авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Г. А. Новиков

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по дисциплине

«Метрология, стандартизация и технические измерения»

Часть 1

Учебное пособие

для бакалавров дневной, заочной и вечерней форм обучения по направлению 211000.62 «Конструирование и технология электронных средств»

Ульяновск УлГТУ 2013 1 УДК 006.91 (075) ББК 30.10 я7 Н 73 Рецензенты:

Ульяновский филиал ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН (директор, д-р техн. наук, доцент В. А. Сергеев);

канд. техн. наук, доцент кафедры «Авиационная техника» УВАУ ГА (И) А. В. Ефимов Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Новиков, Г. А.

Н 73 Лабораторный практикум по дисциплине «Метрология, стандартизация и технические измерения». В 2 ч.Часть 1 : учеб ное пособие / Г. А. Новиков. – Ульяновск : УлГТУ, 2013. – 137 с.

ISBN 978-5-9795-1149- Материал учебного пособия соответствует рабочей программе дисци плины «Метрология, стандартизация и технические измерения». Пособие включает описание двух лабораторных работ и пять приложений со спра вочными данными.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Проектирование и техно логия электронных средств».

УДК 006.91 (075) ББК 30.10 я Новиков Г. А., Оформление. УлГТУ, ISBN 978-5-9795-1149- СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.................................................................... ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № Компенсационный метод измерения постоянных напряжений и его применения..................................................................................... 1.1. Цель работы................................................................................. 1.2. Оборудование.............................................................................. 1.3. Теоретические основы работы цепей постоянного тока......... 1.3.1. Электрический ток........................................................... 1.3.2. Потенциальные и непотенциальные силы................... 1.3.3. Потенциальные и непотенциальные электрические силы. Сторонние силы.................................... 1.3.4. Условия протекания постоянного электрического тока................................................................. 1.3.5. Разность потенциалов, ЭДС и напряжение.

Закон Ома.................................................................................. 1.3.6. Однородные и неоднородные участки цепи................ 1.4. Источники ЭДС. Гальванический элемент............................. 1.5. Измерения физических величин.............................................. 1.6. Методы измерений. Меры........................................................ 1.7. Потенциометр постоянного тока............................................. 1.7.1. Устройство потенциометра постоянного тока............. 1.7.2. Измерение ЭДС с помощью потенциометра................ 1.7.3. Измерение силы тока и сопротивления с помощью потенциометра...................................................... 1.8. Порядок выполнения работы................................................... 1.9. Контрольные вопросы.............................................................. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № Измерение параметров сигналов с помощью осциллографа методом прямого преобразования........................... 2.1. Цель работы............................................................................... 2.2. Оборудование............................................................................ 2.3. Назначение осциллографа. Параметры сигналов................... 2.4. Устройство электроннолучевого осциллографа.................... 2.4.1. Электроннолучевая трубка.



Схема управления лучом......................................................... 2.4.2. Каналы Y, X и Z............................................................... 2.4.3. Калибраторы амплитуды и длительности.................... 2.5. Виды осциллографических разверток..................................... 2.5.1. Развертка колебаний маятника...................................... 2.5.2. Осциллографические развертки.................................... 2.5.3. Линейная пилообразная развертка................................ 2.5.4. Автоколебательная развертка........................................ 2.6. Универсальный осциллограф................................................... 2.6.1. Основные параметры канала Y...................................... 2.6.2. Основные параметры канала X...................................... 2.6.3. Измерение размаха, амплитуды, периода и частоты сигналов................................................................... 2.6.4. Внутренняя синхронизация........................................... 2.7. Порядок выполнения работы................................................... 2.8. Контрольные вопросы............................................................ Приложение А Единицы SI..................................................................................... Основные единицы SI............................................................ Примеры производных единиц SI, наименования и обозначения которых образованы с использованием наименований и обозначений основных единиц SI............ Производные единицы SI, имеющие специальные наименования и обозначения................................................ Примеры производных единиц SI, наименования и обозначения которых образованы с использованием специальных наименований и обозначений, указанных в таблице А.3........................................................ Внесистемные единицы, допустимые к применению наравне с единицами SI......................................................... Некоторые относительные и логарифмические величины и их единицы......................................................... Внесистемные единицы по отношению к SI, временно допустимые к применению.................................. Приложение Б Множители и приставки................................................................ Приложение В Фундаментальные физические постоянные................................ Приложение Г Технические данные потенциометра Р306.................................. Принцип действия Р306................................................................ Устройство Р306............................................................................ Подготовка Р306 к измерениям.................................................... Приложение Д Технические данные универсального осциллографа С1-77....................................................................... Элементы конструкции осциллографа С1-77.............................. Подготовка осциллографа С1-77 к измерениям.......................... БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ АР – автоколебательная развертка АЧХ – амплитудно-частотная характеристика ВУ – входное устройство ГКМВ – Генеральная конференция по мерам и весам ГР – генератор развертки ГЭ – гальванический элемент ЛЗ – линия задержки ЛПР – линейная пилообразная развертка МТШ – Международная температурная шкала НР – напряжение развертки НСП – неисключенные систематические погрешности НЭ – нормальный элемент СИ – средство измерений УВО – усилитель вертикального отклонения УГО – усилитель горизонтального отклонения УСиЗР – устройство синхронизации и запуска развертки ФВ – физическая величина ЭДС – электродвижущая сила ЭК – электронный коммутатор ЭЛТ – электроннолучевая трубка ЭП – электронная пушка, или электронный прожектор SI – System International (Международная система единиц) ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие предназначено для бакалавров дневной, заоч ной и вечерней форм обучения по направлению 211000.62 «Конст руирование и технология электронных средств».





Материал учебного пособия затрагивает темы двух разделов дис циплины «Метрология, стандартизация и технические измерения»:

основы метрологии и технические измерения. Пособие содержит опи сание двух лабораторных работ, приложения и список используемых сокращений.

Описание лабораторных работ включает теоретический материал по рассматриваемым темам, перечень и характеристики используе мых средств измерений, методику выполнения измерений и кон трольные вопросы для самостоятельной подготовки студентов. При ложения содержат справочные данные и дополнительные сведения об устройстве применяемых приборов.

Лабораторная работа № 1 «Компенсационный метод измерения постоянных напряжений и его применения» связана с изучением ком пенсационного метода измерения напряжений, ЭДС, силы тока и со противлений в цепи постоянного тока с помощью потенциометра Р306.

В лабораторной работе № 2 «Измерение параметров сигналов с по мощью осциллографа методом прямого преобразования» рассмотрены устройство двухканального электроннолучевого осциллографа С1-77 и его применение для измерений параметров различных сигналов.

Приложение А включает основные сведения о системе единиц SI (System International). Приложение Б содержит перечень названий и обозначений множителей и приставок для образования кратных и дольных единиц SI. В Приложении В представлены значения фунда ментальных физических постоянных, выраженные в единицах SI.

Приложения Г и Д посвящены потенциометру Р306 и осциллографу С1-77 соответственно.

Выполнение указанных лабораторных работ позволяет студентам получить необходимые навыки проведения измерений с помощью амперметров, вольтметров и осциллографов.

Лабораторные работы проводятся в специально оборудованном помещении (лаборатории) с использованием сетевого напряжения 220 В. При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности.

1. Приступать к выполнению измерений только после получения допуска у преподавателя.

2. Перемещаться по лаборатории спокойным ровным шагом.

3. Не загромождать рабочее место посторонними предметами.

4. Быть внимательным при выполнении измерений и не оставлять установку без присмотра.

5. Соблюдать требования электрической и пожарной безопасности.

6. При обнаружении какой-либо неисправности во время работы установки сообщить о неполадках преподавателю или лаборанту.

7. После завершения проведения измерений проинформировать об окончании работы преподавателя или лаборанта.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ 1.1. Цель работы 1. Изучить теоретические основы работы цепей постоянного тока.

2. Изучить принцип работы источника ЭДС на примере гальва нического элемента Даниэля.

3. Изучить нулевой метод измерения.

4. Изучить работу потенциометра постоянного тока.

5. Провести прямые измерения напряжений, косвенные изме рения ЭДС, силы тока, активных сопротивлений с помощью потен циометра Р306.

1.2. Оборудование Лабораторный потенциометр Р306, измерительная катушка со противления Р321, делитель напряжения, нормальный элемент Вестона, гальванометр, источник постоянного тока Б5-47, стенд.

1.3. Теоретические основы работы цепей постоянного тока 1.3.1. Электрический ток В лабораторной работе проводятся измерения в цепи постоянного электрического тока.

Электрический ток – упорядоченное, направленное движение заряженных микроскопических частиц или заряженных макроскопи ческих тел. Соответственно, различают электрический ток проводи мости и конвекционный электрический ток.

Электрический ток проводимости – упорядоченное, направлен ное движение заряженных частиц относительно какой-либо среды.

Электрический ток проводимости протекает внутри макроскопиче ских тел: проводников, полупроводников и диэлектриков.

Конвекционный электрический ток – упорядоченное, направлен ное движение заряженных тел как целых объектов. К такому току от носятся любые заряженные тела, перемещающиеся в пространстве.

В лабораторной работе исследуется электрический ток проводи мости. Поэтому далее под электрическим током будем понимать электрический ток проводимости, протекающий по цепи, которая об разована металлическими проводниками и электролитами.

Заряженные частицы, участвующие в упорядоченном, направ ленном движении, называются носителями заряда, или тока. В твер дых проводниках и диэлектриках носителями заряда являются элек троны, в полупроводниках – электроны и дырки, в жидких электроли тах и газах – электроны, положительные и отрицательные ионы (ка тионы и анионы). В схемах электрических цепей направление тока указывают стрелкой.

