Politechnika

Bia ostocka

!

Wydzia Elektryczny

!

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii

Instrukcja do zaj laboratoryjnych z przedmiotu

"#

METROLOGIA 1

Kod przedmiotu:

F02021

$wiczenie pt.

GALWANOMETR MAGNETOELEKTRYCZNY

Numer wiczenia

#

04

Autor

Dr in . % Ryszard Piotrowski

Bia ystok

!

2006

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

1

1. Wprowadzenie

煋

1.1. Ustrój magnetoelektryczny

alwanometr jest szczególn odmian ustroju magnetoelektrycznego,

&

&

dlatego na wst pie zostan omówione podstawowe w a ciwo ci tego

"

&

! '

'

ustroju pomiarowego. Zasadniczymi elementami konstrukcyjnymi

ustroju s , silny

&

magnes trwa y! oraz delikatna ceweczka stanowi ca jego

&

organ

ruchomy. Szkic ustroju przedstawiony jest na rysunku 1. W klasycznym ustroju

magnetoelektrycznym wraz z ceweczk obraca si

&

" wskazówka w postaci

delikatnej cienko ciennej rurki aluminiowej sp aszczonej na ko cu. W gal

'

!

(

wa-

nometrze wskazówka materialna zosta a zast piona

!

&

wskazówk wietln

& '

&

(rys.2).

a

F

S

F

N

1$%,(*811,.

&(:.$

5'=() *

52'.2:<

0$*1(6 75:$à<

Rys. 1. Szkic ustroju magnetoelektrycznego

G

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

2

Boki cewki zanurzone s w szczelinie powietrznej utworzonej przez

&

nabiegunniki magnesu i rdze( 'rodkowy w kszta cie walca. Podkowiasty

!

element jest magnesem trwa ym, natomiast nabiegunniki i rdze

!

( '

&

rodkowy s

wykonane ze stali magnetycznie mi kkiej

"

, to znaczy takiej, która traci swoje

w a ciwo ci magnetyczne po ust pieniu zewn trznego pola magnesuj cego.

! '

'

&

"

&

Elementy takie maj za zadanie u atwienie przep ywu strumienia

&

!

!

magnetycznego w zamkni tym obwo

"

dzie magnetycznym. W szczelinie

powietrznej wyst puje

"

jednorodne pole magnetyczne, którego linie si s

! &

prostopad e do powierzchni walcowej rdzenia rodkowego. Sprawia to, e boki

!

'

%

cewki, w szerokim zakresie k ta obrotu znajduj si w polu o jednakowej

&

& "

indukcji. Je eli przez cewk p ynie pr d sta y na jej boki dzia aj

%

" !

&

!

! & si y

!

elektrodynamiczne F. Jest to tzw. para si!. Zwrot tych si , przedstawiony na

!

rysunku 1., wyznaczony zosta ! w oparciu o +

!"

! ,

regu lewej d oni przy za o eniu,

! %

%

&

!

e pr d wp ywa do prawego (na szkicu wy szego) boku cewki, a wyp ywa z

%

!

lewego, przy czym mamy tu na my li

' umowny kierunek pr du

& .

Na pojedynczy zwój cewki dzia a suma momentów pary si ,

!

!

Fa

a

F

a

F

M

1

2

2

Dla z zwojów moment ten jest z razy wi kszy,

"

zFa

M

1

Jak wiadomo, si a elektrodynamiczna dzia aj ca na przewodnik z pr dem

!

! &

&

(pojedynczy zwój) wyra a si wzorem,

% "

b

I

B

F

˜

˜

gdzie:

B - indukcja w szczelinie powietrznej

I - nat enie pr du w przewodniku

"%

&

b - d ugo przewodnika (patrz rys.

!

'#

2)

Podstawiaj&c ostatni wzór do wyra enia na moment M

%

1

, otrzymamy

ostatecznie równanie momentu nap dowego

"

ustroju magnetoelektrycznego,

b

a

z

I

B

M

1

˜

˜

˜

˜

(1)

Jedyn wielko ci zmienn w równaniu (1) jest nat enie pr du I, mo na

&

' &

&

"%

&

%

wi c je zapisa nast puj co,

"

#

" &

I

c

b

a

z

I

B

M

P

1

˜

˜

˜

˜

(2)

gdzie:

b

a

z

B

c

P

˜

˜

˜

Moment nap dowy jest wi c

"

" liniow funkcj nat enia pr du

&

&

"%

& p yn cego przez

! &

cewk ."

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

3

Istnienie samego momentu nap dowego

"

nie wystarcza do funkcjo-

nowania przyrz du pomiarowego. Gdyby istnia tylko ten m

&

!

oment, cewka

zachowywa aby si jak wirnik silnika, to znaczy obraca aby si

!

"

!

" ruchem ci g ym

& !

do napotkania najbli szego elementu oporowego

%

.

Konieczne wi c jest istnienie drugiego momentu,

"

momentu zwrotnego,

przeciwdzia aj cego momentowi nap dowemu

! &

"

.

