Результаты Измерения Силы Тока в Резисторе
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
В школьном курсе физики при изучении раздела «Электричество» в ходе выполнения лабораторных работ возникает необходимость в измерении сопротивлений проводников и внутренних сопротивлений источников тока. Для этого используют амперметры и вольтметры из школьного оборудования.
Поскольку измерительные приборы – амперметры и вольтметры не являются идеальными, то встаёт вопрос о выборе схемы соединения приборов, позволяющей с минимальной погрешностью измерить сопротивления проводников и источников тока.
Данную работу можно использовать как методический материал при обучении учащихся подсчёту погрешностей измерений.
При выполнении исследовательской работы автор использовал учебник «Электродинамика» для углублённого изучения физики под редакцией Г.Я. Мякишева, учебник Калашникова «Электричество» и «Физический практикум для классов с углублённым изучением физики» под редакцией Ю.И.Дика и О.Ф.Кабардина.
2.1 Из закона Ома для участка цепи электрическое сопротивление проводника можно рассчитать R=U/I.
Для нахождения сопротивления R необходимо измерить приложенное к проводнику напряжение U и силу тока I в проводнике при этом напряжении.
Напряжение измеряется с помощью вольтметра, сила тока измеряется с помощью амперметра
Вольтметр включается параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение. Это напряжение Uиз равно показанию вольтметра.
Амперметр включается последовательно к участку цепи, в котором измеряется сила тока. Эта сила тока Iиз равна показанию амперметра.
Для измерения сопротивления проводника приведём две возможные электрические схемы соединения вольтметра V, амперметра A и исследуемого проводника (сопротивления) Rx.
Схема №1. На 1-ой схеме проводник и амперметр соединены последовательно.
Вольтметр измеряет и показывает сумму напряжения на проводнике Uх и напряжения на амперметре UА.
Амперметр измеряет и показывает силу тока IА, которая равна силе тока в проводнике Ix:IА = Ix
Напряжение на амперметре UА согласно закону Ома равноUА=IАRА=Iиз RА. Напряжение на проводнике равно разности между напряжением на вольтметре и напряжением на амперметре U х =U из–Iиз RА.
Тогда R х = Uх / Iиз = (U из–Iиз RА) : Iиз. Окончательно получаем R х = U из/ Iиз – RА.
Отношение U из/ Iиз является общим сопротивлением последовательно соединенных проводника и амперметра (сопротивлением, определенным по показаниям приборов):
Поэтому сопротивление проводника будет равно:R х = R из – R А
Это выражение следует из формулы общего сопротивления при последовательном соединении проводников
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ВКЛЮЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ»
Добавочное сопротивление
При включении в цепь вольтметра добавочного сопротивления измеряемое напряжение U делится на две части: одна часть Uв приходится на вольтметр, другая Uд — на добавочный резистор:
Отношение показывает, во сколько раз расширяется предел измерения напряжения вольтметром, т. е. возрастает цена его деления. Иначе говоря, при подсоединении дополнительного резистора чувствительность вольтметра уменьшается в n раз.
Из выражения (2.9.3) с учетом того, что , найдем значение добавочного сопротивления к вольтметру:
Почему вольтметр параллельно, а амперметр последовательно? | ЭТМ для профессионалов | Яндекс Дзен
Сопротивление и измерения
С вольтметром разобрались, а каким должно быть сопротивление амперметра, чтобы он не влиял на работу цепи и показывал силу тока точно? Так как амперметр подключается в цепь последовательно, то его внутреннее сопротивление будет ограничивать ток в цепи.
Для примера посчитаем, какой ток протекает в цепи 1, если напряжение источника питания E 10В, а в качестве нагрузки используется резистор R1 сопротивлением 5 Ом.