Направление электрического тока – направление движения по ложительно заряженных частиц. Электрический ток характеризуется скалярной величиной – силой тока.

Сила тока I – это количество заряда dq, проходящего за единич ный промежуток времени dt через поперечное сечение проводника:

dq I. (1.1) dt Сила тока измеряется в амперах (А). Приборы, предназначенные для измерения силы тока, называются амперметрами.

Для протекания постоянного тока в замкнутой цепи необходи мо, чтобы на заряженные частицы в цепи действовали потенциаль ные электрические силы Fпэл и сторонние силы Fст.

1.3.2. Потенциальные и непотенциальные силы Силы, действующие на различные тела, подразделяются на по тенциальные и непотенциальные. Такое деление обусловлено тем, что интерес представляют не только силы, но и результат действия сил.

Результат действия силы характеризуется величиной работы.

Работа A12 силы F по перемещению тела из положения 1 в по ложение 2 (см. рис. 1.1, а) равна линейному интегралу:

A12 Fdl. (1.2) Интегрирование в (1.2) ведется вдоль траектории движения тела, т. е.

вдоль линии L.

 L F I II 1 III а б Рис. 1.1. а – траектория (линия L) перемещения тела, движущегося под действием силы F из положения 1 в положение 2, б – I, II и III – разные траектории движения тела между положениями 1 и На практике используются различные механизмы и замкнутые цепи, где тела и заряженные частицы движутся по замкнутым траек ториям (контурам). Поэтому особый интерес представляет работа сил, под действием которых происходит перемещение тел и частиц по та ким замкнутым контурам.

Потенциальные, или консервативные, силы Fп – силы, работа Aп которых по перемещению тела вдоль замкнутого контура C равна нулю:

Aп Fп dl 0. (1.3) C Работа Aп12 потенциальных сил по перемещению тела из поло жения 1 в положение 2 не зависит от формы траектории I, II или III движения тела, а зависит только от начального и конечного положе ний 1 и 2 (см. рис. 1.1, б).

Вычисление работы Aп12 упрощают, вводя вспомогательную функцию – потенциальную энергию W. Работу Aп12 выражают через разность двух значений W1 и W2 потенциальных энергий в положен пиях 1 и 2 соответственно:

Aп12 Fп dl W1 W2. (1.4) W определена с точностью до некоторой постоянной величины – кон станты. Значение константы в каждой конкретной задаче можно вы брать из удобства решения. Но при вычислении работы Aп12 неопре деленность константы несущественна, так как имеет значение только разность потенциальных энергий.

Пример 1.1.

К потенциальным силам относятся сила тяжести F mg и упру гая сила F kxex, действующая на тело со стороны деформирован ной пружины, где m – масса тела, g – ускорение свободного падения, k и x – жесткость и сжатие/удлинение пружины, ex – единичный век тор, направленный противоположно силе, вызывающей появление x (см. рис. 1.2, а и б).

Потенциальная энергия силы тяжести равна:

W mgy const, (1.5) где y – высота тела над некоторым выбранным уровнем. Часто кон станту в (1.5) полагают равной нулю, а высоту y отсчитывают от по верхности Земли.

 y   k m x y1 mg F kx1ex ex x F kx2 ex ex y2 x mg -x2 0 x а б Рис. 1.2. Движение тела массой m под действием:

а – силы тяжести, б – упругой силы со стороны деформированной пружины (g – ускорение свободного падения, k и x – жесткость и сжатие/удлинение пружины) Потенциальная энергия упругой силы равна:

kx W const. (1.6) Обычно константу в (1.6) полагают равной нулю, так как сжа тие/удлинение пружины x отсчитывают от положения равновесия:

x 0.

Работа A12 силы тяжести по перемещению тела с высоты y1 на высоту y2 равна:

A12 W1 W2 mg ( y1 y2 ). (1.7) Работа A12 упругой силы по перемещению тела из положения с удлинением пружины x1 в положение со сжатием пружины x равна:

2 kx1 kx A12 W1 W2. (1.8) 2 Окончание Примера 1.1.

Непотенциальные, или неконсервативные, силы Fнеп – силы, ра бота Aнеп которых по перемещению тела вдоль замкнутого контура C не равна нулю:

Aнеп Fнеп dl 0. (1.9) C Fнеп dl непотенциальных сил по перемещению Работа Aнеп тела из положения 1 в положение 2 зависит как от формы траектории движения тела, так и от начального и конечного положений тела 1 и 2. Для непотенциальных сил невозможно ввести функцию, аналогич ную потенциальной энергии, и тем самым упростить вычисление Aнеп12.

Пример 1.2.

К непотенциальным силам относятся силы трения и неупругие силы, действующие на тела со стороны других тел.

Окончание Примера 1.2.

1.3.3. Потенциальные и непотенциальные электрические силы.

Сторонние силы Потенциальные электрические силы Fпэл – силы, работа Aпэл ко торых по перемещению заряженных тела или частицы вдоль замкну того контура равна нулю.

Вычисление работы A12 пэл потенциальных электрических сил по перемещению частицы с зарядом q из точки 1 в точку 2 можно упро стить, если ввести, помимо потенциальной энергии W, вспомогатель ную функцию – потенциал.

Действительно, поскольку Fпэл qEпэл, Eпэл – напряженность по тенциального электрического поля, то из (1.4) следует, что Fпэл dl q Eпэл dl W1 W2.

Aпэл12 (1.10) 1 Определим потенциал электрического поля как отношение по тенциальной энергии к величине заряда:

W. (1.11) q Тогда:

W2 W 2, 1, Aпэл12 q (1 2 ), 1 2 Eпэл dl. (1.12) q q Таким образом, работа Aпэл12 потенциальных электрических сил по перемещению частицы с зарядом q из точки 1 в точку 2 цепи равна произведению заряда q на разность потенциалов в точках 1 и 2.

Потенциал, как и потенциальная энергия, определен с точностью до константы. Поскольку для вычисления Aпэл12 имеет значение разность потенциалов, неопределенность константы несущественна.

Пример 1.3.

Потенциальными электрическими силами являются кулоновские, или электростатические, силы, действующие между неподвижными заряженными телами.

В частности, кулоновские силы, действующие между двумя не подвижными точечными зарядами q1 и q2, расположенными на рас стоянии r друг от друга (см. рис. 1.3, а и б), равны:

1 q1q2 1 q1q2 е21, e12 e21. (1.13) F12 е12, F 4 0 r 2 4 0 r F12 – кулоновская сила, действующая на заряд q1 со стороны заряда q2. F21 – кулоновская сила, действующая на заряд q2 со стороны за ряда q1. e12 и e21 – единичные векторы, направленные вдоль прямой, проходящей через точки, в которых расположены заряды q1 и q2. 0 – электрическая постоянная, – относительная диэлектрическая прони цаемость среды, или (кратко) диэлектрическая проницаемость.

F12 q1 q1 F12 q  F F q1 q1 q1 q2 q 1 2 1 e12 e12 e e r2 r r1 r r r а б Рис. 1.3. Кулоновские силы, действующие между двумя:

а – одноименными зарядами q1 и q2, б – разноименными зарядами q1 и q Если заряды q1 и q2 разноименные, то они притягиваются. Если заряды q1 и q2 одноименные, то они отталкиваются. Формулы (1.13) справедливы и для движущихся точечных зарядов, если их скорости движения значительно меньше скорости света.

Пусть заряд q2 неподвижен, а заряд q1 под действием силы F переместился из точки 1, находящейся на расстоянии r1 от заряда q2, в точку 2, находящуюся на расстоянии r2 от заряда q2. Потенциаль ная энергия кулоновской силы F12 и потенциал электрического поля заряда q2 равны:

1 q1q2 W 1 q const1, W const 2. (1.14) 4 0 r q1 4 0 r Обычно константы в (1.14) полагают равными нулю и считают, что W 0 и 0 при r.

Согласно (1.12), работу A12 силы F12 по перемещению заряда q из точки 1 в точку 2 можно представить в виде:

q1q2 1 q1 (1 2 ), A12 W1 W2 (1.15) 4 0 r1 r где разность потенциалов q2 1 1 2. (1.16) 4 0 r1 r Окончание Примера 1.3.

Непотенциальные электрические силы Fнэл – силы, работа кото рых по перемещению заряженных тела или частицы вдоль замкнутого контура не равна нулю.

Пример 1.4.

Непотенциальными электрическими силами являются химиче ские силы Fхим и индукционные силы Fин. Fхим возникают в резуль тате протекания химических реакций между двумя различными со прикасающимися проводниками. Fин появляются в замкнутом конту ре под действием электромагнитной индукции Фарадея.

Окончание Примера 1.4.

Сторонние силы Fст – это силы, которые не являются потенци альными электрическими силами. К сторонним силам можно отнести перечисленные в Примерах силы, за исключением кулоновских сил:

сила тяжести, упругие и неупругие силы, силы трения, индукционные и химические силы. Поэтому сторонние силы называют также не электростатическими силами.

На практике в электрических цепях в качестве сторонних сил Fст часто используются химические Fхим и индукционные Fин силы.

1.3.4. Условия протекания постоянного электрического тока Для протекания постоянного тока в электрической цепи необхо димо, чтобы выполнялись три условия:

1) наличие в цепи носителей заряда (цепь должна быть проводящей), 2) цепь должна быть замкнутой, 3) на заряженные частицы в цепи должны действовать потенциальные электрические силы Fпэл и сторонние силы Fст.

Первое условие связано с тем, что без носителей заряда возник новение электрического тока в цепи невозможно. Действительно, ес ли в цепь постоянного тока подключить последовательно вакуумный конденсатор, то в такой цепи постоянный ток не протекает. В вакууме нет носителей заряда. Поэтому включение вакуумного конденсатора является аналогом полного разрыва цепи постоянного тока.