Moment ten powinien dzia a w taki sposób

! #

, aby ka dej warto ci pr du

%

'

&

p yn cego przez cewk odpowiada a jedna i tylko jedna warto k ta obrotu

! &

"

!

'# &

.

Ten bardzo wa ny moment wytwarzaj w zwyk ym ustroju dwie p askie

%

&

!

!

spr yny w kszta cie spirali Archimedesa. W galwanome

"%

!

trze moment zwrotny

wytwarzaj dwie spr yste nitki wykonane z br zu fosforowego lub

&

"%

&

berylo-

wego, które stanowi jednocze nie zawieszenie cewki (rys.

&

'

2). Podczas obrotu

cewki ulegaj one skr ceniu, przeciwdzia aj c momentowi nap dowemu.

&

"

! &

"

W obydwu wypadkach moment zwrotny wyra a si tym samym zwi zkiem (3).

% "

&

D

]

=

k

M

(3)

gdzie:

k

=

- sta a zwracania

!

D

- k t obrotu cewki

&

Moment zwrotny jest wi c liniow funkcj k ta obrotu organu

"

&

& &

ruchomego (patrz rys. 4).

W stanie ustalonym, gdy przeciwnie skierowane momenty si : nap dowy i

!

"

zwrotny s sobie równe,

&

=

1

M

M

,

mo emy napisa ,

%

#

D

]

k

b

a

z

I

B

˜

˜

˜

˜

,

sk d

&

I

k

b

a

z

B

]

˜

˜

˜

D

(4)

Zwi zek (4) nazywa si

&

" funkcj przetwarzania

&

ustroju magnetoele-

ktrycznego. Przedstawia ona zale no

% '# odpowiedzi ustroju (D) od wymuszenia

(I)

Wobec tego, e wszystkie wielko ci wyst puj ce w równaniu (4), z

%

'

" &

wyj tkiem nat enia pr du, maj warto ci sta e, mo na je zapisa nast puj co,

&

"%

&

&

'

!

%

#

" &

I

c

I

k

b

a

z

B

]

˜

˜

˜

˜

D

D

(5)

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

4

gdzie:

]

k

b

a

z

B

c

˜

˜

˜

D

1.2. Galwanometr magnetoelektryczny statyczny

Mianem galwanometru okre la si elektryczny miernik wskazówkowy

'

"

sk adaj cy si tylko z

!

&

"

ustroju , co oznacza, e jest on pozbawiony

%

uk adu

!

,

bloku funkcjonalnego charakterystycznego dla znakomitej wi kszo ci

"

'

mierników wskazówkowych. Mierzona wielko elektryczna jest tu bez

'#

jakiegokolwiek przetworzenia doprowadzana bezpo rednio do ustroju. St d

'

&

galwanometry maj niewielkie zakresy pomiarowe napi cia i pr du. Wa nym

&

"

&

%

ich zastosowaniem, oprócz pomiaru niewielkich napi"#

&

i pr dów, jest rola

detektorów zera (wska ników równowagi) w uk adach pomiarowych takich jak

-

!

mostki i kompensatory napi cia sta ego. W tym wiczeniu galwanometr

"

!

#

rozpatrywany b dzie wy cznie jako

"

!&

mikroamperomierz.

3520,() *

:,(7/1<

.$5Ï:(&=.$

/867(5(&=.2

0$7Ï:.$

'2352:$'=(1,(35/'8

1,7.$ 6350.<67$

b

a

Rys. 2. Zawieszenie nitkowe cewki i zasada wskazówki wietlnej

'

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

5

Omawiany galwanometr nazywa si " statycznym, gdy pe ni on swoj

%

!

&

funkcj w statycznym (ustalonym) stanie pracy. Ni ej opiszemy jednak jego

"

%

prac tak e w stanie przej ciowym, gdy jest on charaktery

"

%

'

%

styczny dla

wszystkich mierników wskazówkowych, w galwanometrze za daje si

'

"

obserwowa i analizowa w sposób najbardziej wyrazisty.

#

#

Oprócz galwanometrów statycznych wyst puj tak e

" &

% galwanometry

balistyczne, wibracyjne, pe zne

! . W tych przyrz dach wykorzys

&

tuje si ich

"

wskazania w stanach przej ciowych pracy. Obecnie jednak s ju one

'

& %

rzadko

spotykane.

Ni ej przedstawimy wielko ci charakteryzuj ce galwanometr magneto

%

'

&

-

elektryczny statyczny, opisuj c jednocze nie jego charakterystyczne elementy

&

'

konstrukcyjne

Czu o pr dowa S

! '#

&

,

. Jest to pochodna odpowiedzi ustroju wzgl dem

"

wymuszenia. Wyznaczamy j , obliczaj c pochodn funkcji (5) wzgl dem

&

&

&

"

pr du I.

