Электричество и магнетизм

ОБЩИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Ставрополь 2005

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся по специальности 010400  «физика»

Ставрополь 2005

Общий физический практикум. Электричество и магнетизм. – Ставрополь: Изд-во СГУ, 2005.

Практикум содержит 15 лабораторных работ, основные теоретические сведения и практические указания, необходимые для самостоятельной подготовки к лабораторным занятиям по электричеству и магнетизму.

Практикум предназначен для студентов физико-математических факультетов университетов.

Составители: доктор физ.-мат. наук, проф. Диканский Ю.И.

канд. физ.-мат. наук доцент  Беджанян М.А.

ст. преподаватель Вронская В.И.

ассистент Федина О.В.

Рецензент:  доктор физ.-мат. наук, проф. Каплан Л. Г.

Содержание

Введение                                                                                                         4

Техника безопасности при работе с электрическими схемами.               6

Рекомендуемая литература                                                                           7

Лабораторная работа №1. Изучение электроизмерительных приборов. Измерение сопротивлений.                                                                                     8

Лабораторная работа №2. Изучение электронного осциллографа.               18

Лабораторная работа №3. Изучение электростатического поля.         28

Лабораторная работа №4. Изучение электростатической индукции.    34

Лабораторная работа №5. Определение емкости конденсатора по изучению его разряда.                                                                                           46

Лабораторная работа №6  Изучение температурной зависимости сопротивления проводников и полупроводников.                                             54

Лабораторная работа №7. Изучение термоэлектронной эмиссии.        64

Лабораторная работа №8. Изучение электропроводности жидкости.  72

Лабораторная работа №9. Изучение электрических свойств сегнетоэлектрических кристаллов.                                                                      82

Лабораторная работа №10. Изучение магнитных полей.                        93

Лабораторная работа №11. Определение удельного заряда электрона различными методами.                                                                                        102

Лабораторная работа №12. Получение кривой намагничивания и петли гистерезиса с помощью осциллографа.                                                             118

Лабораторная работа №13. Доменная структура ферромагнетика.    127

Лабораторная работа №14. Изучение цепи переменного тока.            139

Лабораторная работа №15. Изучение затухающих колебаний.           146

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее  методическое пособие предназначено для студентов физико-математического факультета университетов и соответствует программе курса «Общий физический практикум». Физический практикум призван помочь студентам глубже осознать основные физические закономерности и приобрести элементарные навыки экспериментирования. Целью практикума также является изучение основных закономерностей процессов и оценка порядков изучаемых величин, точности и достоверности полученных результатов. Практикум является введением в дальнейшую самостоятельную работу студентов.

В настоящее время лабораторные работы по физике немыслимы без применения современного дорогостоящего оборудования. Так как невозможно обеспечить проведение занятий фронтальным методом, поэтому неизбежно опережение лабораторных занятий по сравнению с теоретическим курсом. В связи с этим в каждой лабораторной работе помещен теоретический материал, содержащий описание физического явления и выводы основных соотношений, необходимых для воспроизведения эксперимента. Однако объем сведений, изложенных в теоретической части, недостаточен для подготовки к выполнению и защите лабораторной работы, поэтому студент должен проработать соответствующие разделы рекомендуемой литературы, список которой приведен ниже.

 Практикум состоит из 15 лабораторных работ. В каждой работе   описаны цели, идея эксперимента, теоретическая часть, экспериментальная установка, проведение эксперимента. 

Студент допускается к выполнению лабораторной работы при наличии тетради с кратким содержанием работы, рабочей схемы и таблиц для записи полученных в эксперименте величин, а также студент должен показать знания теории по данной работе и методике проведения эксперимента.

Для получения зачета студенту необходимо представить отчет, содержащий описание  электроизмерительных приборов, таблицы с результатами измерений и вычислений, расчет измеряемых величин, графики полученных зависимостей, расчет погрешности. Также необходимо пройти собеседование с преподавателем по результатам работы.

Техника безопасности при работе с электрическими схемами

В лабораториях электричества и магнетизма необходимо строго соблюдать правила техники безопасности при работе с электрическими схемами:

1.                 Во время работы нужно быть внимательным в обращении с приборами. Прежде, чем пользоваться прибором, необходимо изучить его устройство и правила пользования им. О неисправности приборов необходимо сообщить преподавателю или  лаборанту.

2.                 Собранную электрическую схему не подключать к источнику тока до ее проверки преподавателем или лаборантом.

3.                 Не производить переключений в схеме, находящейся под напряжением.

4.                 Не оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением.

5.                 Не прикасаться к неизолированным частям схемы.

6.                 При обнаружении нагревания отдельных частей электрической схемы и, тем более, при появлении запаха гари, источник тока немедленно следует отключить и поставить об этом в известность преподавателя.

7.                 После проведения измерений источник тока отключить.

8.                 После проведения расчетов и  просмотра полученных результатов преподавателем, цепь разобрать, рабочее место привести в порядок.

Рекомендуемая литература

1.                 Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

2.                 Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.

3.                 Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.

4.                 Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

5.                 Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

6.                 Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. –М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001

7.                 Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.

8.                 Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм – М.: Наука, 1971.

9.                 Физический практикум. Электричество. Под редакцией В.И. Ивероновой. – М.: Наука, 1968.

10.            Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа, 1971.

11.            Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965.

12.            Буравихин В.А., Шелковников В.Н., Карабанова В.П. Практикум по магнетизму. – М.: Высшая школа, 1979.

