+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

в каких единицах измеряют электрическое напряжение

РОЗПИСАТИ ДАНО! Скільки водяної пари при 100 0С треба впустити в калориметр, у якому є 200 г води при 0 0С, щоб вода нагрілася до 80 0С?

РОЗПИСАТИ ДАНО!Скільки тепла потрібно для плавлення 2 кг льоду,що має температуру 0о С, та нагрівання отриманої води до кипіння? Питома теплота плавле … ння льоду 330 кДж/кг, питома теплоємність води 4200 Дж/кг∙ оС. А) 4,75 МДж; Б) 0,84 МДж;В) 0,66 МДж; Г) 1,5 МДж.

Знайти масу води, для нагрівання якої на 40 ºС витрачено 42000 Дж теплоти? А) 250 г; Б) 1кг 50 г; В) 10 кг; Г) 4 кг.

физика 8 класс генденштейн​

физика 8 класс генденштейн​

При каких условиях тело перебывает в состоянии покоя? Когда тело двигается неравномерно. Когда на тело не действуют другие тела или действия других те … л скомпенсированы. Когда тело не двигается. Когда на тело действуют другие тела. Вопрос №2 ? 2 балла Судно заходит в порт. Капитан отдает команду «Стоп машина», но судно продолжает двигаться.

Какое физическое явление при этом наблюдается? Скольжение Столкновение Давление Инерция Вопрос №3 ? 2 балла Водитель автобуса делает резкий поворот влево, чтобы объехать препятствие. В какую сторону отклонятся пассажиры автобуса? влево вправо вперед назад Вопрос №4 ? 3 балла Футбольным мячом случайно попали в окно, и оно разбилось. При этом … только мяч действовал на окно только окно действовало на мяч окно действовало на мяч, а мяч на окно мяч и окно не взаимодействовали Вопрос №5 ? 3 балла Вы путешествуете ночью современным автобусом. За окнами салона сплошная темнота. По каким признакам можно понять, что автобус трогается с остановки? Шума двигателя не слышно. Когда автобус трогается с остановки, видно как двигаются колёса. Когда автобус трогается с остановки, ваше тело отклоняется назад. Когда автобус трогается с остановки, ваше тело отклоняется вперед. Когда автобус трогается с остановки, слышен шум мотора.

заполните таблицу плиз​

З нерухомого човна стрибнув хлопець, маса якого 45кг при цьому човен набув швидкості 0. 5 м/с, а хлопець 1.2 м/с. Яка маса човна?

!!!Извините что так поздно зарание спасибо<3

задание 18.4 помогите

В чем измеряется напряжение: единица измерения напряжения

О том, что в электротехнике есть такое понятие, как напряжение, знают многие. Напряжение может быть постоянным или переменным, оно может иметь различные величины и разную форму. Но в отличие от силы тока объяснить, что называется электрическим напряжением, могут далеко не все. Также многие знают, что напряжение измеряется в Вольтах, но что это за величина? Постараемся разобраться в этих и подобных вопросах.

Что такое электрическое напряжение?

Прежде чем разбираться в таких тонкостях, вспомним, что такое электрический ток. Упорядоченное движение заряженных частиц по замкнутой цепи называется электрическим током. А теперь подумаем, что заставляет эти заряженные частицы двигаться? Есть несколько способов заставить их перемещаться:

  • механическое;
  • химическое;
  • фотоэлектрическое;
  • статистическое;
  • атмосферное;
  • биологическое.

Для широкого пользования применяют первые два способа, их и разберем. При механическом способе вокруг катушки вращается магнит, или, наоборот, вокруг магнита вращается катушка, не так важно, главное, чтобы они двигались относительно друг друга.

Когда происходит такой процесс, в катушке электроны начинают двигаться вслед за магнитным полем, на концах катушки появляется заряд противоположного знака. То есть на одном конце имеется положительный заряд, на другом отрицательный.

Если катушку соединить проводом, то по проводу пойдет ток, потому что противоположно заряженные частицы притягиваются. А раз на концах катушки имеется разность потенциалов, то они стремятся соединиться, провод помогает им в этом.

Логично, что чем больше заряда накапливается на концах катушки, тем сильнее будет притяжение. Вот эту разность зарядов, в большинстве случаев, принято считать напряжением.

Единица измерения напряжения

Само по себе напряжение не производит работу, это делают заряды, перемещающиеся по цепи. Например, при движении электронов по вольфрамовой нити, электроны сталкиваются с атомами вольфрама и отдают ему часть энергии.

Благодаря этому нить нагревается и испускает электромагнитное излучение: тепло и свет. Но чтобы нить накалилась до необходимой температуры, необходимо точно знать сопротивление ее и подаваемое напряжение. В чем измеряется напряжение?

Единицей измерения напряжения служит Вольт. В русском обозначении используется буква В, в международном – V. Что понимается под напряжением в 1В? При таком напряжении по цепи должен идти постоянный ток величиной 1 А и совершаться работа мощностью 1 Вт.

Электрическое напряжение измеряется в Вольтах, названа эта величина в честь итальянского ученого Алессандро Вольта

По другому определению при напряжении в 1 В для перемещения заряда в 1 Кулон совершается работа в 1 Джоуль. Если более подробно рассматривать, в каких единицах измеряется напряжение, то следует отметить более крупную величину в 1 кВ (киловольт) и более мелкие: 1 мВ (милливольт), 1 мкВ (микровольт). Более подробную информацию можно увидеть в приведенной таблице:

От чего зависит напряжение

Как было показано выше, источники питания могут иметь разную природу. Так, грозовой разряд может достигать напряжения в 100 МВ и более, а в живом организме до нескольких вольт: у электрического ската 200–250 В; электрического угря до 650В. Гальванические элементы рассчитаны на питание приборов, для которых они предназначены и имеют напряжение до нескольких десятков вольт.

Также электрическое напряжение зависит от норм страны, где оно используется. Хотя напряжение на электростанциях имеет небольшое значение, с помощью трансформаторов его поднимают до нескольких десятков или сотен киловольт. Это снижает потери при передачах его на большие расстояния.

Каким прибором измеряется напряжение

Важно знать не только в чем измеряется напряжение, но и с помощью какого прибора можно произвести это измерение. Для этого потребуется вольтметр.

Несколько десятилетий назад существовали стрелочные приборы.

В них стрелка отклонялась под действием электромагнита, выполненного в виде рамочной катушки, расположенной в постоянном магните. В современных приборах применяется жидкокристаллическое табло, а показания определяются встроенной микросхемой.

Осторожно! При измерении напряжения переключатель выбора измеряемых величин не должен оказаться в области измерения тока, это неизбежно приведет к выходу прибора из строя.

У некоторых может возникнуть вопрос: что лучше, отдельный вольтметр или мультиметр

? Не имеет значения, каким прибором измеряется напряжение, все они приспособлены для этого. Те погрешности, которые содержатся в широко распространенных приборах, вполне допустимы для бытовых измерений.

Качество же прибора не зависит от его сложности или функциональности, как правило, это связано с недобросовестностью или неопытностью производителя.

Виды напряжения

Во время измерения напряжения важно знать, с каким родом напряжения мы имеем дело. Дело в том, что для получения желаемого результата необходимо:

  • знать род тока;
  • иметь представление о возможной величине;
  • знать возможности прибора.

От рода тока будет зависеть, в какой области прибора следует устанавливать круговой переключатель. Также может иметь значение расположения щупов относительно клемм источника питания. Хотя многие приборы защищены от неправильного выбора шкалы измерений, неправильно выбранная шкала может значительно повлиять на показания.

Мультиметры способны измерять постоянное и переменное напряжение, но что касается переменного тока, здесь они ограничены в выборе. Рассмотрим это более подробно.

Постоянное напряжение

Электрическое напряжение бывает:

  • постоянное;
  • переменное.

К постоянному току традиционно относят следующие источники:

  • гальванические элементы, солнечные батареи;
  • выпрямители;
  • генераторы постоянного тока.

Из них только первый источник действительно считается постоянным. По определению постоянным называется ток, не изменяющийся по величине и направлению. Выпрямители выдают однонаправленный пульсирующий ток, у которого есть своя частота.

Использование сглаживающих фильтров снижает эти колебания, но полностью не устраняет их, по крайней мере, в большинстве выпрямителях. Что касается генераторов, то у них и вовсе напряжение «скачет» от нуля до максимального значения. Это тоже требует сглаживание импульсов.

Гальванические элементы, как и солнечные батареи, на самом деле выдают постоянный ток. Конечно, при разряде элемента напряжение падает, но это происходит независимо от самого источника.

Для измерения постоянного напряжения необходимо соблюдать полярность. Поэтому щупы многих вольтметров или их провода окрашиваются в разные цвета.

Переменное напряжение

К переменному току можно отнести:

Синусоидальный ток отличается от других видов тем, что напряжение переходит нулевую отметку. В одном периоде напряжение с нуля доходит до максимального положительного значения, а затем снижается до максимального отрицательного значения, переходя нулевое значение. Пульсирующее и выпрямленное напряжения измеряются постоянным вольтметром, в то время как синусоидальный измеряется переменным вольтметром.

Синусоидальный ток многим отличается от постоянного. Например, различают способ измерения:

  • фазный;
  • линейный.

Фазное напряжение измеряется между нулевым проводом и фазой, в то время как линейное измеряется между фазами. Поскольку напряжение во времени постоянно меняется, можно определить его разные значения:

  • мгновенное;
  • амплитудное;
  • среднее;
  • среднеквадратическое;
  • средневыпрямленное.

Мгновенным напряжением называется напряжение, соответствующее мгновенному значению по времени. То есть оно может иметь любое значение как в положительной области, так и в отрицательной.

Амплитудное – напряжение между двумя максимальными значениями периода. Среднее значение в переменном токе равно нулю.

Среднеквадратическое, это именно то значение, которое показывает мультиметр. Средневыпрямленное напряжение приравнивается к постоянному току.

Мы разобрали не только, в чем измеряется напряжение, но и разницу между постоянным и переменным напряжением. Узнали, что переменное напряжение можно измерять различными способами. Вся эта информация поможет лучше понимать специфичные формулировки, связанные с напряжением.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья — поделись с друзьями!

 

В чём измеряется напряжение и чем его измеряют

Напряжение — известная величина, используемая во всех световых и аккумуляторных источниках. Что оно собой представляет, какие разновидности существуют, чем измеряют напряжение, в каких единицах измеряется электрическое напряжение и многое другое далее.

Суть явления

Напряжением называется электрическая движущая сила, которая призвана толкать свободные виды электронов от одного атома к другому в определенном направлении. Обязательное требование для протекания зарядов это наличие цепи с замкнутым контуром, который создает условия, для того чтобы их передвигать. Если имеется обрыв электроцепи, то процесс направленного перемещения частиц прекращается.

Обратите внимание! Стоит отметить, что единица напряжения электрической цепи зависит от того, какой проводник имеет материал, как подключена нагрузка, какая есть температура.

Что это такое

Разновидности

Бывает двух видов: постоянным и переменным. Первое есть в электростатических видах цепей и тех, которые имеют постоянный ток. Переменный встречается там, где есть синусоидальная энергия. Важно, что синусоидальная энергия делится на действующее, мгновенное со средневыпрямленным. Единица измерения напряжения электрического тока вольт.

Стоит также отметить, что величина энергии между фазами называется линейной фазой, а показатель тока земли и фаз — фазным. Подобное правило используется во всех воздушных линиях. На территории Российской Федерации в электрической бытовой сети стандартное — 380 вольт, а фазное — 220 вольт.

Основные разновидности

Постоянное напряжение

Постоянным называется разность между электрическими потенциалами, при которой остается такой же величина с перепадами полярности на протяжении конкретного периода. Главным преимуществом постоянной энергии является тот факт, что отсутствует реактивная мощность. Это означает, что вся мощность, которая вырабатывается при помощи генератора, потребляется нагрузкой за исключением проводных потерь. Течет по всему проводниковому сечению.

Что касается недостатков, есть сложность повышения со снижением энергии, то есть в моменте преобразования ее из-за конструкции преобразователей и отсутствия мощных полупроводниковых ключей. К тому же сложно развязывается высокая и низкая энергия.

Обратите внимание! Используется постоянная энергия в электронных схемах, гальванических элементах, аккумуляторах, электролизных установках, сварочных инструментах, инверторных преобразователях и многих других приборах.

Постоянный ток

Переменное напряжение

Переменным называется ток, изменяющийся по величине и направлению периодически, но при этом сохраняющий свое направление в электроцепи неизменно. Нередко его называют синусоидальным. Одно направление, в котором движется энергия, называется положительным, а другое — отрицательным. Поэтому получающаяся величина называется положительной и отрицательной. Такой показатель является алгебраической величиной. В ответ на вопрос, как называется единица измерения напряжения, необходимо отметить, что это вольт. Значение его определяется по направлению. Максимальное значение — амплитуда. Бывает он:

ДвухфазныйТрехфазныйМногофазный

Используется активно в промышленности, на электрической станции, на трансформаторной подстанции и передается в каждый дом при помощи линий электрических передач. Больше всего используется три фазы для подключения. Подобная электрификация распространена на многих железных дорогах.

Обратите внимание! Стоит отметить, что имеются также некоторые виды двухсистемных электровозов, которые работают во многих случаях на переменном показателе.

Переменный ток

Единицы измерения

Измеряется напряженье в вольтах. Обозначается В или Вольт. Одно значение выражено в разности нескольких точек на электрическом поле. Значение 220 вольт говорит о том, что электрическое поле призвано тратить энергию, чтобы протаскивать заряды через всю электрическую цепь с нагрузкой.

Измерительные приборы

Чтобы измерить силу, используется стрелочный или аналоговый, цифровой или электронный вольтметр. Благодаря этим приборам можно измерять и контролировать характеристики сигналов. Также сделать измерения можно осциллографами. Они работают благодаря тому, что энергия отклоняется электронным лучом и поступает на прибор, выдающий показатель переменной величины.

Вольтметр как основной прибор измерения

Напряжение это физическая величина, показывающая размер тока в цепи и оборудовании в вольтах. Ток бывает постоянным и переменным. Отличие в том, что первое понятие обозначает, что ток постоянно меняет свою полярность и протекает в сети переменно. Во втором же случае ток проходит по электроцепи без перерывов. Измеряется вольтметром.

Электрическое напряжение единицы напряжения вольтметр. Тема. Электрическое напряжение. Вольтметр. III. Закрепление изученного материала

\ Документы \ Для учителя физики

При использовании материалов этого сайта — и размещение баннера -ОБЯЗАТЕЛЬНО!!!

Разработку урока предоставила: Толстых Юлия Владимировна, учитель физики и информатики,I квалификационная категория, МОУ СОШ села Кузьминские Отвержки Липецкого района, email:[email protected]

Цель урока:

  1. Дать понятие напряжения и его объяснение; познакомить с формулой и единицей напряжения; изучить прибор для измерения напряжения и правила включения его в цепь.
  2. Развивать навыки сборки цепи; мышление; память; речь; интерес к предмету; умение применять полученные знания на практике.
  3. Воспитание чувства ответственности, коллективизма, добросовестного отношения к выполнению заданий, самодисциплины.

Ход урока по учебнику А.В. Перышкина.

1. Проверка домашнего задания.

Учитель читает вопросы:

  1. Сила тока обозначается…..
  2. Сила тока измеряется…..
  3. Формула для вычисления силы тока…..
  4. Прибор включается в цепь…..
  5. Единица электрического заряда…..
  6. Сколько Ампер в 1 мА?

Ответы: выбрать вариант

  1. А- I- R
  2. Вольтметром- часами- амперметром
  3. F = m a- I = q / t- q = I t
  4. параллельно- последовательно- первым
  5. 1 сек- 1 метр- 1 Кулон
  6. 0,001А- 10А- 100А

Карточки с заданиями раздаются слабым ученикам, а остальные работают у доски и по вопросам

2. Объяснение нового материала.