&

]

,

k

Bzab

dI

d

S

D

(6)

Wysi ek konstruktorów od pocz tku zmierza w kierunku maksymalnego

!

&

!

zwi kszenia cz

"

u o ci pr dowej galwanometru. Przyjrzymy si najwa niejszym

! '

&

"

%

zabiegom konstrukcyjnym prowadz cym do zwi kszenia czu o ustroju

&

"

! '#

magnetoelektrycznego.

Z zale no ci (6) wynika, e zwi kszenie czu o ci mo liwe jest przez

% '

%

"

! '

%

wzrost indukcji B, zwi kszenie liczby

"

zwojów cewki z, a tak e jej wymiarów

%

a,

b. Jednak zwi kszenie parametrów

"

z, a, b prowadzi do wzrostu ci aru

"%

ceweczki, co poci ga za sob konieczno zawieszenia jej na grubszych

&

&

'#

nitkach, a to powi ksza sta zwracania

"

!&

k

]

, zmniejszaj c, zgodnie z zale no

&

% 'ci &

(6), czu o pr dow . W praktyce wykorzystuje si

! '# &

&

" wi c

" jedynie mo liwo

%

'#

powi kszenia indukcji

"

B poprzez zmniejszenie szeroko ci szczeliny powietrznej

'

obwodu magnetycznego. Wymaga to zmniejszenia grubo ci boków ceweczki

'

zanurzonych w tej szczelinie. Ceweczk nawija si w tym celu

"

"

cienkim drutem

miedzianym na sztywnym korpusie i skleja lakierem. Korpus zostaje nast pnie

"

usuni ty po wyschni ciu lakieru

"

"

. Dzi ki temu

"

ceweczka jest lekka i ma cienkie

boki. Mo na j zawiesi (rys. 2) na delikatnych nitkach sp

%

&

#

r ystych ( rednicy

"%

'

ok. 0,02 mm), wykonanych z br zu fosforowego lub berylowego o bardzo ma ej

&

!

sta ej zwracania k

!

]

, co zgodnie z zale no ci (6) sprzyja zwi kszeniu czu o ci

% ' &

"

! '

pr dowej.

&

Kolejnym wa nym zabiegiem zwi kszaj cym czu o galwanometru jest

%

"

&

! '#

zast pienie wskazówki materialnej

&

wskazówk wietln

& '

&. Zasada tej wskazówki

jest przedstawiona na rysunku 2.

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

6

Promie wietlny przychodz cy od ród a (uk adu optycznego nie

( '

&

- !

!

pokazanego na szkicu), pada na miniaturowe lustereczko przymocowane

sztywno do cewki i wykonuj ce te same ruchy co ona. Promie odbity zmienia

&

(

swój kierunek w zale no ci od k ta obrotu cewki. Padaj c na szk o matowe,

% '

&

&

!

zaznacza si na nim

wietlistym prostok tem (plamk

wietln ).

"

'

&

& '

&

W rzeczywisto ci budowa tej wskazówki jest bardziej z o ona,

'

! %

promie (

'

"

wietlny, nim padnie na matówk , odbija si jeszcze od kilku innych lusterek,

"

co daje efekt równowa ny wyd u eniu wskazówki, zwi kszaj c tym jeszcze

%

! %

"

&

bardziej czu o przyrz du (niewielkiemu k towi obrotu ceweczki odpowiada

! '#

&

&

du e przemieszczenie pla

%

mki wietlnej na matówce). wicz cy b d mogli

'

$

&

" &

obejrze jej praktyczn realizacj , ogl daj c w trakcie wiczenia eksponat

#

&

"

& &

#

galwanometru.

U ywaj c galwanometru jako mikroamperomierza, u ytkownik korzysta

%

&

%

z zale no ci (7).

% '

a

C

I

,

˜

(7)

gdzie:

I - nat enie mierzonego pr du [A]

"%

&

C

,

- sta a pr dowa galwanometru [A/dz]

!

&

a - przemieszczenie wskazówki na tle p askiej podzia ki mierzone

!

!

w dzia kach (d ugo jednej dzia ki wynosi 1 mm)

!

!

'#

!

Podzia ka galwanometru

!

ma charakter p askiej milimetrowej linii z

!

ze-

rem po rodku i

'

jest naniesiona na szkle matowym. Wobec faktu, e zerowa

%

kreska dzia owa umieszczona jest na rodku podzia ki, mniejsz uwag

!

'

!

&

"

przyk ada mo na do biegunowo ci napi cia przy czanego do zacisków

! #

%

'

"

!&

wej ciowych tego przyrz du.

'

&

Jak wynika z zale no ci (7), do obliczenia pr du mierzonego przez

% '

&

galwanometr trzeba zna# nie tylko przemieszczenie wskazówki, ale tak e

%

sta pr dow C

!& &

&

,

, a ta mo e by zmieniana przez u ytkownika w pewnych

%

#

%

granicach.

Sta a pr dowa

!

