шар намагничен и обладает магнитным полем. Магнитное поле шара практически совпадает с полем стержнеобразного магнита или диполя, расположенного в его центре. Поэтому Землю можно рассматривать как гигантский магнит, который смещен примерно на 400 км от центра планеты в сторону Тихого океана и наклонен к оси вращения Земли приблизительно под

Горизонтальная составляющая вектора магнитной индукции магнитного поля земли

Рисунок 1

углом 12 0 . Точки на поверхности Земли, в которые проектируется ось такого диполя, называются геомагнитными полюсами. Следует иметь в виду, что в северном полушарии расположен южный магнитный полюс, а в южном — северный.

Рисунок 2

Если подвесить магнитную стрелку так, чтобы она могла свободно вращаться вокруг центра тяжести, то она установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля в данной точке Земли. Геомагнитные полюса не совпадают с географическими. Угол между географическим и магнитным меридианами в любой точке планеты (кроме полюсов) называется магнитным склонением D. Если стрелка компаса отклоняется к востоку, то склонение считается положительным, если — к западу, то — отрицательным.

Стрелка укрепленная на вертикальной оси, расположенной перпен-дикулярно к географическому меридиану, наклоняется под некоторым углом к горизонтальной поверхности. Этот угол получил название магнитного наклонения I. Оно положительно, если северный конец стрелки направлен внутрь Земли, и наоборот.

Вектор индукции магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную . Если магнитная стрелка может вращаться только вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться только под действием горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая , магнитное склонение D и наклонение I называются элементами земного магне-тизма. На рисунке 2 показано разложение вектора магнитной индукции на ортогональные компоненты X, Y, Z и элементы В₀, D, I для произвольной точки О северного полушария. Установлено, что все показатели земного магнитного поля монотонно изменяются из года в год, из столетия в столетие. Однако магнитное поле Земли может изменяться и за короткое время: от нескольких дней до долей секунды.

4 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1 Тангенс — гальванометр.

5 Четырехполюсный переключатель.

7 Источник питания.

Рассмотрим круговой проводник (тангенс-гальванометр) из n вит-ков, достаточно плотно прилегающих друг к другу, расположенных вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Пока ток по катушке не пропускается, стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана (в плоскости катушки). Если по катушке пропустить ток I, то в окружающем катушку пространстве возникает магнитное поле, вектор индукции которого будет направлен перпендикулярно к плоскости кругового проводника. Таким образом на стрелку будут действовать два взаимно перпендикулярных поля: магнитное поле Земли (его горизонтальная составляющая ) и магнитное поле кругового тока .

Рисунок 3

Векторы магнитной индукции этих полей взаимно перпендикулярны. Стрелка устанавливается по направлению результирующего вектора вдоль диагонали параллелограмма, сторонами которого будут векторы магнитной индукции и .

На рисунке 3 показано сечение катушки горизон-тальной плоскостью. Вектор — горизонтальная состав-ляющая вектора индукции магнитного поля Земли, — вектор индукции магнитного поля катушки. Из ри-сунка видно, что

На основании закона Био-Савара-Лапласа значение вектора индукции в центре кругового витка с током вычисляется по формуле:

В_к = , (2)

где m — магнитная проницаемость среды (для воздуха m= 1);

m₀ = 4p 10 -7 Гн/м — магнитная постоянная;

n — число витков в катушке;

R — радиус витка .

Приравняв правые части выражений (1) и (2), получим

. (3)

Таким образом, зная величину тока, протекающего по катушке, ра-диус витков и, измерив отклонение магнитной стрелки, можно определить горизонтальную составляющую вектора индукции магнитного поля Земли.

5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1 Занести в отчет данные электроизмерительных приборов: систему, класс точности, диапазон, число делений шкалы.

2 Выбрать диапазон амперметра. Рассчитать цену деления амперметра. 3 Найти приборную погрешность амперметра и Db_пр компаса.

