Какая величина измеряется с помощью баллистического гальванометра. Определение баллистической постоянной гальванометра

тивлении цепи, при котором производится измерение магнитного потока. Кроме того, так как точность интегрирования импульса зависит от его длительности, из-

менение потока должно происходить достаточно быстро,чтобы продолжительность

импульса была в 20 – 30 раз меньше периода колебаний подвижной части гальва-

Для определения постоянной баллистического гальванометра по магнитному по-

току используют меру магнитного потока в виде двухобмоточной катушки с извест-

ной взаимной индуктивностью.

При изменении тока в первичной обмотке катушки взаимной индуктивности на не-

которую величину DI во вторичной ее обмотке, присоединенной к баллистическому гальванометру (см. рис. 4), произойдет изменение магнитного потока:

где М – коэффициент взаимной индуктивности катушки.

Это изменение потока DF вызовет отброс подвижной части баллистического галь-

ванометра b1m.

Отсюда интерисующая нас постоянная баллистического гальванометра по магнит-

ному потоку будет

Сф=, Вб¤дел.

Баллистический гальванометр в рассмотренной схеме можно заменить вебермет-

В магнитоэлектрическом веберметре используется измерительный механизм маг-

нитоэлектрической системы с противодействующим моментом, близким к нулю, и большим моментом электромагнитного торможения (рамка веберметра замкнута на измерительную катушку, имеющую обычно малое сопротивление).

Уравнение движения подвижной части веберметра можно записать в следующем виде:

Ток i определяется э.д.с., которая возникает в цепи веберметра при изменении по-

тока, сцепляющегося с витками измерительной катушкой, подключенной к зажимам веберметра. Эта э.д.с. определяется выражением (**):

Интегрируя это выражение за время движения подвижной части (от 0 до t) и учи-

тывая, что в момент времени 0 и t подвижная часть находится в состоянии покоя, получаем

P2 Da==DФхwк.

окончательно получим

где Сф – постоянная веберметра, обычно выражаемая в веберах на деление.

Показания веберметра не зависят от времени магнитного потока (как это имело место в баллистическом гальванометре) и в некоторых пределах не зависит от соп-

ротивления внешней цепи (если оно достаточно мало). Так как противодействую-

щий момент прибора равен нулю, то его указатель может занимать произвольное по-

ложение. При определении магнитного потока DFх берут разность показаний прибо-

ра Da=a2-a1, где a2 – конечное показание, a2 – начальное показание.

Для установления указателя на нулевую либо другую удобную отметку шкалы (например, ею иногда может быть средняя отметка) в приборе используют электри-

ческий корректор. Он представляет собой катушку, расположенную в поле постоян-

ного магнита. Если соеденить эту катушку с рамкой веберметра и изменить поток, сцепляющийся с витками катушки (путем поворота катушки или магнита), то рамка веберметра отклонится; регулируя положение катушки или магнита, устанавливают указатель прибора в нужное положение.

Баллистический гальванометр превосходит магнитоэлектрический веберметр по чувствительности и позволяет изменять магнитные величины с большей точностью, но является прибором неградуированным и требует определения постоянной по маг-

нитному потоку Сф в каждом конкретном случае.

Веберметр является переносным прибором, шкала его отградуирована в единицах магнитного потока, он прост и удобен в работе, его показания в довольно широких пределах не зависят от сопротивления цепи и времени изменения потокосцепления.

Основными недостатками его являются относительно низкая чувствительность и малая точность.

В значительной мере лишен этих недостатков фотогальванометрический веберметр (ФЭВ).Упрощенная принципиальная схема ФЭВ, поясняющаяпринцип его действия, приведена на рис.5.

Работает схема следующим образом. Разность э.д.с. ех, возникающей на зажимах измерительной катушки ИК при изменении потокосцепления, и э.д.с. ео.с. обратной связи создает ток i, протекающий через обмотку рамки гальванометра Г с миниатюр

ным зеркальцем на подвижной части. Отклонение подвижной части гальванометра под действием тока i вызывает перемещение светового пятна по последовательно включенным фотосопротивлениям ФС1 и ФС2, в результате чего на входе усилите-

ля У появится сигнал и выходной ток I усилителя скомпенсирует ех через отрицате-

льную обратную связь при помощи катушки взаимной индуктивности М. Считая в приближении ех»ео.с. (предпологаем, что применен гальванометр высокой чувствите-льности к напряжению, и неучитываем э.д.с., индуктированную в рамке гальвано-

метра при ее движении), получим

т.е. по току I можно судить о потоке Фх.

Ток I можно измерить магнитоэлектрическим прибором, а при необходимости за-

писать самопишущим прибором или осциллографом. Теоретические и эксперимен-

тальные исследования компенсационного фотоэлектрического веберметра подтверж-

1.4. Быстро коммутируем К 1 и отсчитываем по шкале первое максимальное отклонение светового зайчика b. (Чтобы успокоить рамку баллистического гальванометра, необходимо включить ключ К).