&

C

,

jest to przyrost nat eni

"% a pr du p yn cego przez

&

! &

cewk , powoduj cy przemieszczenie wskazówki galwanometru o jedna dzia k

"

&

! "

(1 mm). Sta a pr dowa galwanometrów wyra a si zwykle bardzo ma liczb

!

&

%

"

!&

&

u amkow rz du

!

& " 10

A/dz.

Sta a

! C

,

mo e by regulowana przez u ytkownika w pewnym z

%

#

%

akresie,

(podanym na p ycie czo owej przyrz du) za pomoc pokr t a oznaczonego C

!

!

&

&

" !

+

,

,,

umieszczonego na jego tylnej ciance. Pokr t o to s u y do regulacji po o enia

'

" !

! %

! %

bocznika magnetycznego.

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

7

Pomiar pr du musi by wi c poprzedzony okre leniem warto ci sta e

&

#

"

'

'

! j

pr dowej, zw aszcza gdy nie wiadomo, w jakim po o eniu pozostawili bocznik

&

!

! %

poprzedni u ytkownicy.

%

Do wiadczalne wyznaczenie tej sta ej jest

'

!

przedmiotem niniejszego wiczenia.

#

Nasuwa si naturalne pytanie, w jakim celu pozostawia si

"

"

u ytkownikowi mo li

%

% wo regulowania sta ej pr dowej? Mo liwo ta

'#

!

&

%

'#

wykorzystywana jest do ograniczenia czu o ci galwanometru w przypadkach

! '

,

gdy po dane jest

%&

przede wszystkim skrócenie czasu ustalania si wskaza

"

(

i skrócenie czasu trwania pomiarów. Wysoka czu o nie

! '#

sprzyja temu celowi.

Regulacji czu o ci

! ' dokonuje si przy pomocy pokr t a

"

" ! +C

,

,. Jest ono

przeznaczone do regulacji sta ej pr dowej

!

&

, a jednocze nie czu o ci

'

! ' S

,

jako e

%

oba te parametry galwanometru pozostaj wz

& gl dem siebie w cis ym zwi zku:

"

' !

&

,

,

C

S

1

Jak wynika z powy szej zale no ci, w celu

%

% '

zmniejszenia czu o ci pr dowej,

! '

&

nale y zwi kszy sta pr dow .

%

"

# !& &

&

Bocznik magnetyczny (rys. 3) jest kawa kiem stali magnetycznie

!

mi kkiej, który w zale no ci od swego po o enia wzgl dem szczeliny

"

% '

! %

"

powietrznej w ró nym stopniu bocznikuje strumie magnetyczny zmierzaj cy

%

(

&

od bieguna N do bieguna S poprzez obszar, w którym znajduje si cewka,

"

wp ywaj c tym na warto strumienia z ni skojarzonego (indukcji

!

&

'#

&

magnetycznej B), a tym samym na warto si elektrodynamiczn

'# !

ych i momentu

nap dowego (patrz zale no (1)).

"

% '#

Poprzez regulacj indukcji B, u ytkownik wp ywa na warto momentu

"

%

!

'#

t umi cego M

!

&

7

(wzór (8)) oraz rezystancji krytycznej R

NU

galwanometru (wzór

(10)).

%2&=1,.

S

N

Rys.3. Zasada dzia ania

!

bocznika magnetycznego

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

8

Moment t umi cy M

!

&

7

Rola momentu t umi cego polega na t umieniu oscylacji ceweczki wokó

!

&

!

!

nowego po o enia ustalonego,

! %

po zmianie nat enia pr du w niej p yn cego.

"%

&

! &

Kiedy pr d cewki wzrasta od zera do pewnej warto ci, moment nap dowy

&

'

"

praktycznie bezzw ocznie osi ga warto M

!

&

'#

1

, co pokazuje rysunek 4,

natomiast moment zwrotny ma warto zerow . W pierwszej chwili przewa a

'#

&

%

wi c moment nap dowy, w rezultacie czego cewka zaczyna obraca si , za

"

"

# "

'

nitki spr yste zawieszenia ulegaj stopniowemu skr

"%

&

"

&

ceniu, wytwarzaj c

narastaj cy liniowo moment zwrotny.

&

B

M

0

M

1

M

=

M

1

C

A

D

2D

D

Rys. 4. Wspó praca momentu nap dowego (M

!

"

1

) i zwrotnego (M

=

) w ustroju

magnetoelektrycznym

Oba momenty staj si sobie równe, gdy cewka obróci si o k t

& "

"

& D

, jednak jej

ruch nie ustaje w tym miejscu. Mo na wykaza , e osi gnie ona k t obrotu 2

%

# %

&

&

D

(przy za o eniu braku jakichkolwiek strat energii). W cewce zostanie bowiem

! %

nagromadzona energia kinetyczna ruchu obrotowego, wi ksza od pracy

"

potrzebnej do skr cenia nitek spr ys

"

"% tych o k t & D

.

