POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

___________________________________________________________

Laboratorium Miernictwa Elektrycznego

Galwanometr magnetoelektryczny statyczny

ć wiczenie nr 4

Białystok 1998

1

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

1. Wprowadzenie

1.1. Ustrój magnetoelektryczny

alwanometr jest szczególną odmianą ustroju magnetoelektrycznego,

dlatego na wstę pie zostaną omówione podstawowe właś ciwoś ci tego

G ustroju pomiarowego. Zasadniczymi elementami konstrukcyjnymi

ustroju są, silny magnes trwały oraz delikatna ceweczka stanowiąca jego organ

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

magnetoelektrycznym wraz z ceweczką obraca się wskazówka w postaci

delikatnej cienkoś ciennej rurki aluminiowej spłaszczonej na koń cu. W gal

galwanometrze wskazówka materialna została zastąpiona wskazówką ś wietlną

(rys.2).

MAGNES TRWAŁY

RDZEŃ Ś RODKOWY

CEWKA

NABIEGUNNIK

F

N

S

F

a

Rys. 1. Szkic ustroju magnetoelektrycznego

2

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

Boki cewki zanurzone są w szczelinie powietrznej utworzonej przez

nabiegunniki magnesu i rdzeń ś rodkowy w kształcie walca. Podkowiasty element jest magnesem trwałym, natomiast nabiegunniki i rdzeń ś rodkowy są

wykonane ze stali magnetycznie mię kkiej, to znaczy takiej, która traci swoje właś ciwoś ci magnetyczne po ustąpieniu zewnę trznego pola magnesującego.

Elementy takie mają za zadanie ułatwienie przepływu strumienia magnetycznego

w zamknię tym obwodzie magnetycznym. W szczelinie powietrznej wystę puje

jednorodne pole magnetyczne, którego linie sił są prostopadłe do powierzchni

walcowej rdzenia ś rodkowego. Sprawia to, ż e boki cewki, w szerokim zakresie

kąta obrotu znajdują się w polu o jednakowej indukcji. Jeż eli przez cewkę płynie

prąd stały na jej boki działają siły elektrodynamiczne F. Zwrot tych sił,

przedstawiony na rysunku 1, wyznaczony w oparciu o „regułę lewej dłoni” przy założ eniu, ż e prąd wpływa do prawego (na szkicu wyż szego) boku cewki, a

wypływa z lewego, przy czym mamy tu na myś li umowny kierunek prą du.

Na pojedynczy zwój cewki działa suma momentów pary sił,

a

a

M

= F + F = Fa

N

2

2

Dla z zwojów moment ten jest z razy wię kszy,

M

= zFa

N

Jak wiadomo, siła elektrodynamiczna działająca na przewodnik z prądem

(pojedynczy zwój) wyraż a się wzorem,

F = BIb

gdzie:

B - indukcja w szczelinie powietrznej

I - natę ż enie prądu w przewodniku

b - długoś ć przewodnika (patrz rys.2)

Podstawiając ostatni wzór do wyraż enia na moment MN, otrzymamy

ostatecznie równanie momentu napę dowego ustroju magnetoelektrycznego,

M

= BIzab

(1)

N

Jedyną wielkoś cią zmienną w równaniu (1) jest natę ż enie prądu I, moż na

wię c je zapisać nastę pująco,

M

= BIzab = c I

N

m

(2)

gdzie:

c = Bzab

m

Moment napę dowy jest wię c liniową funkcją natę ż enia prądu płynącego przez

cewkę .

3

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

Istnienie samego momentu napę dowego nie wystarcza do funkcjonowania

przyrządu pomiarowego. Gdyby istniał tylko ten moment, cewka zachowywałaby

się jak wirnik silnika, to znaczy obracałaby się ruchem ciągłym. do koń ca swego

zakresu ruchu.