4 Проверить электрическую цепь на соответствие ее схеме (рисунок 4).

Рисунок 4

5 С помощью реостата установить следующие значения углов отклонения стрелки компаса: 30 0 , 45 0 .

6 Снять показания амперметра и занести их в таблицу 1.

7 Поменять полярность подаваемого на тангенс-гальванометр напряжения с помощью четырехполюсного переключателя.

8 С помощью реостата установить значения углов отклонения стрелки компаса: -30 0 , -45 0 . Показания амперметра занести в таблицу 1.

9 Вычислить В₀ — величину горизонтальной составляющей вектора ин-дукции магнитного поля Земли по формуле (3) для каждого из углов.

10 С целью уменьшения систематической ошибки[1] найти средние арифметические значения вектора магнитной индукции для каждой пары углов 30 0 и -30 0 , 45 0 и — 45 0 соответственно. Средние значения занести в таблицу.

11 Определить абсолютную погрешность

= .

9 Найти относительную ошибку результата для каждой пары углов по формуле

e %,

где — приборная погрешность компаса, выраженная в радианах.

10 Выбрать из рассчитанных значений то, которому соответствует меньшая погрешность и для него записать окончательный результат в виде: B_0,ист = + . Сделать выводы по работе.

b	Db_пр	I	D I _пр	B₀	DB₀	e = DB/B₀
рад	дел.	мA	мA	Тл	Тл	Тл	´100%
30 0
-30 0
45 0
-45

[1] ) Определяющей ошибкой при расчете горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли методом тангенс-гальванометра является систематическая ошибка, которая может быть связана как с некоторыми недостатками конструкции измерительной установки, так и с несовершенством измерительных приборов. Так например, на стрелку компаса могут оказывать влияние окружающие посторонние железные предметы, отклоняющие стрелку от положения магнитного меридиана. Размер стрелки и ее положение относительно плоскости кольца должны быть такими, чтобы она целиком помещалась в однородной части магнитного поля колец (для этого ее длина не должна превышать 0.1 R колец). Учитывая эти замечания в работе предлагается рассчитать приборную ошибку результата и сделать это для каждого угла отклонения стрелки компаса.

\|	следующая лекция ==>
ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ С ПОМОЩЬЮ ВОЛЬТМЕТРА	\|	ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА К ЕГО МАССЕ МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА

Дата добавления: 2016-01-03 ; просмотров: 12781 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Лабораторная работа 7п - "Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли"Скачать

ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Цель работы: определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли при помощи тангенс-буссоли.

Приборы и оборудование: тангенс-буссоль, миллиамперметр, резистор, источник питания, коммутатор.

Подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Особенностью магнитного поля является то, что оно действует только на движущиеся электрические заряды. Характер влияния магнитного поля на электрический ток зависит от формы проводника, его расположения и направления тока.

При исследовании магнитного поля используются магнитная стрелка или замкнутый плоский контур с током (рамка с током), размеры которого малы по сравнению с расстоянием до проводника с током, образующего магнитное поле. Ориентация контура характеризуется направлением нормали к нему. В качестве положительного принимается направление, связанное с правилом правого винта, т.е. направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, идущего по рамке (рис. 1а). За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная к рамке нормаль.

Рамка с током в магнитном поле испытывает ориентирующее влияние поля, т.к. на нее действует пара сил (Рис. 1б). Вращающий момент сил определяется векторным произведением , где d – плечо силы.

Силовой характеристикой поля служит индукция магнитного поля, Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется отношением максимального вращающего момента, действующего на рамку с током к величине магнитного момента этой рамки.

