Теория метода и описание измерительной установки

Градуировка любого измерительного прибора заключается в установлении соответствия между делениями шкалы прибора и значениями физической величины, которую можно измерить с помощью данного прибора.

Главный элемент электростатического вольтметра это конденсатор, на пластины которого подается заряд. Заряженные пластины притягиваются друг к другу с некоторой силой. По силе взаимодействия плоского конденсатора определяется заряд на конденсаторе и напряжение на нем. Сила взаимодействия пластин плоского конденсатора измеряется с помощью аналитических весов. В работе используется установка, принципиальная схема которой изображена на рисунке 1.

 

P1

P2

Источник напряжения

V

Рис. 1

 

Главной частью установки является конденсатор, состоящий из двух круглых горизонтальных пластин P₁ и P₂, расположенных параллельно на расстоянии d друг от друга (Рис. 2).

 

P1

P2

d

O

Рис.2

Верхняя пластина P₁ подвешена горизонтально к коромыслу аналитических весов. Нижняя пластина P₂ укреплена на изолирующей подставке параллельно пластине P₁ и неподвижна. Параллельно пластинам присоединен электростатический вольтметр, который необходимо проградуировать. Верхняя пластина P₁ окружена тонким кольцом O, имеющим туже толщину, что и пластина P₁, и находится в одной плоскости с пластиной P₁. Между пластиной P₁ и кольцом O имеется небольшой зазор.

Если нижнюю пластину P₂ зарядить до потенциала , а верхнюю пластину P₁ и кольцо O зарядить до потенциала , то электростатическое поле между пластинами P₁ и P₂ будет однородно, так как рассеяние поля заметно сказывается только у внешних краев кольца O и пластины P₂. Такое кольцо, позволяющее обеспечить однородность электростатического поля в плоском конденсаторе, получило название охранного кольца.

Сила, действующая на пластину P₁, находящуюся в поле пластины P₂, равна:

(1)

Здесь - заряд пластины P₁, а - напряженность электростатического поля, создаваемого второй заряженной пластиной P₂, в точках, где расположена пластина P₁.

Так как напряженность поля, создаваемого одной плоской пластиной, равна:

(2)

Здесь - поверхностная плотность заряда на пластинах, численно равная заряду на единице площади поверхности, Ф/м – электростатическая постоянная вакуума, - диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами P₁ и P₂.

Из формулы (2) следует, что или (3).

Подставив формулу (3) в формулу (1), получим, что сила взаимодействия пластин связана с напряженностью поля, созданного одной пластиной соотношением:

(4)

Здесь - площадь пластины P₁.

Так как разность потенциалов между пластинами плоского конденсатора определяется формулой (5), где - величина напряженности поля, созданного двумя заряженными пластинами конденсатора, то напряженность поля, созданного одной пластиной, будет равна:

(6)

Подставляем формулу (6) в формулу (4) и получаем:

(7)

Таким образом, измерив силу взаимодействия пластин плоского конденсатора, на основе формулы (7) можно определить напряжение на конденсаторе, а следовательно, и напряжение на вольтметре:

(8)

Источником напряжения в данной лабораторной работе служит высоковольтный выпрямитель, позволяющий подавать на конденсатор напряжение в пределах 0 – 3 кВ. в работе предлагается проградуировать электростатический вольтметр типа С – 95.

Принцип действия такого вольтметра основан на электростатическом взаимодействии проводников

Принципиальная схема электростатического вольтметра изображена на рисунке 3. Измерительный механизм прибора состоит из неподвижного электрода 1, представляющего собой металлическую камеру, и подвижного алюминиевого электрода 2 в форме пластинки. Камера укреплена на изоляционной колонке 3 из вещества, имеющего большое сопротивление на высоких частотах (керамика, стеатит). Пластинка 2 закреплена на оси 4, которая установлена с помощью двух нитей 5 из бронзы (так называемые растяжки).

Пружины 6, укрепленные на стойке 7, растягивают нити. Измеряемое напряжение подводится к камере и пластинке. Камера и пластинка заряжаются противоположными по знаку зарядами, и возникающая сила притяжения втягивает подвижную пластинку внутрь неподвижной камеры. Противодействующий момент создается упругими силами растяжек. Для быстрого успокоения подвижной пластины конец ее помещается в поле постоянного магнита 8. Торможение возникает, благодаря силам, действующим со стороны магнитного поля магнита на ток, индуцируемый в той части пластинки, которая движется между полюсами магнита. Так как обычно в таких электростатических приборах моменты, действующие на подвижную часть, малы, то для отсчета показаний прибора пользуются световым лучом, отраженным от небольшого зеркальца 9, укрепленного на оси 4.

Для уменьшения влияния внешних электрических полей прибор снабжен экраном, который заземляется. Принципиальная схема подключения электростатического вольтметра к источнику напряжения представлена на рисунке 4.

 

Рис. 3

 

V

Рис. 4

 

Теория электростатического вольтметра дает следующее выражение для угла отклонения подвижной части вольтметра:

(9)

Здесь - напряжение, подаваемое на вольтметр, - электроемкость между электродами, которая зависит от положения пластины, - момент кручения растяжек, приходящийся на единичный угол отклонения.

Из формулы (9) следует, что измеряемый угол зависит от квадрата напряжения , а также от изменения электроемкости . Подбирая размеры установки и форму электродов, можно сделать так, чтобы величина была постоянной, равной некоторой величине . Тогда формула (9) будет иметь вид:

(10)

Из формулы (10) следует, что шкала электростатического вольтметра не является равномерной, а имеет квадратичный характер. Квадратичная зависимость угла отклонения от напряжения позволяет применять такие приборы для измерения не только напряжения постоянного тока, но и напряжения переменного тока до частот порядка 30 МГц. Так как эти приборы имеют малую входную емкость и хорошие изолирующие материалы, то измерение постоянного напряжения происходит практически без потребления энергии самим прибором, а также с очень малыми потреблениями энергии при измерениях переменного напряжения.

Электростатические вольтметры пригодны для измерения высоких напряжений постоянного и переменного тока. При таких измерениях не требуется применять специальные измерительные трансформаторы. Схематически внешний вид электростатического вольтметра С – 95 изображен на рисунке 5.

 

Рис. 5

 

Шкала 1 с горизонтальной прорезью 2 для светового указателя расположена наклонно на передней панели прибора. Для установки светового указателя в нулевое положение имеется корректор. Головка которого 3 выведена на боковую сторону прибора. На передней стенке прибора размещена штепсельная колодка 4 для подключения осветителя и переключатель5 этого питания. Зажимы для включения вольтметра в измерительную установку расположены на задней панели.

 

Порядок выполнения работы

1. Источник напряжения, абсолютный электрометр и электростатический вольтметр, подлежащий градуировке, соединяют в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 1;

2. Уравновесит весы в отсутствии электрического поля;

3. Весы арретировать, и на чашку весов положить груз массой 10 мг;

4. Включить источник напряжения и дать прибору прогреться;

5. Снять весы с арретира и постоянно увеличивать напряжение до тех пор, пока стрелка весов не придет в равновесное положение. Следует помнить, что достигаемое равновесие является неустойчивым равновесием;

6. Показания приборов записать в таблицу 1

Таблица 1

 

 

7. Поставить весы на арретир и уменьшить напряжение до нуля;

8. Увеличить груз на чашке весов еще на 10 мг и повторить весь процесс измерений;

9. Такие измерения проводить до тех пор, пока не будет пройдена вся шкала вольтметра. При каждом последующем измерении нагрузка должна увеличиваться на 10 мг.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: