Принцип работы баллистического гальванометра

В электротехнике существуют различные измерительные приборы, которые можно использовать для измерения тока, напряжения и сопротивления. Это амперметр, вольтметр и омметр соответственно. В некоторых случаях, когда необходимо обнаружить и измерить очень малые электрические токи, напряжения и количества электричества, используется гальванометр, обладающий высокой чувствительностью. Он также указывает на отсутствие напряжения или тока в цепях с различными электрическими параметрами.

Общее устройство и принцип работы

Простейший гальванометр, разработанный в начале 19 века, имеет магнитную стрелку, подвешенную на тонкой нити и помещенную внутри неподвижной катушки проволоки. Когда электрический ток достигает катушки, стрелка начинает отклоняться от своего первоначального положения. Если тока нет, стрелка будет находиться в том же положении, что и меридиан данного места. Другими словами, он указывает на ноль.

Многие гальванометры являются магнитоэлектрическими приборами. Конструкция стандартного прибора включает постоянный магнит, катушку, установленную между магнитными полюсами, световой указатель, соединенный с катушкой и образующий с ней единую ось вращения. При отсутствии электрического тока в катушке стрелка фиксируется пружиной в нулевом положении.

Практически каждый гальванометр имеет один и тот же принцип работы.

  • Когда через катушку проходит электрический ток, вокруг нее создается магнитное поле. Это взаимодействует с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом.
  • В результате возникает сила, которая заставляет катушку вращаться или поворачиваться.
  • Когда катушка преодолевает сопротивление пружины, она стремится переместиться между полюсами постоянного магнита.
  • Когда катушка перемещается, перемещается и указатель.
  • Расстояние, на которое они переместились, пропорционально силе тока, протекающего через катушку.

Все перемещения указателя отображаются на шкале, откалиброванной в соответствующих единицах. Помимо единиц электрического тока, на нем могут быть обозначены и другие величины, например, милливольты. Часто шкала гальванометра размечается весьма условно.

Характеристики и особенности конструкции

Устройства, используемые в цепях постоянного тока, могут быть переносными. Они имеют подвижную раму, установленную на подрамниках, встроенную шкалу и указатель стрелочного или светового типа.

Стационарный гальванометр устанавливается на спиртовой уровень. К раме прикреплено небольшое зеркало. Эти манометры оснащены съемной шкалой для большей чувствительности и световым индикатором. Угловое перемещение рамки контролируется положением светового луча, отраженного от зеркала, который отклоняется на шкале. Такие рамочные устройства используются в качестве нулевых индикаторов. Они используются для измерения малых токов и напряжений в лабораторных условиях.

Практически каждый гальванометр оснащен магнитными шунтами. Их положение регулируется с помощью ручки, выведенной наружу. Таким образом, регулируется магнитная индукция в рабочем зазоре. Эта корректировка позволяет измеренным значениям отличаться не менее чем в три раза, как того требуют стандарты. В маркировке прибора и технической документации эти значения приводятся для обоих крайних положений шунта — при полном входе и при полном выходе. Схема гальванометра содержит корректор, который смещает стрелку от нуля в ту или иную сторону.

Многие устройства оснащены специальными средствами безопасности. Они включают в себя упор, который фиксирует подвижную часть на подвесе при перемещении устройства. Высокочувствительные гальванометры требуют защиты от помех. Стационарные устройства требуют фундамента для предотвращения механических помех. Для предотвращения утечки тока используется электростатическое экранирование.

Баллистический гальванометр следует рассматривать отдельно. Это устройство позволяет измерять количество электрической энергии, передаваемой короткими импульсами тока за доли секунды. Для получения точных данных необходимо увеличить момент инерции подвижной части путем установки специального диска.

Виды гальванометров

Несмотря на принцип действия, эти измерительные устройства отличаются по своей конструкции. Например, магнитоэлектрический гальванометр снимает показания с помощью специальной электропроводящей рамки, закрепленной на оси и помещенной в поле действия постоянного магнита.

