Конструкция электроизмерительного прибора.

Берут лёгкую алюминиевую рамку 2 прямоугольной формы, наматывают на неё катушку из тонкого провода. Рамку крепят на двух полуосях О и О', к которым прикреплена также стрелка прибора 4. Ось удерживается двумя тонкими спиральными пружинами 3. Силы упругости пружин, возвращающие рамку к положению равновесия в отсутствие тока, подобраны такими, чтобы были пропорциональными углу отклонения стрелки от положения равновесия. Катушку помещают между полюсами постоянного магнита М с наконечниками формы полого цилиндра. Внутри катушки располагают цилиндр 1 из мягкого железа. Такая конструкция обеспечивает радиальное направление линий магнитной индукции в области нахождения витков катушки (см рисунок). В результате при любом положении катушки силы, действующие на неё со стороны магнитного поля, максимальны и при неизменной силе тока постоянны. Векторы F и -F изображают силы, действующие на катушку состороны магнитного поля и поворачивающие её. Катушка с током будет поворачиваться до тех пор, пока силы упругости пружины не уравновесят силы Ампера, действующие на все витки катушки со стороны магнитного поля постоянного магнита.

Схема, показывающая механизм действия силы Ампера в приборе:

Увеличивая силу тока в рамке в 2 раза можно заметить, что рамка повернётся на угол, вдвое больший. Силы, действующие на рамку с током прямо пропорциональны силе тока, то есть можно, проградуировав прибор, измерять силу тока в рамке. Точно так же можно прибор настроить на измерение напряжения в цепи, если проградуировать шкалу в вольтах, причём сопротивление рамки с током должно быть выбрано очень большим по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором измеряем напряжение, так как вольтметр подсоединяют параллельно к потребителю тока и вольтметр не должен отводить большой ток, чтобы не нарушить условия прохождения тока по потребителю тока и не исказить показания напряжения на изучаемом участке электрической цепи.

α~I и α~U т.е. можно измерять и напряжение.

Всякий электроизмерительный прибор имеет успокоительную систему, назначение которой – уменьшить время колебания подвижной системы и указателя прибора при его работе.

У электромагнитных приборов функцию успокоителя выполняет рамка подвижной системы.

Постоянный магнит измерительного прибора изготавливается из специальных сплавов, имеющих большую величину остаточной магнитной индукции. Т.к. магнит создает сильное поле, то даже при небольших токах в обмотке возникает значительно вращающий момент, достаточный для его поворота.

Следовательно, прибор магнитоэлектрической системы отличают высокой чувствительностью и часто используют в качестве mV и mA.

К достоинствам магнитоэлектрических приборов можно отнести равномерность шкалы и малое потребление энергии.

Недостатки: чувствительность к перегрузкам. При включении прибора в сеть необходимо соблюдать полярность, обозначенную на его выходах.

Приборы электромагнитной системы

Приборы электромагнитной системы (рисунок2) работают по принципу взаимодействия стального сердечника с магнитным полем обмотки, по виткам которой течет ток. Неподвижно закрепленная на основании прибора плоская катушка I имеет обмотку из изолированного провода. Против отверстия катушки расположен стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка и укрепленный на оси 3, связанный с указателем 6. противодействующий момент создается пружиной 4. Когда по обмотке течет ток, стальной сердечник подвижной системы намагничивается и вытягивается в катушку. Чем больше ток в обмотке, тем больше угол поворота подвижной системы.

Приборы электромагнитной системы могут работать как в цепи постоянного тока, так и в цепи переменного. Успокоители подвижной системы выполняются чаще всего из алюминиевого сектора 5, перемещающегося на небольшом расстоянии возле постоянных магнитов 6. Когда подвижная система поворачи вается, в секторе возникают вихревые токи, препятствующие его движению

Рисунок 2

Приборы электромагнитной системы имеют неравномерную шкалу, в начале шкалы расстояние между делениями меньше, чем не среднем участке. У некоторых приборов одно из начальных делений шкалы отмечено точкой. Это означает, что начиная с данного деления прибор дает показания, соответствующие его классу точности.