Рассмотрим второе условие. В любом поперечном сечении про водников цепи величина силы тока постоянна. Поэтому по закону со хранения электрического заряда ни в каком объеме проводника, за ключенном между двумя несовпадающими поперечными сечениями, заряд не накапливается. Последнее возможно, если в цепи имеет ме сто непрерывный кругооборот заряженных частиц. Иными словами, цепь постоянного тока должна быть замкнутой.

Обратимся к третьему условию. Рассмотрим действие потенци альных электрических сил Fпэл в замкнутой цепи электрического то ка. Fпэл притягивают разноименные заряды и отталкивают одноимен ные. Зарядим проводящие шары, поместив на один из них заряд q1, на другой q2 ( q1 q2 ). Расположим шары на некотором расстоянии друг от друга, получим тем самым начальную разность потенциалов между шарами 0 1 2, где 1 и 2 – потенциалы первого и второго шаров (см. рис. 1.4, а). Соединим шары проводниками с амперметра ми так, чтобы получилась замкнутая цепь (см. рис. 1.4, б).

Согласно показаниям амперметров, после замыкания в цепи воз никнет кратковременный переменный ток, который быстро исчезнет.

Причина исчезновения переменного тока состоит в том, что заряды на шарах после образования цепи под действием Fпэл начнут перерас пределяться до тех пор, пока в цепи не наступит равновесие зарядов.

Равновесие зарядов достигается, когда разность потенциалов между любыми двумя различными точками цепи равна нулю: 0.

  q, q2, 2 1 А А а б Рис. 1.4. Заряженные шары с зарядами и потенциалами q1, q2 и 1, 2:

а – до образования, б – после образования замкнутой цепи с амперметрами А Таким образом, в замкнутой цепи потенциальные электрические силы Fпэл действуют так, что уменьшают начальную разность потен циалов 0 между двумя точками цепи до нуля. Поэтому Fпэл не под держивают длительное протекание электрического тока (постоянного и переменного) в замкнутой цепи. Под действием Fпэл в замкнутой цепи может возникнуть только кратковременный переменный элек трический ток.

Действие сторонних сил Fст в замкнутой цепи постоянного тока сводится к разделению разноименных зарядов. Результатом действия сторонних сил Fст являются:

1) создание между двумя различными точками цепи начальной разно сти потенциалов 0, 2) непрерывное восполнение уменьшения значения 0, которое обу словлено действием Fпэл.

1.3.5. Разность потенциалов, ЭДС и напряжение. Закон Ома Из (1.12) следует, что действие потенциальных электрических сил Fпэл в цепи характеризуется величиной разности потенциалов 1 2.

Разность потенциалов 1 2 равна отношению работы Aпэл потенциальных электрических сил по перемещению заряда q из точки 1 цепи в точку 2 к величине этого заряда:

A 1 2 пэл12. (1.17) q В электротехнике разность потенциалов называют также падением напряжения. Разность потенциалов измеряется в вольтах (В). Прибо ры, предназначенные для измерения разности потенциалов, называ ются вольтметрами или потенциометрами.

Действие сторонних сил Fст в цепи характеризуется величиной электродвижущей силы (ЭДС).

ЭДС E12 равна отношению работы сторонних сил Aст12 по перемещению заряда q в цепи из точки 1 в точку 2 к величине этого заряда:

A E12 ст12. (1.18) q ЭДС измеряется в вольтах.

При протекании тока на участке цепи на заряды действуют по тенциальные электрические силы Fпэл или Fпэл и сторонние силы Fст.

Поэтому определяют величину напряжения, которая учитывает со вместное действие двух типов сил на заряды в цепи.

Напряжение U12 на концах участка цепи равно отношению рабо ты всех сил A12 Aпэл12 Aст12 по перемещению заряда q из точки цепи в точку 2 к величине этого заряда:

A12 Aпэл12 Aст 1 2 E12.

U12 (1.19) q q q Таким образом, напряжение на концах участка цепи равно сумме раз ности потенциалов и ЭДС. Напряжение измеряется в вольтах.

Георг Симон Ом экспериментально установил закон для участка цепи, согласно которому сила тока I на участке цепи 1-2 пропорцио нальна величине напряжения U12 :

I ~ U12. (1.20) Из закона Ома для участка цепи определяют величины проводимости G12 и сопротивления R12 участка цепи:

U I, R12 12.

G12 (1.21) U12 I Проводимость измеряется в сименсах (См), сопротивление – в омах (Ом). С учетом введенных величин закон Ома для участка часто запи сывают в виде:

U I G12U12 или I 12. (1.22) R Рассмотрим замкнутую цепь. При протекании в ней электриче ского тока заряды движутся по замкнутым контурам. Начальное и ко нечное положения заряда в цепи совпадают: 1 1. Поэтому разность потенциалов в замкнутой цепи 1 1 0. Тогда из (1.19), (1.22) сле дует, что:

E I GE или I. (1.23) R Формула (1.23) выражает закон Ома для замкнутой цепи, где E, G и R – суммарные ЭДС, полная проводимость и полное сопротивление цепи.

Отметим, что законы Ома справедливы для цепей, составленных из проводников, проводимости и сопротивления которых практически не зависят от приложенных напряжения и силы тока. К таким про водникам относятся металлы, уголь, электролиты. Вольтамперные ха рактеристики указанных веществ являются линейными.

Вольтамперные характеристики полупроводников и газов – нели нейные. Поэтому законы Ома для полупроводников и газов не спра ведливы.

1.3.6. Однородные и неоднородные участки цепи При анализе схем электрических цепей выделяют однородные и неоднородные участки цепи, узлы и ветви.

Однородный участок цепи – участок цепи, на котором действуют только Fпэл.

Неоднородный участок цепи – участок цепи, на котором дейст вуют Fпэл и Fст.

Узел – точка соединения трех и более проводников.

Ветвь цепи – участок цепи между двумя узлами, образованный последовательно соединенными элементами. Цепи без ветвей назы ваются неразветвленными. Цепи с тремя и более ветвями называются разветвленными. В неразветвленных цепях нет узлов, в разветвлен ных цепях можно выделить не менее двух узлов.

Поскольку на однородном участке цепи 1-2 Fст 0, то Aст12 и, согласно (1.19), напряжение U12 на концах однородного участка цепи равно разности потенциалов:

A U12 пэл12 1 2. (1.24) q Напряжение U12 на концах неоднородного участка цепи опреде ляется общим выражением (1.19).

Где именно в замкнутой цепи постоянного тока действуют Fпэл и Fст ? Как различать однородный и неоднородный участки цепи? Fст действуют только внутри специальных устройств, которые называют ся источниками ЭДС. Fпэл действуют везде: как внутри источников ЭДС, так и вне источников. Таким образом, критерием отличия одно родного и неоднородного участков цепи постоянного тока является отсутствие и наличие на участках источника ЭДС.

Если участок цепи не содержит источник ЭДС, то такой уча сток является однородным, в противном случае – неоднородным.

Пример 1.5.

На рис. 1.5 представлены неразветвленная и разветвленная цепи, причем точки 1 и 2 на рис. 1.5, а – выбранные точки, на рис. 1.5, б – узлы.

R I R   I R2 II 1 1 1 1 2 Е Е r I r I II III а б Рис. 1.5. Цепь: а – неразветвленная, б – разветвленная (R, R1, R2 – сопротивления резисторов, r и E – внутреннее сопротивление и ЭДС источника, 1 и 2 – потенциалы в точках 1 и 2 соответственно) Рассмотрим неразветвленную цепь (см. рис. 1.5, а). Первый уча сток I цепи 1-2 включает резистор с сопротивлением R, второй уча сток II цепи 1-2 содержит источник ЭДС E с внутренним сопротивле нием r. Первый участок цепи является однородным, второй участок цепи – неоднородным.

I II Напряжения на концах первого U12 и второго U12 участков цепи соответственно равны:

U12 1 2 и U12 1 2 E.

I II (1.25) Согласно законам Ома для замкнутой цепи (1.23) и участка цепи (1.22), сила тока I и разность потенциалов 1 2 равны:

E ER и 1 2 IR I. (1.26) rR rR Рассмотрим разветвленную цепь (см. рис. 1.5, б). В ней можно выделить три ветви. Первая ветвь I включает резистор с сопротивле нием R1, вторая ветвь II – резистор с сопротивлением R2, третья ветвь III – источник ЭДС E с внутренним сопротивлением r. Первая и вто рая ветвь являются однородными участками цепи, третья ветвь – не однородным участком.

I II III Напряжения на концах первой U12, второй U12 и третьей U ветвей равны:

U12 1 2, U12 1 2 и U12 1 2 E.

I II III (1.27) Согласно законам Ома (1.23) и (1.22), сила тока I и разность по тенциалов 1 2 равны:

E ER12 RR и 1 2 IR I, R12 1 2. (1.28) r R12 r R12 R1 R Окончание Примера 1.5.

Отметим, что в замкнутой цепи переменного тока сторонние си лы Fст, как и потенциальные электрические силы Fпэл, действуют везде, так как в этом случае Fст являются индукционными силами Fин. Fин действуют в источниках ЭДС и в соединительных проводах из-за паразитной индуктивности. Если паразитная индуктивность ма ла, то ею можно пренебречь. Тогда полагают, что в замкнутой цепи переменного тока Fст действуют только внутри источников ЭДС.

1.4. Источники ЭДС. Гальванический элемент Для создания в цепи постоянной ЭДС па практике широко ис пользуются два вида источников ЭДС: химические и индукционные источники. К химическим источникам постоянной ЭДС относятся ба тареи, аккумуляторы, к индукционным источникам – источники по стоянного тока/напряжения, подключаемые к сети электропитания.