Он удерживается в нулевом положении специальной пружиной. Когда через ободок проходит ток, ободок отклоняется на определенный угол. На угол влияет не только сила тока, но и жесткость пружины и индукция магнитного поля. Будучи очень чувствительными, эти приборы дают наиболее точные результаты.

Существует несколько других типов транспортиров:

  • Электромагнитный. Отличаясь простой конструкцией, они состоят из неподвижной катушки и подвижного сердечника или магнита, который втягивается в катушку или вращается в присутствии электрического тока. Недостатком считается нелинейная шкала и сложность градации.
  • Тангенты. Конструкция включает компас, который сравнивает магнитные поля тока и земли. В катушке используется изолированный медный провод, намотанный на каркас из диэлектрического материала. Катушка и стрелка компаса должны находиться в плоскости по отношению друг к другу. Электрический ток создает магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли. Угол отклонения стрелки равен тангенсу отношения двух магнитных полей.
  • Тип зеркала. Считается самым точным и быстрым прибором. Показания снимаются с помощью небольшого зеркала и отраженного от него луча света.
  • Тепловой. Он состоит из проводника и системы рычагов. Длина проводника увеличивается по мере протекания по нему тока. Рычажная система переводит удлинение проводника в положение стрелки на шкале прибора.

Лабораторная работа №16

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА С ПОМОЩЬЮ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ГАЛЬВАНОМЕТРА

Цель работы

Изучите метод баллистического гальванометра 1.

Определите емкость отдельных конденсаторов и их соединений в батарее. 3.

Проверьте теоретические формулы для расчета емкости батареи конденсаторов при последовательном и параллельном соединении.

Теоретическое введение

Конденсатор — это два проводника, разделенных слоем диэлектрика, с зарядами, равными по величине и противоположными по знаку, расположенные так, что поле, создаваемое зарядами на проводниках, сосредоточено преимущественно в пространстве, экранированном самими проводниками от внешних электрических полей. Проводники, из которых состоит конденсатор, называются его обмотками.

Емкость конденсатора определяется по формуле:

, (1)

где q — заряд конденсатора, который равен модулю заряда одной из клемм; Δφ — разность потенциалов между клеммами.

Емкость конденсатора — это физическая величина, численно равная заряду, который должен быть перенесен с одной клеммы на другую, чтобы разность потенциалов между ними изменилась на единицу.

Емкость конденсатора не зависит от заряда на его выводах, разности потенциалов между ними и расположения окружающих тел. Он определяется формой конденсатора (сферический, цилиндрический, плоский), его геометрическими размерами и наличием диэлектрика между выводами.

Емкость планарного конденсатора прямо пропорциональна площади его граней S, диэлектрической проницаемости среды ε и обратно пропорциональна расстоянию d между гранями:

, (2)

где ε0 — электрическая постоянная (ε0 = 8,85 ∙ 10 -12 Ф/м).

Емкость измеряется в фарадах (F): 1F = 1Cl/V, также в микрофарадах 1μF = 10 -6 F, в пикофарадах 1pF = 10 -12 F.

Для получения необходимой емкости конденсаторы соединяются последовательно и параллельно, образуя батареи.

При последовательном соединении (рис. 1) заряд на всех конденсаторах одинаков и разность потенциалов на батарее ΔφAB равна сумме разностей потенциалов на каждом конденсаторе: ΔφAB= Δφ1+ Δφ2+…+ Δφn.

Выражая значения разности потенциалов через заряд и емкость конденсаторов, получим:

, или , (3)

где C — емкость батареи; C1, C2, …, Cn — емкости отдельных конденсаторов.

При параллельном соединении (рис. 2) разность потенциалов на конденсаторах одинакова ΔφAB= Δφ1=Δφ2=…= Δφn, а общий заряд батареи равен сумме зарядов на каждом конденсаторе q = q1 + q2 + ….. + qn.

Выражая величины зарядов через емкости и разности потенциалов, получаем:

где C — емкость батареи; C1, C2, …, Cn — емкости отдельных конденсаторов.

В настоящей работе для измерения емкости отдельных конденсаторов и их соединений используется баллистический гальванометр.