13.            Руководство к лабораторным занятиям по физике. Под редакцией Л.Л. Гольдина, - М.: Наука, 1983.

14.            Справочник по электро-измерительным приборам. Под ред. К.К. Илюнина-Л.: Энергоатомиздат, 1983г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ.

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Цель работы

Изучить устройство амперметра и вольтметра, осво­ить метод измерения сопротивления с помощью амперметра и вольт­метра.

Идея эксперимента

Определение неизвестного сопротивления с помощью амперметра и

вольтметра основано на использовании закона Ома для участка цепи. Электрическая цепь для измерения сопротивления может быть собра­на по одной из схем, которые  разли­чаются способом включения вольтметра.

Рассмотрим  схему для измерения  Rx. Через амперметр и резистор Rx  течет один и тот же ток. Погреш­ность измерения тока определяется классом  точности  амперметра. Схема не вносит дополнительных погрешностей при измерении  тока. Вольтметр показывает  напряжение на последовательно  соединённых резисторе и амперметре, т.е. показания вольтметра

U = UR + UA.                                                          (1)

Сопротивление резистора по показаниям приборов    Rx´ = U/I.

В действительности, сопротивление резистора Rх равно отношению напряжения на этом резисторе  UR  к силе тока. Из формулы (1) следует, что

                                      UR =U  - UA          ,

тогда                                      (2)

что, кроме того, следует из факта последовательного соединения измеряемого сопротивления и амперметра R´х = Rх+ RA. Сопротив­ление амперметра в этом случае совпадает с абсолютной ошибкой, вносимой измерительной схемой:

ΔRx= Rx´.- Rx =  RA                                            (3)

Систематическая относительная погрешность измерения сопротивления в этом случае равна

                                                   (4)

Чем больше сопротивление резистора по сравнению с сопротивле­нием амперметра, тем меньше относительная ошибка измерения. Сле­довательно, эта схема может быть использована при измерении  бо­льших сопротивлений, когда   Rx >>RA.

Рассмотрим схему  на рис. 2. Эта схема не  вносит дополнительной ошибки при измерении напряжения. Амперметр же определяет суммар­ный ток, текущий через резистор IR и вольтметр IB.

                                      I= IR +IB                                                                   (5)

Сопротивление по показаниям приборов  Rx´ = U/ I .  В действи­тельности, сопротивление резистора равно  отношению напряжения на нем к току IR, текущему через резистор  Rx = U/IR. Определяя IR  из формулы (5), получим:

                                          (6)

Абсолютная погрешность, вносимая схемой

                            (7)

Систематическая относительная ошибка в определении сопротивления без учёта тока, проходящего по вольтметру, равна

                                                (8)

Из формулы (8) следует, что относительная погрешность при изме­рении по схеме рис. 2  тем меньше, чем меньше измеряемое сопроти­вление по сравнению с сопротивлением вольтметра. Следовательно, эта схема может быть  использована при измерении  малых сопротив­лений, когда      Rх << RВ .

Теоретическая часть

Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительную аппаратуру и приборы можно классифициро­вать по ряду признаков.

По назначению: приборы для измерения напряжения - вольтметры, милливольтметры; для измерения силы тока - амперметры, миллиам­перметры, микроамперметры; для измерения электрической  мощности - ваттметры; сопротивления - омметры и т. д.

По принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические, тепловые, индукционные, электронные, вибрационные, самопищущие, цифровые и т.д. Систему прибора можно  определить  по условным обозначениям, которые наносятся на лицевую сторону прибора.

Магнитоэлектрическая система.

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Применяя различные преобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы можно использовать также для электрических измерений в цепях переменного тока высокой частоты и для измерения неэлектрических величин (температуры, давлений, перемещений и т.д.) Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток.

Электромагнитная система

Приборы электромагнитной системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепи переменного и постоянного тока. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки,  по которой протекает измеряемый ток и подвижного железного сердечника.

Электродинамическая система

Электродинамические измерительные приборы предназначены для измерения тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного токов. Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии катушек, по которым протекает измеряемый ток.

Тепловая система

Принцип действия приборов тепловой системы основан на изменении длины проводника, по которому протекает ток вследствие его нагревания.

Индукционная система        

Устройство приборов индукционной системы основано на взаимодействии токов, индуцируемых  в подвижной части прибора с магнитными потоками неподвижных электромагнитов.

Вибрационная система

Устройство приборов этой системы основано на резонансе при совпадении частот собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока.

Электростатическая система

Устройство приборов электростатической системы основано на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных проводников. Под действием сил электрического поля подвижные проводники перемещаются относительно неподвижных проводников.

Термоэлектрическая система

Эта система характеризуется применением одной или нескольких термопар, дающих под влиянием тепла, выделяемого измеряемым током, постоянный ток в измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Приборы термоэлектрической системы, в основном, применяются для измерения переменных токов высокой частоты.

Детекторная (выпрямительная) система

Устройство приборов основано на том, что переменный ток выпрямляется с помощью выпрямителя, вмонтированного в прибор. Полученный пульсирующий постоянный ток измеряется с помощью чувствительного прибора магнитоэлектрической системы.

Самопищущие приборы

Эти приборы осуществляют графическую запись с нормированной погрешностью значений одной или более измеряемых величин как функции другой переменной (например, времени) величины.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16