В батареях и аккумуляторах сторонними силами Fст являются химические силы Fхим, в источниках постоянного тока/напряжения Fст – индукционные силы Fин. Поскольку Fин поддерживают дли тельное протекание только переменного тока, то в источниках посто янного тока/напряжения используются выпрямители, которые преоб разуют переменный ток в постоянный ток.

К источникам переменной ЭДС относятся генераторы, трансфор маторы, катушки индуктивности. В этих источниках переменной ЭДС сторонними силами Fст являются Fин.

В лабораторной работе используются два химических источника и один индукционный источник постоянных ЭДС. Химические ис точники – нормальный элемент (НЭ) Вестона и батарея с номиналь ным значением ЭДС, равным 1,5 В.

НЭ – гальванический элемент, обеспечивающий создание высо костабильного значения ЭДС. При 18 С ЭДС НЭ составляет 1,0187 В.

Батарея представляет собой несколько последовательно соеди ненных гальванических элементов. Индукционный источник – источ ник постоянного тока Б5-47.

Рассмотрим кратко процессы, протекающие внутри гальваниче ского элемента.

Гальванический элемент (ГЭ) – устройство, которое включает два различных проводника, погруженных в электролит. Проводники вы полнены в виде пластин или стержней. Они называются выводами, контактами, полюсами или электродами. Проводники изготавливают из металлов или угля. Электролит может быть жидким или гелеобраз ным. Жидкий электролит представляет собой водный раствор соли, кислоты или основания. Носителями заряда в таком электролите яв ляются положительные и отрицательные ионы, образовавшиеся вследствие электролитической диссоциации.

При помещении металлической пластины в электролит начинает ся процесс растворения металла в электролите (см. рис. 1.6). При кон такте металла и электролита химические силы Fхим разделяют в ме талле положительные и отрицательны заряды. В электролит перехо дят положительные ионы металла, которые заряжают электролит по ложительно. Избыточные электроны, оставшиеся в металле, заряжа ют металлическую пластину отрицательно.

  Металл Электролит Fпэл Fхим Fпэл Fпэл Рис. 1.6. Возникновение разности потенциалов между металлом и электролитом (серыми кружками со знаком плюс обозначены положительные ионы металлов, черными кружками со знаком минус обозначены электроны, белыми кружками со знаками плюс и минус указаны ионы электролита, 0 – потенциал электролита, – потенциал металла) Растворение металла останавливает следующий процесс. Под действием потенциальных электрических сил Fпэл положительные ионы металла и электролита нейтрализуются на пластине: на пласти не осаждаются атомы металла с примесью электролита.

В результате после помещения металла в электролит устанавли вается равновесие, когда число ионов, переходящих из металла в электролит за определенный промежуток времени, равно числу ио нов, нейтрализующихся на пластине за тот же промежуток времени.

Равновесному состоянию соответствует определенная разность по тенциалов между электролитом и электродом, которая зависит от свойств металла и электролита:

0 0, (1.29) где 0 и – потенциалы электролита и электрода.

Обратим внимание на то, что при растворении металлической пластины в электролите на пластине осаждается примесь электролита.

Пример 1.6.

Пусть электролит – водный раствор соляной кислоты H2SO4.

В растворе молекулы кислоты распадаются на положительные ионы водорода 2Н+ и отрицательные ионы SO4- -. Поместим в электролит медную пластину. Начнется процесс растворения меди. Положитель ные ионы Cu++ покидают пластину. Пластина заряжается отрицатель но. К ней притягиваются положительные ионы меди и водорода.

После нейтрализации атомы меди и водорода осаждаются на пласти не. Ее поверхность частично покрывается примесью электролита – пузырьками водорода.

Окончание Примера 1.6.

Наличие примеси электролита на металлическом электроде вы зывает в электролите дополнительное сопротивление движению ио нов металла. Дополнительное сопротивление электролита можно уст ранить двумя способами. В первом случае в состав электролита вво дят дополнительное вещество-присадку. После нейтрализации на пластине ионов электролита присадка образует с примесью устойчи вые соединения и препятствует осаждению примеси на пластине. Во втором случае выбирают такой электролит, чтобы положительные ионы электролита и металла были одинаковыми.

Пример 1.7.

Выберем в качестве электролита медный купорос (водный рас твор соли CuSO4). В растворе молекулы соли распадаются на положи тельные ионы меди Cu++ и отрицательные ионы SO4- -. Поместим в электролит медную пластину. Тогда на пластине после нейтрализации будут осаждаться только атомы меди.

Окончание Примера 1.7.

При контакте с данным электролитом все металлы заряжаются отрицательно. Но значения отрицательных зарядов разных металлов отличаются. Поэтому в ГЭ для создания разности потенциалов между выводами принципиально важно использовать электроды из двух разных металлов.

На рис. 1.7, а схематично представлен ГЭ Даниеля. Внутренний объем ГЭ Даниеля разделен перегородкой на две части. В первом от секе находятся первый электрод из меди, погруженный в медный ку порос. Во втором отсеке располагается второй электрод из цинка Zn, погруженный в цинковый купорос (водный раствор соли ZnSO4).

В цинковом купоросе молекулы соли распадаются на положительные ионы Zn++ и отрицательные ионы SO4- -. Через перегородку могут проникать только отрицательные ионы SO4- -.

В состоянии равновесия разности потенциалов между электроли тами и электродами будут неодинаковыми:

01 02, 01 0 1, 02 0 2, (1.30) где 1 и 2 – потенциалы первого и второго электродов. Отрицатель ный заряд цинкового электрода по абсолютной величине будет боль ше отрицательного заряда медного электрода. Поэтому:

0 2 0 1 или 1 2 0. (1.31) Соответственно, первый электрод из меди обозначается знаком «+» и считается положительным (анодом), второй электрод из цинка обо значается знаком «» и считается отрицательным (катодом).

R   Zn, Zn, Cu, Cu, Перегородка Перегородка 1 1 Fхим Fпэл Fпэл Fхим Fпэл Fхим Fхим Fпэл 2 1 1 2 Fпэл Fпэл Fпэл Fпэл Fпэл 0 CuSO4 ZnSO CuSO4 ZnSO а б Рис. 1.7. Гальванический элемент Даниеля:

а – контакты разомкнуты, б – контакты замкнуты (черными кружками со знаком минус обозначены электроны, белыми кружками со знаками плюс и минус указаны ионы металлов и электролитов, индексы 1 и 2 – медь и цинк соответственно, 1 и 2 – потенциалы анода и катода, R – сопротивление проволоки) Поскольку внутри ГЭ действуют потенциальные электрические силы Fпэл и сторонние силы Fст, то ГЭ представляет собой неодно родный участок цепи. В состоянии равновесия, когда контакты ГЭ ра зомкнуты, электрический ток внутри ГЭ не протекает: сила тока I 0. Согласно закону Ома для участка цепи (1.22), напряжение ме жду разомкнутыми контактами ГЭ также равно нулю:

U12 1 2 E12 0. (1.32) Преобразуем (1.32) к следующему виду:

E12 (1 2 ) или E12 1 2. (1.33) Из (1.33) следует, что внутри ГЭ в состоянии равновесия силы Fпэл и Fст направлены в противоположные стороны, а работа всех сил A по перемещению заряженной частицы из одной точки в другую равна нулю: A Aпэл Aст 0. Поэтому:

модуль ЭДС гальванического элемента равен модулю разности по тенциалов между его разомкнутыми контактами.

Это утверждение и выражения (1.33) справедливы для всех ис точников ЭДС. На корпусах батарей и аккумуляторов указываются значения, выраженные в вольтах. Например: 1,5 В, 12 В. Эти значения можно понимать как модули номинальных значений ЭДС, так и как модули номинальных значений разности потенциалов между разомк нутыми контактами источника ЭДС.

Соединим контакты ГЭ с помощью металлической проволоки (см. рис. 1.7, б). Получим замкнутую цепь. Под действием потенци альных электрических сил Fпэл электроны начнут перемещаться в проволоке от катода к аноду. Во внешней цепи (в проволоке) возни кает электрический ток. Заряд цинкового катода по абсолютной вели чине начнет уменьшаться, а заряд медного анода по абсолютной ве личине будет увеличиваться. Следовательно, состояние равновесия внутри ГЭ нарушается: модуль химических сил Fхим вблизи электро дов не изменяется, модуль потенциальных электрических сил Fпэл вблизи катода уменьшается, а возле анода – увеличивается.

Под действием Fхим цинковый катод начнет растворяться. В цин ковый купорос перейдут дополнительные положительные ионы цин ка. На катоде останутся электроны, восстанавливающие его заряд.

Под действием Fпэл избыточный отрицательный заряд медного анода будет компенсироваться положительными ионами Cu++. На аноде ста нет осаждаться медь в виде нейтральных атомов. Анод начнет «рас ти» (увеличиваться в объеме). В медном купоросе останутся избыточ ные отрицательные ионы SO4- -. Дополнительные положительные ио ны Zn++ и избыточные отрицательные ионы SO4- - притягивают друг друга. Избыточные ионы SO4- - проникают через перегородку в отсек с катодом.

Таким образом, при замыкании контактов ГЭ поддерживается непрерывное перемещение зарядов по замкнутой цепи. Внутри ГЭ через электролит движутся положительные ионы металлов (Cu++ и Zn++) и отрицательные ионы SO4- -. Во внешней по отношению к ГЭ цепи перемещаются электроны. Электроны и ионы образуют общий постоянный электрический ток, протекающий в замкнутом контуре.

При протекании тока катод ГЭ растворяется, анод «растет», кон центрация медного купороса уменьшается, концентрация цинкового купороса увеличивается. После достижения насыщения раствора из цинкового купороса начнут выпадать кристаллы ZnSO4.

