37755

ГРАДУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ВОЛЬТМЕТРА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМЕТРА ТОМСОНА

Лабораторная работа

Физика

ТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 13 ГРАДУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ВОЛЬТМЕТРА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМЕТРА ТОМСОНА Цель работы: Градуирование шкалы электростатического вольтметра с помощью абсолютного электрометра Томсона т. Стержень крепится к металлическому корпусу В вольтметра с помощью вмонтированной в него пробки из изоляционного материала. Если такой вольтметр проградуировать то им можно измерять разность потенциалов между любыми двумя проводниками...

Русский

2013-09-25

157 KB

31 чел.

Московский государственный университет

путей сообщения РФ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

Группа АТС-141    К работе допущен____________________

        (Дата, подпись преподавателя)

Студент  Бакин М.Е.               Работа выполнена___________________

 (ФИО студента)      (Дата, подпись преподавателя)

Преподаватель Некрасов В.В.  Отчёт принят_______________________          (Дата, подпись преподавателя)

ОТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №  13

ГРАДУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ВОЛЬТМЕТРА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМЕТРА ТОМСОНА

  1.  Цель работы:

Градуирование шкалы электростатического вольтметра с помощью абсолютного электрометра Томсона, т.е. определение по основным (реперным) точкам соответствия между делениями шкалы прибора и измеряемой им разностью потенциалов, и придания делениям шкалы определенных значений в вольтах.

  1.  Принципиальная схема установки (или её главных узлов):

Рисунок 1 – Принципиальная схема установки

  1.  

 3. Основные теоретические положения к данной работе (основополагающие утверждения: формулы, схематические рисунки):

Электрическое поле, созданное неподвижными в данной системе отсчета электрическими зарядами, называется электростатическим полем. Силовой характеристикой такого поля является напряженность электрического поля , а энергетической – потенциал .

Напряженностью электрического поля  в какой-нибудь точке называется векторная величина, равная отношению силы , с которой это поле действует на неподвижный точечный пробный электрический заряд q, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

                                                                          .                                                                        (2)

Потенциалом данной точки электростатического поля называется скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии WП, которой обладал бы пробный точечный электрический заряд q, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда [2]:

                                                                           .                                                                       (3)

Работу, совершаемую силами электростатического поля по перемещению заряда q из точки 1 в точку 2, можно выразить через разность потенциалов 1  2 соответствующих точек пространства. Так как работа сил консервативного поля может быть представлена как убыль потенциальной энергии, учитывая соотношение (2), получаем:

A12  WП1WП2  q(1  2).

Откуда

                                                                           1  2                                                                   (4)

Таким образом, разность потенциалов между двумя точками электростатического поля это физическая величина, числено равная работе, совершаемой силами этого поля по перемещению единичного пробного точечного заряда из одной точки в другую.

Для измерения потенциалов используют предварительно отградуированный электростатический вольтметр. В настоящей работе градуирование осуществляется с помощью абсолютного электрометра Томсона.

Метод измерения и описание аппаратуры

В работе используется простейший электростатический вольтметр В (рис. 1а), устройство которого подобно устройству электроскопа. В отличие от последнего электростатический вольтметр снабжается шкалой, проградуированной в вольтах. На рис. 1а показан один из таких вольтметров. К медному стержню с шариком наверху крепится шкала, которую необходимо проградуировать в вольтах. В середине стержень имеет ступеньку, в которую вставляется горизонтальная ось алюминиевой стрелки. Стержень крепится к металлическому корпусу В вольтметра с помощью вмонтированной в него пробки из изоляционного материала.

Если, заземлив корпус, сообщить шарику заряд, зарядятся стержень и стрелка. Под действием сил отталкивания стрелка повернется на некоторый угол, указав на деление шкалы, соответствующее значению разности потенциалов между заземленным корпусом и стрелкой. Если такой вольтметр проградуировать, то им можно измерять разность потенциалов между любыми двумя проводниками, соединив один из них с корпусом вольтметра, а второй – с медным стержнем со стрелкой. Следует указать, что подобные вольтметры используются для измерения значений разности потенциалов от 100 В до 15000 В. При меньшей разности потенциалов стрелка отклоняется на очень небольшие углы, а при большей – трудно обеспечить надежную изоляцию.

