|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХСтр 1 из 23Следующая ⇒
Электричество и магнетизм Методические указания к лабораторным работам Издательство Иркутского государственного технического университета
УДК 535 Рецензент: канд. физ.-мат. наук, Л.А. Скоробогатова; канд. техн. наук, Грозов В.П.
Авторы: Кузнецова С. Ю.Шигорова Т.А., Ващенко А. В, Чувашов Н.Ф, Коновалов Н.П., Елин В.П., Первушкина Э.И. Электричество и магнетизм: метод. указания. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. – 125 с.
Методические указания составлены в соответствии с ГОС федеральной компонентой курса общей физики для студентов инженерных специальностей вузов. Предназначено для студентов дневной формы обучения, а также может быть использовано студентами заочной и дистанционной форм обучения инженерно-технических специальностей.
© Иркутский государственный технический университет, 2011 ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ Методические указания содержат описание лабораторных работ по разделу «Электричество и магнетизм» курса общей физики для технических вузов. Выполнение студентами лабораторных работ по электричеству и магнетизму направлено на достижение следующих целей: · знакомство с методами наблюдения некоторых физических явлений, а также экспериментальная проверка физических законов, изучаемых в соответствующем разделе курса общей физики; · знакомство с основными типами электроизмерительных приборов и методами их использования; · закрепление навыков обработки экспериментальных результатов. Каждая лабораторная работа содержит краткое изложение сущности изучаемых явлений, сведения об экспериментальной методике, положенной в основу изучаемого явления, подробное описание проведения измерений и приемов обработки результатов. В приложениях излагается методика расчета погрешностей, описание используемых приборов, а также необходимые справочные данные. Данное методическое указание соответствует ГОС на 600 часов по курсу «Общая физика» для инженерных специальностей технических вузов и состоит из теоретической части, позволяющей студентам найти ответы на контрольные вопросы, и экспериментальной части. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ ФПЭ – кассета с вмонтированными в нее элементами электрической схемы ИП – источник питания РО – электронный осциллограф РА – цифровой амперметр РV – цифровой вольтметр МС – магазин сопротивлений МЕ – магазин емкостей PQ – звуковой генератор
Техника безопасности Инструкция № 40 по технике безопасности при проведении лабораторных занятий со студентами в учебных лабораториях кафедры физики (для студентов)
Общие положения
1. В учебных лабораторных практикумах кафедры проводятся практические занятия с группой студентов под руководством преподавателя и лаборанта по соответствующему разделу курса физики, предусмотренному учебными планами. 2. Ответственность за технику безопасности и охрану труда при проведении занятий со студентами в лаборатории несет преподаватель, проводящий занятия по расписанию, или назначенный распоряжением заведующего кафедрой ответственный (замена). 3. К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, ознакомившиеся с настоящей инструкцией и расписавшиеся в журнале инструктажа.
Правила поведения и обязанности студентов При выполнении лабораторных работ В учебных лабораториях кафедры
1. При эксплуатации лабораторного оборудования (электрооборудования) несчастные случаи могут произойти от: - соприкосновения с токопроводящими частями электроустановок, находящихся под напряжением; - прикосновения к металлическим нетокопроводящим частям электроустановок, случайно оказавшимся под напряжением; - коротких замыканий на землю между фазами с образованием электрической дуги и т.д.
2. Все работы на лабораторном оборудовании могут производиться только с разрешения преподавателя, ведущего практические занятия.
3. До начала работы студенты должны на месте подробно ознакомиться с лабораторной установкой и со схемой электрических соединений (если таковые имеются в данной установке).
4. Сборка схемы должна производиться без напряжения при отключенных автоматах или выключателях со стороны питающей сети. 5. Перед подачей напряжения на электроустановку (лабораторную работу) необходимо визуально проверить состояние ее заземления.
6. Включение напряжения производится только после проверки схемы преподавателем или лаборантом.
7. В случае обнаружения неисправности в электроустановке необходимо прекратить все работы на ней, выключить приборы и доложить преподавателю или лаборанту.