Konieczne wię c jest istnienie drugiego momentu, momentu zwrotnego,

przeciwdziałającego momentowi napę dowemu w taki sposób, aby każ dej

wartoś ci prą du płyną cego przez cewkę odpowiadała jedna i tylko jedna wartoś ć

ką ta obrotu. Ten bardzo waż ny moment wytwarzają w zwykłym ustroju dwie płaskie sprę ż yny w kształcie spirali Archimedesa. W galwanometrze moment

zwrotny wytwarzają dwie sprę ż yste nitki wykonane z brązu fosforowego lub

berylowego, które stanowią jednocześ nie zawieszenie cewki (rys. 2). Podczas

obrotu cewki ulegają one skrę ceniu, przeciwdziałając momentowi napę dowemu.

W obydwu wypadkach moment zwrotny wyraż a się tym samym związkiem (3).

M = k

(3)

Z

α

z

gdzie:

kZ - stała zwracania

α - kąt obrotu cewki

Moment zwrotny jest wię c liniową funkcją kąta obrotu organu ruchomego

(patrz rys. 4).

W stanie ustalonym, gdy przeciwnie skierowane momenty sił: napę dowy i

zwrotny są sobie równe, moż emy napisać ,

BIzab = k α ,

z

skąd

Bzab

α =

I

(4)

kz

Związek

(4)

nazywa

się

funkcją

przetwarzania

ustroju

magnetoelektrycznego. Przedstawia ona zależ noś ć odpowiedzi ustroju (α) od

wymuszenia ( I)

Wobec tego, ż e wszystkie wielkoś ci wystę pujące w równaniu (4), z

wyjątkiem natę ż enia prądu, mają wartoś ci stałe, moż na je zapisać nastę pująco,

Bzab

α =

I = c I

α

(5)

kz

gdzie:

Bzab

cα =

kz

4

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

1.2. Galwanometr magnetoelektryczny statyczny

Mianem galwanometru określa się elektryczny miernik wskazówkowy

składają cy się tylko z ustroju , co oznacza, ż e jest on pozbawiony układu, bloku funkcjonalnego charakterystycznego dla znakomitej wię kszości mierników

wskazówkowych. Mierzona wielkość elektryczna jest tu bez jakiegokolwiek

przetworzenia doprowadzana bezpośrednio do ustroju. Stą d galwanometry mają

niewielkie zakresy pomiarowe napię cia i prą du. Waż nym ich zastosowaniem,

oprócz pomiaru niewielkich napię ć i prą dów, jest rola detektorów zera

(wskaź ników równowagi) w układach pomiarowych takich jak mostki i

kompensatory napię cia stałego. W tym ć wiczeniu galwanometr rozpatrywany

bę dzie wyłą cznie jako mikroamperomierz.

DOPROWADZENIEPRĄ DU

NITKA SPRĘ Ż YSTA

a

b

MATÓWKA

PROMIEŃ Ś WIETLNY

LUSTERECZKO

Ż ARÓWECZKA

Rys. 2. Zawieszenie nitkowe cewki i zasada wskazówki świetlnej

Omawiany galwanometr nazywa się statycznym, gdyż pełni on swoją

funkcję w statycznym (ustalonym) stanie pracy. Niż ej opiszemy jednak jego

pracę takż e w stanie przejściowym, gdyż jest on charakterystyczny dla

wszystkich mierników wskazówkowych, w galwanometrze zaś daje się

obserwować i analizować w sposób najbardziej wyrazisty.

5

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

Oprócz galwanometrów statycznych występują takż e galwanometry

balistyczne, wibracyjne, pełzne. W tych przyrzą dach wykorzystuje się ich wskazania w stanach przejś ciowych pracy. Obecnie jednak są już one w zaniku.