Как отмечалось выше, для градуирования электростатического вольтметра в данной работе применяется абсолютный электрометр Томсона, представляющий собой весы Т (рис. 1а), одна из чашек которых заменена металлическим диском А, подвешенным на шарнире. Диск окружен металлической кольцевой пластиной С той же толщины, что и диск, называемой охранным кольцом. Такое кольцо обеспечивает однородность электростатического поля между пластинами А и П. Кольцо изолировано от нижней металлической пластины П брусочками из изоляционного материала (рис. 1б) и должно располагаться в одной плоскости с диском А. Нижняя пластина П устанавливается горизонтально с помощью трех винтов Д (рис. 1б), образуя с окруженным охранным кольцом диском А плоский воздушный конденсатор. В пределах диска электрическое поле такого конденсатора можно считать однородным, а электроемкость С удовлетворяющей соотношению:

                                                                        С = .                                                                     (5)

Здесь: S – площадь диска А, определяемая его диаметром DA; d – расстояние между обкладками конденсатора; ε0 – электрическая постоянная.

При незаряженном конденсаторе диск А, заменивший одну из чашек весов, устанавливают на одном уровне с охранным кольцом. Если верхнюю подвижную обкладку конденсатора с охранным кольцом и корпус весов заземлить, а нижнюю обкладку П зарядить до некоторого потенциала φ зарядом q, то диск А будет притягиваться к нижней пластине. Поскольку в конденсаторе Томсона электростатическое поле однородно, сила притяжения диска будет равна

                                                                      F = qE1 = qE/2,                                                              (6)

где Е – напряженность электрического поля в конденсаторе; E1− напряженность поля, создаваемого только пластиной П.

Напряженность электрического поля заряженной плоскости определяется выражением [1]:

                                                                      E1 = ,                                                                   (7)

Подставляя (7) в уравнение (6), получим:

                                                                       F = .                                                                   (8)

Заряд q можно выразить через электроемкость С и разность потенциалов между обкладками конденсатора Томсона 1  2  U

                                                                       q = C∙U = C∙φ                                                                (9)

(в рассматриваемом случае разность потенциалов равна напряжению U, подаваемому на пластины конденсатора с высоковольтного блока питания (ВБП) (см. рис.1а). А поскольку верхняя обкладка заземлена (2  0), то U = 1 = ).

Учитывая, что для конденсатора Томсона электроемкость определяется соотношением (5), получаем:

                                                              F = U2 = φ2                                                      (10)

Как видно из соотношения (10), измерив с помощью весов Томсона силу F, можно определить потенциал φ. Это означает, что электростатические весы Томсона могут служить для абсолютных измерений потенциала и носят название абсолютного электростатического электрометра.

Чтобы с их помощью проградуировать электростатический вольтметр, его подсоединяют параллельно плоскому конденсатору. Из теории электростатического вольтметра известно, что его шкала, как правило, имеет квадратичный характер [3], т.е. угол отклонения стрелки α пропорционален квадрату разности потенциалов:

                                                                            U2 = βα,                                                                   (11)

где β – коэффициент, зависящий от параметров электростатического вольтметра.

Квадратичность его шкалы позволяет использовать такие вольтметры не только для измерения постоянного, но и переменного напряжения.

Из соотношений (10) и (11) получаем:

                                                                   U2 =  = βα.                                                          (12)

Как указывалось выше, между диском А и охранным кольцом существует воздушный зазор, обычно не превышающий одного миллиметра. Это обстоятельство принимают во внимание при расчете площади S. Для этого к значению диаметра диска А (DA) добавляется средняя ширина зазора и в качестве расчетного диаметра берется D = DA + 2 = DA + , а S = πD2/4. Подставляя это значение S в (12), получим:

                                                                  U2 =  = βα.                                                          (13)

Для того, чтобы проградуировать вольтметр, необходимо определить коэффициент β. Сделать это можно с помощью весов Томсона, определив из эксперимента силу F, при которой диск А начнет притягиваться к нижней пластине заряженного конденсатора. Для этого следует положить на вторую чашку весов Томсона разновес массой m и, подавая на вольтметр напряжение U от ВБП (рис.1а), определить отклонение стрелки вольтметра в делениях шкалы (α) в момент отхода диска от положения равновесия. В этот момент значение F=mg. Разным значениям массы m будут соответствовать различные углы отклонения α, т.е. различные значения напряжения U.

Рассчитав, используя уравнение (13), значения U2, соответствующие применяемым в работе массам разновесов, строят график зависимости U2 = f(α), из которого определяют значение β. Затем, полученное значение β используют для построения градуировочной кривой электростатического вольтметра U = f(α).

Необходимые для расчетов значения d, DА и указаны на каждой установке.

Приборы и принадлежности: электростатический вольтметр, абсолютный электрометр Томсона, высоковольтный блок питания, набор разновесов, соединительные провода.

4. Таблицы и графики1.

Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений

п/п

α, деления шкалы

<α>

F,

г

U2,

кВ2

U,

кВ

Δα

α 1

α 2

α 3

α 4

α 5

1

3,3

3,2

3,4

3,0

3,1

3,2

0,1*9,8

10,9

3,3

0,08

2

3,5

3,8

3,9

3,8

3,7

3,7

0,2*9,8

21,8

4,7

0,06

3

4,2

4,4

4,3

4,1

4,4

4,3

0,3*9,8

32,7

5,7

0,16

    4

4,3

4,4

4,3

4,4

4,4

4,4

0,4*9,8

44

6,6

0,03

5

4,5

4.6

4,4

4,6

4,5

4,5

0,5*9,8

54,4

7,4

0,03

6

4,7

4,8

4,6

4,7

4,8

4,7

0,6*9,8

65,3

8,1

0,16

7

5,3

5,0

5,0

5,1

5,0

5,0

0,7*9,8

76,2

8,7

0,06

8

5,3

5,1

5,2

5,2

5,1

5,2

0,8*9,8

87,1

9,3

0,16

9

5,4

5,2

5,2

5,4

5,4

5,3

0,9*9,8

98

9,9

0,06

10

5,4

5,5

5,4

5,6

5,5

5,5

1,0*9,8

108,9

10,4

0,03

DA=   0,08м ;             d= 5*10-3м ;                 l=5*10-4м.               .

5. Расчёт погрешностей измерений 

(указать метод расчёта погрешностей).

Δα = αст;

Δα1 = 0,9

6. Окончательные результаты:

Подпись студента:

Лист – вкладыш

5. Расчёт погрешностей измерений (продолжение):


7. Дополнительная страница

(для размещения таблиц, теоретического материала и дополнительных сведений)

Порядок выполнения работы.

  1.  Собрать схему согласно рис. 1а. Во избежание больших утечек заряда соединительные провода должны быть достаточно короткими, без острых изгибов и заостренных концов. Провод высокого напряжения от ВБП подсоединить к стержню вольтметра, на котором находится подвижная стрелка, а сам стержень соединить с нижней пластиной П электрометра Томпсона. Земляной провод ВБП соединить с металлическим корпусом вольтметра и охранным кольцом С электрометра. Провода, идущие от разных полюсов, не должны близко подходить друг к другу, чтобы между ними не возникал разряд.
  2.  Уравновесить на весах собственный вес диска А гравием. Установить защитное кольцо так, чтобы ширина зазора между кольцом и диском была примерно одинаковой по всей окружности.
  3.  Установить при помощи винтов D (рис. 1б) пластину П горизонтально, а кольцо С и диск А – в одной горизонтальной плоскости. На диск и кольцо положить диэлектрическую палочку ДП, чтобы диск при колебаниях коромысла весов не поднимался выше уровня кольца (в качестве такой палочки можно использовать карандаш или шариковую ручку).
  4.  При первом измерении на чашу весов положить разновес массой 100мг. Для подачи напряжения на электростатический вольтметр нажать и удерживать красную кнопку «К» на верхней панели ВБП. Величину подаваемого напряжения изменяют регулятором напряжения «R» также расположенном на верхней панели ВБП. В момент, когда подвижная пластина конденсатора только начнет опускаться, замерить угол отклонения α стрелки вольтметра. При отпускании красной кнопки «К» высоковольтный провод автоматически заземляется и весь заряд с электростатического вольтметра стекает.

ВНИМАНИЕ! Перед каждым нажатием кнопки «К» регулятор «R» следует повернуть против часовой стрелки до упора. Это положение соответствует нулевому выходному напряжению ВБП.

  1.  Провести аналогичные измерения, изменяя массу разновеса от 100мг до 1г через каждые 100мг. Для большей точности каждый замер повторить пять раз. Результаты всех измерений записать в таблицу. 
  2.  Для каждой массы разновеса рассчитать среднюю величину отклонения стрелки вольтметра:

<α> = (α12345)/5,                              (14)

а также значения величин U2 и U по формуле (13). Результаты записать в таблицу.

Таблица

Другие данные:   Для каждой массы разновеса рассчитать погрешность определения α методом Стьюдента.

                                                          Δα = αст,                                                          (15)

где αст−коэффициент Стьюдента. Принять доверительную вероятность Р=0,9.

  1.  Построить график зависимости U2 = f(α), из которого определить значение β. При построении графика нанести на экспериментальные точки значения погрешности Δα, полученные по формуле (15), в виде горизонтальных отрезков, проведенных через экспериментальные точки.
  2.  Используя полученное значение β, по уравнению (13) рассчитать и построить градуировочную кривую U = f(α) на миллиметровой бумаге.