Гальванометры используются как измерительные приборы, показывающие наличие или отсутствие тока (в компенсационных цепях), а также как приборы для измерения тока, напряжения, количества электроэнергии и т.д.

Баллистический гальванометр — это очень чувствительный прибор магнитоэлектрической системы с большим моментом инерции подвижной части.

Баллистический гальванометр помещен в литой металлический корпус и установлен вертикально на стене вместе с осветительным и измерительным устройством (рис. 3), т.е. лампой и шкалой на расстоянии 1,50 м от металлического корпуса. Шкала из матового стекла расположена параллельно стене (рис. 4).

Рисунок 3: Схема вертикальной установки гальванометра

Принцип работы устройства основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, с током, протекающим через обмотку рамки. В результате взаимодействия возникает вращающий момент, который вращает токовую раму, на которой закреплено легкое алюминиевое зеркало. Максимальный угол поворота рамки прямо пропорционален протекающему через нее электрическому заряду.

Угол поворота рамы измеряется с помощью светового индикатора. Луч света от осветителя падает на рамочное зеркало, а луч, отраженный от зеркала, попадает на шкалу.

Значение максимального смещения светового луча на шкале считывающего устройства является мерой измеряемой величины (нуль шкалы находится в ее центре).

Название «баллистический» означает, что измеряется так называемое баллистическое отклонение (максимальное отклонение), после чего подвижная часть постепенно возвращается в нулевое положение.

В данной работе для измерения емкости конденсатора используется баллистический гальванометр, поэтому его необходимо предварительно запрограммировать, т.е. определить его баллистическую постоянную Kb:

, (5)

где q — заряд, проходящий через рамку; n — максимальное отклонение светового луча на шкале.

Баллистическая постоянная показывает, сколько заряда (в кулонах) проходит через рамку, когда «луч» света смещается на одно деление шкалы (при данном расстоянии шкалы от зеркала рамки).

Когда заряд q пройдет через рамку баллистического гальванометра за время, намного меньшее периода его собственных колебаний, «радиус» света сместится по шкале на n делений. Заряд, прошедший через рамку баллистического гальванометра, пропорционален величине n.

Для определения заряда q используется эталонный конденсатор известной емкости Set, который накапливает заряд q при напряжении U:

Следовательно, баллистическая константа Kb может быть определена из формулы:

, (8)

Если баллистическая постоянная известна, то емкость отдельных конденсаторов и емкость батареи при последовательном и параллельном соединении можно определить с помощью баллистического гальванометра по формуле:

, (9)

где U — напряжение на зажимах конденсатора; n — смещение светового «луча» вдоль шкалы.

Описание устройства и метода

Для определения баллистической постоянной Kb и конденсатора Cx собирается цепь по схеме (рис. 5). Здесь PA — баллистический гальванометр; C — эталонный или испытательный конденсатор; PU — вольтметр; GB — источник постоянного напряжения; S — переключатель.

Установка переключателя S в верхнее положение на схеме вызывает зарядку конденсатора, а установка в нижнее положение вызывает разрядку конденсатора гальванометром; луч света («пучок») отклоняется вдоль шкалы зеркала. За результат измерения следует принять первое наибольшее отклонение «луча».

Дата добавления: 2016-12-18 ; просмотров: 556 | Нарушение авторских прав

Для измерения магнитного потока к гальванометру должна быть присоединена измерительная рамка с определенным количеством катушек, помещенных в постоянное исследуемое магнитное поле.

Витки каркаса будут заключать в себе определенный поток Fx.

Принцип, согласно которому первый наибольший индекс отражения баллистического гальванометра пропорционален количеству витков измерительной рамки.

Практическая схема использования баллистического гальванометра для считывания кривой намагничивания, т.е. для определения зависимости B=f(H). Две обмотки, намагничивающая обмотка 2 и измерительная обмотка 3, закреплены на кольцевом сердечнике 1, изготовленном из испытуемой стали. К измерительной обмотке подключается баллистический гальванометр. Питание намагничивающей обмотки осуществляется от источника постоянного тока 4 через амперметр и реостат. Переключатель 5 позволяет изменить направление тока в обмотке на противоположное.