1. Техника безопасности при работе с электрическим оборудованием.

  • Вспомните, ребята, что называют работой тока? Работу электрического поля, создающего ток, называют работой тока.
  • Что же это за величина-работа тока? От чего она зависит?

Можно с уверенностью сказать, что она зависит от силы тока, т.е.от электрического заряда, протекающего по цепи в 1с, а так же от новой для вас величины, которая называется электри-ческим напряжением.

Напряжение-это физическая величина, характеризующая электрическое поле и показывающая, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую. Оно обозначается буквой U. Для вычисления напряжения ис-пользуется формула: U = A / q .Единица напряжения названа Вольтом (В) в честь итальянского учёного Алессандро Вольта, создавшего первый гальванический элемент.За единицу напряже-ния принимают такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в 1Кл по этому проводнику равна 1Дж. 1В = 1Дж / 1КлКроме вольта применяют дольные и кратные ему единицы: милливольт (мВ) и кило-вольт(кВ). 1мВ = 0,001В 1кВ = 1000ВДля измерения напряжения на полюсах источника тока или на каком-нибудь участке цепи применяют прибор, называемый вольтметром. Зажимы вольтметра присоединяют к тем точкам цепи, между которыми надо измерить напряжение. Та-кое включение прибора называют параллельным. Сборка цепи и чертёж схемы, содержащей вольтметр. Объясняется, как обозначается прибор на схеме.

Напряжение

Буква U

Формула U = A / q

Единица 1 Вольт

Дольные единиц ы 1кВ = 1000В

Кратные единицы 1мВ = 0,001В

Прибор вольтметр

Включение в цепь параллельно

Демонстрация вольтметров разного вида с рассказом и объяснением их принципа работы.

3. Закрепление полученных знаний.

На доске записать 2 варианта и вызвать двух учеников для самостоятельной работы.

Переведите данные значения напряжения в Вольт:

1-й вариант:

2-й вариант:

Задания для работы с классом:

Задание 1: Начертите схему электрической цепи, состоящей из аккумулятора, электрического звонка, ключа, вольтметра и амперметра, измеряющих соответственно напряжение на звонке и силу тока в нём. На схеме обозначит знаки зажимов аккумулятора, амперметра и вольтметра, соблюдая правила их соединения. Укажите стрелками направление ток в цепи и направление движения электронов в нём.

Задание 2: Какая работа совершается электрическим полем при перемещении заряда в 4,5 Кл через поперечное сечение нити накала лампе, если напряжение на лампе равно 3 В?

(A=Uq=3 B *4,5 Кл= 13,5 Дж)

Задание 3: При прохождении одинакового количества электричества в одном проводнике совершена работа 100 Дж, а в другом – 250 Дж. На каком проводнике напряжение больше? Во сколько раз?

(При прохождении одинакового количества электричества по проводнику, напряжение будет больше в том случае в котором работа тока больше. Во втором случае работа тока больше в 250Дж/100Дж=2,5 раза)

Задание 4: С какими значениями электрического напряжения приходится встречаться человеку в быту? (127В, 220В)

4. Подведение итогов урока.

Опрос по вопросам.

  • Что называют работой тока?
  • Как объяснить электрическое напряжение на участке цепи?
  • Формула для вычисления напряжения.
  • Дольные и кратные единицы напряжения.
  • Назначение вольтметра и правила включения его в цепь.

Молодцы, ребята! Оценки за урок.

5. Домашнее задание. §39-41 Упр 16 (А.В. Пёрышкин )

Сегодня мы познакомимся ещё с одной физической величиной, но сначала ответьте мне на вопрос: когда тускнеет в лампочках свет, что мы говорим?

(Падает напряжение)

Тема: Электрическое напряжение. Вольтметр. Измерение напряжения.

Повторим и вспомним:

  • что такое электрический ток;
  • что такое электрическое поле;
  • из чего состоит электрическая цепь

Мы узнаем:

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ Да — хлопаем нет – топаем

Битва титанов физики

Назовите электрические приборы Найдите условное обозначение

Что же это такое электрический ток? Вспомним условия существования электрического тока.

Какие частицы переносят электрический заряд в металлах?

Что заставляет эти частицы двигаться?

О силе тока можно судить по показаниям амперметра, либо по действию тока (чем больше накалена нить, тем больше сила тока) Вопрос: от чего зависит сила тока?

Ответ: сила тока зависит от какой-то величины, связанной с источником тока. Источник тока создает электрическое поле, за счет совершения работы по разделению электрических зарядов.

Обычная лампочка и аккумулятор

Лампочка от карманного фонарика и батарейка

Выясним от чего зависит работа тока

Электрическое напряжение характеризует электрическое поле, создаваемое током.. Напряжение (U) показывает какую работу (А) совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда (q) из одной точки в другую.

Напряжение =

Единица измерения напряжения в системе СИ:

U = 1В «Вольт»

1 Вольт равен электрическому напряжению на участке цепи, где при протекании заряда, равного 1 Кл, совершается работа, равная 1 Дж:

Переведите в систему СИ:

  • 200 мВ =
  • 6 кВ =
  • 0,02 кА =
  • 270 мА =
  • 20 мин. =
  • 2,1 МВ =

2 100 000 В

У игр с напряжением печальный итог

– не любит шутить электрический ток!

СПАСАЙСЯ, КТО МОЖЕТ!

  • Напряжение, считающееся безопасным для человека в сухом помещении, составляет до 36 В.
  • Для сырого помещения это значение опускается до 12 В.
  • Когда человек касается провода, находящегося под напряжением выше 240 В, ток пробивает кожу. Если по проводу течет ток, величина которого еще не смертельна, но достаточна для того, чтобы вызвать непроизвольное сокращение мышц руки (рука как бы “прилипает” к проводу), то сопротивление кожи постепенно уменьшается, и в конце концов ток достигает смертельной для человека величины в 0,1 А. Человеку, попавшему в такую опасную ситуацию, нужно как можно скорее помочь, стараясь “оторвать” его от провода, не подвергая при этом опасности себя.
Вольтметр:
  • Калибровка «0»
  • «+» к «+» «-» к «-»
  • Включается параллельно
  • Условное обозначение

Измеряем напряжение

Определите цену деления прибора:

  • 2 В/дел
  • 0,5 В/дел

Сборка электрической цепи и измерение напряжения

1. постройте в тетради схему электрической цепи и определите направление тока

2. соберите электрическую цепь, ключ должен быть разомкнут

2. Найдите «+» и «-» на аккумуляторе.

3. Рассмотрите вольтметр, определите цену деления

Найдите «0» на вольтметре, вспомните как подключается вольтметр

4. Позовите учителя для проверки электрической цепи

5. Только после разрешения учителя замкните ключ

и определите показания вольтметра

6. Запишите показания вольтметра в тетрадь

Задачи 1. При прохождении по проводнику электрического заряда равного 5 Кл, совершается работа200Дж. Чему равно напряжение на концах этого проводника? А) 1000 В Б) 40 В В) 40 А Г) 0,025 В

2. Напряжение на автомобильной лампочке 12 В. Какой заряд прошел через нить накала лампочки, если при этом была совершена работа 1200Дж? А) 0,01Кл Б) 100Кл В) 14400Кл Г)10 В

3.Определите работу, совершенную при прохождении через спираль электроплитки заряда 80 Кл, если она включена в сеть с напряжением 220 В А) 0,36Дж Б) 2,75Дж В) 17600Дж Г) 0,36В

5. Определите цену деления Вольтметра

А) 1 В Б) 1,5 В В) 3 В Г) 15 В

4. Необходимо измерить силу тока в лампе и напряжение на ней. Как следует включить по отношению к лампе амперметр и вольтметр?

Итоги урока:

Мы узнали?

А научились?

Домашнее задание

§39-41 Упр. 6 (2,3) Дополнительно(на оценку): 1264,1265 — Лукашик.

Молния При ударе молнии, например в дерево. Оно нагревается, влага из него испаряется, а давление образовавшегося пара и нагревшихся газов приводят к разрушениям. Для защиты зданий от грозовых разрядов применяют молниеотводы, которые представляют собой металлический стержень, возвышающийся над защищаемым объектом. Молния. В лиственных деревьях ток проходит внутри ствола по сердцевине, где много сока, который под действием тока закипает и пары разрывают дерево. Причина заключается в том, что между кабелем и севшей на него птицей не возникает разницы напряжений. Ведь сидит она на нем, не соприкасаясь с землей, к тому же сидит только на одном кабеле. Таким образом, напряжения кабеля и птицы абсолютно совпадают. Но если вдруг, взмахнув крыльями, та же птица невзначай коснется соседнего кабеля, но уже с другим напряжением, то адская машина сработает… Причина заключается в том, что между кабелем и севшей на него птицей не возникает разницы напряжений. Ведь сидит она на нем, не соприкасаясь с землей, к тому же сидит только на одном кабеле. Таким образом, напряжения кабеля и птицы абсолютно совпадают. Но если вдруг, взмахнув крыльями, та же птица невзначай коснется соседнего кабеля, но уже с другим напряжением, то адская машина сработает… К счастью, кабели обычно располагаются на значительном расстоянии друг от друга, что делает их соприкосновение практически невозможным. Именно поэтому угроза для жизни пернатых ничтожно мала. Но упаси вас Бог проверять это утверждение на практике.

Почему птицы безнаказанно садятся на провода высоковольтной передачи?

Почему у наэлектризованных людей волосы поднимаются вверх?
  • Волосы электризуются одноименным зарядом. Как известно, одноименные заряды отталкиваются, поэтому волосы, подобно листочкам бумажного султана, расходятся во все стороны. Если любое проводящее тело, в том числе и человеческое, изолировать от земли, то его можно зарядить до большого потенциала. Так, с помощью электростатической машины тело человека можно зарядить до потенциала в десятки тысяч вольт.
— Электричество не только играет важную роль в жизни человека, но и в его здоровье. Сокращаясь, мышечные клетки сердца производят электроэнергию. Именно благодаря этим импульсам электрокардиограмма измеряет ритм сердца. — Электричество не только играет важную роль в жизни человека, но и в его здоровье. Сокращаясь, мышечные клетки сердца производят электроэнергию. Именно благодаря этим импульсам электрокардиограмма измеряет ритм сердца. Найдите физические ошибки:

Спасибо за урок! Успехов!

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

Данный открытый урок снят на видео 21 января 2016 года на базе МБОУ СОШ №21 г. Нижнекамск Нижнекамского района Республики Татарстан в рамках муниципального конкурса профессионального мастерства «Учитель года — 2016».

В классе в момент съемки присутствовали 20 учащихся 8 класса МБОУ СОШ №21, 16 членов жюри – методисты управления образования г. Нижнекамск, а также учителя и конкурсанты, съемочная группа операторов.

Учащиеся с которым велась работа, были мне не знакомы, следовательно при построении урока мною были учтены и рассмотрены по мере возможности различные ситуации.

Данный видеоролик содержит материал, где я делюсь собственным опытом использования и апробирования моей методической темы «Применение информационно – коммуникационных технологий в педагогической деятельности». Современных детей, которые с рождения приучены гаджетам, увлечь и удивить стоит большого труда. Особенно если кабинет физики с момента открытия школы не обновляется. Интерактивной доски в кабинете не имеется, не смотря на это, с помощью ноутбука и проектора преодолеваю это «препятствие» и нахожу решение как более доступно и интересно преподать урок.

Цели урока:

Предметная: Сформировать понятие «напряжение». Ввести единицы измерения напряжения. Познакомить учащихся с правилами измерения вольтметром. Совершенствовать практические навыки по сборке электрической цепи, чтению и изображению схем, измерения напряжения.

Задачи урока:

а)формирование представлений о напряжении, организация усвоения основных понятий по данной теме, формирование научного мировоззрения учащихся(предметный результат).

б)развитие умения генерировать идеи, выявлять причинно-следственные связи, работать в группе, пользоваться альтернативными источниками информации, формировать умение анализировать факты при наблюдении и объяснении явлений, при работе с текстом учебника(метапредметный результат).

в)формирование умений управлять своей учебной деятельностью, формирование интереса к физике при анализе физических явлений, формирование мотивации постановкой познавательных задач, раскрытием связи теории и опыта, развитие внимания, памяти, логического и творческого мышления(личностный результат).

Методы обучения:

репродуктивный, проблемный, эвристический.

Формы организации познавательной деятельности обучающихся:

коллективная, индивидуальная, групповая.

Средства обучения:

учебник, лабораторное оборудование, карточки рефлексии, разноуровневый дидактический материал, ноутбук, проектор, интернет.

Тип урока

Изучение нового материала

Работа электрического тока. Напряжение, единица напряжения – 1 Вольт. Вольтметр. Измерение напряжения.

Оборудование

Вольтметр, источник тока, лампочка, соединительные провода, ключ, раздаточный материал.

Выставка рисунков по теме «Электричество»

Физическая газета – дополнение рубрики «Это должен знать каждый», «Исторические сведения», «Факты»…

Демонстрации

Измерение напряжения на различных участках в цепи

План урока

Ход урока

Запасной вариант положения

1) Организационная часть:

Добрый день, ребята! Меня зовут Ахметова Айзаря Занифовна. Всем хорошего настроения и удачной работы. Присаживайтесь.

1 слайд

Девиз урока: «Я слышу – я забываю, я вижу – я запоминаю, я делаю – я понимаю» (Китайская пословица)

2) Проверка знаний:

2 слайд

Посмотрите внимательно на экран. Что мы видим на картине? (поле). В жизни это поле мы видим, а с точки зрения электричества поле существует? (да, электрическое)

3-4 слайд;

3 анимация «Эл.Ток»

А теперь что наблюдаем? (течение воды в трубе). А в электричестве что может протекать? (эл. ток)

Стихотворение

(работа в парах, дается 3 ученикам)

1 уч. работает у доски,

2 – работа в парах. (одновременно)

«Как вычисляется сила тока?» – стихотворение

Я не зря себя хвалю,
Всем и всюду говорю,
Что я физику люблю,
Что я физику учу.
Как-то раз придумал я
Решить задачу.
Без сомненья,
Мне известно было тут
Время, ровно 5 минут.
Но одно я не пойму,
Что ж такое q ?
Силу тока мне найти
Совсем не трудно:
Нужно заряд на время разделить,
И это будет чудно!

Ответ. 8 А

5 слайд

Одновременно игра «верю не верю» с остальным классом.

Чему равна сила тока в цепи, если заряд равен 2,4 кКл?

Ребята у вас на парте лежат сигнальные карточки зеленого и красного цветов. Я зачитываю предложения, а вы в течении 3 секунд должны поднять красную карточку,если вы не согласны с утверждением, зеленую – если согласны.

  1. Упорядоченное движение заряженных частиц – этоЭлектрическое поле(эл. ток ). кр. карточка
  2. Сила тока обозначается буквой I. зел карточка
  3. Единица силы тока Кл. (А) кр. Карточка
  4. Прибор для измерения силы тока — электроскоп. (Амперметр) кр. Карточка
  5. Тела, которые проводят электрический ток, называются проводники. зел карточка.

Проверка. Самооценка.

Проверка у доски задачи.

6 слайд Самооценка.

А сейчас проверим. Кто на все вопросы правильно ответил. Ставит себе 3 балла, если ошиблись 1-2 раза — ставим 2 б, если 3 и более – ставим 1 балл. Отметьте на полях в тетрадях или на листочках у себя.

Демонстрация движения груза с динамометром

7 слайд

Из курса 7 класса вы знакомы с термином механическая работа.