(1)

— вектор магнитного момента рамки с током; Для плоского контура с током

где I — сила тока; S — площадь контура; — единичный вектор нормали к поверхности рамки. За единицу магнитной индукции принята индукция такого поля, в котором на контур площадью 1м 2 при силе тока 1А со стороны поля действует максимальный момент сил 1 Н∙м. Эта единица — тесла (Тл):

Линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора , называют силовыми линиями магнитной индукции. Величина магнитной индукции прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекающих единицу площади. Их направление определяется правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого в направлении тока, вращается в направлении линий магнитной индукции (рис. 2).

Линии индукции магнитного поля, созданного катушкой с током, показаны на рис. 3.

Эти линии всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Поле, обладающее замкнутыми силовыми линиями, называется вихревым.

Магнитное поле постоянных токов изучалось Био и Саваром; окончательная формулировка найденного ими закона принадлежит Лапласу. Поэтому этот закон носит название закона Био-Савара-Лапласа.

Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током I, элемент которого создает в некоторой точке А (рис. 4) индукцию поля dB записываются в виде:

, (2)

где — магнитная постоянная ; — магнитная проницаемость среды; — вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током; — радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в некоторую точку А поля. Направление перпендикулярно плоскости, натянутой на и .

Модуль вектора В определяется выражением

(3)

где — угол между вектором и радиус-вектором .

Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности.

Согласно принципу суперпозиции

(4)

Если распределение тока симметрично, то применение закона Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет довольно просто рассчитать индукцию магнитного поля.

Так, магнитная индукция в центре кругового проводника с током равна

где R – радиус кривизны проводника.

Магнитная индукция поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током, –

где r – расстояние от оси проводника до точки.

Согласно предположению Ампера в любом теле существуют микроскопические токи (микротоки), обусловленные движением электронов в атомах. Они создают свое магнитное поле и ориентируются в магнитных полях макротоков. Макроток — это ток в проводнике под действием ЭДС или разности потенциалов. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. Магнитное поле макротоков описывается также и вектором напряженности . В случае однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности соотношением

(5)

где μ₀ — магнитная постоянная; μ- магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается или ослабляется за счет микротоков среды. Иначе говоря, μ показывает, во сколько раз вектор индукции магнитного поля в среде больше или меньше, чем в вакууме.

Единица напряженности магнитного поля — А/м. 1А/м — напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна Тл. Земля представляет собой огромный шарообразный магнит. Действие магнитного поля Земли обнаруживается на ее поверхности и в окружающем пространстве.

Магнитным полюсом Земли называют ту точку на ее поверхности, в которой свободно подвешенная магнитная стрелка располагается вертикально. Положения магнитных полюсов подвержены постоянным изменениям, что обусловлено внутренним строением нашей планеты. Поэтому магнитные полюса не совпадают с географическими. Южный полюс магнитного поля Земли расположен у северных берегов Америки, а Северный полюс — в Антарктиде. Схема силовых линий магнитного поля Земли показана на рис. 5 (пунктиром обозначена ось вращения Земли): —горизонтальная составляющая индукции магнитного поля; N_r, S_r — географические полюсы Земли; N, S — магнитные полюсы Земли.

Направление силовых линий магнитного поля Земли определяется с помощью магнитной стрелки. Если свободно подвесить магнитную стрелку, то она установится по направлению касательной к силовой линии. Так как магнитные полюсы находятся внутри Земли,магнитная стрелка устанавливается не горизонтально, а под некоторым углом α к плоскости горизонта. Этот угол α называют магнитным наклонением. С приближением к магнитному полюсу угол α увеличивается. Вертикальная плоскость, в которой расположена стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана, а угол между магнитным и географическим меридианами — магнитным склонением. Силовой характеристикой магнитного поля, как уже отмечалось, является магнитная индукция В. Ее значение невелико и изменяется от 0,42∙10 -4 Тл на экваторе до 0,7∙10 -4 Тл у магнитных полюсов.

Вектор индукции магнитного поля Земли можно разделить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную (рис. 5). Укрепленная на вертикальной оси магнитная стрелка устанавливается в направлении горизонтальной составляющей Земли . Магнитное склонение , наклонение α и горизонтальная составляющая магнитного поля являются основными параметрами магнитного поля Земли.

