Объясните устройство и принцип действия тангенс гальванометра

МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1-М.

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ

ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА».

Составители:	П.Ю. Третьяков
И.Г. Фатеев

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ

Цель работы:	определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли.
Оборудование:	тангенс-гальванометр, миллиамперметр (предел измерения 40 мА), реостат, источник постоянного тока.

ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА

Земля в первом приближении может быть представлена как огромный шаровой магнит, поэтому в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого приведены на рис.1. Магнитные полюса Земли располагаются вблизи (

300 км) от географических полюсов, но не совпадают с ними. Магнитный полюс Земли, расположенный на севере, называется Южным магнитным полюсом, другой, расположенный на юге, – Северным магнитным полюсом.

Через магнитные полюса проходят магнитные меридианы. Перпендикулярно к ним можно провести линию большого круга – магнитный экватор, параллельно которому будут располагаться линии малых кругов – магнитные параллели. Таким образом, каждой точке на Земле будут соответствовать не только географические, но и магнитные координаты.

В точках Земли, лежащих на магнитных полюсах, напряженность магнитного поля Земли имеет вертикальное направление, а в точках Земли, лежащих на магнитном экваторе, — горизонтальное (например, точка В на рис.1).

В любой другой точке Земли (например, точка А на рис.1) напряженность магнитного поля можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие

= +

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если в данной точке Земли магнитную стрелку свободно подвесить на нити за центр масс так, чтобы она могла свободно поворачиваться и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, то стрелка установится по направлению касательной к силовым линиям магнитного поля Земли в данной точке (вдоль вектора . Рис.2).

Рис.2

В северном полушарии южный конец стрелки будет наклонен к Земле и составит с горизонтом некоторый угол . Угол между направлением напряженности магнитного поля в данной точке и горизонтальной составляющей ее (или горизонтальной плоскостью) называется магнитным наклонением (рис.2 и рис.3). На магнитном экваторе наклонение равно нулю.

магнитная силовая

горизонтальная плоскость

Наклонение бывает северное или южное (северный или южный конец стрелки ниже горизонтальной плоскости). Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана (рис.2). Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS (рис.1).

Так как магнитные полюса не совпадают с географическими, то не совпадают и плоскости магнитного и географического меридианов, проходящих через данную точку земной поверхности. Из-за этого несовпадения магнитная стрелка будет отклонена от географического меридиана на некоторый угол (рис.4). Угол между направлениями географического и магнитного меридианов (т.е. между их плоскостями) называется магнитным склонением

Рис.4

Различают восточное и западное склонение (северный полюс стрелки отклоняется соответственно вправо или влево от географического меридиана).

Магнитный меридиан

Значения углов склонения и наклонения , а также горизонтальной составляющей называются элементамиземного магнетизма. Значения , ,

позволяют определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Все элементы земного магнетизма изменяются с течением времени, т.е. повержены суточным, годовым, вековым и т.п. колебаниям. Кроме того, наблюдаются кратковременные нерегулярные отклонения – так называемые магнитные бури, появление которых связано с деятельностью Солнца, в частности, с числом солнечных пятен.

В данной работе для определения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли используется тангенс-гальванометр.

Тангенс-гальванометр представляет собой большое вертикально поставленное кольцо, на которое намотано несколько десятков витков проволоки. В центре кольца помещается небольшая магнитная стрелка (компас), свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости.

Если кольцо тангенс-гальванометра расположить в плоскости магнитного меридиана, то при отсутствии тока в нем, магнитная стрелка установится в этой же плоскости.

При пропускании тока по виткам кольца вокруг него создается магнитное поле, вектор напряженности которого в центре кольца направлен перпендикулярно к плоскости витков и, следовательно, к вектору .

Таким образом, стрелка будет находиться под воздействием двух взаимно-перпендикулярных магнитных полей: магнитного поля Земли и магнитного поля тока в кольце . Магнитная стрелка устанавливается по направлению равнодействующей , т.е. по диагонали прямоугольника, построенного на векторах и (рис.5).

На основании закона Био-Савара-Лапласа, напряженность магнитного поля, создаваемого в центре кольца с током I определяется по формуле

(1)

Рис.5

где R – радиус кольца; N – число витков проволоки в кольце.