1.5. Затем повторить тот же опыт для двух других токов I 2 = 0,2А и

1.6. По формуле (8) определяем С, а затем ее среднее значение:

Таблица 1 – Определение баллистической постоянной установки

			С c р, Вб/м

2. Размагничивание тора.

2.1. Разомкните ключом К измерительную цепь, чтобы при размагничивании не сжечь гальванометр.

2.2. Выходные концы ЛАТРа (“Нагрузка”) подключите к клеммам “Размагничивание”, выведенным на панель.

2.3. Регулятор напряжения ЛАТРа выведите в нулевок положение.

2.4. Подключите ЛАТР к сети переменного напряжения 220 В.

2.5. Плавно изменяйте выходное напряжение ЛАТРа от 0 до 100 В, а затем от 100 до 0. Так повторить 5 раз.

2.6. Отключите ЛАТР.

3. Исследование зависимости В от Н.

3.1. С помощью переключателя К 2 замкните цепь на тор.

3.2. С помощью реостатов R 1 и R 2 установите ток 0,1А.

3.3. Быстро измените направление тока в торе, переключив ключ К 1 в противоположное направление и зафиксируйте отклонение светового зайчика баллистического гальванометра a.

3.4. При данном значении тока опыт повторить не менее 3-х раз и определить среднее значение a ср.

3.5. Последовательно, каждый раз увеличивая ток в торе на DI = 0,1А, проводить опыты в пп.3.1-3.4 до достижения максимального значения тока, которое можно получить на установке.

3.6. Для каждого значения тока в обмотке тора рассчитайте напряженность магнитного поля Н по формуле (6), определив

3.7. Для каждого значения тока определите В по формуле (5).

3.8. Постройте график зависимости В = f(H).

3.9. По формуле (7) рассчитайте m и постройте график зависимости m=f(Н).

3.11. Сделать вывод о характере зависимостей В = f(Н) и m=f(Н).

Таблица 2 – Результаты исследования магнитного поля сердечника тора

			В,Тл

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

1. Включить стенд в сеть переменного напряжения 220 В только с разрешения преподавателя.

2. Осторожно проводить размагничивание тора. При размагничивании обязательно разомкнуть ключом К (в положение “Выкл”) цепь баллистического гальванометра.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Какова цель работы?

2. Каков порядок выполнения работы?

3. Как определяется баллистическая постоянная установки?

4. Как определяется В?

5. Как определяется Н?

6. Как определяется m?

7. Какова схема установки? Расскажите о ней.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. Какое явление лежит в основе выполнения работы?

2. Чем характерен класс веществ – ферромагнетиков?

3. Что представляют собой диамагнетики, парамагнетики?

4. Каков физический смысл баллистической постоянной установки?

5. Какова величина заряда, протекающего через баллистический гальванометр при изменении магнитного потока?

6. Объясните зависимость В = f(Н) для ферромагнетика.

7. Зачем размагничивали тор?

8. Объясните зависимость m=f(Н).

1. Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высшая школа, 1999.- 542 с.

2. Зисман Г.А., Тодес О.Д. Курс общей физики. Т.2.-М.: Наука, 1969.-

3. Дорошенко Н.К., Воронов И.Н. Магнитные свойства вещества.- СибГГМА: Новокузнецк, 1997.- 27 с.

План 2002

Составители:

Дорошенко Надежда Кузьминична

Воронов Иван Николаевич

Коновалов Сергей Валерьевич

Бокова Татьяна Григорьевна

Мартусевич Елена Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ЖЕЛЕЗЕ

БАЛЛИСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу

“Общая физика”

Редактор Н.П.Лавренюк

Изд.лиц. № 01439 от 05.04.2000г. Подписано в печать

Формат бумаги 60х84 1/16 Бумага писчая Печать офсетная

Усл.печ.л. 0,58 Уч.-изд.л. 0,65 Тираж 100 экз. Заказ

Сибирский государственный индустриальный университет

654007, г.Новокузнецк, ул.Кирова, 42

Издательский центр СибГИУ

Упражнение 3

Определение периода и логарифмического декремента затухания колебаний рамки

Измерения. 1.Установите начальные значения сопротивлений согласно рекомендациям к упр.3.

2.С помощью потенциометра R получите отклонение «зайчика» 80-100 мм.

3.Разомкните выключатель В2 (сопротивление в цепи гальванометра при этом становится бесконечно большим), «зайчик» вернется к нулю шкалы и совершит при этом несколько затухающих колебаний. Определите по секундомеру продолжительность 2-3 полных колебаний с целью определить их «период». Повторите эту процедуру не менее трех раз, чтобы иметь возможность найти среднее значение периода свободных колебаний Т 0 и их циклическую частоту  0  Т 0 .

4.Измерьте наибольшие отклонения двух следующих друг за другом колебаний «зайчика» А к и А к+1 по одну сторону от нуля (лучше – справа). По измеренным результатам определите логарифмический декремент затухания колебаний d  рамки гальванометра при бесконечном сопротивлении.