Напряженность магнитного поля внутри кольцевого соленоида (тороида) может быть рассчитана на основе закона полного тока по формулам:

где wi — число витков намагничивающей катушки;

l — величина тока, А;

lcf — средняя длина магнитной линии в тороиде,

обозначен пунктирной линией на рисунке и легко вычисляется по геометрическим размерам образца для испытаний.

Для определения зависимости B=f(H) в намагничивающей катушке ток, соответствующий данному значению H i

рассчитанное по приведенной выше формуле, а затем быстро меняют направление тока в катушке с помощью переключателя 5. При изменении направления тока магнитный поток в сердечнике изменится по некоторому сложному закону от +F до -F, т.е. изменение потока в измерительной рамке составит 2F, на основании чего и рассчитывается поток в сердечнике:

Зная поток и площадь поперечного сечения испытуемого образца, найдите значение

где s — площадь поперечного сечения образца, см2.

Определенное значение B и ранее рассчитанное значение H позволяют.

Рассчитайте магнитную проницаемость

Флюксметр

Полезным прибором для измерения постоянного магнитного потока является флюксметр, который иногда называют спайдерметром или миллиомметром.

Флюксметр — это прибор магнитоэлектрической системы, в котором подвод тока к подвижной рамке осуществляется не через пружины, а через катушки без крутящего момента, т.е. в его измерительном механизме отсутствует противодействующий момент. Следовательно, стрелка стрелочного прибора может занимать любое положение относительно шкалы при отсутствии тока в обмотке рамки.

Флюксметр, как и большинство гальванометров магнитоэлектрической системы, имеет бескаркасную рамку, но сконструирован так, что внешнее сопротивление менее 20 Ом будет вызывать чрезмерные колебания подвижной части. Как и в случае с баллистическим гальванометром, подвижная часть флюса сконструирована с относительно высоким моментом инерции.

Диаграмма, показывающая процесс измерения магнитного потока с помощью прибора

Использование флюксметра.

Для измерения магнитного потока, например, постоянного магнита 1, к клеммам флюксметра 2 присоединяется измерительная катушка, состоящая из соответствующего количества витков медной проволоки. Если эту рамку поместить на исследуемый магнит, как показано на рисунке, то при перемещении рамки 2 в ней индуцируется ток ЭДС, который генерирует ток в цепи устройства. Этот ток заставит вращаться подвижную раму 3 устройства. Когда рамка 2 будет приведена в положение, показанное на рисунке 3, и остановлена, индукционный ток исчезнет, но рамка 3 будет продолжать двигаться по инерции.

При перемещении на некоторый угол a от начального положения кадр 3 остановится. Из теории флюксметра следует, что движение рамки прекратится после того, как число витков рамки 3 с потоком магнита 4 изменится на ту же величину, что и число витков измерительной рамки 2 с измеренным потоком.

Если калибровка прибора достаточно велика, для чего сопротивление цепи рамки не должно превышать определенного предела, заданного для данной конструкции (обычно 8-20 Ом), то существует простая зависимость между углом закрутки стрелки потока и измеренным потоком

где F — измеренный поток;

w — количество витков измерительной рамки 2;

Sf — флуксометрическая постоянная в катушках Максвелла или Вебера для одного

Определение флуксометрической константы Cf проводится аналогичным образом,

как для баллистического гальванометра, используя эталонные взаимные индуктивности.

При описанной конструкции флюса работа с ним затрудняется тем, что

невозможность установки его подвижной части в нулевое положение, так как при снятии катушки 2 с тестируемого магнита рамка 3, хотя и получит толчок в обратном направлении, но точно не достигнет исходного нулевого положения. Это связано с неизбежной необратимой диссипацией энергии в виде тепла, выделяемого током в цепи рамки, а также с потерями энергии из-за трения в опорах подвижной части устройства и ее трения о воздух. В выпускаемых микрометрах предусмотрено дополнительное устройство — электромагнитный корректор, позволяющий установить стрелку прибора в любое положение, в частности, в нулевое. Это приспособление, встроенное в корпус прибора, схематично показано на рис. 12.3 и обведено пунктирной линией. Устройство

похож на магнитоэлектрический прибор: между полюсами постоянного магнита помещается рамка 5.