Значение определяют магнитометрическим методом, который основан на взаимодействии магнитного поля катушки с магнитной стрелкой. Прибор, называемый тангенс-буссолью, представляет собой небольшую буссоль (компас с лимбом, разделенным на градусы), укрепленную внутри катушки 1 из нескольких витков изолированной проволоки.

Катушка расположена в вертикальной плоскости. Она создает добавочное магнитное поле _к (диаметр катушки и число витков указываются на приборе).

В центре катушки помещается магнитная стрелка 2. Она должна быть небольшой, чтобы можно было принимать индукцию, действующую на ее полюсы, равной индукции в центре кругового тока. Плоскость контура катушки устанавливается так, чтобы она совпадала с направлением стрелки и была перпендикулярна горизонтальной составляющей земного поля _r. Под действием _r индукции поля Земли и индукции поля катушки стрелка устанавливается по направлению равнодействующей индукции _р (рис. 6 а, б).

Из рис. 6 видно, что

(6)

Индукция магнитного поля катушки в центре –

где N — число витков катушки; I — ток, идущий по ней; R — радиус катушки. Из (6) и (7) следует, что

(8)

Важно понять, что формула (8) является приближенной, т.е. она верна только в том случае, когда размер магнитной стрелки намного меньше радиуса контура R. Минимальная ошибка при измерении фиксируется при угле отклонения стрелки ≈45°. Соответственно этому и подбирается сила тока в катушке тангенс-буссоли.

Порядок выполнения работы

1.Установить катушку тангенс-буссоли так, чтобы ее плоскость совпала с на
правлением магнитной стрелки.

2. Собрать цепь по схеме (рис. 7).

3. Включить ток и измерить углы отклонения у концов стрелки и . Данные занести в таблицу. Затем с помощью переключателя П изменить направление тока на противоположное, не меняя величины силы тока, и измерить углы отклонения у обоих концов стрелки и вновь. Данные занести в таблицу. Таким образом, устраняется ошибка определения угла, связанная с несовпадением плоскости катушки тангенс-буссоли с плоскостью магнитного меридиана. Вычислить

Результаты измерений I и занести в таблицу 1.

№

I, A

4. Опыт повторить для 5-ти различных значений тока, но при условии, чтобы
углы были не меньше 25° и не больше 45°. Ток в цепи изменять резистором R.

5. По формуле (8) вычислить В_r — значение горизонтальной составляющей земного поля в системе СИ (для каждого значения силы тока).

6. Вычислить В_ср. по формуле

где n — число измерений.

7. Найти доверительную границу общей погрешности по формуле

Где — коэффициент Стьюдента (при =0,95 и n=5 =2,8).

8. Результаты записать в виде выражения

1.Что называется индукцией магнитного поля? Какова единица ее измерения?
Как определяется направление вектора магнитной индукции?

2. Что называется напряженностью магнитного поля? Какова ее связь с магнитной индукцией?

3. Сформулировать закон Био-Савара-Лапласа, вычислить на его основе индукцию магнитного поля в центре кругового тока, индукцию поля прямого
тока и соленоида.

4. Как определяется направление индукции магнитного поля прямого и кругового токов?

5. В чем заключается принцип суперпозиции магнитных полей?

6. Какое поле называют вихревым?

7. Сформулируйте закон Ампера.

8. Расскажите об основных параметрах магнитного поля Земли.

9. Каким образом можно определить направление силовых линий магнитного
поля Земли?

10.Почему измерение горизонтальной составляющей индукции магнитного по
ля выгоднее проводить при угле отклонения стрелки в 45°?

Видео:Лабораторная работа №48 Определение горизонтальной составляющей магнитного поля ЗемлиСкачать

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

1. Определить горизонтальную составляющую магнитной индукции магнитного поля Земли.

Физическое обоснование эксперимента

Самые ранние упоминания о земном магнетизме относятся к XII веку. Английский монах Некэм писал, что магнитная стрелка всегда показывает на север и что моряки определяют по ней курс корабля в открытом море, когда небо покрыто облаками и не видно Солнца и звезд. Тогда же китайцы заметили, что магнитная стрелка, как правило, направлена не строго с севера на юг, а несколько отклоняется от этого направления. Позже явление отклонения стрелки компаса от географического меридиана, или направления север-юг, получило название – магнитное склонение. Однако этому явлению долго не придавали значения, поскольку на океанах и морях такое отклонение не превышает нескольких градусов. Поэтому, хотя и известное многим, оно не нашло отражения в каких-либо документах. Есть основания полагать, что Христофор Колумб открыл не только Америку, но и магнитное склонение. Он же обнаружил во время первого путешествия через Атлантический океан в 1492 году и другой факт, имевший огромное значение в изучении магнитного поля Земли, что магнитное склонение изменяется с изменением географических координат.

Изменение магнитного склонения от одного места к другому, обнаруженное Колумбом, послужило мощным толчком к изучению магнитного поля Земли. И во многих местах земного шара начинают измерять магнитное склонение. В результате были открыты и другие интересные особенности магнитного поля Земли.

В 1544 году Георг Гартман измерял магнитное склонение в Нюрнберге и ряде других мест и обнаружил, что северный конец магнитной стрелки при этом стремился наклониться вниз. Независимо от Гартмана мастер компасного дела Роберт Норман из Лондона в 1576 году обратил внимание на то, что северные концы стрелок, тщательно уравновешенных и до намагничивания находившихся в горизонтальном положении, после намагничивания опускались вниз. Так было открыто магнитное наклонение. Магнитным наклонением называется угол, на который стрелка под действием магнитного поля Земли отклоняется вниз или вверх от горизонтальной плоскости.

Современные представления о Земле и земном магнетизме сводятся к следующему. Земля имеет форму эллипсоида вращения. Приближенно, если пренебречь эллиптичностью (разность радиусов на экваторе и полюсах составляет 21 км), Землю можно принять за шар со средним радиусом 6371 км. Громадный вращающийся земной шар намагничен и обладает магнитным полем.

Магнитное поле шара практически совпадает с полем стержнеобразного магнита, расположенного вблизи его центра. Поэтому Землю можно принять за гигантский магнит, который смещен примерно на 400 км от ее центра в сторону Тихого океана и наклонен от оси вращения на 12°. Силовые магнитные линии такого гигантского магнита выходят из северного магнитного полюса, располагающегося в южном полушарии, и устремляются к южному магнитному полюсу в северном полушарии, огибая земной шар и распространяясь на десятки тысяч километров и более в околоземном пространстве (см. рис.39.1).

Магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется вектором магнитной индукции или вектором напряженности , которые связаны между собой известным соотношением:

где m — магнитная проницаемость среды (для воздуха m = 1);

Гн/м – магнитная постоянная.

Так как m > 0, то векторы и направлены в одну и туже сторону.

На рис.1 также показано разложение вектора по двум взаимно перпендикулярным направлениям: . _II

Векторы и _II, которые являются геометрическими проекциями вектора напряженности магнитного поля Земли, также относятся к элементам Земного магнетизма.

Горизонтальная составляющая вектора магнитной индукции магнитного поля Земли — _II — проекция вектора на горизонтальную плоскость (плоскость касательную к земной поверхности).

Вертикальная составляющая вектора магнитной индукции магнитного поля Земли — — проекция вектора на вертикальную ось (на направление к центру Земли).

Таким образом магнитное поле Земли представляется обычно в виде следующих элементов: магнитного склонения D, магнитного наклонения I, магнитной индукции магнитного поля Земли , вертикальной составляющей магнитной индукции магнитного поля , горизонтальной составляющей магнитной индукции магнитного поля _II (см. рис.39.2 ).