С другой стороны, из рис.5 следует, что

(2)

Приравняв правые части соотношений (1) и (2) можно определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли

(3)

Для данного места Земли и для данного прибора величина

(4)

является постоянной и называется постоянной тангенс-гальванометра. Тогда

(5)

Из выражения (4) следует, что постоянная С численно равна такому току, который, протекая по виткам, вызывает отклонение стрелки на угол 45 o .

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с установкой, схема которой приведена на рис.6.

2. Не включая электрическую цепь, поворотом подставки тангенс-гальванометра установить вертикальную плоскость кольца в плоскости магнитного меридиана (по направлению магнитной стрелки).

3. Включить электрическую цепь и, меняя величину тока реостатом R, добиться поворота стрелки на 45 o , при этом получим значение угла . Показания амперметра I_пр записать в таблицу 1.

4. С помощью переключателя П изменить направление подводимого тока и снова добиться отклонения стрелки на тот же угол 45 o , но в противоположную сторону. Записать значение тока I_обр в таблицу 1 и вычислить среднее значение силы тока

(6)

5. Проверить нулевую установку прибора и повторить измерения (по пунктам 3 и 4) еще 4 раза для того же угла отклонения 45 o . Результаты записать в таблицу 1.

№ п/п

Iпр, А

Iобр, А

Iср, А

, А

Ii ср— , А

(Ii ср— ) 2 , А 2

I, А

Н, А/м

Носр, А/м

6. Вычислить среднее значение силы тока по результатам пяти измерений

7. Используя , =45 о и значение N и R, приведенные в таблице на установке, вычислить по формулам (3) и (4) постоянную тангенс-гальванометра и горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли.

8. Рассчитать погрешность измерения силы тока, используя следующие формулы

,

где – коэффициент Стьюдента; ; d — погрешность миллиамперметра, определяемая классом точности прибора.

9. Рассчитать относительную погрешность горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли по формуле

,

учитывая, что приведено в таблице на установке, а равно половине наименьшего деления шкалы компаса, выраженного в радианах.

10. Рассчитать абсолютную погрешность горизонтальной составляющей напряженности по формуле

.

11. Записать окончательный результат в виде

.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать следующее:

1. Принципиальную схему установки с необходимыми пояснениями.

2. Результаты измерений в виде таблицы.

3. Расчетные формулы, а также примеры расчетов С и H_o.

4. Расчет абсолютной и относительной погрешностей H_o.

1. Дайте определение элементам земного магнетизма.

2. Как устанавливается магнитная стрелка в магнитном поле Земли и тангенс-гальванометра?

3. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа. Как определяется направление векторов или ?

4. Объясните устройство и принцип действия тангенс-гальванометра.

5. Почему измерения выгоднее проводить при угле отклонения =45 o ?

1. Методические указания к лабораторным работам по физике. Магнетизм. (Новиков В.Ф. и др.), ТИИ им. Ленинского комсомола. Тюмень, 1984.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, М.: Наука, 1982. § 40, 42, 47.

3. Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Высшая школа, 1985. § 110,111, 113.

Тангенс-гальванометр представляет собой короткую катушку большого диаметра, точно в центре которой располагается буссоль (компас). Размеры стрелки буссоли должны быть очень малы, что позволяет считать величину магнитного поля тока, действующего на концы стрелки, равной величине поля в центре кругового тока. По этой же причине катушка прибора должна быть как можно короче и как можно большего диаметра. Обмотка катушки представляет собой определённое число N витков медного провода и несколько отводов, сделанных через равное количество витков. Каждый отвод припаивается к отдельному гнезду на панели прибора, рядом с которым указывается соответствующее число витков. Перед началом измерений плоскость катушки тангенс-гальванометра располагают в плоскости магнитного меридиана планеты, после чего по обмотке прибора пропускают электрический ток. В результате стрелка оказывается под воздействием одновременно двух взаимно перпендикулярных полей: горизонтальной составляющей магнитного поля Земли В_г и поля В_I кругового тока катушки тангенс-гальванометра. При этом стрелка буссоли устанавливается вдоль вектора магнитной индукции результирующего поля.

.