5.Замкните В2 , теперь цепь гальванометра содержит установленное вначале сопротивление R 1 , а также R 2 и r другие. Включая и выключая ток в гальванометре переключателем П , снимите зависимость логарифмического декремента затухания по мере уменьшения R 1 до тех пор, пока колебания «зайчика» имеют место. Результаты запишите в табл.2.

Таблица 2

R 1	A k	A k+1

6.Постройте график зависимости 1/ d = f (R 1 ) . Следует ожидать линейный вид этой зависимости. Если экстраполировать график 1/ d  0 , то он пересекает ось абсцисс при R 1  R 1к , что дает возможность определить критическое сопротивление (9) еще одним способом. Действительно, при критическом сопротивлении в цепи гальванометра движение рамки к положению равновесия происходит без колебаний, апериодически, что можно интерпретировать как «колебания» с очень большим декрементом затухания.

R кр = R 1к + R 2 + r .

Сравнить критическое сопротивление, определенное этим способом и тем, который использован в упр.2.

Упражнение 4

Определение баллистической постоянной гальванометра и электроёмкости конденсатора

Баллистический режим работы гальванометра (на физическом жаргоне – баллистический гальванометр , здесь уместна аналогия с баллистическим маятником) применяется для измерения величины электрического заряда q , прошедшего по цепи при кратковременном импульсе тока, например, при разряде конденсатора. Предполагается, что длительность импульса много меньше периода свободных колебаний рамки гальванометра . При таком допущении очевидно, что весь заряд пройдет через рамку за столь короткое время, что она не успеет отклониться. Рамка, однако, при этом получает толчок, от величины которого зависит угол, на который она повернется, значит угол  пропорционален заряду q .

где – баллистическая постоянная при бесконечном сопротивлении в цепи рамки гальванометра. При таком условии торможение рамки минимальное (см. упр.3).

Из формулы (13) вытекает определение баллистической постоянной

, (14)

г

де n – максимальное число делений шкалы, на которое отклоняется «зайчик» при “проскакивании” через рамку заряда q (первый баллистический отброс).

Баллистическую постоянную можно определить экспериментально, используя для этого конденсатор с известной емкостью С 0 (эталонный), включив его в электрическую цепь, схема которой приведена на рис.2.

Эталонный конденсатор заряжается до разности потенциалов U 0 от источника тока (переключатель П в положении 1 ), затем разряжается через гальванометр G (переключатель П в положении 2 ). Электрический заряд

q = C 0 U 0 (15)

протекает через рамку гальванометра. Подставляя заряд (15) в формулу (14), получим выражение для определения баллистической постоянной:

. (16)

Если вместо конденсатора С 0 включить другой конденсатор с неизвестной емкостью С 1 и зарядить его до разности потенциалов U 1 , то знание баллистической постоянной дает возможность определить емкость С 1 по формуле

. (17)

Измерения. 1.Замкните демпфер В д в целях предохранения гальванометра.

2.Соберите электрическую цепь по схеме (рис.2) и предложите преподавателю или лаборанту проверить ее.

3.Замкните выключатель В1 и установите напряжение U 0 =0,50 В.

4.Переключателем П подключите конденсатор к источнику питания (переключатель в положении 1 ), в результате чего он зарядится до 0,50 В.

5.Разомкните демпфер В д и проверьте, находится ли световой указатель на нулевой отметке шкалы. Если нет, то добейтесь этого. Как это можно сделать?

6.Переведите переключатель в положение 2 и засеките на шкале наибольшее отклонение «зайчика» – n 0 .

7.Результаты измерений n 0 при трех различных напряжениях U 0 внесите в табл.3.

Таблица 3

U 0	n 0		U 1	n 1	C 1

8.Включите вместо С 0 конденсатор неизвестной емкости С 1 и проведите с ним аналогичные измерения баллистических отбросов n 1 (п.3-6).

9.Обработка результатов сводится к вычислению баллистической постоянной по формуле (16) и определение емкости С 1 по формуле (17), а также определению ширины доверительного интервала по Стьюденту.

10.Проверьте, выполняется ли следующее равенство:

.

Его существование обосновано в пособии , там это формула (66). Напоминаем также, что С I – чувствительность к току, T 0 – период свободных колебаний рамки (см. упр.1 и 3). Эта проверка является одним из элементов контроля за правильностью измерений и вычислений параметров гальванометра.

Упражнение 5

Определение баллистической постоянной

Когда к гальванометру присоединен конденсатор, то сопротивление этой цепи действительно очень большое. Но возможна и другая ситуация.

П
усть к гальванометру присоединена катушка, в которой возбуждается короткий импульс. В этом случае импульс проходит по цепи, в том числе и через гальванометр, но сопротивление ее не такое большое как с конденсатором, скорее даже малое. Рассмотрим цепь, схема которой приводится на рис.3. В цепь гальванометра входит катушка с индуктивностью L 1 и активным сопротивлением r 1 , а также магазин сопротивлений R 1 . Приведенная схема отличается от рассмотренной выше (упр.4) тем, что здесь сопротивление в цепи гальванометра во-первых, не бесконечное и таковым оно быть не может , во-вторых, его можно изменять за счет R 1 . А это значит, что в зависимости от величины сопротивления характер движения рамки к положению равновесия и около него становится разным и этот выбор в руках экспериментатора. В данных условиях наиболее благоприятным является релаксационное движение критического характера. Для этого сопротивление цепи гальванометра должна быть критическим R кр , величина которого определена в упр. 2 и 3. Поэтому на магазине R 1 надо установить

R 1 = R кр – (r+r 1 ) .