Niż ej przedstawimy wielkoś ci charakteryzują ce galwanometr magneto-

elektryczny statyczny, opisują c jednocześ nie jego charakterystyczne elementy

konstrukcyjne

Czułość prą dowa SI. Jest to pochodna odpowiedzi ustroju względem

wymuszenia. Wyznaczamy ją , obliczają c pochodną funkcji (5) względem prą du I.

d

Bzab

S = α =

(6)

I

dI

kz

Wysiłek konstruktorów od począ tku zmierzał w kierunku maksymalnego

zwiększenia czułoś ci prą dowej galwanometru. Przyjrzymy się najważ niejszym

zabiegom konstrukcyjnym prowadzą cym do zwiększenia czułoś ć ustroju

magnetoelektrycznego.

Z zależ noś ci (6) wynika, ż e zwiększenie czułoś ci moż liwe jest przez

wzrost indukcji B, zwiększenie liczby zwojów cewki z, a takż e jej wymiarów a,

b. Jednak zwiększenie parametrów z, a, b prowadzi do wzrostu cięż aru ceweczki, co pocią ga za sobą koniecznoś ć zawieszenia jej na grubszych nitkach,

a to powiększa stałą zwracania kz , zmniejszają c, zgodnie z zależ noś cią (6),

czułoś ć prą dową . W praktyce wykorzystuje się jedynie moż liwoś ć powiększenia

indukcji B poprzez zmniejszenie szerokoś ci szczeliny powietrznej obwodu

magnetycznego. Wymaga to zmniejszenia gruboś ci boków ceweczki zanurzonych

w tej szczelinie. Ceweczkę nawija się w tym celu na sztywnym korpusie, który

zostaje usunięty po wyschnięciu lakieru spajają cego poszczególne zwoje. Dzięki

temu jest ona lekka i ma cienkie boki. Moż na ją zawiesić (rys. 2) na delikatnych

nitkach spręż ystych (ś rednicy ok. 0,02 mm), wykonanych z brą zu fosforowego

lub berylowego o bardzo małej stałej zwracania kz , co zgodnie z zależ noś cią (6)

sprzyja zwiększeniu czułoś ci prą dowej.

Kolejnym waż nym zabiegiem zwiększają cym czułoś ć galwanometru jest

zastą pienie wskazówki materialnej wskazówką ś wietlną. Zasada tej wskazówki jest przedstawiona na rysunku 2. Promień ś wietlny przychodzą cy od ź ródła

(układu optycznego nie pokazanego na szkicu), pada na miniaturowe lustereczko

przymocowane sztywno do cewki i wykonują ce te same ruchy co ona. Promień

odbity zmienia swój kierunek w zależ noś ci od ką ta obrotu cewki. Padają c na

szkło matowe, zaznacza się na nim ś wietlistym prostoką tem (plamką ś wietlną ).

W rzeczywistoś ci budowa tej wskazówki jest bardziej złoż ona, promień ś wietlny,

nim padnie na matówkę odbija się jeszcze od kilku innych lusterek, co daje efekt

6

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

równoważny wydłużeniu wskazówki, zwię kszają c tym jeszcze bardziej czułoś ć

przyrzą du

(niewielkiemu

ką towi

obrotu

ceweczki

odpowiada

duże

przemieszczenie plamki ś wietlnej na matówce). Ć wiczą cy bę dą mogli obejrzeć

jej praktyczną realizację , oglą dają c w trakcie ć wiczenia eksponat galwanometru.

Używają c galwanometru jako mikroamperomierza, użytkownik korzysta z

zależnoś ci (7).

I = C ⋅ a

(7)

I

gdzie:

I - natę żenie mierzonego prą du [A]

CI - stała prą dowa galwanometru [A/dz]

a - przemieszczenie wskazówki na tle płaskiej podziałki mierzone

w działkach (długoś ć jednej działki wynosi 1 mm)

Podziałka galwanometru ma charakter płaskiej milimetrowej linii z ze-

rem poś rodku i jest naniesiona na szkle matowym. Wobec faktu, że zerowa

kreska działowa umieszczona jest na ś rodku podziałki, mniejszą uwagę

przykładać można do biegunowoś ci napię cia przyłą czanego do zacisków

wejś ciowych tego przyrzą du.