Чтобы поддерживать раствор в насыщенном состоянии, изна чально в медный купорос вводят достаточный запас кристаллов CuSO4, растворение которых восполняет убыть ионов в медном купо росе. Электрический ток в замкнутой цепи будет протекать в течение ограниченного промежутка времени, пока катод ГЭ полностью не растворится в электролите.

При протекании постоянного тока вблизи катода ГЭ баланс про тивоположно направленных сил нарушается в пользу сторонних сил:

Fст Fпэл. Соответственно, работа всех сил A по перемещению за ряда из одной точки в другую оказывается не равной нулю:

A Aпэл Aст 0. Будем считать, что Aст 0, Aпэл 0. Тогда из (1.19) следует, что напряжение U12 между контактами ГЭ, замкнутого на внешнюю цепь, будет больше нуля:

U12 1 2 E12 0. (1.34) Преобразуем (1.34) к виду:

E12 (1 2 ) или E12 1 2. (1.35) Из выражений (1.34) и (1.35) можно сделать следующие выводы.

Если в замкнутой цепи с одним гальваническим элементом про текает постоянный электрический ток, то модуль ЭДС элемента всегда больше модуля разности потенциалов между его замкнутыми контактами.

Если контакты гальванического элемента замкнуты на цепь и в цепи постоянный электрический ток не протекает, то, аналогично случаю разомкнутых контактов, модуль ЭДС элемента равен моду лю разности потенциалов между его замкнутыми электродами.

Выражения (1.34), (1.35) и соответствующие выводы справедли вы для всех химических источников ЭДС.

1.5. Измерения физических величин Измерение физической величины (ФВ) – совокупность операций по применению средства измерений для получения значения ФВ.

Измерить ФВ – значит экспериментально найти отношение раз мера данной ФВ к единице ее измерения (единичному размеру).

Единицу измерения ФВ воспроизводит и (или) хранит в течение определенного промежутка времени средство измерений (СИ).

Значение ФВ находят при отсчете показаний СИ и последующей об работке опытных данных.

Выделяют прямые и косвенные измерения ФВ.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение ФВ получают непосредственно из опытных данных. Прямое измере ние можно определить соотношением:

YX, (1.36) где Y – искомое значение ФВ, X – значение, полученное непосредст венно из опытных данных. К прямым измерениям относятся измере ния ФВ с помощью СИ, показания которых выражены в единицах из меряемой ФВ.

Косвенное измерение – определение искомого значения ФВ на основании результатов прямых измерений других физических вели чин, функционально связанных с искомой величиной. Косвенное из мерение можно определить соотношением:

Y f ( X 1, X 2,, X n ), (1.37) где X 1, X 2,, X n – значения ФВ, измеренных прямо, f – функцио нальная зависимость, связывающая искомое значение ФВ Y с X 1, X 2,, X n.

Пример 1.8.

Измерение длины бруска линейкой, измерение силы тока в цепи амперметром, измерение массы тела на весах являются прямыми из мерениями.

К косвенным измерениям относятся: 1) определение плотности тела m (ldh) прямоугольной формы по результатам прямых изме рений массы m, длины l, ширины d и высоты h, 2) нахождение плос кого угла l R по известным значениям длины дуги l и радиуса R окружности.

Окончание Примера 1.8.

В лабораторной работе для проведения измерений используются потенциометр Р306 и гальванометр. Р306 – вольтметр.

Любой вольтметр подсоединяют к участку цепи параллельно.

В установившемся режиме измерительная цепь вольтметра, подсое диненная к участку цепи, всегда является однородным участком цепи.

Поэтому с помощью вольтметра можно прямо измерить только раз ность потенциалов. Следовательно, название «потенциометр» более правильно отражает назначение вольтметра.

С помощью Р306 также можно измерить косвенно ЭДС, напря жение, силу тока и сопротивление.

Гальванометр – это высокочувствительный амперметр. С помо щью гальванометра можно прямо измерить малые значения силы тока (до 0,05 мА). Угловое отклонение от положения равновесия стрелки гальванометра связано с силой тока I соотношением:

SI I, (1.38) где S I – чувствительность гальванометра. Поскольку можно измерить только малые значения силы тока, то для получения заметного откло нения стрелки необходимо располагать большим значением S I, т. е.

высокой чувствительностью гальванометра.

1.6. Методы измерений. Меры Процесс измерения ФВ включает получение экспериментальных данных путем отсчета показаний СИ и последующую обработку зна чений, полученных из опыта.

Получение экспериментальных данных осуществляется посред ством метода измерений.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным прин ципом измерений.

Принцип измерений – физическое явление или эффект, положен ный в основу измерений.

Пример 1.9.

Принцип измерения силы тока по стрелочному амперметру – взаимодействие электромагнитных полей в подвижной и неподвиж ной частях измерительного механизма прибора.

Принцип измерений при взвешивании тел с помощью пружин ных весов – притяжение тел к Земле и возникновение упругой дефор мации пружины.

Окончание Примера 1.9.

Выделяют два основных метода измерений: метод непосредст венной оценки (метод прямого преобразования) и метод сравнения с мерой (метод сравнения).

Метод непосредственной оценки, или метод прямого преобразо вания, – метод измерений, при котором значение ФВ определяют не посредственно по отсчетному устройству СИ. Метод непосредствен ной оценки применяется при выполнении прямых измерений.

Метод сравнения с мерой, или метод сравнения, – метод измере ний, при котором размер измеряемой ФВ сравнивают с известным значением однородной ФВ.

Пример 1.10.

При измерении силы тока посредством стрелочного амперметра реализуется метод прямого преобразования, так как значение силы тока определяют непосредственно по отсчетному устройству ампер метра.

При взвешивании тел с помощью пружинных весов также реали зуется метод прямого преобразования, так как значение силы тока оп ределяют непосредственно по отсчетному устройству весов.

При взвешивании тел с помощью рычажных весов используется метод сравнения, так как масса тела на одной чашке весов сравнива ется с известной массой тел (массой гирь) на другой чашке весов.

Окончание Примера 1.10.

Отметим, что метод прямого преобразования в скрытом виде включает метод сравнения. Действительно, чтобы непосредственно определить значение ФВ, необходимо использовать отсчетное уст ройство СИ. Отсчетное устройство аналоговых приборов содержит циферблат со шкалой. Шкалу наносят путем сравнения известных значений ФВ с показаниями этого прибора, т. е. посредством метода сравнения.

Применение метода прямого преобразования позволяет сократить промежуток времени, затрачиваемый на измерение ФВ. Однако при одинаковых внешних условиях можно достичь более высокой точно сти измерений, если их выполнить с помощью метода сравнения.

Метод прямого преобразования получил более широкое распро странение на практике. Это связано с тем, что бывает важнее быстро получить значения ФВ при сравнительно низкой точности. Когда же требуется провести точные измерения ФВ, применяют метод сравнения.

Чтобы реализовать метод сравнения, необходимо располагать из вестным (заданным) значением ФВ. Заданные значения ФВ воспроиз водят различные меры.

Мера ФВ – СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения ФВ одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необхо димой точностью.

Различают следующие виды мер: однозначные меры и много значные меры, набор мер и магазин мер.

Однозначная мера – мера, воспроизводящая ФВ одного размера.

Многозначная мера – это мера, воспроизводящая ФВ разных размеров.

Набор мер – комплект мер разного размера одной и той же ФВ, предназначенных для измерений как в отдельности, так и в различных сочетаниях.

Магазин мер – это набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором предусмотрены приспособления для их соединения в различных комбинациях.

Пример 1.11.

Перечислим однозначные меры: гиря определенной массы, НЭ, высокоточный постоянный резистор (измерительная катушка сопро тивления Р321), высокоточный конденсатор постоянной емкости, вы сокоточная катушка постоянной индуктивности.

К многозначным мерам относятся линейка, штангенциркуль, микрометр, транспортир, высокоточный переменный резистор, высо коточный конденсатор переменной емкости, высокоточная катушка переменной индуктивности (вариометр).

Наборами мер являются набор гирь, набор концевых мер длины, наборы высокоточных резисторов, конденсаторов, катушек индук тивности.

Магазины мер – это магазины электрических сопротивлений, ем костей, индуктивностей.

Окончание Примера 1.11.

При измерении ФВ используют следующие методы сравнения:

нулевой, или компенсационный, метод, дифференциальный метод, метод замещения, метод дополнения и метод совпадения.

В данной лабораторной работе применяется нулевой метод.

Нулевой, или компенсационный, метод измерений – метод срав нения, в котором доводят до нуля результирующий эффект воздейст вия измеряемой ФВ и меры на прибор сравнения.

Пример 1.12.

Нулевой метод используется при измерении массы тела путем взвешивания на рычажных весах с набором гирь. На одну чашку ве сов помещают тело неизвестной массы, на другую – одну или не сколько гирь. Массу тела находят как сумму масс всех гирь на чашке, когда весы уравновешены: угловое отклонение стрелки весов от вер тикали равно нулю.

Окончание Примера 1.12.

1.7. Потенциометр постоянного тока 1.7.1. Устройство потенциометра постоянного тока Потенциометр Р306 – вольтметр сравнения, посредством которо го измеряют разность потенциалов компенсационным методом. Такие вольтметры называются также компенсаторами. Одно из важных достоинств потенциометров следующее. В момент компенсации по тенциометры не потребляют мощности от источника измеряемой ФВ.

Поэтому с их помощью возможно точное измерение ЭДС.

В качестве однозначной меры в компенсаторе применяется НЭ с величиной ЭДС ЕНЭ. НЭ обладает малой емкостью, т. е. быстро раз ряжается, так что длительное сравнение величины ЕНЭ с величинами неизвестных ЭДС или напряжения невозможно. Поэтому компенса тор дополняется вспомогательным источником большой емкости с ЭДС Е0.