  1. Чем вызвано Движение тела? (приложенной силой)
  2. Сила совершает…? (А)
  3. Чем вызвано движение заряда в цепи?(ЭП)
  4. Электрическое поле совершает работу

Анимация 2

– Создадим аналогичную ситуацию с электричеством?

Т.е. если в механике существует механическая работа, то в электричестве …? (Сущ-ет работа тока)

– И эту работу совершает…. (ЭП)

К какому выводу из сказанного мы можем прийти?

Определение

Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока.

В процессе такой работы энергия электрического поля превращается в другой вид энергии – КАКУЮ? (механическую, внутреннюю и др.)

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ РАБОТА ТОКА?

(от силы тока, т. е. электрического заряда, протекающего по цепи в 1 с) – в этом вы убедились на предыдущих уроках и при выполнении Л/Р.

Исследование

Разделившись на 2 группы, ученики замыкают собранные цепи.

Сравнить показания амперметра на рис. 63 и 64

Анимация 3

(Демонстрация лампы)

А теперь, ребята, у каждого из вас н парте имеется листочки с надписью «Исследование». На оборотной стороне написано слово. (На листочках написаны Диэлектрики: дистиллированная вода, стекла, пластмассы, бензол, масла, слюда, фарфор, воздух, резина, смолы различные, дерево;

Проводники: растворы солей, растворы кислот, серебро, медь, алюминий, золото, вода, графит, медь,) На 2 партах надписи ДИЭЛЕКТРИК и ПРОВОДНИК. На слайде прописано группа диэлектриков и проводников. Каждый находит свой слово в группе и идет к тому столу, где стоит карточка с этим названием. Ребята делятся т.о. на 2 группы и проводят исследование: замыкают собранную цепь..

Ребята, посмотрите на показания амперметра. Озвучьте каждая группа.(Называет каждая группа).

Если в цепи с осветительной лампой амперметр показывает меньшую силу тока, а через цепь с лампой от карманного фонаря проходит больший ток, то почему же яркость лампочек различна? (ответы ребят)

Идеализированный, частный случай, когда показания амперметров одинаковы.

Значит, работа тока зависит не только от силы тока, но и

от другой величины…. (которую называют электрическим напряжением или просто напряжением)

3) Изучение нового материала:

Так вот, сегодня мы узнаем, что такое напряжение, научимся его измерять, познакомимся с его основными характеристиками.

Записать число и тему урока в тетради

(На доске)

Тема нашего урока: «Электрическое напряжение. Единицы напряжения»

План на доске и 1 один на парту

При знакомстве с новой величиной будем пользоваться уже известным нам планом .

Ребята, найдите в учебнике определение, кто нашел — прочтите классу.(стр.91)

Определение

Электрическое напряжение – это физическая величина, характеризующая электрическое поле

Определение

Вывод: напряжение показывает, какую работу совершает эл. поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

Обозначение

Прописываю на доске, одновременно со слайдом

Обозначается напряжениеU ;

работа А;

заряд буквойq ;

Исходя из определения напряжения: зная работу тока на данном участке цепи и весь эл. заряд, прошедший по этому участку, мы можем составить уравнение, т. е. работу тока при перемещении единичного эл. заряда:

Карточка с заданием.

Формула для вычисления

Анимация 4

U = A / q → A = Uq ; q = A/U

(Мини сообщение)

Заранее дать одному ребенку

Этот портрет вам знаком? (Да, Алессандро Вольта) Как вы думаете единица электрического напряжения как называется? (Вольт). Обозначение напряжения В .

Обратимся к формуле напряжения и попробуем вывести единицу измерения.

U = A / q ; 1 В = 1Дж/Кл

Единицы измерения

За единицу напряжения принимают, такое эл. напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению эл.заряда в 1 Кл по этому проводнику равна 1 Дж: 1 В = 1Дж/Кл

На следующем уроке вы познакомитесь с прибором для измерения напряжения – вольтметр. Подключается он в цепь параллельно, попробуете собрать цепь с использованием вольтметра.

Слайд 12

Прибор для измерения

Обозначение на схеме

Правила подключения

— Как понять смысл напряжения?

Электрический ток подобен течению воды в реках и водопадах, т.е. подобен течению воды с более высокого уровня на более низкий. Заряд q соответствует массе воды, а напряжение – разности уровней, напору воды в реке.

Слайд 13

Работа, совершаемая падающей водой, зависит от её массы и высоты падения, следовательно, зависит от потенциальной энергии. Чем больше разность уровней воды, тем большую работу совершает вода.

Работа силы тока зависит от электрического заряда и напряжения на этом проводнике. Чем больше напряжение на участке цепи, тем больше работа тока при той же величине заряда. В 10 классе мы будем работу электрического поля выражать через разность потенциальной энергии.

Если в цепи нет напряжения, то в ней нет и электрического тока (как нет течения в озере или пруде при отсутствии разности уровней в рельефе).

4) Домашнее задание:

записано на доске заранее

§39-40, пройти тестирование с использованием телефона по теме «Электрическое напряжение».

Творческий проект.

Слайд 14

Класс работает над творческим проектом.

Попробуем написать свою картину? Ее нужно будет пояснять с точки зрения электричества.

Если не успеваю, тогда

Домашняя работа

Рефлексия (на рисунок лампочки прикрепляют зеленые и красные кружочки при помощи магнитиков). (1 мин)

На доске прикреплен ватман, на котором нарисована лампочка. Перед уходом.

ПЛАН (на доске)

  1. Определение
  2. Обозначение
  3. Единицы измерения
  4. Формула для вычисления
  5. Каким прибором измеряется
  6. Обозначение на схеме
  7. Правила подключения в цепи

Мини – сообщение

ВОЛЬТА Алессандро — итальянский естествоиспытатель, физик, химик и физиолог. Его важнейшим вкладом в науку явилось изобретение источника постоянного тока, сыгравшее определяющую роль в дальнейших исследованиях электрических и магнитных явлений.

Индивидуальная карточка на сильных учащихся

  1. Определите напряжение на участке цепи, если при прохождении по нему заряда в 15 Кл током была совершена работа 6 кДж?
  2. При переносе 60 Кл электричества из одной точки электрической цепи в другую за 12 мин совершена работа 900 Дж. Определите напряжение и силу тока в цепи.

Пробовали ли вы когда-нибудь надувать воздушные шарики на время? Один надувает быстро, а другой за это же время надувает гораздо меньше. Без сомнения, первый совершает большую работу, чем второй.

С источниками напряжения происходит точно так же. Чтобы обеспечить движение частиц в проводнике, надо совершить работу. И эту работу совершает источник. Работу источника характеризует напряжение. Чем оно больше, тем большую работу совершает источник, тем ярче будет гореть лампочка в цепи (при других одинаковых условиях).

Напряжение равно отношению работы электрического поля по перемещению заряда
к величине перемещаемого заряда на участке цепи.

U = A q , где \(U\) — напряжение, \(A\) — работа электрического поля, \(q\) — заряд.

Обрати внимание!

Единица измерения напряжения в системе СИ — [\(U\)] = \(1\) B (вольт).

\(1\) вольт равен электрическому напряжению на участке цепи, где при протекании заряда, равного \(1\) Кл, совершается работа, равная \(1\) Дж: \(1\) В \(= 1\) Дж/1 Кл.

Все видели надпись на домашних бытовых приборах «\(220\) В». Она означает, что на участке цепи совершается работа \(220\) Дж по перемещению заряда \(1\) Кл.

Кроме вольта, применяют дольные и кратные ему единицы — милливольт и киловольт.

\(1\) мВ \(= 0,001\) В, \(1\) кВ \(= 1000\) В или \(1\) В \(= 1000\) мВ, \(1\) В \(= 0,001\) кВ.

Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр .

Обозначаются все вольтметры латинской буквой \(V\), которая наносится на циферблат приборов и используется в схематическом изображении прибора.

В школьных условиях используются вольтметры, изображённые на рисунке:

Основными элементами вольтметра являются корпус, шкала, стрелка и клеммы. Клеммы обычно подписаны плюсом или минусом и для наглядности выделены разными цветами: красный — плюс, черный (синий) — минус. Сделано это с той целью, чтобы заведомо правильно подключать клеммы прибора к соответствующим проводам, подключённым к источнику.

Обрати внимание!

В отличие от амперметра, который включается в разрыв цепи последовательно, вольтметр включается в цепь параллельно.

Включая вольтметр в цепь постоянного тока, необходимо соблюдать полярность.

Сборку электрической цепи лучше начинать со всех элементов, кроме вольтметра, а его уже подключать в самом конце.

Вольтметры делятся на приборы постоянного тока и переменного тока .

Если прибор предназначен для цепей переменного тока, то на циферблате принято изображать волнистую линию. Если прибор предназначен для цепей постоянного тока, то линия будет прямой.

Вольтметр постоянного тока

Вольтметр переменного тока

Можно обратить внимание на клеммы прибора. Если указана полярность («\(+\)» и «\(-\)»), то это прибор для измерения постоянного напряжения.

Иногда используют буквы \(AC/DC\). В переводе с английского \(AC\) (alternating current) — переменный ток, а \(DC\) (direct current) — постоянный ток.
В цепь переменного тока включается вольтметр для измерения переменного тока. Он полярности не имеет.

Обрати внимание!

Для измерения напряжения можно использовать и мультиметр.

Следует помнить, что высокое напряжение опасно.

Что будет с человеком, который окажется рядом с упавшим оголённым кабелем, находящимся под высоким напряжением?

Так как земля является проводником электрического тока, вокруг упавшего оголённого кабеля, находящегося под напряжением, может возникнуть опасное для человека шаговое напряжение.

Разделы: Физика

Класс: 8

Цель урока: дать понятие напряжение как физической величины характеризующей электрическое поле, создающее электрический ток, вести единицу напряжения.

Оборудование: амперметры двух видов, вольтметры двух видов, портрет Алессандро Вольта.

Ход урока

I. Актуализация знаний.

Проверка домашнего задания. Слайд 2.

  1. Что такое сила тока? Какой буквой она обозначается?
  2. По какой формуле находится сила тока?
  3. Как называется прибор для измерения силы тока? Как он обозначается в схемах?
  4. Как называется единица силы тока? Как она обозначается?
  5. Какими правилами следует руководствоваться при включении амперметра в цепь?
  6. По какой формуле находится электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, если известны сила тока и время его прохождения?
  7. Индивидуальные задания:

1) Через поперечное сечение проводника в 1 с проходит 6*10 -19 электронов. Какова сила тока в проводнике? Заряд электрона 1,6*10 -19 Кл.
2) Определите силу тока в электрической лампе, если через нее за 10 мин проходит электрический заряд, равный 300 Кл.
3) Какой электрический заряд протекает за 5 мин через амперметр при силе тока в цепи 0,5 А.

  1. Проверочная работа (по карточкам):

Вариант I

1.Сколько миллиампер в 0,25 А?

а) 250 мА;
б)25мА;
в) 2,5мА;
г) 0,25мА;
д)0,025мА;

2.Выразите 0,25мА в микроамперах.

а) 250 мкА;
б)25мкА;
в) 2,5мкА;
г) 0,25мкА;
д)0,025мкА;

На рис. 1 изображена схема электрической цепи.

а) у точки М
б) у точки N

а) от точки М к N
б) от точки N к М

Вариант II

1.Выразите 0,025 А в амперметрах.

а) 250 мА;
б)25мА;
в) 2,5мА;
г) 0,25мА;
д)0,025мА;

2.Сколько микроампер в 0,025мА?

а) 250 мкА;
б)25мкА;
в) 2,5мкА;
г) 0,25мкА;
д)0,025мкА;

На рис. 2 изображена схема электрической цепи.

3. Где на этой схеме у амперметра знак “+”?

а) у точки М
б) у точки N

4. Какое направление имеет ток в амперметре?

а) от точки М к N
б) от точки N к М

9) Проверка теста. Слайд 3

II. Изучение нового материала.

1. Диск Виртуальная школа Кирилла и Мефодия. Уроки физики Кирилла и Мефодия, 8 класс.

1) Что такое электрический ток?

Ответ учащихся: Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.

2) Каковы условия существования электрического тока?

Ответ учащихся: 1 условие – свободные заряды,

2 условие – должен быть в цепи источник тока.

3) Объяснение учителя:

Направленное движение заряженных частиц создаётся электрическим полем, которое при этом совершает работу. Работа, которую совершает электрический ток при перемещении заряда в 1 Кл по участку цепи, называется электрическим напряжением (или просто напряжением).

где U – напряжение (В)

А – работа (Дж)

q – заряд (Кл)

Напряжение измеряется в вольтах (В): 1В = 1Дж/Кл.

4) Сообщение ученика: Историческая справка об Алессандро Вольта.

ВОЛЬТА Алессандро (1745-1827), итальянский естествоиспытатель, физик, химик и физиолог. Его важнейшим вкладом в науку явилось изобретение принципиально нового источника постоянного тока, сыгравшее определяющую роль в дальнейших исследованиях электрических и магнитных явлений. В честь него названа единица разности потенциалов электрического поля – вольт.

Вольта был членом-корреспондентом Парижской академии наук, членом-корреспондентом академии наук и литературы в Падуе и членом Лондонского Королевского общества.

В 1800 г. Наполеон открыл университет в Павии, где Вольта был назначен профессором экспериментальной физики. По предложению Бонапарта ему была присуждена золотая медаль и премия первого консула. В 1802 г. Вольта избирается в академию Болоньи, через год – членом-корреспондентом Института Франции и удостаивается приглашения в Петербургскую академию наук (избран в 1819). Папа назначает ему пенсию, во Франции его награждают орденом Почетного Легиона. В 1809 Вольта становится сенатором Итальянского королевства, а в следующем году ему присваивается титул графа. В 1812 г. Наполеон из ставки в Москве назначает его президентом коллегии выборщиков.

С 1814 г, Вольта – декан философского факультета в Павии. Австрийские власти даже предоставляют ему право исполнять обязанности декана без посещения службы и подтверждают законность выплаты ему пенсий почётного профессора и экс-сенатора.

5) Дольные и кратные единицы:

1 мВ = 0,001 В;
1 мкВ = 0, 000 001 В;
1 кВ = 1 000 В.

6) Работа с учебником.

Работа с таблицей №7 в учебнике на стр.93.

7) Рабочее напряжение в осветительной сети жилых домов, социальных объектов – 127 и 220 В.

Опасность тока высокого напряжения.

Правила безопасности при работе с электричеством и электроприборами. Слайд 4.

8) Прибор для измерения напряжения называется вольтметром.

На схемах изображается знаком:

Правила включения вольтметра в цепь найдите в учебнике .

1. Зажимы вольтметра присоединяются к тем точкам цепи, между которыми надо измерить напряжение (параллельно соответствующему участку цепи).

2. Клемму вольтметра со знаком “+” следует соединять с той точкой цепи, которая соединена с положительным полюсом источника тока, а клемму со знаком “ – ” с точкой, которая соединена с отрицательным полюсом источника тока.

Демонстрация двух типов вольтметров.

Отличие вольтметра от амперметра по внешнему виду.

Определение цены деления демонстрационного вольтметра, лабораторного вольтметра.

9) Работа с учебником: (задание по вариантам)

Найдите в учебнике (§ 41) ответы на вопросы:

А) Как с помощью вольтметра измерить напряжение на полюсах источника тока?

Б) Какой должна быть сила тока, проходящего через вольтметр, по сравнению с силой тока в цепи?

III. Закрепление изученного материала.

  1. Выразите в вольтах напряжение, равное:

А) U =2 000 мВ =
Б) U = 100 мВ =
В) U = 55 мВ =
Г) U = 3 кВ =
Д) U = 0,5 кВ =
Е) U = 1,3 кВ =

2. Выразите в мВ напряжение, равное:

А) U = 0,5 В =
Б) U = 1,3 В =
В) U = 0,1 В =
Г) U = 1 В =
Д) U = 1 кВ =
Е) U = 0,9 кВ =

3. Решим задачки: Слайд 7. (работа у доски)

А) На участке цепи при прохождении электрическогозаряда25 Кл совершена работа 500 Дж.Чему равно напряжении на этом участке?