Рассмотрим реакцию гальванометра на импульс тока в цепи, обладающей критическим сопротивлением. Если в катушке L 1 с числом витков w 1 за dt секунд изменить магнитный поток на d  , то в катушке будет наведена ЭДС индукции.

.

Возникший под действием ее индукционный ток i создаст в катушке L 1 ЭДС самоиндукции

.

Согласно второму правилу Кирхгофа алгебраическая сумма падений напряжения в замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС.

Разделив переменные и проинтегрировав получившееся уравнение, будем иметь следующее решение:

,

где q = i  – суммарный электрический заряд, прошедший по цепи (в том числе и через гальванометр) за время действия импульса тока длительностью  ,

 2  1 – изменение магнитного потока за время  .

Отсюда можно узнать величину заряда,

. (19)

Прохождение заряда q через гальванометр вызывает поворот рамки на угол  , пропорциональный заряду,

Приравнивая выражения (19) и (20), получим для баллистической постоянной гальванометра в цепи, имеющей критическое сопротивление, следующую формулу:

. (21)

Баллистические постоянные гальванометра и отличаются друг от друга, так как каждая из них присуща определенным и не совместимым условиям работы гальванометра, в то же время они связаны между собой, так как это характеристики одного прибора. Доказывается во , формула (70), что

Как найти практически? Для этого собирается цепь, содержащая гальванометр и две индуктивно связанные катушки: одна – длинный однослойный соленоид L 0 , вторая – короткая четырехсекционная катушка L 1 , надетая поверх соленоида.

При прохождении тока I по соленоиду создается магнитное поле, напряженность которого на оси соленоида равна Н , индукция В и магнитный поток 

,

где l 0 , S 0 – длина и площадь поперечного сечения соленоида.

Такой же магнитный поток пронизывает и вторую катушку L 1 , обозначим его  1 . Если направление тока в соленоиде изменить на противоположное, то магнитный поток изменит знак  2 = – BS 0 .

Таким образом, изменение магнитного потока через вторую катушку равно

, (23)

а после подстановки

. (24)

Выражение для баллистической постоянной (21) можно записать в виде:

[Кл/(мм/м)]. (25)

Знак минус опущен, так как он определяет, в какую сторону повернется рамка гальванометра, но не влияет на величину угла поворота.

Величина

[Вб/(мм/м)] (26)

называется баллистической постоянной по магнитному потоку .

Измерения. 1.Соберите электрическую цепь по схеме на рис.3, включив в нее в качестве катушки L 1 одну их четырех секций, содержащую w 1 витков. Демпфер В д при сборке как всегда должен быть замкнут.

2.Предложите преподавателю или лаборанту проверить собранную цепь.

3.Установите на магазине R 1 критическое сопротивление.

4.Установите в цепи соленоида небольшой ток I , потом его, возможно, придется изменить.

5.Переводя переключатель П из одного положения в другое, измерьте максимальный баллистический отброс «зайчика» n . Это надо сделать при трех различных токах I . Результаты впишите в табл.4.

Таблица 4

6.Вычислите и по формулам (25), (26), найдите средние значения каждой из них и ширины доверительных интервалов по Стьюденту как для прямых измерений. Проверьте выполнение условия (22)

7.На основании результатов, полученных в упр. 1…5, сделайте сводную таблицу метрологических параметров исследованного гальванометра.

Сводка метрологических параметров гальванометра М17, № ………… .

Постоянная по току	c I
Постоянная по напряжению	c U
Внутреннее сопротивление
Критическое сопротивление	R kp
Период колебания	T 0
Частота свободных колебаний
Баллистическая постоянная
Баллистическая постоянная
Баллист.постоян. по магн. потоку

Упражнение 6

Определение горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности магнитного поля Земли

В предлагаемом ниже упражнении есть возможность применить всесторонне исследованный гальванометр для решения практической задачи – определения напряженности магнитного поля Земли, используя высокочувствительный гальванометр в баллистическом режиме. Идея опыта проста. Пусть в магнитном поле Земли находится замкнутый контур, в состав которого входит гальванометр. Если изменить ориентацию контура в пространстве так, чтобы магнитный поток через него тоже изменился, то в контуре возникнет ЭДС индукции и импульс индукционного тока приведет к отклонению указателя гальванометра.

Д
ля проведения такого опыта берется катушка L 2 на кольцевом каркасе, находящаяся на вращающейся подставке. Вектор напряженности магнитного поля Земли расположен в плоскости магнитного меридиана под углом  к горизонту (рис.4), где  – магнитное наклонение (в нашей местности можно принять приблизительно равным географической широте) .