Jak wynika z zależnoś ci (7), do obliczenia prą du mierzonego przez

galwanometr trzeba znać nie tylko przemieszczenie wskazówki, ale także

stałą prą dową CI, a ta może być zmieniana przez użytkownika w pewnych

granicach.

Stała prądowa CI jest to przyrost natę żenia prą du płyną cego przez cewkę , powodują cy przemieszczenie wskazówki galwanometru o jedna działkę

(1 mm). Stała prą dowa galwanometrów wyraża się zwykle bardzo małą liczbą

ułamkową rzę du 10-9 A/dz.

Stała CI może być regulowana przez użytkownika w pewnym zakresie,

(podanym na płycie czołowej przyrzą du) za pomocą pokrę tła oznaczonego „CI”,

umieszczonego na jego tylnej ś ciance. Pokrę tło to służy do regulacji położenia

bocznika magnetycznego. Pomiar prą du musi być wię c poprzedzony okreś leniem

wartoś ci stałej prą dowej, zwłaszcza gdy nie wiadomo, w jakim położeniu

pozostawili bocznik poprzedni użytkownicy. Doś wiadczalne wyznaczenie tej

stałej jest przedmiotem niniejszego ć wiczenia.

Nasuwa się naturalne pytanie, w jakim celu pozostawia się użytkownikowi

możliwoś ć regulowania stałej prą dowej? Możliwoś ć ta wykorzystywana jest do

ograniczenia

czułoś ci

galwanometru

w

przypadkach

gdy wysoka czułoś ć nie jest konieczna w danych pomiarach, pożą dane jest

natomiast skrócenie czasu ustalania się wskazań i skrócenie czasu trwania

pomiarów.

7

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

Wspomnianej regulacji dokonuje się przy pomocy pokrętła oznaczonego

„CI”, jako ż e parametry SI oraz CI pozostają względem siebie w ś cisłym zwią zku,

1

S =

I

CI

Jak wynika z powyż szej zależ noś ci, w celu zmniejszenia czułoś ci prą dowej,

należ y zwiększyć stałą prą dową .

Bocznik magnetyczny (rys. 3) jest kawałkiem stali magnetycznie

miękkiej, który w zależ noś ci od swego położ enia względem szczeliny

powietrznej w róż nym stopniu bocznikuje strumień magnetyczny zmierzają cy od

bieguna N do bieguna S poprzez obszar, w którym znajduje się cewka,

wpływają c tym na wartoś ć strumienia z nią skojarzonego (indukcji magnetycznej

B), a tym samym na wartoś ć sił elektrodynamicznych i momentu napędowego

(patrz zależ noś ć (1)).

Poprzez regulację indukcji B, uż ytkownik wpływa na wartoś ć momentu

tłumią cego MT (wzór (8)) oraz rezystancji krytycznej Rkr galwanometru (wzór

(10)).

N

S

BOCZNIK

Rys.3. Zasada bocznika magnetycznego

Moment tłumiący MT

Rola momentu tłumią cego polega na tłumieniu oscylacji ceweczki wokół

nowego położ enia ustalonego, w którym powinna się ona znaleź ć po zmianie

natęż enia prą du w niej płyną cego.

Kiedy prą d cewki wzrasta od zera do pewnej wartoś ci, moment napędowy

praktycznie bezzwłocznie osią ga wartoś ć MN1 , co pokazuje rysunek 4, natomiast

moment zwrotny ma wartoś ć zerową . W pierwszej chwili przeważ a więc moment

8

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

napędowy, w rezultacie czego cewka zaczyna obracać się, zaś nitki spręż yste

zawieszenia ulegają stopniowemu skręceniu, wytwarzają c narastają cy liniowo

moment zwrotny.