Схема простейшего компенсатора представлена на рис. 1.8, а.

Она включает три замкнутые цепи: 1) цепь НЭ, 2) цепь измеряемых (неизвестных) ЭДС Ех или напряжения Ux, 3) компенсационная цепь.

Цепь НЭ включает НЭ, ключ К, гальванометр Г и образцовый ре зистор Rн.

Цепь измеряемых Ех или Ux имеет зажимы X, ключ К, гальвано метр Г и высокоточный переменный резистор R.

Компенсационная цепь содержит вспомогательный источник ЭДС Е0, регулировочный резистор R рег, резисторы Rн и R.

К зажимам X подключаются источник измеряемой Ех или участок цепи с источником ЭДС. Ключ К имеет три положения: «нэ», «ВЫКЛ» и «x». Ключ в положении «нэ» подсоединяет цепь НЭ к компенсационной цепи. Ключ в положении «x» соединяет цепь изме ряемых Ех или Ux к компенсационной цепи.

  ВЫКЛ ЕНЭ нэ x X 1 2 К Г R Rн R Е Rрег Iр Rрег Рис. 1.8. Схема цепи простейшего компенсатора Переменный резистор R имеет три вывода: два неподвижных и один подвижный. Независимо от положения подвижного контакта сопротивление между неподвижными контактами переменного рези стора остается неизменным и равным R.

Действительно, подвижный контакт разделяет переменный рези стор R на два последовательно соединенных резистора (см. рис. 1.9, а). Первый резистор ограничен левым неподвижным и подвижным контактами. Сопротивление первого резистора равно R.

Второй резистор ограничен подвижным и правым неподвижным кон тактами. Сопротивление второго резистора равно R R. Общее со противление двух резисторов равно: R R R R.

Переменные резисторы, подключенные в цепь аналогично рези стору R, называются потенциометрами.

Регулировочный резистор R рег также является переменным рези стором, подвижный контакт которого накоротко соединен с одним из двух неподвижных контактов (на рис. 1.8, а подвижный контакт нако ротко соединен с правым неподвижным контактом). При перемеще нии подвижного контакта сопротивление между неподвижными кон тактами регулировочного резистора изменяется от 0 до R рег.

  R R R R R R R а   Rрег Rрег Rрег Rрег Rрег Rрег б Рис. 1.9. Переменные резисторы: а – потенциометр, б – реостат Действительно, подвижный контакт разделяет регулировочный резистор на три соединенных резистора (см. рис. 1.9, б). Первый рези стор ограничен левым неподвижным и подвижным контактами.

Сопротивление первого резистора равно R рег. Второй резистор ог раничен подвижным и правым неподвижным контактами. Сопротив ление второго резистора равно R рег R рег. Третий резистор образо ван проволокой, соединяющей подвижный и правый неподвижный контакты. Сопротивление третьего резистора пренебрежимо мало.

Второй и третий резисторы соединены параллельно, полное со противление которых пренебрежимо мало. Со вторым и третьим ре зисторами последовательно соединен первый резистор. Общее сопро тивление трех резисторов равно R рег, 0 R рег R рег.

Переменные резисторы, подключенные в цепь аналогично рези стору R рег, называются реостатами.

1.7.2. Измерение ЭДС с помощью потенциометра Пусть к зажимам X цепи измеряемых Ех или Ux подключен ис точник с неизвестной ЭДС Ех (см. рис. 1.10, а). Посредством компен сатора можно прямо измерить только разность потенциалов между зажимами X:.

Косвенные измерения ЭДС с помощью компенсатора проводятся в два этапа.

Первый этап Цель первого этапа – выставить в компенсационной цепи такую силу рабочего тока Iр, чтобы на резисторе Rн получить модуль разно сти потенциалов, равный модулю ЭДС НЭ: 1 2 Енэ.

Для этого ключ К переводят в положение «нэ» и получают изме рительную цепь, схема которой показана на рис. 1.10, б. Цепь содер жит два узла (жирные точки с потенциалами 1 и 2 ) и три ветви.

Первая ветвь включает НЭ и гальванометр Г. Вторая ветвь – резистор Rн. Третья ветвь – источник ЭДС Е0, резисторы R рег и R. Первая и третья ветви – неоднородные участки цепи, вторая ветвь – однород ный участок цепи.

I Напряжение U12 на концах первой ветви:

U12 1 2 Eнэ.

I (1.39) II Напряжение U12 на концах второй ветви:

U12 1 2.

II (1.40) III Напряжение U12 на концах третьей ветви:

U12 1 2 E0.

III (1.41)   Енэ Ех + 1 Г Г R Rн 1 2   Ех R Rрег Iр R Rн Е0 Е Iр Rрег К зажимам X потенциометра а б в Рис. 1.10. Схемы цепей: а – подключения источника ЭДС, б и в – первого и второго этапа измерений ЭДС соответственно Путем изменения сопротивления резистора R рег добиваются нулевого показания Г, чтобы ток в первой ветви не протекал: сила то ка I 0. Согласно закону Ома для участка цепи (1.22), напряжение I U12 также равно нулю. Тогда из (1.39) следует, что:

1 2 Eнэ 0 или 1 2 Енэ. (1.42) Применение закона Ома (1.22) для второй ветви дает:

1 2 I р Rн. (1.43) Из (1.42) и (1.43) следует, что модуль ЭДС НЭ равен модулю произведения силы рабочего тока Iр и сопротивления Rн образцового резистора:

Eнэ I р Rн. (1.44) Вторая и третья ветви образуют замкнутую компенсационную цепь. Сила рабочего тока Iр определяется из закона Ома для замкну той цепи (1.23):

Е Iр. (1.45) R рег Rн R Второй этап Цель второго этапа – измерить модуль разности потенциалов, равный модулю неизвестной ЭДС Ех.

Для этого ключ К переводят в положение «x» и получают изме рительную цепь, схема которой показана на рис. 1.10, в. Положения ключа К не влияют на значение силы тока Iр. Iр остается постоянной, так как неизменны значения ЭДС Е0 и сопротивлений резисторов R рег, Rн и R, входящих в выражение (1.45).

Измерительная цепь содержит два узла и три ветви. Один узел неподвижный (жирная точка с потенциалом 2 ), второй узел подвиж ный (точка с потенциалом 3 – точка соединения подвижного контак та с переменным резистором R). Первая ветвь включает источник из меряемой ЭДС Ех и гальванометр Г. Вторая ветвь – часть переменного резистора R с сопротивлением R. Третья ветвь – источник ЭДС Е0, резисторы Rн, R рег и часть переменного резистора R с сопротивлени ем R R. Первая и третья ветви – неоднородные участки цепи, вто рая ветвь – однородный участок цепи.

I Напряжение U 23 на концах первой ветви:

U 23 2 3 E x, 2, 3.

I (1.46) II Напряжение U 23 на концах второй ветви:

U 23 2 3.

II (1.47) III Напряжение U 23 на концах третьей ветви:

U 23 3 3 E0.

III (1.48) Путем изменения величины сопротивления R резистора R вновь добиваются нулевого показания Г, чтобы ток в первой ветви не про текал: сила тока I 0. Согласно закону Ома для участка цепи (1.22), I напряжение U 23 также равно нулю. Тогда из (1.46) следует, что:

2 3 E x. (1.49) Применение закона Ома (1.22) для второй ветви дает:

2 3 I р R. (1.50) Из (1.49) и (1.50) следует, что модуль неизвестной ЭДС Ех равен модулю произведения силы рабочего тока Iр и сопротивления R на части переменного резистора R:

E x I р R. (1.51) Делитель напряжения Если значение измеряемой Ех больше верхнего предела измере ния потенциометра I р R, т. е. E x I р R, то источник с неизвестной ЭДС Ех подсоединяется к зажимам X потенциометра через резистив ный делитель напряжения.

Резистивный делитель напряжения – четырехполюсник, вклю чающий два последовательно соединенных постоянных резистора R и R2 (см. рис. 1.11, а).

Ех R   R R Ix U1 U R К зажимам X потенциометра а б Рис. 1.11. Схемы цепей: а – резистивного делителя напряжения, б – подключения источника ЭДС через делитель напряжения Согласно закону Ома для участка цепи (1.22), сила тока U Ix, (1.52) R1 R где U1 – напряжение (разность потенциалов) на входе. Напряжение (разность потенциалов) на выходе R U 2 I x R2 U1. (1.53) R1 R Таким образом, если R1R2, то R U 2 U1. (1.54) R В лабораторной работе измеряется ЭДС батареи с известным но минальным значением ЭДС Eн 1,5 В. Верхний предел измерения потенциометра Р306 составляет 20,111 мВ (см. Приложение Г).

Поэтому для измерения ЭДС батареи Ех применяется делитель на пряжения с R1 = 10 кОм и R2 = 100 Ом, так что входная разность по тенциалов уменьшается в 100 раз.

Схема подключения источника с ЭДС Ех к зажимам X потенцио метра через делитель напряжения представлена на рис. 1.11, б. В этом случае на втором этапе измерений при достижении компенсации (ну левого показания гальванометра) величина Ех равна:


E x 100 I р R. (1.55) 1.7.3. Измерение силы тока и сопротивления с помощью потенциометра Схема измерения силы тока с помощью потенциометра представ лена на рис. 1.12, а, где значение сопротивления постоянного рези стора R1 известно. На втором этапе измерений при компенсации на ходят разность потенциалов между зажимами X по формуле (1.50).

Согласно закону Ома для участка цепи (1.22), сила измеряемого тока Ix равна:

I р R Ix. (1.56) R Схема измерения неизвестного сопротивления резистора Rx с помощью потенциометра представлена на рис. 1.12, б. Резистор Rx последовательно соединен с резистором R1, сопротивление которого известно.