Если катушку поворачивать, например, вокруг оси z , то поток вектора Н г через площадь, охваченную контуром, будет изменяться, что приведет к возникновению ЭДС индукции, равную, в соответствии с законом Фарадея, E = d  / dt .

2
.Установите на магазине R 1 сопротивление

.

3.Определите по компасу плоскость магнитного меридиана S–N и поставьте плоскость кольцевой катушки перпендикулярно этому направлению.

4.Разомкните демпфер. Поверните катушку вокруг вертикальной оси на 180, наблюдайте отклонение «зайчика» на шкале. Этот опыт надо проделать не менее пяти раз, замечая каждый раз максимальный баллистический отброс. Постарайтесь поворачивать катушку настолько быстро, чтобы длительность поворота была меньше периода свободных колебаний рамки гальванометра, что связано с необходимым условием кратковременности импульса тока в цепи. Результаты измерений внесите в табл.5.

5.Проведите аналогичные измерения при вращении катушки вокруг горизонтальной оси, установив ее предварительно горизонтально.

6.Измерьте диаметр катушки, это понадобится для вычисления ее площади S 2 , и спишите число витков w 2 той секции, которая была включена в цепь.

Обработка результатов состоит в вычислении горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности поля Земли по формуле

. (27)

Таблица 5

Вращение вокруг вертикальной оси				Вращение вокруг горизонтальной оси
n 1	Н г			n 2	Н в

По средним значениям Н г и Н в вычислите полную напряженность магнитного поля Земли и сравните ее со значением, найденным в литературе.

1.Курс электрических измерений. /Под ред. В.Г.Прыткова, А.В.Талицкого. М.-Л.: Гос. энергетич. изд., 1960. Ч.1, гл. 5.

2.Оборудование электрической лаборатории. Изд. Перм. ун-та, 1976. §15-16.

3.Руководство к лабораторным занятиям по физике./Под ред. Л.Л.Гольдина. М.: Наука, 1973. С.274.

4.Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: Наука, 1977. Т.3, с.556.

5.Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1963. С.232.

ИсследованияхКурсовая работа >> Химия

Заменить другим. Основные области применения хрома – декоративная защита, ... электроды; пучок лучей, отраженных зеркальным гальванометром , устанавливают вблизи левого края... компонентов процесса хромирования Объект исследования : твердые отходы гальванических...

Конденсатор - система из двух или более проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, обладающая способностью накапливать большое количество электричества (электрического заряда). Основной характеристикой конденсатора является его электрическая емкость С .

Емкость определяется отношением заряда q на положительной обкладке конденсатора к разности потенциалов между обкладками U :

C = q / U . (1)

В СИ электрическая емкость измеряется в фарадах: 1Ф = 1 Кл/В.

Конденсаторы объединяют в батарею, соединяя их параллельно (рис. 1) или последовательно (рис. 2).

складывается из напряжения на каждом конденсаторе. В этом случае их общая емкость определяется по формуле:

С общ = (1/С 1 + 1/С 2 +…+ 1/С N ) –1 . (3)

В лабораторной работе емкость конденсатора определяется с помощью баллистического гальванометра - высокочувствительного прибора с большим периодом собственных колебаний рамки. При кратковременном токе отклонение рамки пропорционально электрическому заряду q , прошедшего через гальванометр:

q = A n ,

где A (Кл/дел) - баллистическая постоянная гальванометра; n - количество делений, на которое отклоняется индикатор (зайчик) по шкале гальванометра.

Описание лабораторной установки

В лабораторной установке (рис. 3) ключ К 1 подключает внешнее напряжение. Источником питания конденсатора служит потенциометр R (делитель напряжения). Значение напряжения контролируется вольтметром V . Конденсатор С заряжается от источника питания, если ключ находится в положении 1 , и разряжается через гальванометр G при переводе ключа К 2 в положение 2 .

Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение баллистической постоянной с помощью эталонного конденсатора.

1. Получить допуск у преподавателя и приступить к измерениям.

2. Включить ключ К 1 , ключ К 2 установить в положение 1 .

3. Потенциометром установить заданное преподавателем напряжение U .

4. Перевести ключ К 2 в положение 2 n

n 1 = n 2 = n 3 =

5. Найти среднее значение отклонения «зайчика»:

n ср = (n 1 + n 2 + n 3)/3 =

6. Определить баллистическую постоянную:

A = C э U / n ср =

где C э - заданная преподавателем эталонная емкость.

Задание 2. Определение неизвестной емкости конденсатора.

1 конденсатор

1. Включить ключ К 1 , ключ К 2 установить в положение 1 .

U .

3. Перевести ключ К 2 в положение 2 и определить величину отклонения светового «зайчика» n . Повторить измерения три раза.

n 1 = n 2 = n 3 =

n ср = (n 1 + n 2 + n 3)/3 =

C = A×n ср /U =

где U

dС = dU + Dn / n ср =

где dU n

DС = C dС =

Записать результат в виде: C = C экспер ± DС

С = ± .