M

C

MZ

A

MN1

B

MN

α

α

0

1

2α1

Rys. 4. Współpraca momentu napędowego (MN) i zwrotnego (MZ) w ustroju

magnetoelektrycznym

Oba momenty stają się sobie równe, gdy cewka obróci się o ką t α1, jednak jej

ruch nie ustaje w tym miejscu. Moż na wykazać , ż e osią gnie ona ką t obrotu 2α1

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

nagromadzona energia kinetyczna ruchu obrotowego, większa od pracy

potrzebnej do skręcenia nitek spręż ystych o ką t α1.

Moment napędowy MN o wartoś ci MN1 (rys.4) wykonuje na drodze

ką towej (0 - α1) pracę,

W = M

,

N

N α

1

1

proporcjonalną do pola powierzchni prostoką ta (0, α1, A, MN1).

Praca momentu zwrotnego MZ, liniowo zależ nego od ką ta obrotu cewki,

wyniesie natomiast,

1

α

1

α

W

M

d

k

d

k

Z =

1

2

∫

Z (α ) α = ∫

α

z

⋅ α =

α

2 z

0

0

Stała zwracania kz równa jest współczynnikowi nachylenia prostej momentu

zwrotnego i, jak wynika z rysunku 4, moż e być wyraż ona jako tangens ką ta

nachylenia tej prostej,

M N 1

k =

z

α1

Podstawiają c to wraż enie do ostatniej zależ noś ci, dostaniemy ostatecznie,

1

W =

M

Z

N α

1

1

2

9

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

Jak widać, praca momentu napę dowego WN jest dwukrotnie wię ksza od

pracy WZ momentu zwrotnego. Nadwyż ka pracy momentu napę dowego,

proporcjonalna do pola trójką ta zakreskowanego na rysunku 4, zostaje zuż yta na

nadanie energii kinetycznej ruchu obrotowego ceweczki. Gdy ta ostatnia „mija”

ką t α1 , energia kinetyczna zaczyna zamieniać się na energię potencjalną

sprę ż ystoś ci, skrę cają c nitki zawieszenia cewki o ką t 2α1. Energia potencjalna

sprę ż ystoś ci jest proporcjonalna do pola powierzchni trójką ta (A, B, C)

dokładnie równego polu trójką ta zakreskowanego. W punkcie 2α1 cewka

zatrzyma się , zaś przeważ ają cy w tym miejscu moment zwrotny zapoczą tkuje jej

ruch powrotny oraz towarzyszą cy mu odwrotny proces zamiany energii

potencjalnej sprę ż ystoś ci na energię kinetyczną ruchu obrotowego. W idealnym

stanie rzeczy (brak strat energii) cewka moż e dotrzeć do położ enia wyjś ciowego

(α = 0) i ponownie rozpoczą ć opisany już ruch w kierunku przeciwnym.

Oznaczałoby to niegasną ce oscylacje ceweczki o amplitudzie |α |

1 wokół

położ enia ustalonego α1.

W rzeczywistoś ci, wystę pują ce podczas ruchu straty energii na tarcie (o

powietrze i tarcie wewnę trzne w nitkach sprę ż ystych zawieszenia) powodują

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

położ enia α1 odpowiadają cego nowej wartoś ci prą du.

Gdyby istniały tylko momenty tarciowe, ustalenie się wskazań

galwanometru trwałoby zbyt długo i nadmiernie wydłuż ało pomiary. Miałoby to

miejsce tylko wtedy, gdy obwód elektryczny cewki pozostawałby otwarty i nie

istniałby moment tłumią cy. Istotnie, z zależ noś ci (8) okreś lają cej moment

tłumią cy wynika, ż e dla rezystancji zewnę trznej RZ przyłą czonej do zacisków

galwanometru dą ż ą cej do nieskoń czonoś ci (przypadek rozwarcia obwodu),

moment tłumią cy MT staje się równy zeru.