Б) Напряжение на концах проводника 220 В. Какая работа будет совершена при прохождении по проводнику электрического заряда, равного 10 Кл?

4. Вопросы на закрепление:

1) Что показывает напряжение в электрической цепи?
2) В каких единицах измеряется напряжение?
3) Кто такой Алессандро Вольта?
4) Как называют прибор для измерения напряжения?
5) Назовите правила включения вольтметра для измерения напряжения на участке цепи?

IV. Домашнее задание.

§ 39 – 41. Упр.16. Подготовиться к лабораторной работе №4 (с.172).

V. Итог урока.

Литература:

  1. Пёрышкин А.В. Физика. 8кл.: учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.:Дрофа, 2007.
  2. Шевцов В.А. Физика. 8кл.: поурочные планы по учебнику А.В.Пёрышкина.-Волгоград: Учитель, 2007. – 136с.
  3. Марон А.Е. Физика. 8кл.: учебно-методическое пособие /А.Е.Марон, Е.А.Марон.-6-е изд., стереотип. – М.:Дрофа, 2008.-125с.:ил.-(Дидактические материалы)
  4. Учебный диск “Кирилла и Мефодия”. Физика.8 класс.

Что такое ЭДС, разность потенциалов и напряжение

Что такое ЭДС, разность потенциалов и напряжение

В этой статье ЭлектроВести расскажув вам, что такое ЭДС, разность потенциалов и напряжение , какая между ними разницаю

В материалах по электротехнике и электронике часто можно встретить три физические величины, имеющие одну и ту же единицу измерения — Вольт: разность электрических потенциалов, электрическое напряжение и ЭДС — электродвижущая сила.

Чтобы раз и навсегда избавиться от путаницы в терминах, давайте разберемся, в чем же заключаются различия между этими тремя понятиями. Для этого подробно рассмотрим каждое из них по отдельности.

Разность электрических потенциалов

На сегодняшний день физикам известно, что источниками электрических полей являются электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля. Когда же мы рассматриваем определенные точки А и В в электростатическом поле известной напряженности E, то можем тут же говорить и о разности электростатических потенциалов между двумя данными точками в текущий момент времени.

Эта разность потенциалов находится как интеграл электрической напряженности между точками А и В, расположенными в данном электрическом поле на определенном расстоянии друг от друга:

Практически такая характеристика как потенциал относится к одному электрическому заряду, который теоретически может быть неподвижно установлен в данную точку электростатического поля, и тогда величина электрического потенциала для этого заряда q будет равна отношению потенциальной энергии W (взаимодействия данного заряда с данным полем) к величине этого заряда:

Отсюда следует, что разность потенциалов оказывается численно равна отношению работы A (работа по сути — изменение потенциальной энергии заряда), совершаемой данным электростатическим полем при переносе рассматриваемого заряда q из точки поля 1 в точку поля 2, к величине данного пробного заряда q:

В этом и заключается практический смысл термина «разность потенциалов», применительно к электротехнике, электронике, и вообще — к электрическим явлениям.

И если мы говорим о какой-нибудь электрической цепи, то можем судить и о разности потенциалов между двумя точками такой цепи, если в ней в данный момент действует электростатическое поле, причем как раз потому, что рассматриваемые точки цепи будут находится одновременно и в электростатическом поле определенной напряженности.

Как было сказано выше, разность электрических потенциалов измеряется в вольтах (1 вольт = 1 Дж/1Кл).

Электрическое напряжение U

Теперь рассмотрим такое понятие как электрическое напряжение U между точками А и В в электрическом поле или в электрической цепи. Электрическим напряжением называется скалярная физическая величина, численно равная работе эффективного электрического поля (включая и сторонние поля!), совершаемой при переносе единичного электрического заряда из точки А в точку В.

Электрическое напряжение измеряется в вольтах, как и разность электрических потенциалов. В случае с напряжением принято считать, что перенос заряда не изменит распределения зарядов, являющихся источниками эффективного электростатического поля. И напряжение в этом случае будет складываться из работы электрических сил и работы сторонних сил.

Если сторонние силы отсутствуют, то работу совершит лишь потенциальное электрическое поле, и в этом случае электрическое напряжение между точками А и В цепи будет численно в точности равно разности потенциалов между данными точками, то есть отношению работы по переносу заряда из точки А в точку В к величине заряда q:

Однако в общем случае напряжение между точками A и B отличается от разности потенциалов между этими точками на работу сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда:

Эту работу сторонних сил как раз и называют электродвижущей силой на данном участке цепи, сокращенно — ЭДС:

Электродвижущая сила — ЭДС

Электродвижущая сила — ЭДС так же, как и напряжение, в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах.

ЭДС является скалярной физической величиной, характеризующей работу непосредственно действующих сторонних сил (любых сил за исключением электростатических) в цепях постоянного или переменного тока. В частности, в замкнутой проводящей цепи ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.

Здесь при необходимости вводят в рассмотрение электрическую напряженность сторонних сил Еex, являющуюся векторной физической величиной, равной отношению величины действующей на пробный электрический заряд сторонней силы к величине данного заряда. Тогда в замкнутом контуре L ЭДС будет равна:

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке электрической цепи. Это будет, по сути, удельная работа сторонних сил лишь на рассматриваемом ее участке. ЭДС гальванического элемента, к примеру, есть ни что иное, как работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда только внутри этого гальванического элемента, а именно — от одного его полюса к другому.

Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит (!) от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока за пределами данного источника равна нулю.

Ранее ЭлектроВести писали, что дожди могут стать новым источником возобновляемой и предельно дешевой энергии: ученые из Гонконга придумали новый тип электрогенератора с высоким КПД и удельной мощностью в тысячу раз большей, чем у существовавших до сих пор других подобных устройств. Их изобретение позволяет получать из падения одной капли воды с высоты 15 см напряжение свыше 140 вольт, а энергии этого падения хватит для питания 100 небольших светодиодных ламп.

По материалам: electrik.info.

Электрическое напряжение. Единицы напряжения. Вольтметр. Измерение напряжения. 8-й класс

Цель урока: дать понятие напряжение как физической величины характеризующей электрическое поле, создающее электрический ток, вести единицу напряжения.

Оборудование: амперметры двух видов, вольтметры двух видов, портрет Алессандро Вольта.

Ход урока

I. Актуализация знаний.

Проверка домашнего задания. Слайд 2.

  1. Что такое сила тока? Какой буквой она обозначается?
  2. По какой формуле находится сила тока?
  3. Как называется прибор для измерения силы тока? Как он обозначается в схемах?
  4. Как называется единица силы тока? Как она обозначается?
  5. Какими правилами следует руководствоваться при включении амперметра в цепь?
  6. По какой формуле находится электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, если известны сила тока и время его прохождения?
  7. Индивидуальные задания:

1) Через поперечное сечение проводника в 1 с проходит 6*10-19 электронов. Какова сила тока в проводнике? Заряд электрона 1,6*10-19Кл.
2) Определите силу тока в электрической лампе, если через нее за 10 мин проходит электрический заряд, равный 300 Кл.
3) Какой электрический заряд протекает за 5 мин через амперметр при силе тока в цепи 0,5 А.

  1. Проверочная работа (по карточкам):

Вариант I

1.Сколько миллиампер в 0,25 А?

а) 250 мА;
б)25мА;
в) 2,5мА;
г) 0,25мА;
д)0,025мА;

2.Выразите 0,25мА в микроамперах.

а) 250 мкА;
б)25мкА;
в) 2,5мкА;
г) 0,25мкА;
д)0,025мкА;

На рис. 1 изображена схема электрической цепи.

3. Где на этой схеме у амперметра знак “+”?

Рис.1

а) у точки М
б) у точки N

4. Какое направление имеет ток в амперметре?

а) от точки М к N
б) от точки N к М

Вариант II

1.Выразите 0,025 А в амперметрах.

а) 250 мА;
б)25мА;
в) 2,5мА;
г) 0,25мА;
д)0,025мА;

2.Сколько микроампер в 0,025мА?

а) 250 мкА;
б)25мкА;
в) 2,5мкА;
г) 0,25мкА;
д)0,025мкА;

На рис. 2 изображена схема электрической цепи.

3. Где на этой схеме у амперметра знак “+”?

Рис.2

а) у точки М
б) у точки N

4. Какое направление имеет ток в амперметре?

а) от точки М к N
б) от точки N к М

9) Проверка теста. Слайд 3

II. Изучение нового материала.

1. Диск Виртуальная школа Кирилла и Мефодия. Уроки физики Кирилла и Мефодия, 8 класс.

1) Что такое электрический ток?

Ответ учащихся: Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.

2) Каковы условия существования электрического тока?

Ответ учащихся: 1 условие – свободные заряды,

2 условие – должен быть в цепи источник тока.

3) Объяснение учителя:

Направленное движение заряженных частиц создаётся электрическим полем, которое при этом совершает работу. Работа, которую совершает электрический ток при перемещении заряда в 1 Кл по участку цепи, называется электрическим напряжением (или просто напряжением).

U = A/q,

где U – напряжение (В)

А – работа (Дж)

q – заряд (Кл)

Напряжение измеряется в вольтах (В): 1В = 1Дж/Кл.

4) Сообщение ученика: Историческая справка об Алессандро Вольта.

ВОЛЬТА Алессандро (1745-1827), итальянский естествоиспытатель, физик, химик и физиолог. Его важнейшим вкладом в науку явилось изобретение принципиально нового источника постоянного тока, сыгравшее определяющую роль в дальнейших исследованиях электрических и магнитных явлений. В честь него названа единица разности потенциалов электрического поля – вольт.

Вольта был членом-корреспондентом Парижской академии наук, членом-корреспондентом академии наук и литературы в Падуе и членом Лондонского Королевского общества.

В 1800 г. Наполеон открыл университет в Павии, где Вольта был назначен профессором экспериментальной физики. По предложению Бонапарта ему была присуждена золотая медаль и премия первого консула. В 1802 г. Вольта избирается в академию Болоньи, через год – членом-корреспондентом Института Франции и удостаивается приглашения в Петербургскую академию наук (избран в 1819). Папа назначает ему пенсию, во Франции его награждают орденом Почетного Легиона. В 1809 Вольта становится сенатором Итальянского королевства, а в следующем году ему присваивается титул графа. В 1812 г. Наполеон из ставки в Москве назначает его президентом коллегии выборщиков.

С 1814 г, Вольта – декан философского факультета в Павии. Австрийские власти даже предоставляют ему право исполнять обязанности декана без посещения службы и подтверждают законность выплаты ему пенсий почётного профессора и экс-сенатора.

5) Дольные и кратные единицы:

1 мВ = 0,001 В;
1 мкВ = 0, 000 001 В;
1 кВ = 1 000 В.

6) Работа с учебником.

Работа с таблицей №7 в учебнике на стр.93.

7) Рабочее напряжение в осветительной сети жилых домов, социальных объектов – 127 и 220 В.

Опасность тока высокого напряжения.

Правила безопасности при работе с электричеством и электроприборами. Слайд 4.

8) Прибор для измерения напряжения называется вольтметром.

На схемах изображается знаком:

Правила включения вольтметра в цепь найдите в учебнике.

Слайд 5:

1. Зажимы вольтметра присоединяются к тем точкам цепи, между которыми надо измерить напряжение (параллельно соответствующему участку цепи).

2. Клемму вольтметра со знаком “+” следует соединять с той точкой цепи, которая соединена с положительным полюсом источника тока, а клемму со знаком “ – ” с точкой, которая соединена с отрицательным полюсом источника тока.

Демонстрация двух типов вольтметров.

Отличие вольтметра от амперметра по внешнему виду.

Определение цены деления демонстрационного вольтметра, лабораторного вольтметра.

9) Работа с учебником: (задание по вариантам)

Найдите в учебнике (§ 41) ответы на вопросы:

А) Как с помощью вольтметра измерить напряжение на полюсах источника тока?

Б) Какой должна быть сила тока, проходящего через вольтметр, по сравнению с силой тока в цепи?

III. Закрепление изученного материала.

Слайд 6.

  1. Выразите в вольтах напряжение, равное:

А) U =2 000 мВ =
Б) U = 100 мВ =
В) U = 55 мВ =
Г) U = 3 кВ =
Д) U = 0,5 кВ =
Е) U = 1,3 кВ =

2. Выразите в мВ напряжение, равное:

А) U = 0,5 В =
Б) U = 1,3 В =
В) U = 0,1 В =
Г) U = 1 В =
Д) U = 1 кВ =
Е) U = 0,9 кВ =

3. Решим задачки: Слайд 7. (работа у доски)

А) На участке цепи при прохождении электрическогозаряда25 Кл совершена работа 500 Дж.Чему равно напряжении на этом участке?

Б) Напряжение на концах проводника 220 В. Какая работа будет совершена при прохождении по проводнику электрического заряда, равного 10 Кл?

4. Вопросы на закрепление:

1) Что показывает напряжение в электрической цепи?
2) В каких единицах измеряется напряжение?
3) Кто такой Алессандро Вольта?
4) Как называют прибор для измерения напряжения?
5) Назовите правила включения вольтметра для измерения напряжения на участке цепи?

IV. Домашнее задание.

§ 39 – 41. Упр.16. Подготовиться к лабораторной работе №4 (с.172).

V. Итог урока.

Литература:

  1. Пёрышкин А.В. Физика. 8кл.: учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.:Дрофа, 2007.
  2. Шевцов В.А. Физика. 8кл.: поурочные планы по учебнику А.В.Пёрышкина.-Волгоград: Учитель, 2007. – 136с.
  3. Марон А.Е. Физика. 8кл.: учебно-методическое пособие /А.Е.Марон, Е.А.Марон.-6-е изд., стереотип. – М.:Дрофа, 2008.-125с.:ил.-(Дидактические материалы)
  4. Учебный диск “Кирилла и Мефодия”. Физика.8 класс.

Презентация

Конспект к уроку «электрическое напряжение. Единицы напряжения»

Урок 34.

Электрическое напряжение. Единицы напряжения. Вольтметр. Измерение напряжения.

Цель урока: дать понятие напряжение как физической величины характеризующей электрическое поле, создающее электрический ток, вести единицу напряжения.

Оборудование: амперметр, вольтметр, соединительные провода, ключ, источник тока (батарейка на 4 В,

Ход урока

I. Актуализация знаний.

Проверка домашнего задания. 

  1. Что такое сила тока? Какой буквой она обозначается?

  2. По какой формуле находится сила тока?

  3. Как называется прибор для измерения силы тока? Как он обозначается в схемах?

  4. Как называется единица силы тока? Как она обозначается?

  5. Какими правилами следует руководствоваться при включении амперметра в цепь?

  6. По какой формуле находится электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, если известны сила тока и время его прохождения?

  7. Решить задачи:

1) Через поперечное сечение проводника в 1 с проходит 6*10-19 электронов. Какова сила тока в проводнике? Заряд электрона 1,6*10-19Кл.
2) Определите силу тока в электрической лампе, если через нее за 10 мин проходит электрический заряд, равный 300 Кл. 
3) Какой электрический заряд протекает за 5 мин через амперметр при силе тока в цепи 0,5 А.

  1. Проверочная работа

1.Сколько миллиампер в 0,25 А?

а) 250 мА; 
б)25мА; 
в) 2,5мА;
г) 0,25мА;
д)0,025мА;

2.Выразите 0,25мА в микроамперах.