8. Запрещается:
- под напряжением вскрывать крышки приборов, перебирать электросхему, расстыковывать штепсельные разъемы и т.д.; - выносить из лаборатории методические пособия, материалы и приборы, полученные для выполнения лабораторных работ; - выходить за пределы лаборатории без разрешения преподавателя.
9. Студенты, нарушающие настоящую инструкцию, от занятий в лаборатории отстраняются. Подготовка к лабораторной работе Подготовка к лабораторной работе направлена на: · осознание цели выполнения работы; · изучение теоретических основ изучаемого явления, процесса, механизма, системы и т.д.; · изучение содержания метода или техники эксперимента. До лабораторного практикума необходимо выполнить следующее: 1. узнать номер и название выполняемой лабораторной работы; 2. ознакомиться с методическими указаниями к лабораторной работе; 3. списать контрольные вопросы из методических указаний или со стенда; 4. подготовить письменно краткие ответы на контрольные вопросы с помощью рекомендуемой литературы; 5. сделать заготовку для отчета в соответствии с требованиями к его форме и содержанию. Форма отчета к началу занятия должна содержать титульный лист, цель работы, формулу для расчета искомой величины(с пояснением названий входящих в нее величин), схему установки, таблицу измерений и вычислений. Студент приступает к выполнению лабораторной работы только после собеседования с преподавателем и предоставления отчета по предыдущей работе. Построение графиков Графики следует строить на миллиметровой бумаге и вложить в готовый отчет. Построение графиков нужно проводить в следующей последовательности: 1. Выбрать оси координат. По оси абсцисс откладывается независимая переменная, по оси ординат - зависимая. 2. Ввести обозначения осей координат. Каждая из осей имеет такое же буквенное обозначение, которое было ранее принято для рассматриваемой величины в таблице измерений. После буквенного обозначения через запятую обязательно указываются те единицы измерения, в которых физическая величина представлена на графике. 3. Выбрать масштаб. Выбор масштабов для каждой из осей определяется исключительно тем диапазоном значений переменных, который мы получили в эксперименте. Для каждой оси выбирается свой масштаб. Следите за тем, чтобы на готовом графике не было больших бесполезно пустующих площадей. 4. Нанести экспериментальные точки. Сначала на график наносятся точки, соответствующие измеренным значениям. Если определена погрешность этих измерений, то она отражается на графике отрезками прямых, отходящих от построенных точек вверх и вниз, что указывает на возможный диапазон колебаний измеренной величины. 5. Построить искомую кривую. Когда все точки нанесены на график, необходимо построить плавную кривую, отражающую функциональную зависимость. Обратите внимание, что кривая строится не точно по точкам, а как некоторый усредненный результат. Поэтому количество точек, лежащих чуть выше кривой, приблизительно равно количеству точек, лежащих чуть ниже ее. В результате получается плавная линия графика. 6. Сделать подпись к графику. Подпись к графику может иметь вид “Зависимость величины, которая откладывается по оси ординат, от величины, которая откладывается по оси абсцисс” (например, “зависимость сопротивления от температуры”). Кроме того, приемлемы подписи типа “График градуировки термопары” или “Анодно-сеточные характеристики триода”.
Пример построения графика
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ Потенциал
Взаимодействие тел характеризуют силой и энергией. Отсюда две характеристики электростатического поля: Е – силовая характеристика и φ –энергетическая характеристика электростатического поля.
W - потенциальная энергия поля точечного заряда, q – заряд, создающий электростатическое поле, q ′ – пробный заряд, который перемещается под действием сил поля, создаваемого зарядом q, из точки 1 в точку 2.
Следовательно, потенциальная энергия поля точечного заряда. Подставив формулу (1.3)в (1.2), получим потенциал поля точечного заряда:
Потенциал – скалярная величина. Потенциал поля системы зарядов (или системы заряженных тел) равен сумме потенциалов полей, создаваемых каждым зарядом (или заряженным телом) в отдельности:
Электроемкость 1) Электроемкость уединенного проводника (т.е. удаленного от других проводников, тел и зарядов). Из опыта следует что q ~ φ , т.е. q = Cφ ; С – коэффициент пропорциональности.