. (1)

Если катушка прибора содержит n витков, то индукция магнитного поля тока в центре катушки может быть определена по формуле:

, (2)

где R – радиус катушки тангенс-гальванометра. Таким образом, с учётом (1) и (2), получаем:

. (3)

Относительная погрешность определения величины В_г по формуле (3) определяется суммой:

. (4)

Таким образом, измерения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли целесообразно производить при α = 45°, так как в этом случае, согласно (4), ошибка, связанная с неточностью определения угла α, будет минимальной. При этом выражение (3) упрощается:

. (5)

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9483 — | 7455 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Гальванометр — что измеряет и как работает

Дата распечатки 24.11.2019 20:48

Что такое гальванометр

Гальванометр – это прибор для измерения параметров электроцепи, точнее – минимальных значений I, R и количества электричества (при известной постоянной прибора). Чтобы выяснить, какое действие I используется в гальванометре, нужно остановиться на его комплектации.

Когда нужно либо обнаружить, либо замерить величину I крайне небольших значений, применяют гальванометр, обладающий высокой степенью чувствительности. Помимо прямого измерения, он реагирует присутствие или отсутствие I или U на определенном участке цепи.

Принцип работы гальванометра

Принцип работы прибора основан на преобразовании замеряемого I в механическое движение стрелки, которая и показывает присутствие или отсутствие данного параметра.

На передней панели может отсутствовать так называемая шкала делений. В такой ситуации он используется для визуального отображения наличия или отсутствия тока. Именно потому данные устройства часто используют в качестве нуль-индикатора.

Самый первые приборы были созданы почти два века назад Иоанном Швайггером.

Они представляли собой стрелку, выполненную из магнитного материала (часть от компаса), которая висела на тонкой нити и помещалась в прямоугольную рамку, позднее замененную на катушку с намотанным электрическим проводом. При подаче напряжения U на провод рамки происходило отклонение стрелки. При снятии U она возвращалась в свое исходное положение, совместимое с меридианом места установки всей конструкции.

Подобное устройство изначально получило название «мультипликатор», а впоследствии было признано первым гальванометром (или гальваноскопом).

Большинство современных приборов являются магнитоэлектрическими приборами, конструкция которых практически не отличается от устройства, изобретенного Швайггером. В своей основе они содержат три элемента:

• Рамку с проводом тонкой намотки, удерживаемой специальной пружиной в точке "ноль" (катушка) и установленной на оси в магнитном поле.
• Магнит (постоянный).
• Шкалу (с градуировкой или без).
• Указатель, механически соединенный с катушкой (образует 1 ось вращения).

Все типы имеют практически одинаковый принцип работы, а именно:

• На катушку подается некоторое значение I.
• За счет прохождения I вокруг нее наводится электромагнитное поле, вступающее во взаимодействие с полем постоянного магнита.
• Вызванная взаимодействием полей сила стремится повернуть катушку и установить ее ровно между полюсами магнита.
• Поскольку облегченный указатель механически связан с катушкой, вращение последней также приводит к его перемещению.
• Рассчитав пропорции I, на шкалу наносится градуировка, соответствующая отклонению указателя на то или иное значение I.

Как указывалось выше, шкала либо выполняется без градуировки, либо с условно нанесенными делениями. В таких случаях гальванометр используется как нуль-индикатор.

Типовые конструкции

Все гальванометры по своим конструктивным особенностям могут подразделяться на два основных типа:

• Переносные, используемые для цепей DC. Включают в себя рамку (подвижную), крепится на растяжках, шкалу, указатель (механический или световой).
• Стационарные (зеркальные). Эти приборы не подлежат переноске и требуют в обязательном порядке выравнивания по уровню.

Особенности устройства стационарного гальванометра

Если в переносных подвижная рамка фиксируется при помощи растяжек, то в приборах стационарного типа она закреплена на подвесе.

1 – рамка с обмоткой.
2 – подвес.
3 – зеркало.
4 – безмоментная нить.

При подключении стационарного устройства к отрезку электрической цепи с протекающим током, рамка приходит в движение и начинает поворачиваться. Для того чтобы зафиксировать и измерить данный угол поворота, используется зеркало, на которое посредством специальной лампы подается световой луч.

Основные характеристики гальванометров

Несмотря на простоту устройства подобных приборов, они также имеют основные характеристики и опции, определяющие их действие и чувствительность.