Вращающий момент пропорционален квадрату тока, т.е. магнитные поля катушки и сердечника создаются одним и тем же измеряемым током, протекающим по катушке

α~I² и α~U²

Последнее выражение показывает, что угол отклонения стрелки пропорционален квадрату тока и напряжения. Шкала прибора квадратичная, сжатая вначале. Т.к. стальной сердечник обладает остаточной магнитной индукцией, приборы электромагнитной системы имеют более низкий класс точности, чем приборы магнитоэлектрические.

К достоинствам приборов электромагнитной системы можно отнести их простоту, надежность, устойчивость к перегрузкам, возможность использовать в цепях переменного и постоянного токов.

Недостатками являются неравномерность шкалы, большая потребляемая мощность, влияние внешних магнитных полей на точность показаний.

2 Задача

Луч света падает на поверхность воды под углом 40°. Под каким углом должен упасть луч на поверхность стекла, чтобы угол преломления оказался тем же, что и в первом случае?

Дано: ∠α= 40°; nводы = 1,33; ncт= 1,6; ∠β1 = ‹β2; ∠α2 _- ?

Решение:

Среда 1 – вода : n₁ = sinα₁ / sinβ₁

Среда 2 – стекло : n₂ = sinα₂ / sinβ₂

По условию задачи ∠β₁ = ∠β₂ , значит , sin β₁₌ sin β_2. Из первой формулы : sin β₁ = sinα₁/n₁

Аналогично sinβ₂= sinα₂/n₂

Приравнивая оба выражения, получаем : sinα₁/n₁ = sinα₂/n₂

Отсюда находим : sin α₂ =n₂× sinα₁/n₁; sinα₂ = 1,6×sin40° / 1,33 = 0,77

По таблице синусов находим : ∠α= 50°.

Ответ: ∠α= 50°.

Билет №29

1 Переменный электрический ток и его параметры. Модель генератора переменного тока.

Современная электротехника почти полностью построена на применении переменного тока. Широкое использование переменного тока объясняется рядом преимуществ:

- возможность сравнительно просто с помощью трансформаторов получать различные значения напряжения переменного тока;

- эффективность непосредственного применения переменного тока высокой частоты в целом ряде технологических процессов (индукционная закалка металлов, сушка древесины и т.д.);

- относительная простота решения проблемы передачи электроэнергии на большие расстояния.

Переменным называется ток, периодически изменяющий свое направление и величину, причем среднее значение этого тока за период равно нулю. На рисунке 1 видно, что через определенный промежуток времени Т, называемый периодом изменения тока повторяются.

i

t

T

Рисунок 1 – Период переменного тока

Переменный ток

Как мы уже знаем, электрический ток бывает постоянным и переменным. Но широко применяется только переменный ток. Это обусловлено тем, что напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически без потерь энергии. Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явлений электромагнитной индукции. На рис. 8 изображена примитивная установка для выработки переменного тока.

Рис. 8. Простейшая установка для выработки переменного электрического тока

Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной скоростью. Своими концами рамка закреплена на кольцах, вращающихся вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, выполняющие роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток, но поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В связи с этим в рамке возникнет ЭДС индукции. Для того чтобы определить, изменяется ли магнитный поток, проходящий по поверхности рамки, нужно всего лишь сравнить положение рамки в определенные периоды времени. Для этого нужно внимательно посмотреть на рис. 9.

Рис. 9. Изменения положения рамки в разные периоды времени

Точкой отсчета будет положение рамки, показанное на рис. 9, а. В этот момент плоскость рамки перпендикулярна к магнитным линиям, и магнитный поток будет иметь максимальное значение. Параллельно магнитным линиям рамка встанет через четверть периода. Магнитный поток при этом станет равным нулю, потому что ни одна магнитная линия не проходит через поверхность рамки. Чтобы определить ЭДС индукции, нужно знать не величину потока, а скорость его изменения. В точке отсчета ЭДС индукции равна нулю, а в третьем (рис. 9, в) — максимальному значению. Исходя из положений рамки, можно увидеть, что ЭДС индукции меняет и значение, и знак. Таким образом, она является переменной (см. график на рис. 9).