а) 250 мкА; 
б)25мкА; 
в) 2,5мкА;
г) 0,25мкА;
д)0,025мкА;

На рис. 1 изображена схема электрической цепи.

3. Где на этой схеме у амперметра знак “+”?

Рис.1

а) у точки М
б) у точки N

4. Какое направление имеет ток в амперметре?

а) от точки М к N
б) от точки N к М

II. Изучение нового материала.

На прошлых уроках мы узнали о том, что такое сила тока, и о том, что эта величина характеризует действие электрического тока. Мы уже рассмотрели несколько факторов, от которых она зависит, теперь рассмотрим другие параметры, которые на нее влияют. Для этого достаточно провести простой эксперимент: подключить к электрической цепи сначала один источник тока, потом последовательно два одинаковых, а затем и три одинаковых источника, при этом каждый раз измеряя силу тока в цепи. В результате измерений будет видна простая зависимость: сила тока растет пропорционально количеству подключаемых источников. Почему же так получается? Функция источника тока – создавать электрическое поле в цепи, соответственно, чем больше включено последовательно в цепь источников, тем более сильное электрическое поле они создают. Из этого можно сделать вывод, что электрическое поле влияет на силу тока в цепи. При этом при перемещении зарядов по проводнику совершается работа электрического тока, что говорит о том, что работа электрического поля определяет силу тока в цепи.

С другой стороны, можно вспомнить аналогию между протеканием электрического тока в проводнике и воды в трубе. Когда речь идее о массе воды, протекающей через сечение трубы, то это можно сравнивать с величиной заряда, который прошел через проводник. А перепад высоты в трубе, который и формирует напор и течение воды, можно сравнить с таким понятием, как электрическое напряжение.

Для характеристики работы электрического поля по перемещению заряда введена такая величина, как электрическое напряжение.

ОпределениеЭлектрическое напряжение – физическая величина, которая равна работе электрического поля по перемещению единичного заряда из одной точки в другую.

Обозначение.  напряжение.

Единица измерения.  вольт.

Названа единица измерения напряжения в честь итальянского ученого Алессанро Вольта (1745–1827) (рис. 1).

Рис. 1. Алессанро Вольта (Источник)

Если привести стандартный пример о смысле всем известной надписи на любых домашних бытовых приборах «220 В», то она означает, что на участке цепи совершается работа 220 Дж по перемещению заряда 1 Кл.

Формула для расчета напряжения:

Где:

 работа электрического поля по перенесению заряда, Дж;

 заряд, Кл.

Следовательно, единицу измерения напряжения можно представить так:

 Дольные и кратные единицы:

1 мВ = 0,001 В; 
1 мкВ = 0, 000 001 В;
1 кВ = 1 000 В.

Между формулами для вычисления напряжения и силы тока существует взаимосвязь, на которую следует обратить внимание:  и . В обеих формулах присутствует величина электрического заряда , что может оказаться полезным при решении некоторых задач.

 2. Вольтметр

Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр (рис. 2).

Рис. 2. Вольтметр (Источник)

Существуют различные вольтметры по особенностям их применения, но в основе принципа их работы лежит электромагнитное действие тока. Обозначаются все вольтметры латинской буквой , которая наносится на циферблат приборов и используется в схематическом изображении прибора.

В школьных условиях используются, например, вольтметры, изображенные на рисунке 3. С их помощью проводятся измерения напряжения в электрических цепях при проведении лабораторных работ.

Рис. 3. Вольтметры (Источник) (Источник) (Источник)

Основными элементами демонстрационного вольтметра являются корпус, шкала, стрелка и клеммы. Клеммы обычно подписаны плюсом или минусом и для наглядности выделены разными цветами: красный – плюс, черный (синий) – минус. Сделано это с целью того, чтобы заведомо правильно подключать клеммы прибора к соответствующим проводам, подключенным к источнику. В отличие от амперметра, который включается в разрыв цепи последовательно, вольтметр включается в цепь параллельно.

Безусловно, любой электрический измерительный прибор должен минимально влиять на исследуемую цепь, поэтому вольтметр имеет такие конструктивные особенности, что его через него идет минимальный ток. Обеспечивается такой эффект подбором специальных материалов, которые способствуют минимальному протеканию заряда через прибор.

 3. Вольтметр в электрических схемах

Схематическое изображение вольтметра (рис. 4):

 

 

Рис. 4.

Изобразим для примера электрическую схему (рис. 5), в которой подключен вольтметр.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.

В цепи почти минимальный набор элементов: источник тока, лампа накаливания, ключ, амперметр, подключенный последовательно, и вольтметр, подключенный параллельно к лампочке.

Замечание. Лучше начинать сборку электрической цепи со всех элементов, кроме вольтметра, а его уже подключать в конце.

 4. Виды вольтметров

Существует множество различных видов вольтметров с различающимися шкалами. Поэтому вопрос о вычислении цены прибора в данном случае очень актуален. Очень распространены микроамперметры, миллиамперметры, просто амперметры и т. д. По их названиям понятно, с какой кратностью производятся измерения.

Кроме того, вольтметры делят на приборы постоянного тока и переменного тока. Хотя в городской сети и переменный ток, но на данном этапе изучения физики мы занимаемся постоянным током, который подают все гальванические элементы, поэтому нас и будут интересовать соответствующие вольтметры. То, что прибор предназначен для цепей переменного тока, принято изображать на циферблате в виде волнистой линии (рис. 6).

Рис. 6. Вольтметр переменного тока (Источник)

Замечание. Если говорить о значениях напряжений, то, например, напряжение 1 В является небольшой величиной. В промышленности используются гораздо большие значения напряжений, измеряемые сотнями вольт, киловольтами и даже мегавольтами. В быту же используется напряжение 220 В и меньшее.

III. Закрепление изученного материала.

  1. Выразите в вольтах напряжение, равное:

А) U =2 000 мВ =
Б) U = 100 мВ =
В) U = 55 мВ =
Г) U = 3 кВ =
Д) U = 0,5 кВ =
Е) U = 1,3 кВ =

2. Выразите в мВ напряжение, равное:

А) U = 0,5 В =
Б) U = 1,3 В =
В) U = 0,1 В =
Г) U = 1 В =
Д) U = 1 кВ =
Е) U = 0,9 кВ =

3. Решим задачки: С

А) На участке цепи при прохождении электрическогозаряда25 Кл совершена работа 500 Дж.Чему равно напряжении на этом участке?

Б) Напряжение на концах проводника 220 В. Какая работа будет совершена при прохождении по проводнику электрического заряда, равного 10 Кл?

4. Вопросы на закрепление:

1) Что показывает напряжение в электрической цепи?
2) В каких единицах измеряется напряжение?
3) Кто такой Алессандро Вольта?
4) Как называют прибор для измерения напряжения?
5) Назовите правила включения вольтметра для измерения напряжения на участке цепи?

IV. Домашнее задание.

§ 39 – 41. Упр.16.

V. Итог урока.

Основы измерения электроэнергии

Основные измерения электроэнергии

Понимание выработки электроэнергии, потерь мощности и различных типов измеряемой мощности может быть пугающим. Ниже приведен обзор основных измерений электрической и механической мощности.

Электрический ток, напряжение и сопротивление

Любое обсуждение электричества неизбежно приводит к электрическому току, напряжению и сопротивлению. Эти концепции показаны ниже на Рисунке 1.Электрический ток — это сам поток электричества, который измеряется в единицах, называемых амперами (А). Напряжение — это сила, которая заставляет электричество течь, и измеряется в единицах, называемых вольтами (В или U). Сопротивление выражает сложность, с которой течет электричество, и измеряется в единицах, называемых омами (Ом).

На рисунке ниже эти взаимосвязи показаны в виде электрических цепей. В электрической цепи электрический ток проходит через различные типы нагрузки, включая сопротивление, индуктивность и емкость, от положительной полярности источников питания, таких как батареи, а затем возвращается к отрицательной полярности источника питания.Нагрузка — это термин, который обычно используется для обозначения чего-то, что получает электричество от источника питания и действительно работает (обеспечивает свет, в случае лампочки).


Рисунок 1 — Основные элементы электрической схемы
Мощность

Электрическая энергия может быть преобразована в другие виды энергии и использована. Например, его можно преобразовать в тепло в электронагревателе, в крутящий момент в двигателе или в свет люминесцентной или ртутной лампы. В таких примерах работа, которую электричество выполняет за определенный период (или затраченная электрическая энергия), называется электрической мощностью.Единица измерения электрической мощности — ватт (Вт). 1 ватт эквивалентен 1 джоуля работы, выполняемой за 1 секунду.

В электрических системах напряжение — это сила, необходимая для перемещения электронов. Ток — это скорость потока заряда в секунду через материал, к которому приложено определенное напряжение. Умножив напряжение на соответствующий ток, можно определить мощность.

Постоянный ток (DC) Мощность

Постоянный ток, или DC, относится к системам питания, в которых используется одна полярность напряжения и тока, однако амплитуда может изменяться (циклическая или случайная).


Рисунок 2 — Базовая схема, показывающая напряжение и ток с источником постоянного напряжения
Закон Ома

При расчетах электрических цепей используется ряд формул, но именно закон Ома показывает наиболее фундаментальную взаимосвязь: соотношение между электрическим током, напряжением и сопротивлением. Закон Ома гласит, что электрический ток течет пропорционально напряжению. Ниже показана формула для выражения отношения между током (I) и напряжением (U).

По этой формуле ток (I) уменьшается при увеличении значения R и, наоборот, ток (I) увеличивается при уменьшении значения R. R здесь представляет собой сопротивление (или электрическое сопротивление). Другими словами, мы видим, что по мере увеличения или уменьшения сопротивления (R) ток течет с большей или меньшей легкостью. Эту формулу можно переписать, как показано ниже. Если известны два значения: ток, напряжение и сопротивление, вы можете получить оставшееся значение.

Мощность постоянного тока (DC) P (W) определяется умножением приложенного напряжения (U) на ток I (A), как показано выше.В приведенном ниже примере количество электроэнергии, определенное предыдущим уравнением, извлекается из источника питания и потребляется сопротивлением R (в омах) каждую секунду. По закону Ома формулу можно переписать следующим образом:

Электрические цепи постоянного тока поддерживают постоянный ток и напряжение без циклических изменений ни в одном из них. Таким образом, получить мощность постоянного тока (P) с полученной формой волны, приведенной ниже, несложно.

Электропитание переменного тока

Электропитание, обычно используемое в Японии, работает от 100 В переменного тока.Эти 100 В представляют собой напряжение, выраженное как среднеквадратичное значение (СКЗ).

100 В от настенных розеток воспринимаются как чистые синусоидальные волны, как показано на рисунке ниже. Мы можем видеть, что полярность меняется циклически, и что напряжения постоянно колеблются. Волны переменного напряжения имеют чистые синусоидальные волны, как график на рисунке 3, а также множество других волн, таких как искаженные волны, такие как обычные формы, такие как треугольная и прямоугольная волна. Чтобы определить размер этих волн переменного тока и напряжения, нам нужны значения, соответствующие одному стандарту.Поэтому используется среднеквадратичное значение (среднеквадратичное значение), которое было получено на основе постоянного тока и напряжения.


Рисунок 3 — Циклическое изменение полярности переменного напряжения в синусоидальной, треугольной и прямоугольной форме
Среднеквадратичное значение (СКЗ)

Среднеквадратичное значение чаще всего используется при выражении значений переменного тока и напряжения и измеряется в Армейских единицах и Урм. В приведенном выше примере 100 В — это напряжение, выраженное как среднеквадратичное значение (СКЗ).

Простое среднее значение синусоиды равно нулю, поэтому требуется другое уравнение.Вот почему используется среднеквадратичное значение (среднеквадратичное значение), которое было установлено на основе постоянного тока и напряжения. Он основан на количестве работы, выполняемой определенным количеством постоянного тока и напряжения, и выражает — используя те же значения, что и постоянный ток и напряжение — величину переменного тока и напряжения, которые выполняют такой же объем работы.

Если теплотворная способность при подаче напряжения постоянного тока на резистор такая же, как теплотворная способность при подаче переменного тока другой формы волны, действующее значение этого напряжения переменного тока будет таким же, как и для напряжения постоянного тока.

Например, теплотворная способность при подаче постоянного напряжения 100 В на резистор 10 Ом такая же, как теплотворная способность при подаче переменного тока 100 В на тот же резистор. Концепция среднеквадратичного значения для электрического тока такая же.


Рисунок 4 — Равная теплотворная способность между сигналами постоянного и переменного тока

Теплотворная способность — это объем выполненной работы, поэтому по следующей формуле мощность рассчитывается как теплотворная способность.

В качестве примера на следующей диаграмме показаны колебания мощности в зависимости от времени, когда на резистор 10 Ом подается постоянный ток 1 А и переменный ток 1 Ампер.


Рисунок 5 — Зависимость мощности от времени при постоянном и переменном токе

Поскольку при постоянном токе нет колебаний значения тока, значение мощности остается постоянным 10 Вт. Однако, поскольку значение тока постоянно колеблется с переменным током, значение мощности колеблется со временем. То, что эти два типа мощности (теплотворная способность) равны, равносильно утверждению, что средние значения Pdc и P1 — Pn равны. Это выражается формулой ниже.


Здесь резистор (R) постоянный, поэтому им можно пренебречь. Следующее выражает результирующую взаимосвязь между постоянным током и переменным током.

Делая интервал между I1 и In как можно меньшим в этой формуле, в конечном итоге Irms дает квадратный корень из площади части, заключенной в форме волны, деленной на время. Это выражается формулой ниже.

Важно знать, что постоянный ток 1 А выполняет ту же работу, что и переменный среднеквадратичный ток 1 Ампер.При постоянном и установившемся постоянном токе вы можете получить значение мощности, просто умножив ток на напряжение.

Однако переменный ток не так прост, как постоянный, из-за разницы фаз между током и напряжением. Ниже приведены три типа питания переменного тока. Обычно мощность и потребляемая мощность относятся к активной мощности.

Питание в системах переменного тока

Как и в случае постоянного тока, значение мощности (мгновенное значение мощности) для переменного тока в определенный момент времени может быть получено путем умножения напряжения и тока для этого момента времени.

При переменном токе, поскольку и ток, и напряжение периодически меняются, значения мощности также постоянно меняются. Это показано на следующей диаграмме.

В качестве энергии в секунду мощность может быть получена из среднего значения мгновенной энергии, то есть площади участка, заключенного в форме волны, по времени. Формула выглядит следующим образом:

Например, если к резистору приложен ток 1 Ампер и напряжение 100 Ом, как показано ниже, мощность станет 100 Вт при вычислении по приведенной выше формуле.

При подаче тока и напряжения на резистор результирующие формы сигналов показаны на Рисунке 6 ниже.


Рисунок 6 — Отсутствие разности фаз в чисто резистивной нагрузке

Считается, что ток и напряжение находятся «в фазе» по полярности и времени, когда формы сигнала тока и напряжения проходят нулевое значение. Ток и напряжение всегда совпадают по фазе, когда нагрузка состоит только из сопротивления.

Когда нагрузка имеет катушку в дополнение к сопротивлению, происходит фазовый сдвиг между сигналом напряжения и тока.Это отставание называется разностью фаз, как показано на рисунке 7.


Рисунок 7 — Разности фаз, представляющие индуктивную и емкостную нагрузку

Разность фаз обычно выражается как Φ (фи), а единица измерения — радианы, но часто указывается в градусах. В приведенном ниже примере точка A начинается из точки P и делает один оборот по окружности круга O. Расстояние между точкой A и прямой линией, проходящей через центр O и точку P (красная линия) как ось Y и ∠AOP (φ) по оси X дает синусоидальную волну ниже.