2 конденсатор

1. Включить ключ К 1 , ключ К 2 установить в положение 1 .

2. Потенциометром установить заданное преподавателем напряжение U .

3. Перевести ключ К 2 в положение 2 и определить величину отклонения светового «зайчика» n . Повторить измерения три раза.

n 1 = n 2 = n 3 =

4. Найти среднее значение отклонения «зайчика»:

n ср = (n 1 + n 2 + n 3)/3 =

5. Определить емкость конденсатора

C = A×n ср /U =

где U - напряжение, до которого заряжен конденсатор.

6. Вычислить относительную погрешность измерения емкости:

dС = dU + Dn / n ср =

где dU - относительная погрешность определения напряжения (см. лаб. работу 1); Dn - половина цены наименьшего деления шкалы гальванометра.

7. Вычислить абсолютную погрешность измерения емкости:

DС = C dС =

Записать результат в виде: C = C экспер ± DС

С = ± .

Задание 3. Определение емкости последовательно соединенных конденсаторов.

По заданию преподавателя соединить конденсаторы, емкости которых были определены в задании 2, последовательно.

1. Включить ключ К 1 , ключ К 2 установить в положение 1 .

2. Потенциометром установить заданное преподавателем напряжение U .

3. Перевести ключ К 2 в положение 2 и определить величину отклонения светового «зайчика» n . Повторить измерения три раза.

n 1 = n 2 = n 3 =

4. Найти среднее значение отклонения «зайчика»:

n ср = (n 1 + n 2 + n 3)/3 =

5. Определить емкость конденсатора

C = A×n ср /U =

где U - напряжение, до которого заряжен конденсатор.

6. Вычислить относительную погрешность измерения емкости:

dС = dU + Dn / n ср =

где dU - относительная погрешность определения напряжения (см. лаб. работу 1); Dn - половина цены наименьшего деления шкалы гальванометра.

7. Вычислить абсолютную погрешность измерения емкости:

DС = C dС =

Записать результат в виде: C = C экспер ± DС

С = ± .

Задание 4. Определение емкости параллельно соединенных конденсаторов.

По заданию преподавателя соединить конденсаторы, емкости которых были определены в задании 2, параллельно.

1. Включить ключ К 1 , ключ К 2 установить в положение 1 .

2. Потенциометром установить заданное преподавателем напряжение U .

3. Перевести ключ К 2 в положение 2 и определить величину отклонения светового «зайчика» n . Повторить измерения три раза.

n 1 = n 2 = n 3 =

4. Найти среднее значение отклонения «зайчика»:

n ср = (n 1 + n 2 + n 3)/3 =

5. Определить емкость конденсатора

C = A×n ср /U =

где U - напряжение, до которого заряжен конденсатор.

6. Вычислить относительную погрешность измерения емкости:

dС = dU + Dn / n ср =

где dU - относительная погрешность определения напряжения (см. лаб. работу 1); Dn - половина цены наименьшего деления шкалы гальванометра.

7. Вычислить абсолютную погрешность измерения емкости:

DС = C dС =

Записать результат в виде: C = C экспер ± DС

С = ± .

Рассчитайте теоретическое значение емкости

С теор = С 1 + С 2 =

Контрольные вопросы

1. Что такое электрический конденсатор?

2. Что такое емкость конденсатора?

3. Единицы измерения емкости в СИ.

4. Почему емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей каждого?

5. Почему заряд на обкладках любого конденсатора при последовательном соединении будет одинаков?

6. Как определить емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов?

Лабораторная работа 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.14

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЁМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА С ПОМОЩЬЮ

БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ГАЛЬВАНОМЕТРА»

Цель работы : экспериментальное определение динамической постоянной баллистического гальванометра и ёмкости конденсатора.

Описание электрической схемы

Электрическая схема, используемая в настоящей лабораторной работе, представлена на рис. 1. Здесь G – гальванометр баллистический, С – конденсатор, П – переключатель, V – вольтметр, Б – батарея ЭДС.

Рис. 1. Принципиальная схема установки

Когда переключатель П установлен в левое положение, происходит заряд конденсатора от батареи Б и одновременно гальванометр шунтируется критическим сопротивлением (не указанным в схеме). Благодаря этому рамка его устанавливается в положение равновесия. Когда переключатель П установлен в правое положение, конденсатор разряжается через гальванометр.

Пояснения к работе

Баллистический гальванометр предназначен для измерения количества электричества, протекающего через его рамку за время, значительно меньше периода её собственных колебаний. Баллистический гальванометр отличается от обычного гальванометра магнитоэлектрической системы тем, что подвижная часть его делается более массивной и обладает большим моментом инерции j .

Рис. 2. Устройство гальванометра баллистического гальванометра.

Рис. 3. Схема устройства баллистического гальванометра (вид сверху).

Проволочная рамка 1 и цилиндр из мягкого железа 2 подвешены на металлической нити в кольцевом зазоре между полюсами постоянного магнита N и S. Нить снабжена зеркальцем. Для измерения отклонения рамки от положения равновесия используется луч света, который направляется от лампочки на зеркальце и, отразившись от него, попадает на шкалу.

