Вимірювання опору провідників мостовим методом.

Одним із методів вимірювання опору провідника є метод моста постійного струму (міст Уїтстона). Цей метод є дуже точним, полягає в тому, що невідомий опір (його треба визначити),

а також відомі опори , , з”єднують так, щоб утворити замкнутий чотирикутник ABCD. В одну діагональ чотирикутника під’єднують гальванометр з нульовою точкою посередині шкали.

 

 

Мал. 4. Електрична схема моста постійного струму.

 

В даній лабораторній роботі опором служить магазин опорів. Значення опору підбираємо так, щоб струм через гальванометр був відсутнім, тобто різниця потенціалів між точками і дорівнювала нулю.

Застосуємо перше правило Кірхгофа для вузлів і :

(13

 

Застосуємо друге правило Кірхгофа для контурів:

: (14)

: (15)

 

З рівнянь (14) і (15) отримаємо вираз для розрахунку невідомого опору:

(16)

Точність визначення невідомого опору залежить від чутливості гальванометра та каліброваних опорів і .

Найчастіше мостовий метод застосовують для вимірювання малих опорів.

 

Опис експериментальної установки.

 

Електрична схема експериментальної установки (див. мал.4) складається з джерела живлення Е, перемикач К, стрілкового гальванометра магнітоелектричної системи з нульовою точкою посередині G, магазину опорів , двох відомих опорів і а також затискача для невідомих опорів і з’єднуючих проводів. Для того, щоб при вимірюваннях отримати достовірні значення невідомих опорів, перемикач К вмикаємо тільки під час вимірів (бо якщо перемикач тримати ввімкнутим довший час, то провідники нагріваються і їх опір збільшується).

Недоліком моста Уітстона є те, що неконтрольований опір з’єднуючих проводів додається до величини опору магазину, і тим самим зменшується точність вимірів.

 

Порядок виконання роботи.

1. Під’єднати невідомий опір до затискача.
2. Увімкнути джерело живлення.
3. Натиснути і утримувати кнопку К (замкнути коло) і, змінюючи опір (магазин опорів),добитисящоб стрілка гальванометра показувала нуль. Повторити виміри по три рази для п’яти різних опорів.
4. Дані записати в таблицю 1. Не забути записати значення відомих опорів!
5. Вичислити середнє значення опору і також записати в таблицю.
6. За формулою (18) розрахувати опір кожного з п’яти резисторів, записати в таблицю.

Таблиця 1.

, кОм	, кОм	, кОм	, кОм	, кОм
сер,	сер	сер	сер	сер

 

Контрольні запитання:

1. Якіречовининазиваються провідниками?

2. Що називається: електричним струмом, густиною струму в металах?

3. Що називається силою струму?

4. Що називається електрорушійною силою?

5. Сформулюйте закон Ома для: для однорідної ділянки кола, повного кола.

8. Що є причиною появи опору в провіднику?

9. Чому дорівнює опір однорідного циліндричного провідника?

10. Як залежить опір провідника від температури і чому?

11. Сформулюйте правила Кірхгофа.

12. В чому полягає мостовий метод вимірювання опору?

13. Отримайте рівняння (16) для невідомого опору.

14 Від чого залежить точність визначення опору.

15. В яких випадках застосовують мостовий метод?

16. Поясніть, що і як вимірює гальванометр, вольтметр, амперметр.

Додаток

Вимірювання сили струму і напруги.

Вимірювання сили струму.

 

Силу струму вимірюють за допомогою приладів, які називаються гальванометри. Сила струму – це кількість заряду, що переноситься через провідник за одиницю часу. Безпосередньо виміряти скільки переноситься заряду неможливо. Тому для вимірювання сили струму використовують дію самого струму. Це може бути теплова дія – при проходженні струму провідник нагрівається і при цьому видовжується. Це видовження можна виміряти. Тому що видовження пропорційне силі струму, то таким чином можна виміряти і силу струму. Найпростіший тип гальванометра зображено на мал.1.

 

 

 

Мал. 1. Принцип дії теплового амперметра: 1 – тонка дротина, 2 – нитка, О – стрілка.

а) струм через дротину не тече, б) струм тече через амперметр.

 

По тонкій дротині 1, закріпленій на кінцях, пропускають струм. До середини дротини прикріплено один кінець міцної нитки 2, яку накручено на стрілку О. Другий кінець нитки прикріплено до розтягнутої пружини. При пропусканні струму дротина нагрівається і видовжується, при цьому нитка, відтягнута пружиною, повертає стрілку на деякий кут, який залежить від видовження дротини, а, значить, і від сили струму. На шкалі гальванометра проставляють цифри, які вказують силу струму в амперах (або міліамперах). В цьому випадку гальванометр називається амперметром (або міліамперметром).

Для вимірювання сили струму амперметр вмикають в коло послідовно, щоб через нього пройшов повний струм. Якщо опір амперметра , а опір кола , то повний опір буде:

= + = (1+ / )

Звідси видно, що опір амперметра має бути малим порівняно з опором кола. Тому амперметри виготовляють з дуже малим опором (десяті або соті долі ома).

 

Вимірювання напруги.

Напругу в електричному колі вимірюють також гальванометром, тому що напруга, згідно з законом Ома, пропорційна силі струму:

,

де - внутрішній опір гальванометра (опір тих частин гальванометра, по яких тече струм). Але тепер шкалу гальванометра треба проградуювати в вольтах, і тому такий гальванометр називають вольтметром. Вольтметр вмикають паралельно до ділянки кола, напругу на якій хочемо виміряти.

.

Мал. 2.

Наприклад, хочемо виміряти напругу на лампочці. Напруга на лампочці і на вольтметрі однакова. Повний опір кола буде дорівнювати:

,

де - опір лампочки, а - опір вольтметра. Отже, чим більший опір вольтметра, тим менше загальний опір відрізняється від опору лампочки, і тим менша похибка вноситься вольтметром. Тому вольтметр повинен мати великий опір (декілька тисяч ом).

Крім вищезгаданого, існують гальванометри, принцип дії яких полягає у взаємодії магнітного поля магніту зі струмом, що протікає через рухому котушку (рамку) (мал.3)

 

Мал. 3. Мал. 4.

 

Принцип дії такого гальванометра: рухома рамка S (до якої приєднана стрілочка) розміщена між полюсами магніту. При пропусканні струму через рамку виникає момент сили Ампера, внаслідок якого рамка повертається на деякий кут , який залежить прямо пропорційно від сили струму : = , де - коефіцієнт пропорційності, що залежить від конструкції приладу. Отже, шкала такого приладу рівномірна.

Електромагнітні гальванометри (мал.4) складаються з прямокутної котушки з вузькою щілиною. Сердечник виготовлений з м’якого заліза і закріплений ексцентрично на осі разом зі стрілкою , спіральною пружиною . При протіканні струму через котушку всередині котушки виникає магнітне поле, під дією якого сердечник повертається довкола осі і втягується в щілину котушки. При зростанні струму зростає індукція магнітного поля в щілині котушки і збільшується намагнічення сердечника, а тому сердечник більше втягується в щілину і на більший кут повертається стрілка. Залежність кута відхилення стрілки від сили струму є квадратичною (), тому шкала такого гальванометра є нерівномірною.

 

Лабораторна робота 2-2