Из рис.2 видно, что между указанными геомагнитными элементами существует определенная связь:

B_II tgI

Географический меридиан

D Магнитный меридиан

_II

Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является Тесла (1 Тл). Напряженность магнитного поля измеряется в А/м (“Ампер на метр”). На практике часто используется единица системы СГСМ — Эрстед ( 1Э » 80 А/м ) . При измерениях слабых полей употребляется более мелкая единица напряженности — гамма. (g ).

Метод исследования и описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка включает в себя (рис.39.3) источник питания постоянного тока (П), амперметр (А), реостат (R), переключатель (К) и тангенс-гальванометр (Г).

Тангенс-гальванометр представляет собой вертикально расположенную проводящую катушку радиуса r , имеющую N витков. В центре катушки помещен компас. Так как магнитная стрелка компаса может вращаться только в горизонтальной плоскости, то она будет реагировать только на горизонтальную составляющую магнитного поля в центре катушки

Первоначально, пока источник питания отключен и стрелка компаса, предоставленная самой себе, ориентирована вдоль магнитного меридиана, плоскость катушки тангенс-гальванометра должна быть также установлена вдоль магнитного меридиана.

Если при этих условиях через катушку тангенс-гальванометра пропустить электрический ток, он вызовет появление магнитного поля катушки с индукцией , причем в центре катушки вектора и _II будут взаимно перпендикулярны. Магнитная срелка отклонится от своего первоначального положения и установится в направлении результирующего вектора : = _II+ (см. рис.39.4).

Из рис.39.4 видно, что индукции и _II связаны соотношением: .

Поскольку катушка тангенс-гальванометра представляет собой круговой ток, то значение индукции поля, создаваемого в центре катушки, можно найти по формуле: ,

где N – число витков катушки тангенс–гальванометра, I – сила тока, протекающего через катушку.

Используя две последние формулы легко получить расчетную формулу для горизонтальной составляющей магнитной индукции магнитного поля Земли: B_II = .

Порядок выполнения работы

1. Соберите экспериментальную схему установки (рис.39.3).

2. Совместите плоскость катушки тангенс-гальванометра с направлением магнитной стрелки.

3. Показав собранную цепь преподавателю или лаборанту, включите в сеть источник питания и переключателем (К) замкните цепь.

4. Установите с помощью реостата (R) такой ток через тангенс-гальванометр, при котором магнитная стрелка отклонится на угол от первоначального направления.

5. Не изменяя величины тока измените его направление на противоположное с помощью переключателя (К) и снова измерьте угол отклонения магнитной стрелки .

6. Повторите эксперимент, начиная с пункта 4 для других значений токов (5÷10 значений), при которых отклонения стрелки составляют 35 0 ÷ 60 0 .

Обработка результатов измерений

1. Вычислите . Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу. Покажите, что при указанном способе определения угла отклонения исключается систематическая ошибка, связанная с неточной установкой магнитной стрелки в плоскости катушки тангенс-гальванометра.

2. По данным таблицы, для всех случаев рассчитайте величину индукции _II.

3. Найдите среднее значение и оцените Δ _II

s Какова величина магнитной индукции в центре кругового тока?

s Как ориентированы силовые линии магнитного поля Земли?

Аналоговые электроизмерительные приборы

Аналоговые ЭИП представляют собой важнейшую группу приборов для электрических измерений. Они отличаются относительной простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения. Аналоговые приборы выпускаются разных классов точности.

Любой аналоговый ЭИП состоит из измерительной цепи и измерительного механизма. Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величины в другую, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительная цепь может быть весьма сложной и служить также для усиления слабого измеряемого сигнала, как, например, в электрометрических усилителях, предназначенных для измерения слабых токов ( -9 А).

Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной частей и служит для преобразования подводимой электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части. Принцип действия стрелочных измерительных приборов независимо от их назначения сводится к следующему: электрический ток, проходя через прибор, вызывает появление вращающего момента, под воздействием которого преодолевается противодействие спиральных пружин. Если бы спиральных пружин не было, то подвижная часть при любом значении измеряемой величины поворачивалась бы до упора. Для того чтобы угол поворота подвижной части зависел от измеряемой величины, с помощью спиральных пружин создаётся противодействующий момент. Подвижная часть поворачивается на определённый угол, при этом указатель, переместившись по шкале, показывает измеряемую величину. Когда прибор отключается, вращающий момент исчезает, и подвижная часть, вследствие упругости пружин, возвращается в исходное положение.

При изменении температуры окружающей среды упругость пружин меняется, что приводит к некоторому повороту подвижной части. Перед началом измерений стрелка прибора должна располагаться против нулевого деления шкалы. Установку стрелки на ноль производят с помощью корректора.

Подвижная система прибора должна быстро успокаиваться, что обеспечивается применением воздушных, жидкостных или магнитных успокоителей (демпферов).

Каждый прибор снабжён отсчетным устройством, состоящим из шкалы и указателя. В качестве указателя используется стрелка или световой луч. Использование светового луча значительно увеличивает чувствительность прибора. В приборах высокой чувствительности имеется арретир – устройство, закрепляющее подвижную часть.

Аналоговые измерительные приборы различаются:

a. По назначению.

Приборы подразделяются на амперметры (А), вольтметры (V), омметры (R), ваттметры (W), частотомеры и др. В скобках приведены значки, которые обычно нанесены на шкале соответствующего измерительного прибора.

b. По роду измеряемого тока.

Многие измерительные приборы можно применять в цепях только постоянного (-) или только переменного (

) тока. Однако существуют приборы, которые могут быть включены как в цепь постоянного, так и в цепь переменного тока ( ).

c. По принципу действия.

По принципу действия приборы ЭИП относят к следующим наиболее распространённым системам:

Электромагнитной Магнитоэлектрической Электродинамической Индукционной Электростатической Вибрационной

d. По степени точности.

По степени точности ЭИП делятся на 8 классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5, 4,0 (цифры указывают основную погрешность прибора в процентах). Приборы классов точности 0,05 и 0,1 называются контрольными, 0,2 и 0,5 – лабораторными, 1,0; 1,5 и 2,5 — техническими, 4,0 – учебными. Контрольные приборы имеют зеркальную шкалу и ножевидную стрелку. У лабораторных приборов имеется ножевидная стрелка, но может не быть зеркальной шкалы. Технические и учебные приборы не имеют зеркальной шкалы, и стрелка у таких приборов имеет копьевидную форму.

Зеркальная шкала обеспечивает высокую точность снятия показаний. При определении показаний приборов, имеющих зеркальную шкалу, глаз наблюдателя должен быть расположен так, чтобы стрелка закрывала своё изображение в зеркале.

e. По положению при измерениях.

Приборы делятся на вертикальные (^), горизонтальные (—) и устанавливаемые под углом (Ð).

f. По характеру применения.

Выпускаются электроизмерительные приборы трёх эксплуатационных групп: А, Б, В. Буквы характеризуют допустимую температуру окружающей среды, при которой их можно использовать.

А:	От	0 °С	До	+35 °С
Б:	От	-30 °С	До	+40 °С
В:	От	-50 °С	До	+60 °С

Принадлежность к эксплуатационным группам Б и В обычно указывается на шкале. Приборы группы А обозначений на шкале обычно не имеют.

На шкале измерительных приборов условными значками и цифрами указываются следующие данные: назначение, род тока, система прибора, напряжение, при котором испытана изоляция, положение при измерениях, класс точности, а также год выпуска, номер прибора и его принадлежность к эксплуатационной группе.