( Bzab)2 dα

M =

⋅

(8)

T

R + R

dt

G

Z

MT - moment tłumią cy

B - indukcja w szczelinie powietrznej

z - liczba zwojów cewki

a, b - wymiary cewki

RG - rezystancja wewnę trzna galwanometru

RZ - rezystancja zastę pcza obwodu przyłą czonego do galwanometru

dα - prę dkoś ć ką towa cewki

dt

Z równania (8) wynika, ż e moment tłumią cy zależ y on szeregu wielkoś ci,

w tym m. in. od indukcji B, rezystancji całkowitej obwodu cewki (RG+RZ) i jej

prę dkoś ci ką towej (dα/dt). Skupimy się głównie na wymienionych wielkoś ciach.

10

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

Jak widać uż ytkownik ma moż liwoś ć wpływania na wartoś ć momentu MT

poprzez zmianę rezystancji zastę pczej obwodu przyłą czonego do zacisków

galwanometru, a takż e poprzez zmianę indukcji B przy pomocy bocznika

magnetycznego.

Maksymalny moment tłumią cy uzyskuje się przy zwartych zaciskach

galwanometru (RZ = 0). Producent wyposaż a ten przyrzą d w specjalną zworę ,

którą należ y zakładać po zakoń czonej pracy, zwłaszcza wtedy, gdy galwanometr

ma być przenoszony na inne miejsce.

Pozostawienie rozwartych zacisków przyrządu grozi powstaniem

silnych, słabo tłumionych oscylacji ceweczki (po wpływem przechyłów

i drgań ), mogących prowadzić do ukrę cenia niezwykle delikatnych nitek, na których jest ona zawieszona.

Zależ noś ć momentu tłumią cego od prę dkoś ci ką towej jest zrozumiały.

Szybszy ruch ceweczki w polu magnetycznym magnesu trwałego powoduje

indukowanie się w niej wię kszej siły elektromotorycznej i wzrost hamują cego

oddziaływania elektrodynamicznego wynikają cego z reguły Lenza.

Wpływ momentu tłumią cego na charakter ruchu cewki galwanometru w

stanie przejś ciowym ilustrują przebiegi na rysunku 4.

a

ruch oscylacyjny tłumiony

au

MT4

MT1

MT2

M

rodzina ruchów aperiodycznych

T3

ruch aperiodyczny krytyczny

t

M

>

>

>

T1 MT2 MT3 MT4

au - położ enie ustalone

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

w zależ noś ci od momentu tłumią cego MT

Najkorzystniejszy, z punktu widzenia czasu trwania pomiarów, jest ruch

aperiodyczny krytyczny, to znaczy najszybszy z ruchów nieokresowych.

Wskazówka bowiem dociera wtedy do położ enia ustalonego najszybciej, bez

zbę dnych oscylacji.

11

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

Ruch aperiodyczny krytyczny można też okreś lić jako ruch graniczny

mię dzy rodziną ruchów okresowych (oscylacyjnych) i rodziną ruchów

nieokresowych (aperiodycznych).

Rezystancja zewnętrzna krytyczna Rzkr

. Jest to taka wartoś ć rezystancji zastę pczej obwodu zewnę trznego

przyłą czonego do zacisków galwanometru, przy której (za sprawą momentu

tłumią cego) organ ruchomy podą ża do nowego położenia ustalonego ruchem

aperiodycznym krytycznym.

Rezystancja zewnę trzna krytyczna dana jest wzorem (9).

( Bzab)2

R

=

− R

(9)

zkr

G

2 Jkz

gdzie:

B - indukcja w szczelinie powietrznej

z - liczba zwojów cewki

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

J - moment bezwładnoś ci cewki

kz - stała zwracania nitek sprę żystych

RG - rezystancja wewnę trzna galwanometru

Rezystancja krytyczna Rkr. Producent podaje dla galwanometru wartoś ć

rezystancji krytycznej Rkr. Jest to suma rezystancji wewnę trznej galwanometru

RG i rezystancji zewnę trznej krytycznej Rzkr.