• Одним из основных параметром устройства является постоянная. Ее значение определяется имеющейся длиной между шкалой и зеркалом и считается по стандартному отрезку протяженностью 1 метр. Для переносных данная величина считается ценой деления нанесенной шкалы. Составляет для современных приборов: стационарные — 10-11 А-м/мм, переносные приборы — 10-8 — 10-9 А/дел. Для всех видов приборов допускается погрешность в ±10%.
• Постоянство "нуля" указателя (невозвращение стрелки к точке "ноль" при перемещении от крайнего положения, обозначенного на шкале). По данному параметру они различаются по разрядам постоянства. Данный показатель, имеющий числовое значение, в обязательном порядке указывается на шкале и наносится в виде ромбовидного штампа.
• Наличие магнитного шунта. Его положение возможно изменять посредством поворота внешней ручки, что приводит к изменению: магнитной индукции в зазоре и постоянной гальванометра (по I в три раза). Таким образом, во всей технической документации, а также в паспорте прибора всегда указываются значения постоянной при 2 положениях шунта: в выведенном состоянии, в введенном состоянии.
• Наличие корректора. Посредством его можно осуществлять перемещение стрелки (указателя) из одного крайнего состояния в другое.
• Наличие арретира. Все статические устройства с подвесом оснащаются им в обязательном порядке, так как он позволяет жестко зафиксировать подвижную часть устройства. Это помогает предотвратить его повреждение при перемещении.
• Наличие электростатического экранирования. Устанавливается в целях защиты прибора от I утечки.

Поскольку в них присутствует подвижная составляющая, ее движение и колебание пропорциональны успокоению, которое можно регулировать посредством подбора внешнего R. В паспорте изделия всегда указывается максимально допустимое внешнее R (критическое). На практике реальное R стараются подобрать как можно ближе к R критическому по значению. Это исключает возможность возникновения колебаний указателя вокруг положения равновесия.

Виды существующих гальванометров

Все имеющиеся приборы можно разделить на несколько основных видов в зависимости от их конструктивного исполнения.

Магнитоэлектрический

Как уже упоминалось выше, по конструктивному исполнению он представляет собой рамку прямоугольной формы с намоткой тонким проводом, помещенную в поле действия магнита (постоянного).

В роли удерживающего устройства используется пружина, которая достаточно жестко фиксирует своеобразную катушку (рамку) в нейтральном (нулевом) положении.

При подаче напряжения через провод начинает протекать I, в результате чего происходит отклонение рамки на фиксированный угол, определяющийся следующими параметрами:

• Значения I.
• Индукции магнитного поля.
• Коэффициента жесткости (пружины).

По отклонению указывающего элемента и определяют значение протекающего I. Данные механизмы достаточно популярны, так как отличаются большим коэффициентом чувствительности.

Электромагнитный

Считаясь наиболее простым по своей конструкции среди аналогичных, электромагнитный прибор включает:

• Катушку (неподвижную).
• Сердечник (подвижный).

При подаче I на провод катушки сердечник начинает поворачиваться или втягиваться в нее и, соответственно, сдвигает указатель на шкале.

Подобный вид активно используется для измерения малых величин I AC, однако его погрешность достаточно велика. Это связано с нелинейностью шкалы, что приводит к значительным трудностям при его градуировке.

Тангенциальный

Основным устройством, используемым в данном типе, является обычный компас.

Благодаря ему прибор сравнивает два вида поля (магнитных):

Сам гальванометр работает по принципу тангенциального закона магнетизма (угол наклона стрелки магнита (тангенс) пропорционален отношению магнитных полей, направленных под углом 90 друг к другу).

В нем также имеется катушка с медной обмоткой, выполненная в виде рамки. При подаче I рамка, которая располагается строго вертикально, начинает проворачиваться вокруг своей центральной оси.

В самом центре на градуированной шкале расположен компас, на стрелке которого закреплен алюминиевый указатель, при этом он должен совпадать с плоскостью обмотки. При подаче электрического I он наводит магнитное поле на оси соленоида, располагающееся строго перпендикулярно магнитному полю Земли. Под действием двух полей указатель компаса начинает двигаться и поворачиваться на угол, который и равен тангенсу соотношения поля Земли и наведенного I. В пропорции этого отклонения и градуируется шкала.

Электродинамический

В приборе имеются катушки, выполняющие одновременно роль как подвижных, так и статических элементов.