При кратковременном протекании тока J на рамку 1 со стороны внешнего магнитного поля действует пара сил Ампера , создающая вращающий момент.

Длительность импульса тока t много меньше периода собственных колебаний рамки Т (t << Т ), т.к. подвижная часть гальванометра имеет большой момент инерции (из-за цилиндра 2). Поэтому воздействие на рамку момента сил Ампера имеет характер "удара" (отсюда название гальванометра).

При повороте рамки ее кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию закрученной нити. Вместе с рамкой на угол a 0 поворачивается и зеркало (световой луч смещается на угол 2a 0 ). (рис. 3)

Движение рамки баллистического гальванометра описывается тем же уравнением, что и в случае обычного гальванометра магнитоэлектрической системы:

J
, (1)

где К 1 – коэффициент крутильной упругости; К 2 – коэффициент электромагнитного торможения; В – модуль магнитной индукции; S – площадь рамки; n – нормаль к контуру.

Так как момент инерции j велик, в левой части уравнения (1) можно пренебречь вторым и третьим членами по сравнению с первым:

j . (2)

Количество электричества q , прошедшее через рамку за время t , можно определить, интегрируя уравнение (2):

j
. (3)

Кинетическая энергия рамки гальванометра равна

(4)

которая переходит в потенциальную энергию закручивающейся на угол α нити:

. (5)

Момент инерции может быть определён из формулы для периода Т 0 упругих крутильных колебаний:

(6)

Подставив формулы (4)-(6) в (3) и учитывая, что Е К =Е П , имеем

, (7)

Обозначим . Из выражения (7) видно, что максимальный поворот рамки баллистического гальванометра пропорционален количеству протёкшего через него электричества:

, (8)

где величина β – динамическая постоянная гальванометра. Она определяет количество электричества, при протекании которого через рамку последняя повернётся на угол, равный 1 радиану.

Угол отклонения "зайчика" равен

, (9)

где n – отклонение светового «зайчика» по шкале;

l – расстояние от зеркала до шкалы.

Подставляя значение q из формулы для ёмкости конденсатора в формулу (8) и учитывая выражение (9), получим:

. (10)

Порядок выполнения работы

Упражнение 1: Определение динамической постоянной.

1. Включить в схему эталонный конденсатор С 0 с известной ёмкостью.

2. Переключателем SA замкнуть цепь

3. Переключатель П установить в положение «заряд» и зарядить конденсатор С 0 .

4. Переключатель П установить в положение «разряд» и отметить крайнее деление n 0 , до которого передвинется зайчик во время первого колебания в процессе разрядки конденсатора через гальванометр.

5. Пункты 3-4 повторить 5 раз.

Упражнение 2: Определение ёмкости конденсатора.

1. Включить в схему конденсатор с неизвестной ёмкостью С 1 .

2. П.п. 2-5 упр. 1 повторить 5 раз (п 1 ).

3. Включить в схему конденсатор С 2 .

4. П.п. 2-5 упр. 1 повторить 5 раз (п 2 ).

5. Включить в схему конденсатор С пар , являющийся параллельным соединением С 1 и С 2 (п.п. 2-5 упражнения 1 повторить 5 раз) п пар .

6. Включить в схему конденсатор С посл – (последовательное соединение С 1 и С 2 ) (п.п. 2-5 упражнения 1 повторить 5 раз) п посл .

Таблица измерений

1. Данные электрической схемы:

– длина от зеркала до шкалы l = 180 мм, Δl = 0,5 мм ;

– ёмкость эталонного конденсатора С 0 = 0,047 мкФ ; .

2. Определение отклонения светового «зайчика» n :

№ опыта	n 0 , дел	Δn 0 , дел	n 1 , дел	Δn 1 , дел	n 2 , дел	Δn 2 , дел	(n ) пар , дел	Δ(n) пар , дел	(n) посл , дел	Δ(n) посл , дел
Ср. зн.

Обработка результатов измерения .

2. Определить относительную погрешность по формуле

,

ΔU определить из класса точности вольтметра, Δn 0 - сумма приборной и случайной погрешностей.

4. Определить соответствующие относительные погрешности по формуле:

.

5. Найти величины С пар и С посл по следующим формулам:

; .

6. Сравнить экспериментальные и расчетные значения С пар и С посл .

Контрольные вопросы

1.Что такое электроёмкость? В каких единицах она измеряется в системах СИ, СГСЭ?

2. Объясните устройство и принцип действия баллистического гальванометра?

3.Какая электрическая величина измеряется с помощью баллистического гальванометра?

4.Каков физический смысл динамической постоянной β ?

5.Какую величину измерит баллистический гальванометр, если к нему подключить источник постоянного тока?

6.Опишите процесс разрядки конденсатора; приведите формулу для тока разряда конденсатора через некоторое сопротивление.

Задача №1

Конденсаторы соединены так, как это показано на рис.1. Электроемкости конденсаторов: , , , . Определить электроемкость С батареи конденсаторов.