Рисунок 8 — Синусоидальная волна с фазой

На рис. 9 показаны кривые тока и напряжения, сдвинутые по фазе на 60 °. При рассмотрении положения на окружности напряжения (u) и тока (i) в соответствии с приведенным выше примером, ∠uoi постоянна в каждый момент времени. Угол этого ∠uoi указывает величину разности фаз между напряжением (u) и током (i).


Рисунок 9 — Синусоидальные волны напряжения и тока с разностью фаз

Три типа нагрузки цепи переменного тока показаны на рисунке 10.Как показано ниже, разность фаз между током и напряжением зависит от типа нагрузки.


Рисунок 10 — Фазовое и векторное представление цепей переменного тока с резистивной, индуктивной или емкостной нагрузкой

Для фаз ток может отставать от напряжения или опережать. Ток отстает на 90 °, когда нагрузка включает только индуктивность, и опережает на 90 °, когда только емкость. Когда существуют все три типа, разность фаз колеблется в соответствии с соотношением размеров каждого компонента.Затем давайте посмотрим на мощность, когда есть разность фаз между током и напряжением.

Электропитание переменного тока с разностью фаз

Когда существует разность фаз между током и напряжением, происходит мгновенное изменение энергии, как показано на рисунке 11.

Когда ток или напряжение равны 0, мгновенная мощность становится равной 0. Поскольку полярности тока и напряжения в промежутках между ними меняются, мгновенная мощность становится отрицательной. Мощность — это среднее значение мгновенной энергии, поэтому мощность становится меньше, чем когда ток и напряжение совпадают по фазе (пунктирная линия).


Рисунок 11 — Мгновенная энергия, когда напряжение и ток имеют разность фаз

Треугольник мощности и коэффициент мощности

Цепи переменного тока, содержащие емкость, индуктивность или и то, и другое, содержат активную и реактивную мощность. Треугольник мощности, показанный на рисунке 12, помогает проиллюстрировать потребление энергии в индуктивной или емкостной цепи. Треугольник мощности представляет собой прямоугольный треугольник, показывающий соотношение четырех основных элементов, активной мощности, реактивной мощности, полной мощности и коэффициента мощности.


Рисунок 12 — Треугольник мощности показывает соотношение активной и реактивной мощности.

Активная мощность

Активная мощность (P) — это истинная мощность, которую устройство потребляет и выполняет реальную работу в электрической цепи. Активная мощность рассчитывается ниже в ваттах (Вт).

Реактивная мощность

Реактивная мощность (Q) — это мощность, которая не потребляется устройством и передается между источником питания и нагрузкой.Реактивная мощность, которую иногда называют мощностью без мощности, забирает мощность из цепи из-за фазового сдвига, создаваемого емкостными и / или индуктивными компонентами. Этот фазовый сдвиг уменьшает количество активной мощности для выполнения работы и усложняет расчет мощности. Реактивная мощность рассчитывается ниже и измеряется в вольт-амперах реактивной мощности (ВАр). В цепи постоянного тока нет реактивной мощности.

Полная мощность

Полная мощность (S) — это гипотенуза треугольника мощности, состоящая из векторного сложения активной мощности (P) и реактивной мощности (Q).Расчет полной мощности представляет собой умножение среднеквадратичного значения напряжения на действующий ток с единицей измерения вольт-ампер (ВА).

Коэффициент мощности

При определении коэффициента мощности для синусоидальных волн коэффициент мощности равен косинусу угла между напряжением и током (Cos Φ). Это определяется как коэффициент мощности «смещения» и подходит только для синусоидальных волн. Для всех других форм сигналов (несинусоидальных волн) коэффициент мощности определяется как мощность в ваттах, деленная на полную мощность в амперах напряжения.Это называется «истинным» коэффициентом мощности и может использоваться для всех форм сигналов, как синусоидальных, так и несинусоидальных, с использованием квалификатора λ (лямбда).

Коэффициент мощности (λ) увеличивается или уменьшается в зависимости от величины разности фаз (φ). Рисунок 13 иллюстрирует это явление.


Рисунок 13 — Коэффициент мощности при различных разностях фаз

Для идеальных синусоидальных волн ток и напряжение совпадают по фазе, полная мощность и активная мощность становятся равными, а коэффициент мощности равен 1.Коэффициент мощности уменьшается с увеличением разности фаз; коэффициент мощности составляет 0,5 (активная мощность равна 1/2 полной мощности) при разности фаз 60 ° и 0 при разности фаз 90 °. Коэффициент мощности 0 означает, что ток течет к нагрузке, но она не работает.

Векторное отображение переменного тока

Временной сдвиг между напряжением и током называется разностью фаз, а Φ — фазовым углом. Смещение по времени в основном вызвано нагрузкой, на которую подается питание.Как правило, разность фаз равна нулю, когда нагрузка является чисто резистивной. Когда нагрузка индуктивна, ток отстает от напряжения. Когда нагрузка емкостная, ток опережает напряжение.


Рисунок 14 — Сдвиг фаз между напряжением и током при чисто индуктивной или емкостной нагрузке

Векторный дисплей используется для четкого отображения зависимости величины и фазы между напряжением и током. Положительный фазовый угол представлен углом против часовой стрелки по отношению к вертикальной оси.


Рисунок 15. Векторная диаграмма показывает соотношение амплитуды и фазы между напряжением и током

Системы питания переменного тока

Питание

переменного тока может быть однофазным или многофазным. Однофазное электричество используется для питания обычных бытовых и офисных электроприборов, но для распределения электроэнергии и подачи электричества непосредственно на оборудование более высокой мощности почти повсеместно используются трехфазные системы переменного тока.

Однофазные электрические схемы

Существуют две распространенные схемы подключения для однофазных цепей.Наиболее распространена однофазная двухпроводная схема. Другой — однофазная трехпроводная схема, обычно встречающаяся в бытовых приборах.

Однофазная 2-проводная система (1P2W)

Обеспечивает однофазное питание переменного тока по двум проводам. Самая простая система, она используется при подключении источников питания ко многим электрическим устройствам, например, бытовой электронике. При подключении ваттметра к однофазной двухпроводной системе необходимо учесть несколько моментов перед подключением.


Рисунок 16. Различные электрические схемы однофазной двухпроводной системы

Влияние паразитной емкости

При измерении однофазного устройства влияние паразитной емкости на точность измерения можно минимизировать, подключив токовый входной терминал прибора к стороне, которая ближе всего к потенциалу земли источника питания.


Рисунок 17 — Схема подключения для минимизации паразитной емкости
Влияние измеренных амплитуд напряжения и тока

Когда измеряемый ток относительно велик, подключите клемму измерения напряжения между клеммой измерения тока и нагрузкой.Когда измеренный ток относительно невелик, подключите клемму измерения тока между клеммой измерения напряжения и нагрузкой.


Рисунок 18 — Схема подключения при относительно большом измеряемом токе

Двухфазная 3-проводная система (1P3W)

Обеспечивает однофазное питание переменного тока по трехпроводным проводам. Однофазная трехпроводная система является наиболее распространенной системой распределения электроэнергии. Электроэнергия, подаваемая в большинство домохозяйств, поставляется с использованием этой системы.В следующем примере требуются два ваттметра для измерения двух напряжений (U1, U2) и двух токов (I1, I2).


Рисунок 19 — Трехпроводная система с разделением фаз

Трехфазные электрические схемы

В отличие от однофазных систем, каждый из проводников трехфазного источника питания пропускает переменный ток той же частоты и амплитуды напряжения относительно общего эталона, но с разностью фаз в одну треть периода. Трехфазные системы имеют преимущества перед однофазными, что делает их пригодными для передачи энергии и в таких приложениях, как асинхронные двигатели.

Характеристики трехфазных систем
  • Ток и напряжение на каждой фазе имеют разность фаз 120 ° в сбалансированной системе.
  • Линейное напряжение — это напряжение, измеренное между любыми двумя линиями в трехфазной цепи.
  • Фазное напряжение — это напряжение, измеренное на нагрузке в фазе
  • .
  • Линейный ток — это ток через любую линию между трехфазным источником и нагрузкой.
  • Фазный ток — это ток через любой компонент трехфазного источника или нагрузки.
  • При соединении треугольником линейное напряжение совпадает с фазным напряжением. Для синусоидальных волн линейный ток в √3 раз больше фазного тока.
  • При соединении звездой линейное напряжение в √3 раз больше фазного напряжения, а токи одинаковы.
  • Трехфазные источники питания могут передавать в три раза больше мощности, используя всего в 1,5 раза больше проводов, чем однофазные источники питания (т. Е. Три вместо двух). Таким образом, соотношение емкости к материалу проводника увеличивается вдвое.
  • Трехфазные системы также могут создавать вращающееся магнитное поле с заданным направлением и постоянной величиной, что упрощает конструкцию электродвигателей.

До сих пор мы обсуждали, что источник питания и нагрузка соединены двумя проводниками. Это известно как однофазная двухпроводная система. При питании от переменного тока существует однофазное и трехфазное питание, доступны следующие системы электропитания. Трехфазное питание может использоваться в трех- или четырехпроводной конфигурации в звездообразном или треугольном режиме.

Диаграммы на Рисунке 20 показывают источник и нагрузку в конфигурации треугольником или звездой (WYE).


Рисунок 20 — Конфигурации трехфазного треугольника и звезды (WYE)

Теорема Блонделя

При обсуждении измерения мощности с помощью ваттметров часто ссылаются на теорему Блонделя при определении правильного метода подключения ваттметров и количества, необходимого для наиболее точного измерения.Теорема утверждает, что мощность, подаваемая в систему из N проводников, равна алгебраической сумме мощности, измеренной N ваттметрами. Кроме того, если общая точка находится на одном из проводов, счетчик этого проводника может быть удален, и потребуется только N-1 счетчик.

Трехфазное соединение звездой (3P4W)

Измерение относительно просто, если объектом измерения является трехфазная 4-проводная система. Как показано на схеме ниже, трехфазный четырехпроводной включает в себя подключение ваттметров к каждой фазе на основе нейтрального проводника.Получите мощность для каждой фазы, измерив напряжение (фазное напряжение) и ток (фазный ток) для каждой фазы с помощью разных ваттметров. Суммирование даст значение мощности трехфазного переменного тока. Для измерения трехфазной 4-проводной мощности требуется три ваттметра.


Рисунок 21 — Трехфазное соединение звездой (3P4W)

Полная мощность, активная мощность и реактивная мощность для трехфазной мощности — это сумма каждой фазы.

Трехфазный треугольник, два ваттметра (3P3W)

Измерение в трехфазной трехпроводной системе немного сложнее, поскольку нейтральный проводник, который использовался в качестве основы для трехфазной четырехпроводной системы, отсутствует и фазное напряжение невозможно измерить.Измерение в трехфазной трехпроводной системе включает получение значения мощности трехфазного переменного тока с использованием метода, называемого методом 2-ваттметра.

Применяя теорему Блонделя и используя метод двух ваттметров, мы можем получить значения мощности трехфазного переменного тока. Схема подключения метода двух ваттметров и векторная карта показаны ниже.

Вывод теоремы Блонделя приводится ниже.

Приведенный выше расчет показывает, что мы можем получить значения мощности трехфазного переменного тока из значений мощности в двух линиях и значений тока в двух фазах.Поскольку этот метод требует контроля только двух значений тока и двух напряжений вместо трех, установка и конфигурация проводки упрощаются. Он также может точно измерять мощность в сбалансированной или несбалансированной системе. Его гибкость и низкая стоимость установки делают его подходящим для производственных испытаний, при которых требуется измерить только мощность или несколько других параметров.

Другими словами, для измерения трехфазной мощности мощность может быть получена путем измерения мощности для каждой фазы и вычисления общей мощности.Для метода двух ваттметров уравнение показано ниже.

Трехфазное соединение треугольником (3V3A)

Существует еще один метод измерения при трехфазной трехпроводной системе: измерение трех напряжений и трех токов (3V3A). Как и метод двух ваттметров, этот метод измеряет ток фазы T и линейное напряжение между R и S. Ниже представлена ​​схема подключения.


Рисунок 22 — Трехфазное соединение треугольником (3V3A)

Поскольку метод трех напряжений и трех токов (3V3A) измеряет ток фазы T, он позволяет увидеть баланс тока между фазами, что было невозможно при использовании метода двух ваттметров.Для инженерно-исследовательских и опытно-конструкторских работ трехфазный

Трехпроводный метод

с использованием трех ваттметров является лучшим, поскольку он предоставляет дополнительную информацию, которая может использоваться для балансировки нагрузки и определения истинного коэффициента мощности. В этом методе используются все три напряжения и все три тока. Измеряются все три напряжения (R — T, S — T, R — S).

Векторный дисплей измерений трехфазного переменного тока

Мы будем использовать трехфазную систему Y «звезда», чтобы проиллюстрировать концепцию трехфазного векторного дисплея.В звездообразной системе напряжения и токи каждой фазы смещены на 120 °. Нейтральная точка Y-системы находится в центре, где все напряжения и токи теоретически равны нулю.

При проведении измерений в звездообразной системе, где присутствует физический нейтральный провод; напряжения будут измеряться относительно этой нейтральной точки, это называется «фазным напряжением». При проведении измерений в звездной системе, где физический нейтральный провод отсутствует; напряжения будут измеряться относительно друг друга, это называется «линейное напряжение» или «соединение треугольником».Соединение по схеме «треугольник» образует равносторонний треугольник с интервалом между напряжениями 60 градусов, в отличие от соединения по схеме «звезда», где напряжения изменяются на 120 градусов. Величина линейных напряжений в √3 раз превышает фазные напряжения. Токи в звездной системе всегда измеряются последовательно относительно нейтральной точки, причем угловые измерения относительно векторов напряжения обозначаются Φ. Рисунок 23 иллюстрирует взаимосвязь между измерениями напряжений при соединении треугольником и звездой с помощью векторной диаграммы.


Рисунок 23 — Векторная диаграмма измерений трехфазного треугольника и звезды.

Измерение трехфазного коэффициента мощности

Общий коэффициент мощности для 3-фазной цепи определяется суммированием общего ватта, деленного на общее измерение в ВА.

Используя метод двух ваттметров, сумма общих ватт (W1 + W2) делится на измерения VA. Однако, если нагрузка несимметрична (фазные токи разные), это может привести к ошибке при вычислении коэффициента мощности, поскольку в расчете используются только два измерения ВА.Два VA усредняются, потому что предполагается, что они равны; однако, если это не так, будет получен ошибочный результат. Поэтому для несимметричных нагрузок лучше всего использовать метод трех ваттметров, так как он обеспечит правильный расчет коэффициента мощности как для сбалансированных, так и для несбалансированных нагрузок.

При использовании метода трех ваттметров в приведенном выше расчете коэффициента мощности используются все три измерения ВА.

Гармоники

Гармоники относятся ко всем синусоидальным волнам, частота которых является целым кратным основной волны (обычно это синусоидальный сигнал линии электропередачи с частотой 50 Гц или 60 Гц или от 0 до 2 кГц для вращающихся машин).Гармоники — это искажение формы нормального электрического тока, обычно передаваемого нелинейными нагрузками. В отличие от линейных нагрузок, где потребляемый ток пропорционален и следует форме волны входного напряжения, нелинейные нагрузки, такие как двигатели с регулируемой скоростью, потребляют ток короткими резкими импульсами. Когда основная волна и последующие гармонические составляющие объединяются, формы волны искажаются, и возникает интерференция.


Рисунок 24 — Искаженные формы сигнала состоят из нескольких гармонических составляющих

Гармоники

необходимо контролировать, поскольку они могут вызвать аномальный шум, вибрацию, нагрев или неправильную работу устройств и сократить их срок службы.Внутренние и международные стандарты, такие как IEC61000-3, существуют для контроля гармоник. Поэтому инженерам необходимо обнаруживать гармоники и оценивать их влияние на компоненты, системы и подсистемы в приложении. Размер и разность фаз следует измерять не только для основной частоты, но и для каждой более высокочастотной составляющей. Высокоточные анализаторы мощности могут измерять гармоники до 500-го порядка.