Механизм похож на магнитоэлектрическое устройство: между полюсами постоянного магнита помещается рамка 5, которая может вращаться с помощью головки 6.

Для изменения положения стрелки флюксметра относительно его шкалы, в частности для установки стрелки на нулевую отметку, переключатель 7 переводят в положение, обозначенное К, где рамка прибора соединяется с рамкой корректирующего устройства. В этой схеме поворот рамки 5 через головку 6 приведет к соответствующему изменению положения индикатора флюса.

Как только стрелка флюксметра окажется в нужном положении, переведите переключатель 7 в рабочее положение, отмеченное на рисунке 3.

Флюксметр менее чувствителен, чем баллистический измеритель

Флюксметр менее чувствителен, чем баллистический гальванометр, поэтому его нельзя использовать для измерения слабых магнитных полей.

При измерении достаточно сильных полей флюксометр имеет ряд преимуществ перед баллистическим гальванометром. Константа потока остается практически неизменной при изменении внешнего сопротивления цепи рамки в относительно широком диапазоне от нуля до 8-20 Ом Максимально допустимое значение этого сопротивления указано на шкале прибора. Показания флюса остаются правильными, когда скорость удаления (или введения) измерительной рамки из магнитного поля изменяется в широком диапазоне. При использовании баллистического гальванометра эта операция должна выполняться очень быстро (0,1-0,2 секунды) Указатель потока, будучи установленным под определенным углом, остается неподвижным в этом положении в течение достаточно длительного времени, чтобы указатель был настроен на заданное значение.

Указатель потока, наклоненный на определенный угол, остается неподвижным в этом положении достаточно долго, чтобы показания снимались без перерыва.

С другой стороны, при использовании баллистического гальванометра требуется большая осторожность, чтобы обеспечить правильное считывание максимального отклонения стрелки.

Пермеаметры

Испытание свойств стали путем построения кривой намагничивания кольцевого образца дает наиболее точные результаты, но практически неудобно из-за

Трудности при изготовлении образца и установке катушек на образец. В этом нет необходимости при использовании пермеаметра — устройства, позволяющего быстро и легко намагничивать круглые или прямоугольные стальные прутки относительно равномерно.

На рис. 4а, а представлен внешний вид одной из конструкций пермеаметра, а на рис. 4б — схема его встраивания.

Основными частями этого пермеометра являются прочная рама 1 из низкоуглеродистой стали с высокой магнитной проницаемостью и две обмотки w1 и w2.

Испытуемый образец P вставляется через боковые отверстия в раму и плотно

который зажимается с помощью специальных конических втулок. Намотка w1

является намагничивающей обмоткой, обмотка w2 используется для питания баллистического

баллистический гальванометр. Переключатель 2 позволяет включать и реверсировать ток в намагничивающей обмотке. Процедура определения магнитного потока в испытуемом образце остается такой же, как и при испытании кольцевого образца. Существуют некоторые трудности при расчете напряженности магнитного поля H. Она рассчитывается по формуле

где l — длина образца, будет верна только для бесконечно малого

Этим сопротивлением можно пренебречь при испытании материалов с низкой магнитной проницаемостью (чугун или поделочная сталь),

a — внешний вид b — электрическая схема

Для образцов с высокой проницаемостью необходимо сделать поправки при расчете напряженности поля. Эти поправки даются в виде кривых сдвига, прикрепленных к прибору.

Амперметры, предназначенные для пермеометров, иногда калибруются не в амперах, а в значениях напряженности магнитного поля, основанных на приведенной выше зависимости между H и I.

Последнее изменение этой страницы: 2016-09-18; Страница о нарушении авторских прав

Оцените статью
Добавить комментарий