R = R + R

kr

G

zkr

Rezystancja krytyczna dana jest wzorem (10).

( Bzab)2

R =

,

(10)

kr

2 Jkz

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

12

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

2. Oględziny galwanometru

Należy przyjrzeć się badanemu podczas ć wiczenia galwanometrowi,

zanotować

w Tablicy 1 jego parametry i dokonać wskazanych niżej obliczeń .

1. Wskaż zaciski wejś ciowe galwanometru

2. Wskaż gniazdo zasilania żaróweczki galwanometru

3. Wskaż pokrę tło do zerowania galwanometru

4. Wskaż pokrę tło do regulacji stałej prą dowej galwanometru

5. Zanotuj w Tablicy 1 parametry galwanometru podane na podziałce:

• Rezystancję wewnę trzną RG

• Rezystancję krytyczną Rkr (przedział liczbowy)

• Stałą prą dową CI (przedział liczbowy)

Weź mniejszą z dwóch skrajnych wartoś ci stałej prą dowej CI podanej na

podziałce badanego galwanometru i oblicz według formuły (11) wartoś ć prą du,

jaki spowoduje przemieszczenie wskazówki galwanometru o 70 działek. Bę dzie

to najwię ksza dopuszczalna wartoś ć prą du IG, jaką może mierzyć galwanometr,

w przypadku, gdy ustawiona jest najwię ksza czułoś ć tego przyrzą du.

IG MAX = 70 CI

(11)

Znają c wartoś ć prą du IGMAX oraz wartoś ć rezystancji wewnę trznej galwa-

nometru RG, oblicz według wzoru (12) maksymalne napię cie Umax, jakie można

przykładać do zacisków wejś ciowych galwanometru.

UMAX = RG IG MAX

(12)

Wyniki obliczeń wpisz do Tablicy 1.

Tablica 1

RG

Ω

Rkr

Ω

CI

A/dz

IG MAX

A

UG MAX

V

13

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

3. Przebieg pomiarów

Wyznaczanie stałej prądowej galwanometru

Schemat układu pomiarowego, w którym wyznaczana jest stałą prądową

galwanometru, przedstawiony jest na rysunku 5.

W

I1

IG

mA

Z

ZS

V

UZ

R2

G

R1

R3

Rys 5. Schemat układu pomiarowego

G - badany galwanometr

ZS - zasilacz stabilizowany

V - woltomierz magnetoelektryczny typu LM-3

(nastawić zakres 15 V)

mA - miliamperomierz magnetoelektryczny typu LM-3

(nastawić zakres 15 mA)

R2 = 0,1 Ω rezystor wzorcowy czterozaciskowy

R1 - rezystor pię ciodekadowy (nastawić 1000 Ω)

R3 - rezystor sześ ciodekadowy (nastawić wstę pnie 99 999 Ω)

W - wyłącznik jednobiegunowy

Z - specjalny zwieracz galwanometru

Kolejność czynności

1. Przed pomiarem należ y przyłączyć napię cie do ż aróweczki galwanometru za

poś rednictwem specjalnego transformatorka zewnę trznego o przekładni

220V/6V (niektóre galwanometry mają wbudowany ten transformatorek do

ś rodka). W rezultacie na matówce galwanometru powinien pojawić się

ś wiecący prostokącik. Jest to wskazówka ś wietlna galwanometru.

2. Przy otwartym zwieraczu Z należ y wyzerować galwanometr przy pomocy

specjalnego pokrę tła. Jeż eli wystąpią trudnoś ci z ustabilizowaniem wskazówki

(najczę ś ciej

oscyluje

ona

wokół

pewnego

położ enia),

14

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

galwanometr uznajemy za wyzerowany, gdy lewa amplituda oscylacji

wskazówki wokół położenia zerowego jest równa prawej. Po wyzerowaniu,

nie można zmieniać położenia galwanometru na stole.