Итак, ток в цепи должен быть 2 ампера, а теперь подключим в цепь условный амперметр, сопротивление Ra которого 1 Ом, тогда он покажет ток:
Отличие измеренного амперметром тока от расчётного почти в четверть связано с высоким сопротивлением амперметра. То есть чем меньше сопротивление амперметра – тем меньше он влияет на ток в цепи. Соответственно сопротивление амперметра должно быть намного меньше, чем сопротивление нагрузки (Ra
Как и вольтметр, стрелочный амперметр состоит из двух основных частей:
Так как шунт подключается параллельно измеряемой головке, то и внутреннее сопротивление амперметра из-за шунта будет снижаться. При этом чем больше предел измерения, тем меньше сопротивление шунта и меньше внутреннее сопротивление амперметра.
Амперметр нельзя подключать к цепи параллельно!
3. Воздействие вольтметра на измеряемую цепь | 7. Измерительные приборы | Часть1 — DС
- Прибор покажет измеренное значение, но со знаком «минус» перед ним. Знак минус говорит о неверной полярности или о том, что на плюсовом выводе вольтметра (на щупе) напряжение отрицательно относительно выбранной точки измерения (второго щупа).
- Прибор сам определит полярность и покажет измеренное значение.
- На экране не будет никаких значений или будут гореть «нули».
Изменение пределов измерения или зачем нужны добавочное сопротивление и шунт
В вольтметре резистор называется добавочным (Rд), а в амперметре — шунтирующим или просто шунтом (Rш). Разница в названиях этих элементов связана с их подключением. У каждого измерительного механизма есть какой-то предел измерения, обычно это сотни микро- или десятки миллиампер и определённое внутреннее сопротивление.
В вольтметре добавочный резистор ограничивает ток через измерительный механизм и увеличивает входное сопротивление прибора. Изменяя его сопротивление, можно с помощью одного и того же механизма измерять разные напряжения.
Например, есть измерительный механизм с такими характеристиками:
Соответственно он может измерять ток до 500 микро ампер (0,0005 ампера) или напряжение до:
Чтобы измерять большее напряжение, нужно подключить последовательно измерительному механизму добавочное сопротивление, тогда часть напряжения упадёт на этом сопротивлении, а на измерительном механизме будут всё те же 0,325 вольта.
Попробуем посчитать сопротивление добавочного резистора. Допустим, мы хотим измерять напряжение до 5 вольт, общее сопротивление вольтметра равно сумме сопротивлений добавочного резистора Rд и измерительного механизма Rим:
Ток полного отклонения стрелки нам известен — 0,0005 А, будущий предел измерений 5 вольт, тогда общее сопротивление прибора должно быть:
Чтобы найти сопротивление добавочного резистора, нужно из общего сопротивления вычесть сопротивление измерительного механизма:
Вывод — чтобы сделать вольтметр с пределом измерения 5 В нужно к измерительному механизму подключить добавочный резистор с сопротивлением 9350 Ом.
Можно найти сопротивление добавочного резистора немного по-другому:
Где U – будущий предел измерений, Uизм – настоящий предел измерений
Теперь разберёмся с амперметром . Основная задача шунта пропустить себя ток превышающий предел измерительного механизма. Общее сопротивление амперметра находим по формуле сопротивления для соединённых параллельно резисторов.
Допустим, нам нужно измерять ток до 50А. Можно повторить подобные вышеизложенным расчёты, но можно сделать проще: сначала найдём соотношение между током шунта и током измерительного механизма, а после сопротивление шунта.
То есть, через измерительный механизм может протекать ток до 0,0005А, значит, через шунт будет протекать ток:
Тогда найдём отношение тока шунта к току измерительного механизма (Q):
Примечание: расчёты шунта и добавочного сопротивления выполнены по книге Метрология, стандартизация и технические средства измерений авторов Тартаковского Д.Ф., Ястребова А.С., М.: Высшая Школа 2001 год.
Изменяя сопротивление шунта или добавочного резистора, можно изменять пределы измерения вольтметров или амперметров. При этом из стрелочного вольтметра можно сделать амперметр и наоборот. Для этого убирают «лишние» компоненты, оставляют измерительную головку и к ней подбирают резистор или шунт.