Электроемкость уединенного проводника численно равна заряду, сообщение которого проводнику повышает его потенциал на единицу. С зависит от размеров и формы проводника. Пример. Расчет электроемкости С уединенного шара (сферы) радиуса R.
Подставив полученное выражение в формулу (1.6), получим С = 4π ε 0ε R. Электроемкость в системе СИ измеряется в фарадах (Ф); 1 Ф = 1Кл/1В. Фарад – очень большая величина. Поэтому на практике электроемкость С измеряют в мкФ (10-6 Ф), пФ (10-12 Ф). 2) Электроемкость конденсаторов. При приближении к проводнику других тел его электроемкость существенно увеличивается. Это обусловлено явлением электростатической индукции. Пусть заряд проводника q > 0, тогда на других телах возникают индуцированные заряды, причем отрицательные оказываются ближе к проводнику, нежели положительные. Используя принцип суперпозиции φ = ∑ φ i, потенциал проводника уменьшается при приближении к нему незаряженных тел: φ = φ 0 – φ ′ _ + φ ′ +, где φ 0 – потенциал проводника, φ ′ _и φ ′ + –потенциалы индуцированных зарядов на других телах. |φ ′ _| > | φ ′ +|, т.к. (-q ′ ) находится ближе к проводнику. Так как Простейший конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), расположенных на малом расстоянии друг от друга. Чтобы внешние тела не влияли на электроемкость С конденсатора, его обкладки располагают так, чтобы поле было сосредоточено практически полностью внутри конденсатора. Это означает, что линии Е, начинающиеся на одной обкладке, заканчиваются на другой, т.е. заряды должны быть одинаковы по величине и противоположны по знаку (q и – q).
где φ 1 – φ 2 = U– совпадает с напряжением.
а) Электроемкость плоского конденсатора
Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин, разделенных зазором шириной d.
Таким образом, электроемкость плоского конденсатора:
Емкость реального конденсатора определяется полученным выражением тем точнее, чем меньше зазор d по сравнению с линейными размерами пластин.
б) Соединения конденсаторов Для получения конденсатора заданной электроемкости нет необходимости каждый раз изготавливать новый образец. Необходимого результата добиваются, используя различные типы соединения конденсаторов, имеющихся в наличии.
U1 = U 2 =… = U = const. Полный заряд равен сумме зарядов отдельных конденсаторов: q = ∑ qi = U (C1 + C2 + …+Cn). Откуда следует Cן ן = ∑ Ci - (1.8) полная емкость равна сумме емкостей от-дельных конденсаторов.
2.Последовательное соединение конденсаторов.
q1 = q2 = … = qn = q = const. Общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах:
При последовательном соединении полная емкость меньше самой малой емкости используемых конденсаторов. Формулы (1.8) и (1.9) применяют не только для расчета емкости батареи конденсаторов, но и для определения емкости многослойных конденсаторов. При смешанном соединении конденсаторов, последовательно применяют эти формулы.