Значки на шкале прибора позволяют дать полную техническую характеристику ЭИП. ЭИП, шкала которого приведена на рис. 16, представляет собой вольтметр электромагнитной системы для измерения переменного напряжения в пределах от 0 до 150 В. При измерениях прибор должен быть расположен вертикально. Класс точности 1,0; изоляция прибора испытана при 2 кВ; эксплуатационная группа Б (от -30 °C до +40 °C); год выпуска 1995; заводской номер 2132.

Рис. 16.

Краткая характеристика электроизмерительных приборов наиболее распространённых систем

1. Приборы электромагнитной системы применяются для измерения как постоянного, так и переменного тока и напряжения.

Достоинства – простота, дешевизна, надежность, способность выдерживать кратковременные перегрузки.

Недостатки – сравнительно малая точность (класс точности 1,0; 1,5; 2,5), неравномерность шкалы, довольно большая потребляемая мощность, зависимость показаний от частоты тока и влияния внешних магнитных полей.

2. Приборы магнитоэлектрической системы применяются для измерений тока и напряжения только в цепях постоянного тока. Приборы полярны – имеют положительный и отрицательный зажимы (клеммы). В цепях переменного тока не дают показаний.

Достоинства – высокая точность, большая чувствительность, равномерная шкала, малое потребление энергии, быстрое успокоение подвижной системы, малая чувствительность к внешним магнитным полям. Приборы магнитоэлектрической системы самые точные и чувствительные приборы постоянного тока.

Недостатки – чувствительность к перегрузкам, сравнительно высокая стоимость.

3. Приборы электродинамической системы применяются для измерения силы тока, электрического напряжения, мощности и т.д. в цепях переменного и постоянного тока. Работа приборов основана на взаимодействии магнитных полей подвижной и неподвижной катушек с токами.

Достоинства – высокая точность. Самые точные приборы переменного тока. Шкала, начиная с 20% номинального значения почти равномерная.

Недостатки — большое собственное потребление мощности при измерении токов и напряжений, чувствительность к внешним магнитным полям и перегрузкам, высокая стоимость.

4. Приборы индукционной системы применяются для измерения расхода электрической энергии в цепях переменного тока (электрические счётчики).

Достоинства – нечувствительность к внешним магнитным полям, способность выдерживать значительные перегрузки.

Недостатки – пригодны только для переменного тока, низкая точность, чувствительность к колебаниям частоты.

5. Приборы вибрационной системы предназначены для измерения частоты переменного тока.

Достоинства – независимость показаний от напряжения сети.

Недостатки – зависимость показаний от механических вибраций, невозможность измерения высоких частот.

& Благовещенский В.В., Зароченцева Е.П., Захарова Э.Н., Коротков В.И., Шишкин Ю.Г. Электричество (Постоянный ток). Описание лабораторных работ. Часть IV. Работы № 30-38. / Под ред. В.Е. Холмогорова, Ю.Г. Шишкина. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. – 104 с.

& Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.

& Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. – М.: Наука, 1972.

& Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. – 592 с.

& Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника, 4 изд. – М., 1983.

& Минц М.Б. Магнитоэлектрические гальванометры. – М.-Л., 1963.

& Нелинейные электрические цепи. Электромагнитное поле, 4-е изд. – М., 1979.

& Основы электроизмерительной техники. – М., 1972.

& Поливанов К.М. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. – М., 1972.

& Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 5-ти т. – 4-е изд., перераб. – М.: Наука. Физматлит, 1998.

& Сивухин Д.В. Общий курс физики. – М.: Наука, 1990.

& Соловьёв В.А., Яхонтова В.Е. Основы измерительной техники. Руководство к лабораторным работам по физике. Учеб. пособие. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1980. – 216 с.

& Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. – М.: 1988-98.

& В.И. Почтарев, Земля – большой магнит, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1974 г.

[1] Названа в честь английского физика Майкла Фарадея (Michael Faraday, 1791-1867).

[2] Здесь и далее не следует забывать о погрешности измерительных приборов.