Введение. 
Электростатическое поле. 
Законы постоянного тока

Выполнение каждой лабораторной работы проводится по следующей схеме:

• 1. Внимательно изучить описание лабораторной работы в данном методическом указании, если есть необходимость изучить вопросы данной лабораторной работы в учебных пособиях, предложенных в конце методического указания.
• 2. Ознакомиться с приборами и принадлежностями, которые необходимы для проведения работы и приступить к сборке установки в соответствии с описанием.
• 3. Провести наблюдения и отсчеты. Все результаты измерений записать в таблицы, которые даны конце каждой работы.
• 4. Обработать результаты измерений: вычислить измеряемую величину, дать оценку погрешности измерений.

Для отчета по лабораторной работе необходимо знать:

• 1. Цель и задачи данного исследования.
• 2. Метод, используемый в работе для определения той или иной исследуемой величины или какого-либо физического явления.
• 3. Порядок выполнения работы.
• 4. Теоретическую часть (определения, вывод формул, единицы измерения, физическое явление и его обоснование).

Студент должен помнить:

• 1. Все электрические схемы монтируют с помощью изолированных проводов, на концах которых крепятся соответствующие контактные скобки.
• 2. Контакты должны быть всюду плотными.
• 3. Перемещение проводов не допускается.
• 4. Сборка цепи ведется от источника тока, но подключается источник тока в последнюю очередь.
• 5. Реостаты, включенные в цепь, должны быть установлены на максимум сопротивления.
• 6. Потенциометры устанавливаются на нуль подаваемого в контур напряжения.
• 7. Все ключи сборке цепи должны быть разомкнуты.
• 8. Замыкать цепь только после
• 9. Ток замыкается только на время отсчета.
• 10. Переключение схем производится после отключения источника питания.

электростатический поле сопротивление проводник конденсатор

Основные электроизмерительные приборы

Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам:

• а) по роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, омметры, счетчики, ваттметры и др:
• б) по роду тока: приборы постоянного тока, переменного тока и приборы постоянного и переменного тока:
• в) по принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, тепловые, электростатические и др:
• г) по степени точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 классов.

Приборы класса точности 0,1; 0,2; 0,5 применяются для точных измерений и называются прецизионными.

На шкалу прибора наносится символ, указывающий принцип действия прибора, род токапостоянной (-) или переменный (~) установки приборов — вертикально (^), горизонтально (>), пробивное напряжение изоляции (v 2 кв), класс точности.

Величина, численно равная отношению приращения угла поворота подвижной части прибора к приращению измеряемой величины, называется чувствительностью прибора.

Величина называется ценой деления прибора; С определяет значение электрической величины, вызывающей отклонение на одно деление. Например, имеем прибор, который может измерять напряжение от 0 до 250 в (рис.2). шкала этого прибора разделена на 50 делений (мелких).

Чувствительность этого прибора.

Цена деления.

На шкале прибора обычно ставится знак, указывающий на вертикальное или горизонтальное положение прибора.

В целях сокращения промежутка времени, необходимого для успокоения подвижной части прибора (после включения), имеются специальные тормозящие устройства (демпферы).

Амперметры, вольтметры и гальванометры

Амперметрами называют приборы, служащее для измерения силы тока. При измерениях амперметр включают в цепь последовательно, т. е. так, что весь измеряемый ток проходит через амперметр.

Вольтметрами называют приборы, служащие для измерения напряжения при измерениях вольтметр включают параллельно тому участку цепи, на концах которого хотят измерить разность потенциалов, т. е. вольтметр соединяют с теми точками М и N цепи, разность потенциалов которых нужно измерить. Для того, чтобы включение вольтметра не изменяло заметно режима цепи, сопротивление вольтметра должно Быть очень велико по сравнению с сопротивлением.

R участка цепи МN. Погрешность при измерениях напряжения тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра.

Для расширения пределов измерений амперметров и вольтметров применяются шунты и добавочные сопротивления, а в случае измерений на переменном токе — измерительные трансформаторы тока.

Гальванометрами называют чувствительные приборы, служащие для измерения весьма малых токов, напряжений и количеств электричеств (соответственно меньше 10^-6 ампера, вольта или кулона).

По принципу действия и устройству гальванометры бывают магнитоэлектрические с подвижной катушкой, магнитоэлектрические с подвижным магнитом, струнные, термогальванометры, электродинамометры и электрометры.

По роду измеряемого тока гальванометры разделяются на магнитоэлектрические и вибрационные (резонансные). Первые применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока по так называемому нулевому методу. Гальванометры с подвижной рамкой (катушкой) по своему устройству принципиально не отличаются от описанного выше устройства приборов магнитоэлектрической системы.