1 Графики выполняются на миллиметровой бумаге или в компьютерном виде с использованием программ построения графиков. Необходимо соблюдать правила построения графиков.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41596. ИСТОЧНИКИ ТРУДОВОГО ПРАВА 38.5 KB
  Понятие источников трудового права Источники трудового права это формы выражения правовых предписаний через нормативные акты как результат деятельности компетентных органов государства которые устанавливают или санкционируют правовые нормы обязательные для сторон правоотношений которые составляют предмет трудового права. У термина источники права два значения: 1.материальное причины образования права т.
41597. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАМЕДЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 76.32 KB
  Овладение методами построения дисперсионных характеристик и расчета сопротивления связи. С помощью петли связи в макете возбуждается стоячая волна амплитуда которой контролируется через петлю связи Конструктивно макет выполнен из колец и диафрагм с прорезанными в них щелями связи. Связь генератора и детекторной головки с макетом ЗС или с калибровочным резонатором осуществляется с помощью входной и индикаторной петель связи.
41598. ЛАНДШАФТНАЯ АРХИТЕКТУРА 3.28 MB
  Два варианта посадки растений для вертикального озеленения 15. Устройство и подбор ассортимента растений 18. При формировании древеснокустарниковых насаждений учитываются не только композиционные но и биологические и экологические особенности растений. Виды растений используемых для солитеров: крупные кустарники 23 м и более сирень обыкновенная и венгерская боярышник туя западная; красиво и обильно цветущие: чубушники ракитники калина розы.
41599. Понятие ландшафта в ландшафтной архитектуре. Природный, антропогенный, культурный и деградированный ландшафты 3.27 MB
  При формировании древеснокустарниковых насаждений учитываются не только композиционные но и биологические и экологические особенности растений. Виды растений используемых для солитеров: крупные кустарники 23 м и более сирень обыкновенная и венгерская боярышник туя западная; красиво и обильно цветущие: чубушники ракитники калина розы. По величине: малые 23 растения; средние 47 растений; большие 1012 растений. Виды растений предназначенных для стрижки: липа тополь боярышник чубушник барбарис можжевельник туя...
41600. Основные понятия баз данных ACCESS 2007 104.45 KB
  Создание базы данных состоящей из одной таблицы. Цели урока: Познакомиться с основными понятиями баз данных; Научиться создавать таблицы баз данных в режиме Конструктор; Освоить переход из режима Конструктор в режим таблицы; Освоить основные приемы заполнения и редактирования таблиц; Познакомиться с простой сортировкой данных и с поиском записей по образцу; Научиться сохранять и загружать базы данных. В окне системы управления базы данных щелкнуть по значку Новая база данных . Справа в появившемся окне дать имя новой...
41601. Background Radioactivity of Environment 19.23 KB
  Shchetynsk ICS 405 Lbortory work Bckground Rdioctivity of Environment im: to lern the methods of mesure of bckground rdioctivity simply gmmrdition. Theoreticl informtion Mny forms of ârditionâ re encountered in the nturl environment nd re produced by modern technology. Even sunlight the most essentil rdition of ll cn be hrmful in excessive mounts. Most public ttention is given to the ctegory of rdition known s âionizing rdition.
41602. Photosynthesis 379.06 KB
  Theoreticl informtion Photosynthesis converts light energy into the chemicl energy of sugrs nd other orgnic compounds. Light energy from light drives the rections. Photosynthesis uses light energy to drive the electrons from wter to their more energetic sttes in the sugr products thus converting solr energy into chemicl energy. The solr energy clled visible light drives photosynthesis.
41603. Hardness of Drinking Water 53.38 KB
  Shchetynsk ICS 405 Lbortory work 3 Hrdness of Drinking Wter im: to reserch the types of the hrdness of drinking wter. Theoreticl informtion Sources of Hrdness Minerls in Drinking Wter Wter is good solvent nd picks up impurities esily. Pure wter tsteless colorless nd odorless is often clled the universl solvent. When wter is combined with crbon dioxide to form very wek crbonic cid n even better solvent results.
41604. Nitrates and Nitrites 19.97 KB
  Shchetynsk ICS 405 Lbortory work 4 Nitrtes nd Nitrites Theoreticl informtion Nitrte nd nitrite re compounds tht contin nitrogen tom joined to oxygen toms with nitrte contining three oxygen toms nd nitrite contining two. In nture nitrtes re redily converted to nitrites nd vice vers. Nitrtes re used primrily to mke fertilizer but they re lso used to mke glss nd explosives. Nitrites re mnufctured minly for use s food preservtive nd both nitrtes nd nitrites re used extensively to enhnce the color nd extend the shelf life of processed mets.