Задача №2

Определить электроемкость С схемы, представленной на рис.2, где , , , , .

С 21

С 1

С 4321

С 321

Рис.1

С 54321

С 1

С 21

С 321

С 4321

С 1

С 21

С 321

С 4321

С 54321

Рис.2

Рис.3

Задача №3

Пять различных конденсаторов соединены согласно схеме, приведенной на рис.3. Определить электроемкость С 4 , при которой электроемкость всего соединения не зависит от величины электроемкости С 5 . Принять , , .

Задача №4

Между пластинами плоского конденсатора, заряженного до разности потенциалов , находятся два слоя диэлектриков: стекла толщиной и эбонита толщиной . Площадь S каждой пластины конденсатора равна 200см 2 . Найти: 1) электро­емкость С конденсатора; 2) смещение D, напряженность Е поля и падение потенциала U в каждом слое.

Задача №5

В плоский конденсатор вдвинули плитку парафина тол­щиной , которая вплотную прилегает к его пластинам. Насколько нужно увеличить расстояние между пластинами, чтобы получить прежнюю емкость?

Задача №6

Конденсатор емкостью периодически заряжается от батареи с ЭДС и разряжается через катушку в форме кольца диаметром , причем плоскость кольца совпадает с плоскостью магнитного меридиана. Катушка имеет витка. Помещенная в центре катушки горизонтальная магнитная стрелка отклоняется на угол . Переключение конденсатора происходит с частотой . Найти из данных это­го опыта горизонтальную составляющую Н г напряжен­ности магнитного поля Земли.

Задача №7

Конденсатор емкостью периодически заряжается от батареи с ЭДС и разряжается через соленоид длиной . Соленоид имеет витков. Среднее значение напряженности магнитного поля внутри соленоида . С какой частотой п проис­ходит переключение конденсатора? Диаметр соленоида считать малым по сравнению с его длиной.

Задача №8

На соленоид длиной и площадью по­перечного сечения надета катушка, состоящая из витков. Катушка соединена с баллистическим галь­ванометром, сопротивление которого . По обмотке соленоида, состоящей из витков, идет ток . Найти баллистическую постоянную С гальванометра, если известно, что при выключении тока в соленоиде гальванометр дает отброс, равный 30 делениям шкалы (­ Баллистической постоянной гальванометра называется вели­чина, численно равная количеству электричества, которое вызывает отброс по шкале на одно деление). Сопротивлением катушки по сравнению с сопротивлением баллистического гальванометра пренебречь.

Задача №9

Для измерения индукции магнитного поля меж­ду полюсами электромагнита помещена катушка, состоя­щая из витков проволоки и соединенная с баллисти­ческим гальванометром. Ось катушки параллельна направлению магнитного поля. Площадь поперечного сече­ния катушки . Сопротивление гальванометра ; его баллистическая постоянная . При быстром выдергивании катушки из магнитного поля гальванометр дает отброс, равный 50 делениям шкалы. Найти индукцию В магнитного поля. Сопротивлением ка­тушки по сравнению с сопротивлением баллистического гальванометра пренебречь.

Задача №10

витков тонкой проволоки, намотанной на прямоугольный каркас длиной и шириной , подвешена на нити в магнитном поле с индукцией . По катушке течет ток . Найти вращающий момент М , действующий на катушку гальванометра, если плоскость катушки: 1) параллельна направлению магнитного поля; 2) составляет угол с направлением магнитного поля.

Задача №11

На расстоянии от длинного прямолинейного вертикального провода на нити длиной и диаметром висит короткая магнитная стрелка, маг­нитный момент которой . Стрелка находится в плоскости, проходящей через провод и нить. На какой угол повернется стрелка, если по проводу пустить ток ? Модуль, сдвига материала нити . Система экранирована от магнитного поля Земли.

Задача №12

Катушка гальванометра, состоящая из витков проволоки, подвешена на нити длиной и диаметром в магнитном поле напряженностью так, что ее плоскость параллельна направ­лению магнитного поля. Длина рамки катушки и ширина . Какой ток I течет по обмотке катушки, если катушка повернулась на угол ? Модуль сдвига материала нити .

Задача №13

Квадратная рамка подвешена на проволоке так, что направление магнитного поля составляет угол с нормалью к плоскости рамки. Сторона рамки . Магнитная индукция поля . Если по paмке пропустить ток , то она поворачивается на, угол . Найти модуль сдвига G материала проволоки. Длина проволоки , радиус нити ­

Задача №14

Зеркальце гальванометра подвешено на проволоке длиной и диаметром . Найти закручивающий момент М , соответствующий отклонению зайчика на величину по шкале, удаленной на расстояние от зеркальца . Модуль сдвига материала проволоки .

Задача №15

При протекании электрического тока через обмотку гальванометра на его рамку с укрепленным на ней зеркальцем действует закручивающий момент , Рамка при этом поворачивается на малый угол . На это закручивание идет работа . На какое расстояние а переместится зайчик от зеркальца по шкале, удаленной на расстояние от гальванометра?