Moment nap dowy M

"

1

o warto ci M

'

1

(rys.4) wykonuje na drodze

k towej (0

&

- D

) prac ,"

D

˜

1

1

M

W

,

proporcjonaln do pola powierzchni prostok ta (0,

&

&

D

, A, M

1

).

Praca momentu zwrotnego M

=

, liniowo zale nego od k ta obrotu

%

&

cewki,

wyniesie natomiast,

³

˜

³

˜

2

1

D

D

D

D

D

D

D

]

]

=

=

k

d

k

d

M

W

Sta a zwracania k

!

]

równa jest wspó czynnikowi nachylenia prostej momentu

!

zwrotnego i, jak wynika z rysunku 4, mo e by wyra ona jako tangens k ta

%

#

%

&

nachylenia tej prostej,

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

9

D

1

]

M

k

Podstawiaj c to wra enie do ostatniej zale no ci, dostaniemy ostatecznie,

&

%

% '

2

1

D

1

=

M

W

Jak wida , praca momentu nap dowego W

#

"

1

jest dwukrotnie wi ksza od

"

pracy W

=

momentu zwrotnego. Nadwy ka pracy momentu nap dowego,

%

"

proporcjonalna do pola trójk ta zak

&

reskowanego na rysunku 4, zostaje zu yta

%

na nadanie energii kinetycznej ruchu obrotowego ceweczki. Gdy ta ostatnia

+

, &

mija k t D

, energia kinetyczna zaczyna zamienia si na energi potencjaln

# "

"

&

spr ysto ci, skr caj c nitki zawieszenia cewki o k t 2

"%

'

" &

& D

. Energia potencjalna

spr ysto ci jest proporcjonalna d

"%

'

o pola powierzchni trójk ta (A,

&

B, C)

dok adnie równego polu trójk ta zakreskowanego. W punkcie 2

!

&

D

cewka

zatrzyma si , za przewa aj cy w tym miejscu moment zwrotny zapocz tkuje jej

" '

% &

&

ruch powrotny oraz towarzysz cy mu odwrotny proces zamiany energii

&

potencjalnej spr ysto ci na energi kinetyczn ruchu obrotowego. W idealnym

"%

'

"

&

stanie rzeczy (brak strat energii) cewka mo e dotrze do po o enia wyj ciowego

%

#

! %

'

(D = 0) i ponownie rozpocz opisany ju ruch w kieru

&#

%

nku przeciwnym.

Oznacza oby to niegasn ce oscylacje ceweczki o amplitudzie

!

&

_ D

_

wokó !

po o enia ustalonego

! %

D

.

W rzeczywisto ci, wyst puj ce podczas ruchu straty energii na tarcie

'

" &

(o powietrze i tarcie wewn trzne w nitkach spr ystych zawieszenia) powod

"

"%

uj &

malenie amplitudy oscylacji, stopniowy zanik ruchu cewki i ustalenie si jej

"

po o enia

! %

D

odpowiadaj cego nowej warto ci pr du.

&

'

&

Gdyby istnia y tylko momenty tarciowe, ustalenie si wskaza

!

"

(

galwanometru trwa oby zbyt d ugo i nadmiernie wyd u a o pomiar

!

!

! % !

y. Mia oby to

!

miejsce tylko wtedy, gdy obwód elektryczny cewki pozostawa by otwarty i nie

!

istnia by moment t umi cy. Istotnie, z zale no ci (8) okre laj cej moment

!

!

&

% '

' &

t umi cy wynika, e dla rezystancji zewn trznej R

!

&

%

"

=

przy czonej do zacisków

!&

galwanometru d&%&

(

'

cej do niesko czono ci (przypadek rozwarcia obwodu),

moment t umi cy M

!

&

7

staje si równy zeru.

"

dt

d

R

R

b

a

z

B

M

=

*

7

D

˜

˜

˜

˜

(8)

M

7

- moment t umi cy

!

&

B - indukcja w szczelinie powietrznej

z - liczba zwojów cewki

a, b - wymiary cewki

R

*

- rezystancja wewn trzna g

"

alwanometru

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

10

R

=

- rezystancja zast pcza obwodu przy czonego do galwanometru

"

!&

d

dt

D

- pr dko k towa cewki

"

'# &

Z równania (8) wynika, e moment t umi cy zale y on szeregu wielko ci,

%

!

&

%

'

w tym m. in. od indukcji B, rezystancji ca kowitej obwodu

!

cewki (R

*

+R

=

) i jej

pr dko ci k towej (d

"

'

&

D

/dt). Skupimy si g ównie na wymienionych

" !

wielko-

o ciach.

'

Jak wida u ytkownik ma mo liwo wp ywania na warto momentu M

# %

%

'#

!

'#

7

poprzez zmian rezystancji zast pczej obwodu

"

"

R

=

przy czonego do zacisków

!&

galwanometru, a tak e poprzez zmian indukcji B przy pomocy bocznika

%

"

magnetycznego.

Maksymalny moment t umi cy uzyskuje si przy zwartych zaciskach

!