Реостаты, потенциометры и магазины сопротивлений

Для изменения силы тока в цепи часто применяется реостаты. В зависимости от назначения реостаты имеют различные виды.

Ламповые реостаты, состоящие из нескольких ламп, соединенных параллельно или последовательно.

Реостаты со скользящим контактом, по проводнику может перемещаться контакт (ползунок), позволяющий постепенно включать в цепь обмотку. Реостат включается в цепь через клемму А, соединенную с ползунком Д и клеммами В или С (удобнее подключать через клемму В). Если клеммы В и С соединить с полюсами источника тока (на рис .4 показано пунктиром), то получим прибор, называемый потенциометром. Перемещая ползунок Д между клеммой С и соединенной с ползунком клеммой А, можно получить определенную разность потенциалов в интервале от О до И.

Набор эталонных сопротивлений, представляющих собой катушки сопротивлений, называется магазином сопротивлений. Каждая катушка состоит из хорошо изолированной проволочной обмотки, изготовленной из манганина или константана.

Сопротивление каждой катушки вполне определено для данной температуры. Катушки набора помещаются в общий ящик. На эбонитовой крышке ящика укреплены массивные медные пластины NN (рис. 5), сопротивление которых практически считают равным нулю. Концы каждой из катушек RR соединены с двумя соседними пластинами. Конические «штепселе» плотно вставляются в гнезда пластин и служат непосредственным контактом между пластинами.

Когда все штепселе вставлены, ток проходит от пластины к пластине без заметного сопротивления. Но если вынуть какой либо штепсель, то ток может пройти только через соответствующую катушку.

Оценка погрешностей электрических измерений

Абсолютная погрешность измерений, производимых электроизмерительными приборами, оценивается исходя из класса точности приборов. Обозначение класса точности 0,2; 0,5; 1,0 и т. д. не только характеризует прибор в зависимости от системы, конструкции, качества материалов, точности градуировки и других факторов, но и указывает, что погрешность показаний прибора соответствующего класса в любом месте шкалы не должна превышать 0,2%, 0,5%, 1%.

Если обозначим через А¹ максимально возможное показание прибора, а через n номер класса прибора, то получим абсолютную погрешность прибора, А = А¹n (2).

Например, вольтметр 0,2 класса (n=0,002), шкала которого рассчитана на 50 В, имеет абсолютную погрешность.

U = 0.00250B = 0.1B.

а амперметр класса 1,5, рассчитанный на максимальное показание 5А, имеет абсолютную погрешность.

I = 0,0155А = 0,075А.

Так как абсолютная погрешность считается одинаковой по всей шкале данного электроизмерительного прибора, то относительная погрешность будет тем больше, чем меньше измеряемая величина. Если, например, при помощи указанного амперметра измерить ток около 4А, то относительная погрешность будет составлять 1,9%, а при измерении силы тока около 1А — 7,5%.

При точных измерениях следует пользоваться такими приборами, чтобы прилагаемое значение измеряемой величины составляло 70−80% от максимального (номинального) значения. Поэтому применяют приборы, имеющие несколько пределов измерений; при работе с таким прибором его включают в цепь на тот предел измерений, который достаточно близок к предполагаемому значению измеряемой величины.

Рассмотрим вычисление погрешностей на следующей примере.

Определить погрешность измерения внутреннего сопротивления элемента, электродвижущая сила которого Е, напряжение на полюсах U и величина тока I. Для измерения применены вольтметр класса 0,5 (U_N=2,5В) и амперметр класса 1,0 (I_N=1,5А). результаты измерений следующие: Е=2 В, U=1,3 В, I=1,2А.

Абсолютные погрешности измерений:

Е = U= 0,0052,5B = 0,0125B;

I = 0,011,5 = 0,015A;

Вычисление внутреннего сопротивления производим по формуле.

(3).

Максимальная относительная погрешность может быть определена общеизвестным методом. Логарифмируя выражение (3).

nr = n (E-U)-nI,.

Находим относительную погрешность.

Эта погрешность, выраженная в процентах, составляет:

С помощью формулы (3) находим внутреннее сопротивление r и абсолютную погрешность r.

Ом r = 0,050,58 = 0,029Ом = 0,03 Ом Следовательно, внутреннее сопротивление.

r =(0,58 0,03)Ом.

Измерения и обработка результатов измерения

• 1. Знакомятся со всеми приборам, находящимися на лабораторном столе и делают описание каждого прибора (название, система, класс точности и т. п.).
• 2. По формуле (1) вычисляют чувствительность и цену деления каждого прибора.
• 3. Находят класс точности приборов и по формуле (2) определяют абсолютную погрешность прибора.
• 4. Собирают схему, которая имеется на лабораторном столе, и находят абсолютную и относительную погрешности величин и значения величин, указанных на схеме.