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.

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 согласно

Рис. 6.1

закону Ампера (6.4) имеем

F = k B I l₁, (6.5)

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 M₁ = k B I l₁ l₂ / 2, 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

M = k B I l₁ l₂ = k B I S , (6.6)

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 (6.5) можно записать в векторной форме:

, (6.7)

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

Используя закон Ампера, нетрудно показать, что формула (6.7) 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, (6.8)

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 (6.6) и (6.8), равенству

C j = k B I S . (6.9)

Из формулы (6.9) следует, что угол поворота рамки пропорционален току в ней. Поэтому шкала прибора магнитоэлектрической системы равномерная.

По формуле (6.9) индукция магнитного поля в зазоре

, (6.10)

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 А - амперметр магнито­элект­ри­ческой си­сте­мы, шкала кото­рого програ­дуирована в градусах для измерения магнитной инду­кции в зазоре прибора; А₁ – амперметр для измерения силы тока в цепи.

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

2.3. Результаты измерений занести в табл. 1. По формуле (6.10) для каждой пары I и j определить B_i и < B>. Необходимые данные о приборе А взять из табл. 2.

Таблица 1

№ n/n	I , А	j , град	Bi , Tл.	|<B> - Bi |	|<B> - Bi |2
× ××
S
< >

Таблица 2

№ n/n	Инвентарный номер прибора	С,10-8 Н×м/град	S , 10-6 м2	k

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