&

"

galwanometru (R

=

= 0). Producent wyposa a ten przyrz d w specjaln zwor ,

%

&

&

"

któr nale y zak ada po zako czonej pracy, zw

&

%

! #

(

!aszcza wtedy, gdy

galwanometr ma by przenoszony na inne miejsce.

#

Pozostawienie rozwartych zacisków przyrz du grozi powstaniem

&

silnych, s abo t umionych oscylacji ceweczki (po wp ywem przechy ów

!

!

!

!

i drga ), mog cych prowadzi do ukr cenia niezwykle delikat

(

&

#

"

nych nitek,

na których jest ona zawieszona.

Zale no momentu t umi cego od pr dko ci k towej jest zrozumia y.

% '#

!

&

"

'

&

!

Szybszy ruch ceweczki w polu magnetycznym magnesu trwa ego powoduje

!

indukowanie si w niej wi kszej si y elektromotorycznej i wzrost hamuj cego

"

"

!

&

oddzia ywania elektrodynamicznego wynikaj cego z regu y Lenza.

!

&

!

Wp yw momentu t umi cego na charakter ruchu cewki galwanometru

!

!

&

w stanie przej ciowym ilustruj przebiegi na rysunku 4.

'

&

Najkorzystniejszy, z punktu widzenia czasu trwania pomiarów, jest ruch

aperiodyczny krytyczny, to znaczy najszybszy z ruchów nieokresowych.

Wskazówka bowiem dociera wtedy do po o enia ustalonego najszybciej, bez

! %

zb dnych oscylacji.

"

Ruch aperiodyczny krytyczny mo na te okre li jako ruch graniczny

%

%

' #

mi dzy

"

rodzin ruchów okres

&

owych (oscylacyjnych) i rodzin ruchów

&

nieokresowych (aperiodycznych).

Rezystancja zewn trzna krytyczna R

"

]NU

Jest to taka warto rezystancji zast pczej obwodu zewn trznego

'#

"

"

przy czonego do zacisków galwanometru, przy której (za spraw momentu

!&

&

t umi ce

!

& go) organ ruchomy pod a do nowego po o enia ustalonego

&%

! %

ruchem

aperiodycznym krytycznym.

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

11

a

u

a

t

rodzina ruchów aperiodycznych

ruch aperiodyczny krytyczny

ruch oscylacyjny t!umiony

M

7

M

7

M

7

M

7

M

7

!

M

7

!

M

7

!

M

7

a

X

- po o enie ustalone

! %

Rys. 4. Rodzaje ruchów cewki galwanometru w stanie przej ciowym

'

w zale no ci od momentu

% '

t umi cego M

!

&

7

Rezystancja zewn trzna krytyczna

"

dana jest wzorem (9).

*

]

]NU

R

Jk

Bzab

R

2

(9)

gdzie:

B - indukcja w szczelinie powietrznej

z - liczba zwojów cewki

a, b - wymiary cewki (patrz rys.2)

J - moment bezw adno ci cewki

!

'

k

]

- sta a zwracania n

!

itek spr ystych

"%

R

*

- rezystancja wewn trzna galwanometru

"

Rezystancja krytyczna R

NU

.

Producent podaje dla galwanometru warto

'# rezystancji krytycznej R

NU

. Jest to

suma rezystancji wewn trznej galwanometru R

"

*

i rezystancji zewn trznej

"

krytycznej R

]NU

.

]NU

*

NU

R

R

R

Rezystancja krytyczna dana jest wzorem (10).

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

12

]

NU

Jk

Bzab

R

2

,

(10)

w którym znaczenie symboli jest takie same jak w równaniu (9).

2. Ogl dziny galwanometru

"

Nale y przyjrze si badanemu podczas wiczenia galwanometrow

%

# "

#

i,

zanotowa # w Tablicy 1 jego parametry i dokona wskazanych ni ej oblicze .

#

%

(

1. Wska zaciski wej ciowe galwanometru

%

'

2. Wska gniazdo zasilania aróweczki galwanometru

%

%

3. Wska pokr t o do zerowania galwanometru

%

" !

4. Wska pokr t o do regulacji sta ej pr dowej galwano

%

" !

!

&

metru

5. Zanotuj w Tablicy 1 parametry galwanometru podane na podzia ce:

!

x

Rezystancj wewn trzn R

"

"

&

*

x

Rezystancj krytyczn R

"

&

NU

(przedzia liczbowy)

!

x

Sta pr dow C

!& &

&

,

(przedzia liczbowy)

!

We mniejsz z dwóch skrajnych warto ci sta ej pr dowej C

-

&

'

!

&

,

podanej na

podzia ce badanego galwanometru i oblicz wed ug

!

! wzoru (11) warto pr du,

'# &

jaki spowoduje przemieszczenie wskazówki galwanometru o 70 dzia ek. B dzie

!

