Контрольные вопросы

1. Какие поля называются электростатическими? В чем состоит их основное свойство?

2. Что такое напряженность электрического поля? В каких единицах измеряется напряженность в СИ?

3. Дайте определение потенциала данной точки поля и разности потенциалов двух точек поля. Каковы их единицы измерения?

4. По каким формулам вычисляются модуль напряженности и потенциал поля точечного заряда?

5. Какова связь между напряженностью и потенциалом?

6. Дайте понятие силовой линии электростатического поля и эквипотенциальной поверхности. Каково взаимное расположение силовых линий и эквипотенциальных поверхностей?

7. Чему равна работа электрического поля при перемещении заряда по эквипотенциальной поверхности?

8. Опишите, что происходит, когда в электростатическое поле помещается проводящее тело. Как распределяются наведенные заряды на проводнике сложной формы?

9. Как осуществляется моделирование электростатического поля в данной работе? Как находятся точки, принадлежащие эквипотенциальным линиям моделируемого поля?

Лабораторная работа № 2 Шунты и дополнительные сопротивления

Цель работы: расчет шунта и дополнительного сопротивления к электроизмерительным приборам, проверка правильности их показаний.

Приборы и принадлежности: миллиамперметр Д533 на 50 мА, миллиамперметр на 200 мА, вольтметр М109/1 на 0,3 В, вольтметр М45 на 3 В, магазин сопротивлений, выпрямитель УНИП-7А, реостат на 1000 Ом, соединительные провода.

Литература: [1], § 2.1-2.2, 2.4; [4], § 77; [5], § 31-34; [6], § 51; [7], § 96, 98, 100.

Введение

В практике электрических измерений нередко возникает ситуация, когда имеющийся в наличии прибор не позволяет определить силу тока или напряжение на участке цепи, поскольку верхний его предел меньше соответствующих параметров в исследуемой цепи. Расширить пределы измерений электрических приборов позволяет прием, основанный на использовании шунтов и дополнительных сопротивлений. Более того, при использовании этого приема один и тот же электроизмерительный прибор может быть использован в качестве, как амперметра, так и вольтметра с требуемой ценой деления.

Легко показать, что для расширения пределов измерения амперметра в n раз, к нему следует подключить параллельно шунт, сопротивление которого вычисляется по формуле

(1)

где R₀ - собственное сопротивление прибора.

Аналогично для того, чтобы в n раз увеличить предел измерения (и цену деления) вольтметра к нему следует подключить последовательно резистор, сопротивление которого вычисляется по формуле

(2)

Измерения и обработка результатов

Упражнение 1. Обоснование метода расширения пределов измерения электроизмерительных приборов с помощью шунтов и дополнительных сопротивлений.

На рис. 1 приведена схема цепи, в которой измерение силы тока производится амперметром с шунтом. Пусть гдеn – произвольное число, большее единицы. Покажите, что в таком случае I = n·I_A.

Рис. 1 Рис. 2

На рис. 2 приведена схема цепи, в которой измерение напряжения U на резисторе производится вольтметром с дополнительным сопротивлением. Пусть отсчет по прибору равен U_o, и Докажите, чтоU = n·U₀

Упражнение 2. Расчет шунта к миллиамперметру и проверка правильности показаний прибора.

В данном упражнении используется миллиамперметр с пределом измерения 50 мА. На шкале прибора указано его внутреннее сопротивление.

Определите цену деления шкалы миллиамперметра. Рассчитайте сопротивление шунта R_ш, при котором цена деления и соответственно предел измерения миллиамперметра увеличатся в 2 – 4 раза (по заданию преподавателя).

В качестве шунта используйте магазин сопротивлений. Наберите на нем сопротивление, равное R_ш, и подключите к миллиамперметру. Примите во внимание, что Вы получили прибор для измерения силы тока, цена деления которого X увеличена в n раз. Вычислите цену деления прибора с шунтом (в мА/дел.).

Измерьте с помощью данного прибора силу тока в цепи, схема которой приведена на рис. 3. В качестве источника постоянного тока используйте выпрямитель, установив на нем режим регулируемого напряжения в пределах от 10 до 20 В. Нагрузочным сопротивлением в цепи является реостат на 1000 Ом. Второй миллиамперметр играет роль контрольного прибора.

Рис. 3

Включите выпрямитель и с помощью реостата установите по контрольному прибору силу тока I_к в цепи 100 – 150 мА. Запишите значение I_к и приборную погрешность . Затем снимите показания (I) прибора с шунтом (с учетом его новой цены деления!). Сравните результаты измерений.

Результаты вычислений и измерений занесите в табл. 1:

Таблица 1

X0, мА/дел.	n	Ro	Rш	Х, мА/дел.	I	Iк±ΔI

Упражнение 3. Расчет дополнительного сопротивления к вольтметру.

В данном упражнении используется вольтметр М109/1 с пределом измерения 0,3 В. Определите с помощью авометра его внутреннее сопротивление R_o и вычислите цену деления шкалы прибора X₀. По формуле (2) рассчитайте величину дополнительного сопротивления, увеличивающего цену деления вольтметра в 5 – 10 раз (по заданию преподавателя). Наберите на магазине сопротивлений сопротивление, равное , и подключите магазин последовательно к прибору. Определите ожидаемую цену деления X построенного таким образом вольтметра в В/дел.

Для проверки достоверности результатов измерений с помощью данного вольтметра соберите цепь по схеме, приведенной на рис. 4. Здесь вольтметр V2 (типа М45) играет роль контрольного прибора. Выпрямитель установите в режим регулируемого напряжения в пределах от 0 до 10 В.

Рис. 4

Перемещая ползунок реостата, найдите такое его положение, при котором отклонение стрелки исследуемого вольтметра будет составлять более половины его шкалы. Запишите показания U_к контрольного вольтметра с учетом приборной погрешности Затем снимите показания исследуемого прибора (принимая во внимание его новую цену деления!). Сравните результаты измерений.

Таблица 1

X0, В/дел.	n	Ro	Rд	X, В/дел.	U	Uк±ΔU