Принцип его действия базируется на воздействии стального магнита на проводник с I. Если тонкий натянутый провод расположить вертикально, а вблизи его середины разместить стальной магнит, то при подаче электрического тока на проводник будет наблюдаться его отклонение даже при незначительной величине I.

На основании подобного закона и были созданы так называемые струнные устройства, которые в настоящее время нашли широкое применение в лабораторной технике.

Зеркальный

Относится к наиболее чувствительным, точным и быстрым из всех представленных видов приборов.

Состоит из зеркала, на которое подается световой луч. Само измерение производится за счет угла поворота рамки с намотанной на нее обмоткой. С учетом того, что поворот рамки достаточно мал, посредством оптического эффекта, создаваемого световым лучом, можно получить отражение от зеркала падающего луча на специальную градуированную шкалу.

Если при подаче I рамка разворачивается на угол, сам луч уже образует угол 2, а световое пятно смещается на определенное количество делений (на шкале). То есть, прибор настраивается так, что угол поворота самой рамки оказывается прямо пропорциональным числу делений.

Вибрационный

Данное устройство отличается малыми габаритами и применяется, как правило, в качестве нуль-индикатора. Подобные типы бывают двух видов:

Все они оснащены петлей или рамкой, находящейся в сильном магнитном поле и настраиваются посредством натяжения удерживающей пружины. Отличительной особенностью данных устройств является очень высокая чувствительность, позволяющая измерять минимальные значения I.

Тепловой

Включает в себя два основных элемента:

• Проводника, на который подается I.
• Рычажной системы.

При подаче электрического тока за счет своего материала проводник начинает удлиняться, а рычажная система преобразует изменение в движение указателя, с которым она связана механически.

Апериодический

Данный вид прибора отличает то, что указатель на шкале все время возвращается в свое первоначальное, исходное положения после каждого проведения измерений без каких-либо колебаний.

Баллистический

Чтобы измерить количество электричества (потокосцепления) в импульсах I, применяют баллистические гальванометры.

Отличительной особенностью в них является то, что подвижная часть устройства имеют больший момент инерции. Это означает, что время импульса I должно быть в разы меньше, чем Т колебаний рамки.

Применение гальванометров

Гальванометр применяется не только как самостоятельный прибор, показывающий малые значения, I, U или выполняющего роль нуль-индикатора, но и также как основной блок многих других измерительных приборов. Ниже будет подробно рассказано о каждом из таких вариантов использования.

1. Как амперметр или вольтметр, а именно:

• подключение сопротивления (шунтирующего) в параллель с устройством позволяет измерять ток (амперметр);
• включение R (добавочного) последовательно к устройству дает возможность измерять напряжение (вольтметр).

Таким образом, даже при отсутствии подключенного сопротивления прибор может выполнять как функцию амперметра, так и вольтметра в зависимости от подключения его к интересующему участку цепи.

2. Как термометр или экспонометр:

• при подключении фотодиода используется как экспонометр;
• при соединении с датчиком температуры (термоэлементом) будет выполнять функции своеобразного термометра.

3. Как измеритель заряда.

Для данной цели применяют баллистический гальванометр. Он позволяет измерить одиночный импульс заряда, так как после его протекания через прибор происходит резкий отброс внутренней рамки.

4. Как индикатор нуля.

При имеющемся положении стрелки на "нуле" на градуированной шкале, устройство применяется в качестве нуль-индикатора и показывает отсутствие электрического параметра при подключении к участку цепи.

5. Для записи различных сигналов в осциллографе.

За счет своего конструктивного исполнения гальванометр в осциллографе подключается напрямую к пишущему устройству (писчику). При подаче какого-либо импульса прибор реагирует на него и приводит в движение писчик, которые отображает определенные колебания на бумаге. При этом, в данных ситуациях используются различные типы приборов:

• С большим усилием, способные передвигать писчик по бумаге.
• С малым. Это подойдет для тех вариантов использования, когда требуется лишь периодический и кратковременный контакт пишущего устройства с бумагой.

6. Для осуществления оптической развертки в системах лазерной оптики (зеркальные).

В настоящее время аналоговые приборы постепенно уступают место современным устройствам, работающим на основе цифровых технологий. Единственными типами гальванометров, востребованными и сегодня, являются зеркальные устройства, которые применяются в качестве одной из составляющей установки в лазерной технологии, так как способны производить отклонение луча лазера.