"

to najwi ksza dopuszczalna warto pr du I

"

'#

&

*

, jak mo e mierzy

&

%

#

galwanometr, w przypadku, gdy ustawiona jest najwi ksza czu o tego

"

! '#

przyrz du.

&

I

* 0$;

= 70 C

,

(11)

Znaj c warto

&

'# pr du I

&

*0$;

oraz warto rezystancji wewn trznej galwa

'#

"

-

nometru R

*

, oblicz wed ug wzoru (12) maksymalne napi cie U

!

"

PD[

, jakie mo na

%

przyk ada do zacisków wej ciowych galwanometru.

! #

'

U

0$;

= R

*

I

* 0$;

(12)

Wyniki oblicze wpisz do Tablicy 1.

(

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

13

Tablica 1

R

*

:

R

NU

:

C

,

A/dz

I

* 0$;

A

U

* 0$;

V

3. Przebieg pomiarów

Wyznaczanie sta ej pr dowej galwanometru

!

&

Zasadniczym pomiarem dokonywanym przez studentów w tym wiczeniu

#

jest do wiadczalne wyznaczanie sta ej pr dow

'

!

&

ej C

,

galwanometru

Schemat uk adu pomiarowego, w którym wyznaczana

!

jest sta a

! pr dowa

&

,

przedstawiony jest na rysunku 5.

V

W

I

*

I

U

=

Z

R

R

R

mA

ZS

G

Rys 5. Schemat uk adu pomiarowego

!

G - badany galwanometr

ZS - zasilacz stabilizowany

V - woltomierz magnetoelektryczny typu LM-3

(nastawi zakres 15 V)

#

mA - miliamperomierz magnetoelektryczny typu LM-3

(nastawi zakres 15 mA)

#

R

= 0,1 : rezystor wzorcowy czterozaciskowy

R

- rezystor pi ciodekadowy (nastawi 1000

"

#

:

)

R

- rezystor sze ciodekadowy (

'

nastawi wst pnie 99 999

#

"

:

)

W - wy cznik jednobiegunowy

!&

Z - specjalny zwieracz galwanometru

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

14

Kolejno czynno ci

'#

'

1. Przed pomiarem nale y przy czy napi cie do aróweczki galwanometru za

%

!& #

"

%

po rednictwem specjalnego transformat

'

orka zewn trznego

"

obni aj cego

% &

napi cie sieciowe do 6 V.

"

(niektóre galwanometry maj wbudowany ten

&

transformatorek do rodka). W rezultacie na matówce galwanometru

'

powinien pojawi si wiec cy prostok cik

# " '

&

& z nitk na rodku

&

'

. Jest to

wskazówka wietlna galw

'

anometru.

2. Przy otwartym zwieraczu Z nale y wyzerowa galwanometr przy pomocy

%

#

specjalnego pokr t a. Je eli wyst pi trudno ci z ustabilizowaniem

" !

%

& &

'

wskazówki (najcz ciej oscyluje ona wokó pewnego po o enia),

"'

!

! %

galwanometr uznajemy za wyzerowany, gdy lewa amplituda oscylacji

wskazówki wokó po o enia zerowego jest równa prawej.

! ! %

Po wyzerowaniu,

nie mo na zmienia po o enia galwanometru na stole.

%

# ! %

3. Przy otwartym wy czniku W nale y w czy napi cie zasilaj ce zasilacza

!&

%

!& #

"

&

ZS i przy pomocy odpowiedniego regulatora nastawi napi cie U

#

"

=

= 10 V.

4. Zamkn wy cznik

&#

!&

W. Miliamperomierz powinien wskaza pr d bliski

#

&

10 mA. Przy pomocy rezystora R

nastawi dok adn warto pr du I

#

!

&

'# &

= 10

mA

5. Reguluj c rezystancj R

&

"

, nale y ustawia warto ci wskaza

%

#

'

( a galwanome-

tru podane w Tablicy 2, notuj c warto ci rezystancji R

&

'

oraz pr du I

&

(ten

ostatni praktycznie pozostanie na poziomie 10 mA).

Uwaga: Je eli w jakiejkolwiek fazie pomiarów plamka wietlna zniknie z

%

'

pola widzenia, nale y bezzw ocznie otworzy wy cznik W i zamkn zwi

%

!

#

!&

&#

eracz

Z, a nast pnie sprawdzi uk ad po cze .

"

# !

!& (

Tablica 2

a

dz

20

40

60

R

3

:

I

1

mA

I

G

A

C

I

A/dz

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

15

Obliczenia

Obliczy pr d galwanometru I

# &

*

wed ug wzoru (13)

!

*

*

R

R

R

R

I

I

(13)

Oblicz sta pr dow C

!& &

&

,

wed ug wzoru (14)

!

a

I

C

*

,

(14)

Warto ci C

'

,

obliczone dla poszczególnych przemieszcze wskazówki

(

a

powinny by bardzo bliskie sobie. W wypadku znacznych ró nic nale y

#

%

%

powtórzy pomiary i obliczenia.