  Ех Ех Ix Ix R1 R2 R1 Rx a b c К зажимам X потенциометра К зажимам X потенциометра а б Рис. 1.12. Схема измерений: а – силы тока, б – сопротивления К зажимам X потенциометра сначала подсоединяют зажимы a и b резистора R1. При компенсации измеряют разность потенциалов меж ду зажимами a и b, равную:

a b I р R1. (1.57) Затем к зажимам X потенциометра подсоединяют зажимы b и c резистора Rx. При компенсации измеряют разность потенциалов меж ду зажимами b и c. Она равна:

b c I р R2. (1.58) Поскольку резисторы R1 и Rx соединены последовательно, то сила тока Ix, протекающего через резисторы при компенсации, одинаковая.

Сила тока Ix равна (см. (1.56)):

b I р R Ix a. (1.59) R1 R Согласно закону Ома для участка цепи (1.22), сопротивление ре зистора Rx равно:

c Rx b. (1.60) Ix С учетом (1.58) и (1.59) получим:

b c R Rx R1 R1 2. (1.61) a b R 1.8. Порядок выполнения работы В качестве вспомогательного источника ЭДС в лабораторной ра боте используется источник постоянного тока Б5-47, величина вы ходного напряжения которого может быть установлена в пределах 3,6 4,6 В при выходной силе тока не больше 10 мА.

Источник неизвестной ЭДС Ex – батарея с известным номиналь ным значением ЭДС Eн 1,5 В. Поскольку верхний предел измерения Р306 составляет 20,111 мВ, батарея подсоединяется к потенциометру через резистивный делитель напряжения. Делитель напряжения уменьшает входную разность потенциалов в 100 раз.

Для проведения измерений используется рабочий стенд. Внутри стенда помещены делитель напряжения, исследуемые батарея и рези стор Rx, цепи коммутации. На внешней панели стенда находятся пере ключатели цепей измерения, соответствующие клеммы для подклю чения образцового 4-зажимного резистора RN (измерительная катушка сопротивления Р321) и для соединения с зажимами X1 и X2 потен циометра.

1. Ознакомиться с устройством и работой потенциометра Р (см. Приложение Г).

2. Провести подготовку Р306 к измерениям (см. Приложение Г).

3. В отчете изобразить таблицу 1.1. Размер каждого столбца взять равным 3 см, размер каждой строки – 1-1,5 см.

Таблица 1. Измерение значения модуля ЭДС Ех x, мВ Ех, В 4. В отчете изобразить таблицу 1.2. Размеры столбцов и строк взять равными соответствующим размерам таблицы 1.1.

Таблица 1. Измерение значения силы тока Ix x, мВ RN, Ом Ix, мА 5. В отчете изобразить таблицу 1.3. с теми же размерами столбцов и строк.

Таблица 1. Измерение значения сопротивления Rx N, мВ x, мВ RN, Ом Rx, Ом 6. Собрать измерительную цепь в соответствии с рис. 1.13: перевес ти переключатели стенда в положения «Ux».

  Г Енэ Е x X1 X2 Г НЭ Б Р Рис. 1.13. Схема измерения значения модуля ЭДС Ех 7. Измерить значение модуля ЭДС Ех.

Перевести ручку 11 переключателя режимов работы потенцио метра Р306 в положение «X1/150 к». Повернуть ручки переключате лей I-V и добиться наименьшего отклонения указателя гальванометра при отжатых кнопках «2700 » и «0», при нажатой кнопке «2700 », при нажатых кнопках «2700 » и «0». Перевести ручку 11 в положе ние «ВЫКЛ». Цифры, выставленные на переключателях I-V, состав ляют значение разности потенциалов x.

Записать измеренное значение x в таблицу 1.1. С учетом дели теля напряжения определить значение модуля ЭДС:

E x 100 x. (1.62) Записать измеренное значение модуля Еx в таблицу 1.1.

8. Собрать измерительную цепь в соответствии с рис. 1.14: перевес ти переключатели стенда в положения «Ix» и «Ix, Rx».

  x Г Енэ Е Ix RN x X1 X2 Г НЭ Б Р Рис. 1.14. Схема измерения значения силы тока Ix 9. Измерить значение силы тока Ix.

Аналогично пункту 7 измерить значение разности потенциалов x. Записать измеренное значение x в таблицу 1.2.

Найти значение сопротивления образцового резистора RN по маркировке на его корпусе. Записать значение RN в таблицу 1.2. и таблицу 1.3.

Рассчитать значение силы тока Ix:

x Ix. (1.63) RN Записать измеренное значение Ix в таблицу 1.2.

10. Собрать измерительную цепь в соответствии с рис. 1.15: перевес ти переключатели стенда в положения «Rx» и «Ix, Rx».

  Г Енэ Е Ix RN Rx N x X1 X2 Г НЭ Б Р Рис. 1.15. Схема измерения значения сопротивления Rx 11. Измерить значение сопротивления Rx.

Аналогично пункту 7 измерить значение разности потенциалов N. Записать измеренное значение N в таблицу 1.3.

Перевести ручку 11 переключателя режимов работы в положение «X2/150 к». Аналогично пункту 7 измерить значение разности по тенциалов x. Записать измеренное значение x в таблицу 1.3.

Рассчитать значение сопротивления Rx:

x Rx RN. (1.64) N Записать измеренное значение Rx в таблицу 1.3.

12. По заданию преподавателя рассчитать погрешность измерения силы тока Ix (см. Пример 1.13).

13. Подготовить отчет по лабораторной работе в электронном виде согласно форме:

1) Титульный лист.

2) Название работы.

3) Цель работы.

4) Используемое оборудование.

5) План измерений (пункты 3-12) с экспериментальными дан ными и рассчитанными значениями величин.

6) Схема компенсатора (рис. 1.8), схемы цепей подключения источника ЭДС, первого и второго этапа измерений ЭДС (рис. 1.10), схема резистивного делителя напряжения (рис. 1.11, а), измеритель ные цепи (рис. 1.13, рис. 1.14 и рис. 1.15).

Отчет распечатать на листах формата А4.

Пример 1. С помощью потенциометра Р306 и образцового резистора RN проведено однократное косвенное измерение силы тока Ix. Результат прямого однократного измерения разности потенциалов составляет x 1,54 мВ.

Рассчитать погрешность измерения силы тока Ix при следующих исходных данных. Класс точности потенциометра Р306 0,05 %, класс точности образцового резистора RN R N 0,03 %. Верхний пре дел измерения потенциометра Р306 составляет max 20,111 мВ.

Номинальное значение сопротивления резистора RN 5 Ом.

1. Значение силы тока Ix (см. выражение (1.63)) x 1, Ix 0,308 мА. (1.65) RN Функция I x I x x, RN является функцией двух переменных (аргу ментов). Частные производные I x I x 2x.

, (1.66) x RN RN RN 2. При однократном измерении силы тока случайные погрешности считаются пренебрежимо малыми. Поэтому границы основных по грешностей потенциометра Р306 и образцового резистора RN, опреде ляемые классами точности, являются границами неисключенных сис тематических погрешностей (НСП).

2.1. Без учета знака границы НСП потенциометра Р306:

Р306 0,01 Р306 max 0,01 0,05 20,111 0,0100555 мВ. (1.67) 2.2. Без учета знака границы НСП резистора RN:

R N 0,01 R N RN 0,01 0,03 5 0,0015 Ом. (1.68) 2.3. Так как число аргументов функции Ix m 2 4, без учета знака границы НСП косвенных измерений значения силы тока Ix:

I x I x I x Р306 R. (1.69) x RN N С учетом (1.66) границы I x равны:

Р306 x I x 2 RN 0,0021035 мА. (1.70) RN RN 3. Поскольку случайные погрешности пренебрежимо малы, грани цы погрешности результата косвенных измерений значения силы тока Ix:

I x 0,0021035 0,0021 мА. (1.71) Значение выражают числом, содержащим не более двух значащих цифр.

4. Результат однократного косвенного измерения значения силы тока Ix:

0,3080 0,0021мА. (1.72) Значение силы тока Ix должно оканчиваться цифрой того же разряда, что и значение.

Окончание Примера 1.13.

1.9. Контрольные вопросы 1. Дать определения для электрического тока, тока проводимости и конвекционного тока. Перечислить носители заряда в проводниках, полупроводниках и диэлектриках. Дать определения для направления тока, величины силы тока.

2. Дать определения для потенциальных и непотенциальных сил.

Привести примеры таких сил.

3. Дать определения для потенциальных и непотенциальных элек трических сил, сторонних сил. Привести примеры таких сил.

4. Сформулировать и пояснить условия протекания постоянного электрического тока.

5. Дать определения для разности потенциалов, ЭДС и напряжения.

Сформулировать законы Ома для участка цепи и замкнутой цепи.

6. Дать определения для однородного и неоднородного участков цепей, узла и ветви цепи. Чему равны напряжения на концах одно родного и неоднородного участков цепи? Как различать однородный и неоднородный участки цепи?

7. Перечислить источники ЭДС. Указать виды сторонних сил, ис пользуемых в различных источниках ЭДС.

8. Дать определение для ГЭ. В каких случаях значение модуля его ЭДС равно или больше соответствующего значения модуля разности потенциалов между контактами ГЭ?

9. Дать определения для измерения ФВ, прямых и косвенных изме рений ФВ. Какие ФВ можно измерить с помощью вольтметра и галь ванометра?

10. Дать определение для метода измерений. Перечислить основные методы измерения, дать их определения.

11. Перечислить виды мер, дать их определения. Перечислить виды метода сравнения, дать определение нулевого метода.

12. Пояснить устройство потенциометра постоянного тока.

