Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы

Устройство прибора магнитоэлектрической системы, который может служить для измерения тока, напряжения и т.п. показано на рис. 6.1. Полюсные наконечники постоянного магнита имеют цилиндрическую расточку, в которой по оси установлен стальной сердечник. Между полюсами и сердечником образуется зазор с радиальным магнитным полем, индукция которого одинакова по величине во всех точках зазора (рис. 6.2). Рамка (см. рис. 6.1), укрепленная на оси, может вращаться в межполюсном зазоре. При вращении две ее стороны (на рис. 6.2 они перпендикулярны) постоянно пересекают радиальное магнитное поле в зазоре.

Рис. 6.1

Для уменьшения трения ось рамки оканчивается стальными кернами, опирающимися на подпятники, изготовленные из агата, рубина или корунда. С осью жестко связана стрелка прибора. При включении прибора в электрическую цепь ток проходит по виткам рамки. При этом на каждую сторону рамки, расположенную в магнитном поле зазора, действует сила . С учетом числа витков рамки k согласнозакону Ампера имеем

F = k B I l₁, (6.1)

здесь B ‒ величина магнитной индукции в зазоре; I ‒ сила тока в рамке; l₁ ‒ длина той стороны рамки, которая расположена в зазоре; направление силы F определяется правилом ”левой руки”. Каждая из сил создает вращающий момент рамки, равный , где l₂ - длина стороны рамки, не помещенной в зазор.

Направление вектора ₁ можно определить по правилу ”правого винта”: если вращать винт так, как вращает рамку приложенная сила, то поступательное движение винта указывает направление вектора . На рис. 6.2 направлен по оси вращения рамки к нам и обозначен точкой.

Момент пары сил, приложенных к рамке

, (6.2)

где S – площадь рамки, l₂– длина второй стороны рамки.

Величину k I S обозначают P_m и называют магнитным моментомрамки. Эту величину вводят как вектор и направляют по положительной нормали к рамке с током. Следовательно, , где - единичный вектор вдоль положительной нормали к рамке.

С введением вектора P_m выражение (6.2) можно записать в векторной форме:

, (6.3)

здесь ‒ магнитная индукция в тех местах зазора, где расположена рамка.

Используя закон Ампера, нетрудно показать, что формула (6.3) справедлива также в случае, когда рамка с током расположена в однородном магнитном поле с индукцией .

При изменении направления тока в рамке направление каждой из сил изменится на противоположное, и, следовательно, стрелка будет отклоняться в другую сторону от положения равновесия. Поэтому магнитоэлектрический измерительный механизм пригоден только в цепях постоянного тока.

Для компенсации момента служат пружины, скрепленные одним концом с осью рамки. При повороте рамки пружины создают момент сил упругости, пропорциональный углу поворота рамки j

N = C j, (6.4)

здесь C - жесткость пружины. Момент всегда направлен противоположно вращающему моменту .

Пока угол поворота j мал (| |>| |), рамка продолжает вращаться под действием результирующего момента M ‒ N. При этом угол j увеличивается и вместе с ним увеличивается и N. Это происходит до тех пор, пока момент сил упругости пружин N не станет равным вращающему моменту M. Следовательно, угол, соответствующий установившемуся положению равновесия рамки, будет удовлетворять, согласно (6.2) и (6.4), равенству

C j = k B I S . (6.5)

Из формулы (6.5) следует, что угол поворота рамки пропорционален току в ней. Поэтому шкала прибора магнитоэлектрической системы равномерная.

По формуле (6.5) индукция магнитного поля в зазоре

, (6.6)

что позволяет определить ее опытным путем, если измерить каким-либо образом величины C, j, k, S .

Порядок выполнения работы

1.Изучить принцип действия прибора магнито­электрической системы.

2. Определить индук­цию магнитного поля в межполюсном зазоре прибора магнитоэлектрической систе­мы.

2.1. Собрать элек­три­ческую схему (рис.6.3), где А₁ - амперметр магнито­элект­ри­ческой си­сте­мы, шкала кото­рого програ­дуирована в градусах для измерения магнитной инду­кции в зазоре прибора; А₂ – амперметр для измерения силы тока в цепи.

2.2. Изменяя ток с помощью реостатов R₁ и R₂, снять 7-10 показаний приборов А₁ и А₂. При этом показания прибора А₁ должны быть сняты в пределах всей шкалы, т.е. от 0 до 90°.

2.3. Результаты измерений занести в табл. 1. По формуле (6.6) для каждой пары I и j определить B_i затем < B>. Необходимые данные о приборе А₁ взять из табл. 2.

Таблица 1

№ п/п	I , А	j , град	Bi , Tл.	|<B> - Bi |	|<B> - Bi |2
…
Сумма
Среднее значение

Таблица 2

№№ п.п.	Инвентарный номер прибора	С∙108, Н×м/град	S∙106, м2	k
	078 426
	179 251
	241 392
	054 851
	033 077
	214 273
	016 776
	074 495
	093 837
	063 121
	085 207
	103 059
	007 636
	096 794
	162 950
	411 841

2.4. Вычислить полуширину доверительного интервала:

и результат записать в виде

B = <B> ± D B, a = . . . ,

3. Построить график зависимости j = f (I). Анализируя график, сделать выводы относительно шкалы прибора и индукции магнитного поля в межполюсном зазоре прибора.

Контрольные вопросы

1. Чем создается и как обнаруживается магнитное поле?

2. Как направлен вектор индукции магнитного поля?

3. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле (закон Ампера).

4. Величина индукции магнитного поля (физический смысл индукции магнитного поля), единицы ее измерения в СИ.

5. Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы.

6. Вывод расчетной формулы для определения магнитного поля в воздушном зазоре прибора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7