#

4. Pytania i zadania kontrolne

1. Wymie najwa niejsze element

(

%

y konstrukcyjne ustroju magnetoelektrycz-

nego

2. Napisz zale no ci okre laj ce moment nap dowy ustroju i moment zwrotny

% '

' &

"

3. Które elementy obwodu magnetycznego wykonane s ze stali magnetycznie

&

mi kkiej i jak rol one pe ni ?

"

& "

! &

4. Opisz budow i zasad dzia ania bo

"

"

!

cznika magnetycznego

5. Jakie parametry galwanometru reguluje si przy pomocy bocznika

"

magnetycznego?

6. Jak rol w ustroju pomiarowym pe ni moment zwrotny?

& "

!

7. Jak wytwarzany jest moment zwrotny w klasycznym mierniku, a jak w gal-

wanometrze?

8. Co nazywamy funkcj & przetwarzania ustroju magnetoelektrycznego?

9. Podaj okre lenie czu o ci pr dowej S

'

! '

&

,

galwanometru

10. Podaj okre lenie sta ej pr dowej C

'

!

&

,

galwanometru

11. Podaj zwi zek mi dzy parametrami S

&

"

,

i C

,

12. Dlaczego sta a pr dowa C

!

&

,

(patrz podzia ka galwanometru) podana

!

jest

w postaci przedzia u liczbowego?

!

13. Podaj okre lenie rezystancji zewn trznej krytycznej galwanometru R

'

"

]NU

14. Podaj okre lenie rezystancji krytycznej galwanometru R

'

NU

15. Dlaczego rezystancja ta (patrz podzia ka galwanometru) podana jest w po

!

-

staci przedzia u

! liczbowego?

16. Jaki ruch nazywamy ruchem aperiodycznym krytycznym galwanometru?

17. Opisz mechanizm powstawania momentu t umi cego w galwanometrze

!

&

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

16

18. Dlaczego nale y zwiera zaciski wej ciowe galwanometru

%

#

'

podczas jego

transportu?

19. Jakiego rodzaju uszkodzenie mo e

% mie miejsce przy transporcie

#

galwanometru bez zwartych zacisków wej ciowych?

'

5. Literatura

1. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa 1972

2. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 2003

$wiczenie nr 4 Galwanometr magnetoelektryczny

17

Wymagania BHP

Warunkiem przyst pienia do praktycznej realizacji wiczenia jest

&

#

zapoznanie si z instrukcj BHP i instrukcj przeciw po arow

"

&

&

%

& oraz

przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urz dzenia dost pne na

&

"

stanowisku laboratoryjnym mog posiada instrukcje stanowiskowe. Prz

&

#

ed

rozpocz ciem pracy nale y zapozna si z instrukcjami stanowiskowymi

"

%

# "

wskazanymi przez prowadz cego.

&

W trakcie zaj laboratoryjnych nale y przestrzega nast puj cych zasad.

"#

%

#

" &

i

Sprawdzi , czy urz dzenia dost pne na stanowisku laboratoryjnym s w

#

&

"

&

stanie kompletnym, nie wskazuj cym na fizyczne uszkodzenie.

&

i

Sprawdzi prawid owo po cze urz dze .

#

!

'# !& (

& (

i

Za czenie napi cia do uk adu pomiarowego mo e si odbywa po

!&

"

!

%

"

#

wyra eniu zgody przez prowadz cego.

%

&

i

Przyrz dy pomiarowe nale y ustawi w sposób zapewniaj cy sta

&

%

#

&

!&

obserwacj , bez konieczno ci nachylania si nad innymi elementami

"

'

"

uk adu znajduj cymi si pod napi ciem.

!

&

"

"

i

Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek prze cze oraz wymiana

!& (

elementów sk adowych stanowiska pod napi ciem.

!

"

i

Zmiana konfiguracji stanowiska i po cze

!& (

!

% "

w badanym uk adzie mo e si

odbywa wy cznie w porozumieniu z prowadz cym zaj cia.

#

!&

&

"

i

W przypadku zaniku napi cia zasilaj cego nale y niezw ocznie wy czy

"

&

%

!

!& #

wszystkie urz dzenia.

&

i

Stwierdzone wszelkie braki w wyposa eniu stanowiska oraz

%

nieprawid owo ci w f

!

'

unkcjonowaniu sprz tu nale y przekazywa

"

%

#

prowadz cemu zaj cia.

&

"

i

Zabrania si samodzielnego w czania, manipulowania i korzystania z

"

!&

urz dze nie nale cych do danego wiczenia.

& (

%&

#

i

W przypadku wyst pienia pora enia pr dem elektrycznym nale y

&

%

&

%

niezw ocznie wy cz

!

!& y zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomoc

#

&

wy cznika bezpiecze stwa, dost pnego na ka dej tablicy rozdzielczej w

!&

(

"

%

laboratorium. Przed od czeniem napi cia nie dotyka pora onego.

!&

"

#

%