Для вращающихся машин основные амплитуды являются единственными составляющими, которые эффективно способствуют вращению оси, все остальные гармонические составляющие приводят к потерям в виде тепла и вибрации.

Измерение гармоник

Используя режим измерения гармоник, можно измерить размер и разность фаз для каждой основной частоты, а также гармоники для каждого градуса, включенного в ток, напряжение и мощность. Например, в случае основной частоты (основной составляющей) 50 Гц третья составляющая составляет 150 Гц, пятая составляющая 250 Гц и так далее, и возможно измерение до 500-й составляющей на частоте 2,5 кГц.


Рисунок 25. Сумма нечетных гармонических составляющих в искаженный сигнал

Для отображения результатов измерения гармоник анализатор мощности может отображать размер каждого градуса, как показано на рисунке 26 ниже, или отображать такие параметры, как размер, соотношение содержания и фаза в списке.


Рисунок 26 — Гистограмма, показывающая зависимость энергии гармоник от порядка

Заключение

При измерении мощности необходимо учитывать множество факторов, включая входную мощность, КПД инвертора, КПД, гармоники и коэффициент мощности. Эти измерения включают сложные уравнения, поэтому большинство компаний используют анализаторы мощности для автоматического получения результатов.

Прецизионный высокочастотный анализатор мощности — важный инструмент для измерения как механической, так и электрической мощности.Его функции анализа и показания могут помочь улучшить работу и даже продлить срок службы двигателя. Выбор подходящего анализатора и его правильная реализация требуют знаний; однако при правильном использовании данные анализатора мощности предоставят точные и очень ценные данные.

Электрические измерения

Введение

В этом разделе будут обсуждаться электрические измерения. Это будет сделано с помощью простых экспериментов, которые вводят источник питания постоянного тока, мультиметр и упрощенный способ представления электрических цепей с помощью принципиальной схемы.

Масса и электрический заряд, массовый расход и электрический ток

Материя обладает рядом свойств, включая массу и электрический заряд. Масса, M (в килограммах, кг), является положительной величиной. Электрический заряд, Q (измеряется в кулонах, Кл), с другой стороны, может быть как положительным, так и отрицательным. Чистый электрический заряд — это сумма заряда положительно заряженных ионных ядер и отрицательно заряженных электронов. При обычных обстоятельствах положительный и отрицательный электрические заряды материи взаимно нейтрализуются, оставляя ее нейтральной.Увеличение чистого электрического заряда может происходить либо за счет увеличения количества положительного заряда, либо за счет уменьшения количества отрицательного заряда. Для обычных металлов ядра положительных ионов неподвижны, а электроны составляют «электрическую жидкость». При постоянном массовом расходе масса жидкости, протекающей по трубе, равна скорости массового расхода (или массового тока), умноженной на время. Точно так же для постоянных расходов заряда заряд Q , который течет через провод, равен скорости потока заряда (или электрического тока, I , измеряемого в амперах, А), умноженному на время, t .

Резервуары и конденсаторы, давление и напряжение, насосы и источники питания

Воду часто хранят в резервуаре или водонапорной башне. Мы можем думать о резервуаре как о резервуаре с водой, находящейся под давлением. Когда два резервуара с разным давлением соединены трубой, разница давлений заставляет воду течь по трубе от резервуара с более высоким давлением к резервуару с более низким давлением. Точно так же электрический заряд может храниться в электрических резервуарах, называемых конденсаторами , , которые представляют собой металлические пластины, которые можно рассматривать как находящиеся под электрическим давлением, называемым напряжением.Когда две металлические пластины с разным напряжением соединяются проводом, разность напряжений заставляет электрический ток течь через провод от пластины с более высоким напряжением к пластине с более низким напряжением. Высокое давление воды может быть получено с помощью водяного насоса, прикрепленного к резервуару, который быстро заменяет любую используемую воду, так что давление воды не снижается. Электрический эквивалент водяного насоса может представлять собой один гальванический элемент (обычный D-элемент на 1,5 В), аккумулятор из гальванических элементов (автомобильный аккумулятор на 12 В), источник питания и т. Д.

Трубы и провода, сопротивления, цепи

Вода легко течет внутри трубы, медленно течет через почву и совсем не течет через стенки трубы (если только давление в трубе не является достаточно высоким, чтобы вызвать разрыв трубы). Точно так же электрический заряд легко течет по металлическим проводам, медленно течет по смоченной бумаге (это свойство используется в электрофорезе, который используется для снятия отпечатков пальцев ДНК) и совсем не вытекает из материала, покрывающего провод, или от провода. в воздух (если напряжение на проводе не настолько велико, что вызывает электрический пробой).Оболочка имеет более электрических сопротивлений , чем провод. Когда мы подсоединяем шланг от резервуара высокого давления к резервуару низкого давления, сначала вода может течь легко. Однако в конце концов давления выравниваются, и поток не может возникнуть. Если мы хотим непрерывного потока через трубу, и у нас нет бесконечного количества воды в наших резервуарах, мы устанавливаем насос в трубу и рециркулируем воду, включая обратную трубу, таким образом образуя замкнутый контур. То же самое мы делаем с электричеством, когда используем источник питания для подачи электрического тока через замкнутую электрическую цепь.

Прежде чем мы начнем, нам нужно рассмотреть несколько новых концепций, которые вам понадобятся для выполнения этой лабораторной работы.

Ток, напряжение и сопротивление

Хотя вы только начинаете изучать статические электрические заряды, когда эти же заряды движутся по цепи, они производят электрический ток, который является скоростью потока заряда. Единица измерения тока в системе СИ — ампер (А) = 1 кулон / сек.По соглашению направление тока — это направление потока положительного заряда, хотя в металлических проводниках ток возникает из-за потока отрицательного заряда (электронов) в противоположном направлении. Из-за сохранения заряда ток одинаков во всех точках однопетлевой цепи. В точке ветвления в цепи, где проводящий путь разделяется на два или более, общий ток в точке ветвления равен полному току из этой точки. Чтобы произвести эти движущиеся заряды, мы будем использовать либо аккумулятор, либо источник питания, который использует химическую или электрическую энергию, соответственно, для проталкивания этих зарядов по цепи.Обычно ток течет от положительной клеммы батареи или источника питания к отрицательной клемме. Для поддержания тока в цепи должен быть полный проводящий путь. Напряжение — это мера разности электрических потенциалов между двумя точками в цепи, а разность потенциалов между двумя точками в цепи вызывает протекание этих электрических токов. Единицей измерения потенциала в системе СИ является вольт (В). Поскольку электрическая сила является консервативной, сумма напряжений увеличивается и уменьшается вокруг любого замкнутого контура, равная нулю.Сопротивление — это свойство элемента схемы (проводника) препятствовать прохождению тока. Сопротивление определяется где В, — напряжение на элементе схемы, а I — ток, протекающий через него. Если R постоянно, то же самое для всех V , то элемент схемы подчиняется закону Ома. Единицей измерения сопротивления в системе СИ является ом (Ом). Сопротивление резистивного элемента цепи изменяется в зависимости от температуры. Серия

и параллельные схемы

Два резистора R 1 и R 2 соединены последовательно, если весь ток, который проходит через R 1 , также проходит через R 2 .Следовательно, для двух последовательно соединенных резисторов ток от I 1 до R 1 совпадает с током от I 2 до R 2 , и этот ток такой же, как ток ток, I , который входит в последовательную сеть:

I = I 1 = I 2 .

Общее напряжение В в последовательной сети представляет собой сумму напряжений В 1 и В 2 на каждом резисторе.То есть

V = V 1 + V 2 .

Эквивалентное сопротивление R с из R 1 и R 2 последовательно определяется выражением Два резистора R 1 и R 2 соединены параллельно, если напряжения В 1 и В 2 на каждом из них одинаковы и равны напряжению В , через параллельную сеть.То есть

V = V 1 = V 2 .

Токи I 1 и I 2 через каждый из резисторов складываются, чтобы получить общий ток, I , текущий в сеть и из нее:

I = I 1 + I 2 .

Эквивалентное сопротивление R p из R 1 и R 2 параллельно определяется выражением Это также можно записать как

Амперметр и вольтметры

Амперметры используются для измерения тока.Амперметр подключается последовательно к цепи, так что весь измеряемый ток течет через амперметр. Следовательно, амперметры должны иметь очень маленькое сопротивление, чтобы не изменять ток в цепи. Вольтметры используются для измерения напряжений. Вольтметр подключается параллельно в двух точках, между которыми должна быть измерена разность потенциалов. Следовательно, вольтметр должен иметь большое сопротивление, чтобы через него проходил очень небольшой ток.

Теперь мы проведем несколько экспериментов по измерению напряжений и токов в последовательных и параллельных цепях и наблюдению за линейными и нелинейными устройствами.

Аппарат

  • Источник питания постоянного тока 0-40 вольт
  • Трансформатор переменного тока на 6 вольт
  • Батарея (размер D)
  • Лампочка на 12 вольт и розетка
  • Резисторы 150 и 700 Ом
  • Голая нихромовая проволока (серебристого цвета) и изолированная медная проволока на блоке
  • Цифровой мультиметр

Процедура

Распечатайте лист для этой лабораторной работы.Этот лист понадобится вам для записи ваших данных.

Измерение напряжения

1

Блок питания является источником разницы напряжений. Найдите источник питания постоянного тока на лабораторном столе. Нажмите кнопку POWER On / Off в положение ON . Затем нажмите кнопку RANGE в положение IN (0,85 A) (это устанавливает источник питания в диапазоне 0-35 В / 0-0,85 A). Поверните ручки регулировки напряжения и тока ADJUST до упора против часовой стрелки.Затем установите максимальный выходной ток для этого эксперимента, нажав кнопку CC Set и, удерживая ее, вращайте текущую ручку ADJUST по часовой стрелке, пока на дисплее AMPS не появится 0,20. Отпустите кнопку CC Set . Не перемещайте ручку текущей настройки ( CC Set ) после этой регулировки (если не даны инструкции в лаборатории). Теперь поверните ручку регулировки напряжения ADJUST по часовой стрелке до тех пор, пока на дисплее вольт не отобразится 5,0 вольт. Ключ для рисунка 2:
  • 1

    Светодиодный дисплей напряжения и тока
  • 2

    Регулировка напряжения
  • 3

    Текущая корректировка
  • 4

    Кнопка включения / выключения
  • 5

    Кнопка диапазона выходного тока: можно выбрать предел выходного тока от 0,85 до 1,5 А.
  • 6

    Кнопка постоянного тока: позволяет переключаться с выхода постоянного напряжения на выход постоянного тока.
  • 7

    Положительный выходной разъем
  • 8

    Выходной отрицательный разъем
  • 9

    Общий / заземляющий разъем

2

Мультиметр — это измерительное устройство, которое используется для измерения разницы напряжений, электрических токов и электрических сопротивлений.Он также может измерять другие электрические свойства. См. Рис. 3. Вверху измерителя находится ЖК-дисплей (жидкокристаллический дисплей), посередине — переключатель функции / диапазона (или диск), а внизу — четыре входных разъема.

Внимание:
Измеритель особенно чувствителен (и склонен к перегоранию предохранителя) при использовании входного гнезда 200 мА (см. 4 в ключе на Рисунке 3).

Чтобы измерить заданное количество, шкала должна быть в соответствующем положении, и должны быть задействованы два соответствующих входных гнезда.Таким образом, при повороте шкалы для перехода от одного типа измерения к другому (например, от разности напряжений к электрическому току) может потребоваться также изменить входные разъемы. При перегрузке предохранитель может перегореть. Ключ для рисунка 3:
  • 1

    Переключатель функции / диапазона: выбирает желаемую функцию и диапазон.
  • 2

    Входной разъем COM: входной разъем заземления.
  • 3

    Входное гнездо V-Ω: входной разъем для напряжения, сопротивления, проверки диодов, целостности цепи, частоты и логики.
  • 4

    Входной разъем 200 мА: Входной разъем для токов до 200 мА, L x (индуктивность), C x (емкость).
  • 5

    Входной разъем 20 А: входной разъем для токов до 20 А.
  • 6

    Кнопка ВКЛ / ВЫКЛ: включает и выключает питание измерителя.
  • 7

    Кнопка HI / LO: выбирает высокий или низкий уровень запуска для измерения частоты.
  • 8

    Кнопка MAX: выбирает функцию удержания максимального показания.
  • 9

    Кнопка DC / AC: выбирает напряжение постоянного или переменного тока.
  • 10

    3-1 / 2-разрядный ЖК-дисплей с сигнализаторами

Осторожно:
Для защиты счетчик гудит при перегрузке; если гудит, отсоедините провода счетчика!

Чтобы защитить измеритель от перегрузки при измерении неизвестного напряжения или тока, сначала необходимо установить измеритель на максимальную шкалу для этой функции.Если показания недостаточно велики, чтобы дать по крайней мере три значащих цифры, шкалу следует переключить (если возможно) на такую, которая позволяет проводить точное измерение.

3

Чтобы включить мультиметр, нажимайте верхнюю левую кнопку на измерителе, пока на его циферблате не появится дисплей. Чтобы настроить мультиметр для измерения разницы напряжений постоянного тока, ΔV, сокращенно V на измерителе, переключите верхнюю правую кнопку на DC. Убедитесь, что на дисплее глюкометра отображается постоянный ток. Установите переключатель Function / Range в положение диапазона напряжения (В), а шкалу на значение 20 .Теперь измеритель настроен на считывание напряжений до 20 вольт постоянного тока. Подключите провода типа «банан-банан» к общему разъему (COM) и к разъему напряжения (V).

4

Подключите выводы мультиметра к клеммам + и — источника питания, как показано. См. Рисунок 4. Запишите показания напряжения на мультиметре (включая знак) и показания на измерителе источника питания.

5

Поменяйте местами положительный и отрицательный выводы на мультиметре и снова наблюдайте за показаниями напряжения на мультиметре (включая знак).Запишите различия.

6

Переключить провода на клеммах блока питания и записать показания напряжения на мультиметре (включая знак). Объясните значение изменения знака постоянного напряжения при замене проводов. Показания счетчика блока питания и мультиметра могут не совпадать. (Ваши часы и часы вашего партнера показывают одинаковое время? Вероятно, нет.) Ожидается, что мультиметр будет более точным.

7

Прикоснитесь к выводам мультиметра к концам батареи (ячейка D) и запишите напряжение.Переключите провода и запишите напряжение. Объясните значение изменения знака постоянного напряжения при замене проводов.

8

Включите мультиметр для измерения переменного напряжения. Возьмите трансформатор (который изменяет напряжение на стене с почти 120 вольт до более безопасного значения), подключите его и запишите напряжение переменного тока от трансформатора. Переключите провода измерителя и снова запишите напряжение переменного тока на мультиметре. Есть ли знак, связанный с переменным напряжением?

Отключите трансформатор.Отключите мультиметр от трансформатора.

Резисторы (линейное (омическое) устройство)

1

Уменьшите напряжение источника питания (по часовой стрелке до нуля вольт). Подключите источник питания к резистору 700 Ом на печатной плате. (Не перенастраивайте и не изменяйте текущую настройку.)

2

Установите источник питания на 1 вольт и запишите ток через резистор (подключив мультиметр последовательно в цепь для измерения тока).Повторите то же самое с источником питания, установленным на 2, 3, 4 и 5 вольт.

3

Используя Excel, нанесите ваши текущие точки данных по вертикали и разность напряжений по горизонтали на страницу рабочего листа Excel. Используйте Excel, чтобы найти наклон и интервал y для наилучшего соответствия вашим данным.