3. Przy otwartym wyłą czniku W należy włą czyć napię cie zasilają ce zasilacza ZS

i przy pomocy odpowiedniego regulatora nastawić napię cie UZ = 10 V.

4. Zamkną ć wyłą cznik W. Miliamperomierz powinien wskazać prą d bliski

10 mA. Przy pomocy rezystora R1 nastawić dokładną wartoś ć prą du I1 = 10

mA

5. Regulują c rezystancję R3 , należy ustawiać wartoś ci wskazań a galwanome-

tru podane w Tablicy 2, notują c wartoś ci rezystancji R3 oraz prą du I1 (ten

ostatni praktycznie pozostanie na poziomie 10 mA).

Uwaga: Jeżeli w jakiejkolwiek fazie pomiarów plamka ś wietlna zniknie z

pola widzenia, należy bezzwłocznie otworzyć wyłą cznik W i zamkną ć zwieracz

Z, a nastę pnie sprawdzić układ połą czeń .

Tablica 2

a

dz

20

40

60

R3

Ω

I1

mA

IG

A

CI A/dz

Obliczenia

Obliczyć prą d galwanometru IG według wzoru (13)

R

I = I

2

(13)

G

1 R 2 + R 3 + RG

Oblicz stałą prą dową CI według wzoru (14)

I

C

G

=

(14)

I

a

Wartoś ci CI obliczone dla poszczególnych przemieszczeń wskazówki a

powinny być bardzo bliskie sobie. W wypadku znacznych różnic należy

powtórzyć pomiary i obliczenia.

15

Ć wi c z e n i e n r 4 G a l wa n o m e t r m a g n e t o e l e k t r y c z n y

4. Pytania i zadania kontrolne

1. Wymień najważ niejsze elementy konstrukcyjne ustroju magnetoelektrycz-

nego

2. Napisz zależ noś ci okreś lają ce moment napę dowy ustroju i moment zwrotny

3. Które elementy obwodu magnetycznego wykonane są ze stali magnetycznie

mię kkiej i jaką rolę one pełnią ?

4. Opisz budowę i zasadę działania bocznika magnetycznego

5. Jakie parametry galwanometru reguluje się przy pomocy bocznika

magnetycznego?

6. Jaką rolę w ustroju pomiarowym pełni moment zwrotny?

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

wanometrze?

8. Co nazywamy funkcją przetwarzania ustroju magnetoelektrycznego?

9. Podaj okreś lenie czułoś ci prą dowej SI galwanometru

10. Podaj okreś lenie stałej prą dowej CI galwanometru

11. Podaj zwią zek mię dzy parametrami SI i CI

12. Dlaczego stała prą dowa CI (patrz podziałka galwanometru) podana jest

w postaci przedziału liczbowego?

13. Podaj okreś lenie rezystancji zewnę trznej krytycznej galwanometru Rzkr

14. Podaj okreś lenie rezystancji krytycznej galwanometru Rkr

15. Dlaczego rezystancja ta (patrz podziałka galwanometru) podana jest w po-

staci przedziału liczbowego?

16. Jaki ruch nazywamy ruchem aperiodycznym krytycznym galwanometru?

17. Opisz mechanizm powstawania momentu tłumią cego w galwanometrze

18. Dlaczego należ y zwierać zaciski wejś ciowe galwanometru odnoszą c go do

szafy?

19. Jakiego rodzaju uszkodzenie moż e mieć miejsce przy transporcie

galwanometru bez zwartych zacisków wejś ciowych?

5. Literatura

1. Lebson S. Podstawy miernictwa elektrycznego WNT, Warszawa 1970

2. Łapiński M. Miernictwo elektryczne WKiŁ, Warszawa 1967

3. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 1994