Лабораторная работа №1 Порядок выполнения работы Дно ванны заполните водой. 2. Соберите электрическую схему установки. Убедитесь в симметричном рас- положении электродов по отношению к координатной сетке ванны. 3. Подключите к сети источник питания ИП и вольтметр PV. 4. Подготовьте лист миллиметровки, отметьте на ней положение электродов и координатных осей. 5. Включите питание лабораторного стенда, источника питания и вольтметра. 6. Поместите зонд в точку, находящуюся вблизи одного из электродов на оси симметрии расположения электродов (координатной оси), запишите показания вольтметра и отметьте на рисунке точку с найденным значением потенциала. 7. Смещая зонд с координатной оси, найдите координаты другой точки, имеющей то же значение потенциала. Найдите координаты еще 4-5 точек, имеющих такой же потенциал и расположенных по ту же сторону от координатной оси, а затем найдите аналогичные точки с другой стороны этой координатной сетки. Крайние точки должны выбираться на возможно большем удалении от координатной оси. Запишите и отметьте на рисунке найденные значения. 8. Повторите измерения для других значений потенциала. В пространстве между электродами надо получить не менее 7 линий равного потенциала. 9. Соедините на рисунке точки с одинаковым значением потенциала. 10. Проведите на рисунке несколько линий напряженности (перпендикулярных к каждой точке эквипотенциальным линиям). 11. Постройте график зависимости потенциала φ поля от расстояния r между электродами. Значения потенциала выберите для точек, принадлежащих координатной оси, соединяющей электроды. Начало отсчета координат совместите с поверхностью электрода, вблизи которого зарегистрирован меньший потенциал. 12. Пользуясь построенным графиком, методом численного дифференцирования, найдите напряженность Е поля для разных значений r, зная, что E = -Δ φ /Δ r, (1.13) где Δ φ – изменение потенциала на отрезке Δ r, Δ r = 5 мм (5 × 10-3 м). Расчет по формуле (1.13) проводите следующим образом. Выбрав значение r1, установите по графику значение φ 1, соответствующее значению r1, а затем значение φ 2 для r2 = r1 + Δ r. Разделив Δ φ = φ 2 – φ 1 на Δ r, получим числовое значение Е поля, которое следует отнести к середине выбранного интервала (r1, r1 + Δ r). Расчет выполнить для 7-8 значений r охватывающих весь интервал расстояний между электродами. Результаты расчетов занесите в табл. 1.1. 13. Постройте график зависимости напряженности Е электрического поля от расстояния r между электродами. Т а б л и ц а 1.1
Контрольные вопросы 1. Дайте определения напряженности и потенциала электростатического поля. 2. Какова связь между напряженностью и потенциалом? 3. Опишите способы графического изображения электростатического поля. 4. Опишите электростатическое поле внутри и вне проводящей среды. 5. Изобразите в общем виде взаимное расположение линий напряженности, эквипотенциальных поверхностей и векторов Е и gradφ в некоторой точке поля.
Лабораторная работа №2 Задание 1. Определение баллистической постоянной Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться со схемой установки. Включить установку в сеть. 2. Нажать клавишу 7 переключателя П2. 3. Переключатель П5 поставить в положение Uвнешн., переключатель П3 в положение Сэ. 4. Регулятором Р установить напряжение U = 1 В. В процессе выполнения работы следует следить, чтобы установленное напряжение не изменялось самопроизвольно, при необходимости нужно сделать его корректировку. 5. Переключатель П4 поставить в положение «Заряд». 6. Замкнуть обкладки конденсатора через микроамперметр, переведя П4 в положение «Разряд» и определить величину отброса стрелки микроамперметра nЭ. Измерения повторить 3 раза и результаты занести в таблицу 1.2. 7. Все действия, указанные в пунктах 4-6, выполнить для напряжений Uэ = 2 В и Uэ = 3 В. 8. Результаты измерений также занести в таблицу 1.2. 9. Для каждого значения напряжения UЭ рассчитать по формуле (1.19) баллистическую постоянную Аб. Найти среднее значение Т а б л и ц а 1.2
Задание 2. Определение емкостей исследуемых конденсаторов Порядок выполнения работы 1. Включить в схему исследуемую электроемкость, поставив переключатель П3 в положение Сх. 2. Ключи К (2, 3, 4, 5) поставить в положение «Выключено». 3. Нажать клавишу 9 переключателя П2, соединив обкладки конденсаторов Сх1 - Сх5. 4. Переключатель П1 поставить в положение 1. 5. Регулятором Р установить напряжение Uх = 3 В. 6. Зарядить конденсатор Сх, поставив переключатель П4 в положение «Заряд». 7. Замкнуть обкладки конденсатора через микроамперметр, переведя П4 в положение «Разряд» и определить величину отброса стрелки nх. 8. Повторить измерения 3 раза. Результаты занести в таблицу 1.3.