13. Как проводятся измерения ЭДС, силы тока и сопротивления ре зистора с помощью потенциометра? Каковы назначение и примене ние резистивного делителя напряжения?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОГРАФА МЕТОДОМ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 2.1. Цель работы 1. Ознакомиться с видами сигналов и параметрами сигналов.

2. Изучить устройство электроннолучевого осциллографа.

3. Изучить осциллографические развертки.

4. Изучить устройство и применение двухканального электрон нолучевого осциллографа С1-77.

5. Провести измерения размаха, амплитуды, периода и частоты периодических сигналов с помощью осциллографа С1-77.

2.2. Оборудование Осциллограф С1-77, генератор Г6-37.

2.3. Назначение осциллографа. Параметры сигналов Наиболее распространенными и универсальными приборами для исследования сигналов являются осциллографы.

Осциллографы – приборы, предназначенные для:

1. визуального наблюдения электрических сигналов в виде напря жения (разности потенциалов), 2. измерения и записи параметров сигналов с использованием сред ства отображения формы сигнала.

Название «осциллограф» является сложным словом, состоящим из двух слов: латинского слова «осциллум» (колебание) и греческого слова «графо» (пишу). Поэтому «осциллограф» буквально означает «пишу колебание». За рубежом вместо названия «осциллограф» ис пользуется другой термин – «осциллоскоп» («oscilloscope»). Грече ское слово «скопео» переводится как «вижу, наблюдаю». Соответст венно, «осциллоскоп» буквально означает «вижу или наблюдаю коле бание». Поскольку все современные осциллографы снабжены запо минающими устройствами, название «осциллограф» точнее отражает назначение прибора.

В лабораторной работе измеряются следующие параметры сигна лов: размах, амплитуда, период и частота переменного напряжения.

Размах U m – модуль разности между максимальным U max и ми нимальным U min значениями напряжения:

U m U max U min. (2.1) Амплитуда U 0 – максимальное отклонение от положения равно весия или среднего положения. Для симметричного сигнала U U0 m. (2.2) Период Т – промежуток времени, за который совершатся одно полное колебание.

Частота f – количество колебаний, совершающихся за единичный промежуток времени. Частота и период связаны соотношением:

f. (2.3) T Пример 2.1.

В лабораторной работе исследуются четыре периодических на пряжения: три симметричных сигнала и один несимметричный сиг нал. Симметричные сигналы – гармонический сигнал, треугольный сигнал и меандр. Несимметричный сигнал – пилообразно импульсный сигнал. Указанные сигналы воспроизводит генератор Г6-37.

Гармонический сигнал – напряжение, значение которого изменя ется во времени по закону синуса или косинуса. Функции sin(x) и cos(x) при данном значении аргумента x отличаются только сдвигом фаз на 2. Если выбрать закон синуса (см. рис. 2.1, а), то гармониче ский сигнал можно выразить посредством зависимости – синусоиды:

U t U 0 sin(t 0 ), (2.4) где – циклическая или круговая частота, 0 – начальная фаза.

T Треугольный сигнал – напряжение, значение которого в течение одного полупериода линейно возрастает, в течение второго – линейно убывает (см. рис. 2.1, б).

Меандр – напряжение прямоугольной формы с симметричными полупериодами (см. рис. 2.1, в).

U U T T U U t t -U -U а б U U T T U0 U t T/2 T/ -U0 t в г Рис. 2.1. Сигналы: а – гармонический сигнал (синусоида при 0 = 0), б – треугольный сигнал, в – меандр, г – пилообразно-импульсный сигнал (U0 и T – амплитуда и период сигналов) Пилообразно-импульсный сигнал – импульсы пилообразного на пряжения длительностью полпериода, которые следуют с интервалом, равным полупериоду (см. рис. 2.1, г). Размах пилообразно импульсного сигнала U m равен амплитуде U 0 : U m U 0.

Окончание Примера 2.1.

2.4. Устройство электроннолучевого осциллографа По принципу действия осциллографы подразделяются на элек тромеханические (светолучевые) и электронные осциллографы. Для проведения электрорадиоизмерений используются исключительно электронные осциллографы, средствами отображения формы сигнала которых являются электроннолучевая трубка (ЭЛТ) или жидкокри сталлический дисплей. Если осциллографы снабжены ЭЛТ, то такие осциллографы называются электроннолучевыми.

Выделяют следующие виды электронных осциллографов: С1 – универсальные осциллографы, С7 – осциллографы скоростные и стробоскопические, С8 – запоминающие осциллографы, С9 – специ альные осциллографы.

В обобщенную структурную схему электроннолучевого осцилло графа входят (рис. 2.2):

1) ЭЛТ со схемой управления лучом, 2) канал вертикального отклонения (канал Y), 3) канал горизонтального отклонения (канал X), 4) канал управления яркостью (канал Z), 5) калибраторы амплитуды и длительности.

2.4.1. Электроннолучевая трубка. Схема управления лучом ЭЛТ предназначена для визуального наблюдения формы иссле дуемых сигналов в виде напряжения (разности потенциалов) и прове дения измерения параметров сигналов.

ЭЛТ представляет собой стеклянную вакуумную колбу, внутри которой вырабатываются один или несколько пучков электронов (лу чей). Вакуум создают для того, чтобы движущиеся электроны не рас сеивались на частичках вещества.

Различают однолучевые и многолучевые ЭЛТ в зависимости от количества лучей, вырабатываемых внутри ЭЛТ. Соответственно, вы деляют однолучевые и многолучевые осциллографы.

  Канал вертикального отклонения (канал Y) Схема управления Вход Y ЭЛТ ВУ УВО лучом Канал горизонтального отклонения (канал X) Устройство Переключатель Вход X ГР УГО синхронизации и входа запуска развертки Калибраторы Канал управления яркостью Вход Z амплитуды и (канал Z) длительности Рис. 2.2. Обобщенная структурная схема электроннолучевого осциллографа Рассмотрим более подробно действие ЭЛТ. ЭЛТ преобразует ис следуемое напряжение в перемещение электронного луча. Для этого внутри ЭЛТ располагается источник электронного луча и осуществ ляется управление перемещением луча. Формирование электронного луча и управление его перемещением производится внутри ЭЛТ с по мощью электрического или магнитного полей.

Источником электронов в ЭЛТ являются холодные или горячие (накаленные) катоды. Накаленные катоды подразделяются на катоды прямого и косвенного накала.

Катоды прямого, или непосредственного, накала – это металли ческие нити или ленты, которые нагреваются непосредственно проте кающим через них электрическим током.

Катоды косвенного накала, или подогревные катоды, – это ме таллические цилиндры из никеля, внутри которых находится нагрева тель – нить накала, выполненная в виде спирали из тонкой вольфра мовой проволоки. Пространство между никелевым цилиндром и на гревателем заполняется алундом (окисью алюминия) или фарфором.

В основном в осциллографах используются ЭЛТ с подогревным катодом и электростатическим управлением. Устройство однолучевой ЭЛТ с электростатическим управлением представлено на рис. 2.3.

  Пластины вертикального Анод предварительного Ускоряющий анод отклонения ускорения Первый анод Модулятор Третий анод Катод Аквадаг Экран Пластины горизонтального отклонения Нагреватель Второй анод Аквадаг Третий анод Рис. 2.3. Устройство однолучевой ЭЛТ с электростатическим управлением ЭЛТ состоит из трех основных элементов: электронной пушки, отклоняющей системы и экрана.

Электронная пушка, или электронный прожектор (ЭП), – уст ройство, предназначенное для создания электронного луча.

Отклоняющая система – устройство, предназначенное для от клонения электронного луча от оси ЭЛТ.

Экран – устройство, предназначенное для визуальной индикации положения электронного луча.

В многолучевой ЭЛТ имеется несколько ЭП со «своими» откло няющими системами, а экран является общим.

Электронная пушка ЭП включает катод, управляющий электрод или модулятор и два анода, первый и второй. Управляющий электрод по аналогии с элек тронными лампами также называется сеткой.

Электронный луч образуется внутри ЭЛТ следующим образом.

Вещество металлического катода содержит свободные электро ны. Свободные электроны не связаны с отдельными атомами, а «при надлежат» всему проводнику в целом.

Внутри проводника свободные электроны находятся в непре рывном тепловом хаотическом движении. При протекании электри ческого тока через проводник на тепловое движение накладывается упорядоченное движение электронов. Однако в обычных темпера турных условиях окружающей среды свободные электроны переме щаются внутри объема металлических проводников и не «вылетают»

из них. Металлы «хранят» внутри себя свободные электроны и «не теряют» их.

Причина того, что свободные электроны находятся внутри веще ства, состоит в следующем. В поверхностном слое проводника суще ствует электрическое поле, которое действует на свободные электро ны с силой, направленной внутрь вещества перпендикулярно к по верхности. Тем самым, между внутренними и внешними частями ме талла создается поверхностная разность потенциалов п. Значение п зависит от природы металла.

Для того чтобы свободный электрон мог покинуть объем провод ника, необходимо, чтобы над электроном была совершена работа вы хода Aвых e п, где e – заряд электрона. Если кинетическая энергия свободного электрона Eк больше работы выхода:

Eк Aвых, (2.5) то он способен выйти на поверхность металла. Если она меньше:

Eк Aвых, то электрон не сможет покинуть проводник.

При комнатных температурах условие (2.5) выполняется только для малого числа свободных электронов металла. Поэтому в таких условиях «испарение» свободных электронов с поверхности металла практически не проявляется.

Ситуация резко меняется, если металлический проводник нака лить – нагреть до температуры 1500–2000 С. В этом случае кинети ческая энергия свободных электронов возрастает до необходимого значения (2.5), и «испарение» электронов можно сравнительно легко обнаружить на практике. Явление, при котором происходит испуска ние свободных электронов накаленными телами, называется термо электронной эмиссией.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.