Если рамка имеет только активное сопротивление, то ток, который возникает в контуре под действием ЭДС индукции, с течением времени будет меняться, как и сама ЭДС. Такой ток называется переменным синусоидальным током. Периодом переменного тока называется отрезок времени, в течение которого ток выполняет одно полное колебание (эту единицу обозначают буквой Т). Число полных колебаний за 1 с называется частотой тока и обозначается буквой f. Частота измеряется в герцах (Гц). В промышленности и быту большинства стран используют переменный ток с частотой 50 Гц.

Длительность периода измеряется в секундах. Число периодов в секунду называется частотой, следовательно, частота f=1/T. Частота измеряется в Герцах (Гц)=1Гц=1/с. Частота тока в электроэнергетических установках стандартизирована. В энергосистемах Росси и многих других стран промышленная частота ЭДС (тока) равна 50 Гц .

В электрооборудовании промышленной техники (в том числе и боевой) для уменьшения веса оборудования и получения высоких частот вращения электродвигателей применяются источники повышенной частоты (400, 500, 800Гц).

Значение переменной электрической величины в какой-нибудь момент времени называется, мгновенным значением и ее обозначают малыми буквами i, u, e .

ω=2πf, где f- угловая частота.

Наибольшее из мгновенных значений ЭДС, напряжение, тока имеющее место в течение периода, называется амплитудным (Еm, Um, Im).

Для расчета цепей переменного тока пользуются понятием действующего значения переменного тока (Е, U).

Действующее значение переменного тока равно значению такого эквивалентного постоянного тока, который, проходя через то же сопротивление, что и переменный ток, выделяет в нем за период переменного тока тоже количество тепла.

Действующее значение обозначают прописными буквами, то есть ток I, напряжение U, ЭДС – Е. На шкалах измерительных приборов наносят действующие значения.

2, аналогично U=Um/√2, E=Em/√2,

Стадии измерения переменной величины называют ФАЗОЙ.

е₁ = Е_msin · (ωt+ψ₁)

е₂ = Е_msin · (ωt+ψ₂)

В этих выражениях угол (ωt + ψ) называется фазным углом или фазой. Углы ψ₁ и ψ₂, определяющие значение ЭДС в начальный момент времени (t = 0), называются начальными фазами.

Разность начальных фаз двух синусоидальных величин называется углом сдвига фаз или сдвигом фаз (рисунок 2)

φ = ψ₁ - ψ₂

e₁ e₂

T

Ψ₂

Ψ₁

φ

Рисунок 2 - Временная диаграмма е₁ и е₂

Величина, у которой начало периода наступает раньше, чем у другой, считается опережающей, в та у которой начало периода, наступает позже отстающей по фазе (рисунок 2). На рисунке2 е₁ опережает е₂. А при совпадении фаз у двух синусоидальных величин φ = ψ₁ - ψ₂=0.

Векторное изображение синусоидальных величин

При расчете электрических цепей переменного тока пользуются простым способом графического изображения синусоидальных величин с помощью векторов.

Длина вектора в определенном масштабе равна значению амплитуды, или действующего значения переменной величины. Угол между вектором и положительным направлением оси абсцисс в начальный момент равен начальной фазе.

2 Задача

Газ находится в сосуде под давлением 2.5 ×10⁴ Па. При сообщении газу 1,25 × 10⁵ Дж теплоты он изобарно расширился , и его объем увеличился на 2 м³. На сколько изменилась его внутренняя энергия?

Дано: р. = 2.5 ×104 Па.=const; Q= 1,25 × 105 Дж; ∆V = 2м3

Решение: Согласно первому закону термодинамики для изобарного процесса (р = const): Q= ∆V+ A'. Отсюда : ∆U= Q- A'. Находим работу газа : A' = р × ∆V Тогда: ∆U= 1,25 × 105 - 2.5 ×104 = 7,5 × 104(Дж) Ответ: ∆U= 7,5 × 104(Дж)

Билет №30

1 Переменный электрический ток. Конденсатор в цепи переменного тока.

Переменным называется ток, периодически изменяющий свое направление и величину, причем среднее значение этого тока за период равно нулю. На рисунке 1 видно, что через определенный промежуток времени Т, называемый периодом изменения тока повторяются.

i

t

T

Рисунок 1 – Период переменного тока