Т а б л и ц а 1.3
9. Для измерения емкостей конденсаторов Сх2, Сх3 следует переводить П1 в положения 2 и 3, и, заряжая и разряжая конденсаторы, определять соответствующие отбросы стрелки микроамперметра nх2 и nх3. Результаты измерений записать в таблицу 1.3. 10. Для каждого конденсатора рассчитать по формуле (1.20) его электроемкость. Задание 3. Определение емкости батареи параллельно соединенных конденсаторов Порядок выполнения работы 1. Клавишу 9 переключателя П2 оставить в положении «Включено». Включить в схему конденсатор Сх1, переведя переключатель П1 в положение 1. 2. Включить ключ К2 (остальные ключи оставить в положении «Выключено»), соединив параллельно конденсаторы Сх1 и Сх2. 3. Регулятором Р установить напряжение Uх = 2 В. 4. Заряжая и разряжая батарею конденсаторов при помощи переключателя П4, измерить величину отброса стрелки микроамперметра nХ. Измерения повторить 3 раза, результаты записать в таблицу 1.4. 5. Рассчитать по формуле (1.20) эквивалентную электроемкость батареи. 6. Включить ключ К3 (ключ К2 оставить включенным), составив батарею из трех параллельно соединенных конденсаторов Сх1, Сх2.и Сх3. Определить их эквивалентную электроемкость, выполняя операции в соответствии с пунктами 4-5. 7. Результаты измерений записать в таблицу 1.4. 8. Вычислить теоретическое значение эквивалентной емкости каждой батареи по формуле: Спарал = С1 + С2 +... + Сn. (где C1, C2, … Cn – емкости конденсаторов, определенные опытным путем). Т а б л и ц а 1.4
Задание 4. Измерение емкости последовательно соединенных Конденсаторов Порядок выполнения работы 1. Выключить ключи К2 – К4, предназначенные для параллельного соединения конденсаторов. 2. Нажать клавишу 8 переключателя П2, соединив обкладки конденсаторов. 3. Переключатель П1 поставить в положение 2. 4. Регулятором Р установить напряжение Uх = 5 В. 5. При помощи переключателя П4, заряжая и разряжая батарею, определять величину отброса стрелки микроамперметра nх. Измерения повторить 3 раза, результаты записать в таблицу 1.5. 6. Рассчитать по формуле (1.20) эквивалентную электроемкость батареи. 7. Для измерения емкости трех последовательно соединенных конденсаторов переключатель П1 перевести в положение 3. Определить их эквивалентную электроемкость, выполняя операции в соответствии с пунктами 5-6. 8. Результаты измерений записать в таблицу 1.5. 9. Закончив измерения, нажать на клавишу 6 переключателя П2 и выключить установку из сети. 10.Вычислить теоретическое значение эквивалентной емкости каждой батареи по формуле: 1/Cпосл. = 1/C1 + 1/C2 +…+ 1/Cn. 11.Сделать вывод о проделанной работе. Т а б л и ц а 1.5
Контрольные вопросы 1. Что такое конденсатор, и какие существуют типы конденсаторов? 2. Что называется электроемкостью конденсатора, от чего она зависит? В каких единицах измеряется? 3. Как определяется заряд, напряжение и эквивалентная электроемкость при последовательном и параллельном соединении конденсаторов? 4. Как вычислить энергию конденсатора? 5. Что такое баллистическая постоянная и как экспериментально ее определить? 6. Объяснить методику эксперимента и вывести расчетную формулу. Обобщенный закон Ома Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей тока приведет очень быстро к тому, что напряженность внутри проводника станет равной нулю и ток прекратится. Таким образом, при наличии лишь кулоновских сил невозможно поддерживать в цепи электрический ток. Следовательно, для поддержания в цепи постоянного тока необходимо, чтобы на носители тока действовали помимо кулоновских сил иные силы, не электростатического происхождения, называемые сторонними. Если кулоновские силы вызывают соединение разноименных зарядов, выравнивание потенциала и исчезновение поля в проводнике, то сторонние силы, наоборот вызывают разделение разноименных зарядов и поддерживают разность потенциалов на концах проводника. Сторонние силы действуют на носители тока внутри источников электрической энергии (гальванических элементов, аккумуляторов, электрических генераторов и т.п.). В общем случае, на носитель тока q, действует сила:
где
Умножим скалярно обе части равенства на d l .|d l | – длина элемента проводника. Вектор d l направлен по току.
ЭДС численно равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.
Напряжение – это физическая величина, численно равная суммарной работе, совершаемой кулоновскими и сторонними силами при перемещении по участку 1-2 единичного положительного заряда. Таким образом, U12 = (φ 1 – φ 2) + ε 12. Сопротивление на участке 1-2:
Закон Джоуля-Ленца
При столкновении электронов (носителей тока) с атомами электроны теряют свою энергию. Эта энергия переходит в энергию хаотического движения атомов, т.е. в тепловую. Q = I 2R t – закон Джоуля-Ленца для постоянного тока I = const. Если ток изменяется со временем, то Данные формулы – интегральная форма записи закона, она выражает тепло, выделяющееся во всем проводнике. Дифференциальная форма записи закона Джоуля-Ленца позволяет вычислить тепло, выделяющееся в различных точках проводника: Qуд = ρ j 2, где ρ – удельное сопротивление, j – плотность тока,
Лабораторная работа №3 Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться со схемой установки. 2. Включить установку с помощью ключей К. 3. Перемещая движок реостата, оценить возможный диапазон значений силы тока и напряжения. Выбрать нормирующие значения для амперметра и вольтметра. 4. Заполнить таблицу с данными об амперметре и вольтметре, рассчитать цену деления и абсолютную погрешность каждого прибора. 5. Измерить силу тока и напряжение на нагрузке. Результат измерения занести в таблицу 2.1. 6. Изменить сопротивление нагрузки, передвинув движок реостата. Измерить новые значения силы тока и напряжения. Результаты записать в таблицу.
Т а б л и ц а 2.1
7. Произвести подобные измерения 8-10 раз, используя весь возможный диапазон значений нагрузки. 8. Построить график зависимости напряжения от силы тока. 9. Из графика определить значения ЭДС и тока короткого замыкания. 10. По формуле (2.5) вычислить сопротивление источника тока. 11. Для каждого измерения по формулам (2.8) и (2.9) рассчитать полезную и полную мощности. 12. Построить графики зависимости полезной и полной мощности от силы тока. 13. По графику определить значение силы тока, соответствующего максимальной полезной мощности. 14. По формуле (2.11) рассчитать КПД источника тока для каждого измерения. 15. Построить графики зависимости КПД от силы тока. 16. Сделать вывод о проделанной работе.
Контрольные вопросы 1. Что называется электрическим током. 2. Перечислите условия появления и существования тока. 3. Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи, для неоднородного участка цепи, для полной цепи. 4. Дайте определение полезной, полной мощностей; КПД источника тока. Каким образом они зависят от величины силы тока? Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-26; Просмотров: 904; Нарушение авторского права страницы
. (1.2) Потенциал – это величина, численно равная потенциальной энергии единичного положительного заряда q′ в данной точке поля.
При этом совершается работа: 
. Из механики известно, что работа консервативныхсил равна убыли потенциальной энергии: 
. 
–(1.3) 
.
.
. (1.6)
.
, то электроемкость конденсатора увеличится. Это позволило создать систему проводников, которая обладает электроемкостью C значительно большей, чем уединенный проводник, причем не зависящей от окружающих тел. Такая система называется конденсатором.
, 
Напряженность между обкладками
; S – площадь каждой пластины.
без учета краевых эффектов. U = Ed – напряжение между обкладками. Следовательно, 
.
. (1.7)
1.Параллельное соединение конденсаторов – соединение, при котором все конденсаторы подключены между собой одной и той же парой точек (узлами).
Значение заряда на каждом конденсаторе одно и то же: 
. (1.9)
б.
э, дел
– напряженность поля кулоновских сил, 
– напряженность поля сторонних сил. Тогда
Интегрируем данное выражение по длине участка цепи 1-2: 
электродвижущая сила (ЭДС), действующая на участке 1-2.
–
– напряжение на участке цепи 1-2.
.
.
.
– количество тепла, выделяющееся в единицу времени в единице объема.