4

Если вы получите ожидаемые результаты, данные будут почти лежать на прямой линии, проходящей через начало координат:

I = ΔV / R.

Обратная величина наклона называется электрическим сопротивлением R .Сопротивление — это количественная мера нагрузки, так что при заданной разнице напряжений — чем больше сопротивление, тем меньше ток. Из обратного наклона ваших данных оцените R для вашего резистора 700 Ом.

5

Можете ли вы сделать вывод из ваших данных, что резистор является линейным устройством? Объяснять.

Лампочки (нелинейное устройство)

1

Посмотрите на внешние металлические соединения лампочки. Есть два соединения: участок резьбового участка и наконечник.Они внутренне связаны с нитью накала, что вы можете видеть. (Номинальные параметры лампочки обычно указываются где-то на самой лампочке. Если вы можете их найти, запишите их.) Нарисуйте схему лампы и нарисуйте схему (используя символ батареи), которую можно использовать для зажигания лампочка. Что нужно, чтобы зажечь лампочку?

Контрольно-пропускной пункт:
Ваш технический специалист должен проверить вашу диаграмму.

2

Прежде чем продолжить, убедитесь, что источник питания все еще настроен на выходное напряжение 5 В.

Осторожно:
Это важно для предотвращения перегорания нити накала лампы.

3

Присоедините бананово-банановые провода к каждому разъему основания розетки. Возьмите другой конец одного из банановых выводов и подсоедините его к положительной клемме источника питания. (Оставьте другой вывод в покое.) Запишите, загорается ли лампочка. Запишите напряжение (и ток, если отображается) со счетчика источника питания.

4

Возьмите другой конец второго бананового штекера и также подсоедините его к положительной клемме
источника питания . Запишите, горит ли лампочка. Запишите напряжение и ток, если таковые имеются, со счетчика источника питания.

5

Подключите лампочку к источнику питания. Запишите, загорается ли лампочка. Запишите напряжение и ток, отображаемые на измерителе источника питания. (Изменилось ли это теперь, когда лампочка загорелась? Если она не загорелась, обратитесь за помощью к инструктору лаборатории.) Если лампочка горит, мы говорим, что цепь замкнута.

6

Снимите провода банановой вилки с основания розетки и поменяйте их местами. Запишите напряжение и ток. Что случилось с лампочкой? Напряжение и ток отличаются от указанных в части 5?

7

Теперь проведем более количественное исследование свойств лампочки. УСТАНОВИТЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ НА НУЛЬ, но не выключайте питание. Не изменяйте текущую настройку ( CC Set ).Мы будем использовать мультиметр для измерения постоянного тока через лампочку в зависимости от приложенного напряжения. Для этого мы должны подключить мультиметр к лампочке, чтобы одинаковый ток проходил через оба. Это ваше первое измерение тока: поскольку при текущих настройках легко перегореть предохранитель, внимательно следуйте инструкциям.

8

Подключите схему, как показано на схеме на рисунке 5. Убедитесь, что подробная схема соответствует менее подробной.Установите мультиметр на шкалу постоянного тока с максимальным показанием. Это будет диапазон 20 А. Не забудьте подключить выводы к соответствующим розеткам.

Контрольная точка:
Не повышайте напряжение на блоке питания, пока ТА не проверит вашу цепь.

9

После того, как ваш ТА даст добро, переключите напряжение питания на 2 вольта. Запишите, горит ли лампочка.(Если это не так, обратитесь за помощью к своему инструктору по лаборатории.) Запишите показания напряжения на измерителе источника питания и текущее показание на мультиметре.

10

Включая вышеуказанные измерения для 2 вольт, измерьте ток и укажите относительную яркость для 2, 4, 6, 8, 10 и 12 В.

Осторожно:
Не превышайте 12 вольт.

11

В табличной форме на новом листе в Excel запишите показания напряжения на измерителе источника питания, текущие показания на мультиметре и то, что происходит с силой света лампочки для указанных выше значений.

12

Используя рабочий лист Excel из шага 3 раздела «Резистор», постройте текущие точки данных по вертикали, а разницу напряжений по горизонтали. Этот выбор осей сделан потому, что разность напряжений является независимой переменной; это вызывает ток. Не забываем промаркировать оси. Если вы получите ожидаемые результаты, данные не будут лежать на прямой линии: реакция (ток), вызванная разностью напряжений, не будет линейной. Это связано с тем, что в лампочке нагревается вольфрамовая нить.Найдите ссылку (учебник, веб-сайт и т. Д.) О вольфрамовой нити и ознакомьтесь с объяснением ее свойств.

13

Измерьте ток при ненулевом напряжении по вашему выбору, которое настолько низкое, что лампочка не загорается. Сила тока не должна быть нулевой. То, что лампочка не горит, не означает, что что-то не происходит; сила лампы накаливания не является точным способом изучения электричества. Этот ток можно считать с помощью измерителя источника питания.

Сопротивление различных материалов

1

Выключите источник питания и отсоедините все провода от оборудования и компонентов.

2

Теперь мы используем мультиметр для измерения сопротивления резистора 700 Ом. Внутри мультиметра есть небольшая батарея и цепь, обеспечивающая небольшую часть этого напряжения. Когда шкала и входные разъемы выбраны для измерения сопротивления, мультиметр подает небольшое количество напряжения батареи на исследуемый объект и измеряет ток через объект. Затем, используя

I = ΔV / R

, мультиметр преобразует ток в сопротивление, которое отображается.

3

Установите шкалу мультиметра на диапазон сопротивления 200 кОм.

4

Подключите два вывода мультиметра к резистору 700 Ом. Настройте шкалу мультиметра на диапазон сопротивления, отображающий наиболее значимые числа. Запишите показания мультиметра. Сравните это показание с результатом, определенным обратным наклоном вашего графика, и с номинальным значением 700 Ом.

5

Мультиметр в «режиме измерения сопротивления» теперь будет использоваться для измерения сопротивления нескольких различных объектов.Запишите эти сопротивления в таблицу, как требуется. Составьте таблицу, в которой перечислены материалы и их сопротивления в порядке увеличения сопротивления.
  • а

    Лампочка
  • б

    Голая серебристая нихромовая проволока
  • с

    Узкая (1 / 16-1 / 8 дюйма) линия графита (от двух до трех дюймов в длину), которую вы рисуете карандашом на листе бумаги (вам нужно нанести изрядное количество графита, чтобы получить приличные измерения.) Определите, как изменяется сопротивление при уменьшении вдвое расстояния между выводами мультиметра. (Не старайтесь быть очень точным.) Определите, как изменяется сопротивление при увеличении толщины линии (вы можете думать об этом как о расширении линии в направлении, перпендикулярном длине линии на бумаге).
  • д

    Ваше тело. Держите провода мультиметра пальцами, когда они высохнут. Повторите, смочив пальцы.
  • e

    Лист бумаги: используйте шкалу максимального сопротивления.Смочите бумагу и измерьте сопротивление во влажной области.
  • f

    Воздух: используйте шкалу наибольшего сопротивления. Держите провода на расстоянии примерно 1 мм друг от друга. Запишите, если сопротивление слишком велико или слишком мало для измерения.
  • г

    Изолированный медный провод: запишите, слишком ли высокое или слишком низкое сопротивление для измерения.
  • ч

    Резистор на 150 Ом

Резисторы серии

1

Подключите резисторы на 150 Ом и 700 Ом, как показано на Рисунке 6 (, они не должны быть подключены ни к чему другому! ).Они называются последовательными, потому что ток должен сначала пройти через один, а затем через другой. Ток встречает сопротивление каждого резистора, поэтому сопротивление сети должно увеличиваться, а ток — уменьшаться.

2

Измерьте и запишите сопротивление этой комбинации с помощью мультиметра в положении Ом.

3

Убедитесь, что напряжение источника питания установлено на ноль. Подключите источник питания к комбинации последовательных резисторов, как показано на рисунке 7.Установите блок питания на 5 вольт. С помощью мультиметра измерьте и запишите разность напряжений Δ В 700 и Δ В 150 на каждом резисторе, а также разность напряжений Δ В на комбинации.

4

Теперь установите напряжение блока питания на ноль. Отключите мультиметр от цепи.

5

ΔV = ΔV 700 + ΔV 150 или ΔV = ΔV 700 = ΔV 150

лучше представляют ваши данные?

6

Установив напряжение источника питания на ноль, подключите мультиметр последовательно с резисторами, как показано на рисунке 8.Теперь вы будете измерять ток между различными соединениями. Обязательно установите мультиметр на диапазон постоянного тока 200 мА и подключите провода мультиметра к правильным гнездам.

Контрольная точка:
Перед тем, как продолжить, попросите вашего ТА проверить правильность настройки: предохранитель может перегореть, если счетчик не подключен к нужным точкам в цепи.

7

Получив добро от ТА, включите источник питания и установите его на 5 вольт.Измерьте ток в проводе между двумя резисторами, проводе между резистором 700 Ом и источником питания и проводе между резистором 150 Ом и источником питания. Убедитесь, что эти три тока равны.

8

Измерьте и запишите ток, протекающий через два резистора. В таблице 4 запишите текущее показание мультиметра. Повторите эти действия для напряжений источника питания 2, 4, 6, 8, 10 и 12 вольт.

9

Когда вы закончите эти измерения, установите напряжение источника питания на ноль.Теперь используйте Excel для построения графика данных с током по вертикальной оси и напряжением по горизонтальной оси. Используйте Excel, чтобы найти наклон прямой, который лучше всего соответствует вашим данным, и запишите результат, включая единицы измерения.

10

Используйте закон Ома и наклон графика, чтобы вычислить эквивалентное сопротивление, R с , двух последовательно включенных резисторов в единицах Ом (Ом). Запишите свой результат.

11

Как это соотносится со значением двух резисторов, используемых в этой последовательной схеме?

Параллельные резисторы

1

Отключите питание от цепи сопротивления.Подключите два резистора (используя провода типа «банан-банан»), как показано на схеме на Рисунке 9. Резисторы считаются подключенными параллельно, потому что они обеспечивают параллельные пути для прохождения тока. При заданном напряжении от источника питания чистый ток должен возрасти, а значит, нагрузка (сопротивление) должна снизиться.

2

Измерьте и запишите сопротивление резисторов 150 и 700 Ом, подключенных параллельно мультиметру в положении Ом.

3

Установив напряжение источника питания на ноль, подключите его к комбинации параллельных резисторов, как показано на рисунке 10.Отрегулируйте блок питания на 5 вольт. Установите мультиметр на измерение не менее 5 вольт и используйте его для измерения разности напряжений Δ В на комбинации и на каждом резисторе. Запишите значения. Есть ли разница между Δ V , Δ V 700 и Δ V 150 ?

4

ΔV = ΔV 700 + ΔV 150 или ΔV = ΔV 700 = ΔV 150

лучше представляют ваши данные?

5

Выключите источник питания и подключите мультиметр для измерения тока, как показано на рисунке 11.Обязательно установите диапазон на измерителе на 20 А. При необходимости его можно будет изменить позже. Используйте соответствующие гнезда на измерителе.

Контрольная точка:
Попросите инструктора лаборатории проверить правильность настройки: предохранитель может перегореть, если измеритель не подключен к нужным точкам в цепи.

6

После того, как ваш ТА даст добро, включите источник питания и установите на 5 вольт .

7

С помощью мультиметра измерьте и запишите токи I 150 и I 700 , протекающие через каждый резистор, и общий ток, I , протекающий через источник питания.

8

Когда вы закончите эти измерения, установите напряжение источника питания на ноль и отключите мультиметр от цепи.

9

I = I 150 + I 700 или I = I 150 = I 700

лучше представляют ваши данные?

10

Продолжите параллельную сеть резисторов.Когда напряжение источника питания установлено на ноль, подключите мультиметр для измерения полного тока, I , протекающего через источник питания. Установите мультиметр на диапазон постоянного тока 200 мА.

Контрольная точка:
Перед тем, как продолжить, попросите инструктора лаборатории проверить правильность настройки: предохранитель может перегореть, если измеритель не подключен к нужным точкам в цепи.

11

Получив добро от ТА, включите источник питания и установите его на 2 вольта.

12

В таблице 5 запишите текущее показание мультиметра. Повторите эти действия для напряжений источника питания 4, 6, 8, 10 и 12 вольт.

13

Используйте Excel для построения графика данных с током по вертикальной оси и напряжением по горизонтальной оси. Используйте Excel, чтобы найти наклон прямой, который лучше всего соответствует вашим данным, и запишите результат, включая единицы измерения.

14

Используйте закон Ома и наклон графика, чтобы вычислить эквивалентное сопротивление, R p , двух резисторов, включенных параллельно, в единицах Ом (Ом).Запишите свой результат.

15

Как это соотносится с результатом, описанным во введении к лабораторной работе, для параллельного добавления двух резисторов?

Авторские права © 2013-2014 Advanced Instructional Systems Inc. и Техасский университет A&M. Части из Университета штата Северная Каролина. | Кредиты

(решено) — 1. Электрический ток измеряется в единицах (a) вольт, (b) … (1 ответ)

1. Электрический ток измеряется в единицах (a) вольт, (b) кулонах, (в) амперы, (г) Ом.2 Поток заряда в проводнике требует (а) сопротивления, (б) чистого заряда, (в) металлического проводника, (г) энергии на разницу зарядов. 3. Электрический ток: (а) то же самое, что и потенциал, (б) то же самое, что и сопротивление, (с) то же самое, что и мощность, (г) поток заряда через цепь. 4. Батарея — это устройство, которое преобразует (а) электрическую энергию в механическую энергию, (б) химическую энергию в механическую энергию, (в) химическую энергию в электрическую энергию (г) ничего из вышеперечисленного. 5. Противодействие материала потоку электрического тока называется (а) напряжением, (б) реактивным сопротивлением, (в) трением, (г) сопротивлением.6.Электрическая мощность равна (а) току, умноженному на напряжение, (б) квадрату тока, умноженному на сопротивление, (в) квадрату напряжения, деленному на сопротивление, (г) всему вышеперечисленному. 7. Электроэнергия измеряется в единицах: (а) джоули, (б) джоули в секунду, (в) джоули, умноженные на секунды, (г) ни одно из этих значений. 8. Что одинаково для каждого компонента в последовательной электрической цепи? (а) мощность, (б) ток, (в) напряжение, (г) сопротивление. 9. Что одинаково для каждого компонента в параллельной электрической цепи? (а) сопротивление (б) мощность, (в) ток, (г) напряжение.В последовательной электрической цепи полное сопротивление равно (а) произведению, (б) квадрату, (в) сумме, (г) обратной величине отдельных сопротивлений. 11. Ток 5 А протекает через резистор 20 Ом. Какая разница напряжений на этом резисторе? (a) 4 вольт (b) 25 вольт (c) 50 вольт (d) 100 вольт 12. Через резистор протекает ток величиной 2 А с разностью напряжений 120 В. Какое сопротивление у этого резистора? (a) 240 Ом (b) 100 Ом (c) 60 Ом (d) 80 Ом 13. В фонарике батарея обеспечивает в общей сложности 3 вольта на лампочку.Если лампа фонаря имеет рабочее сопротивление 5 Ом, ток через лампочку составляет? (a) 2 A (b) 0,6 A (c) 15 A (d) 6 A 14 Падение потенциала 40 В измеряется на резисторе 200 Ом. Какую мощность развивает резистор? (a) 8000 Вт (b) 5 Вт (c) 8 Вт (d) 10 Вт 15 A разность потенциалов 20 вольт поддерживает ток 2 ампера в резисторе. Полная энергия за 5 секунд составляет (а) 100 джоулей (б) 50 джоулей (в) 200 джоулей (г) 2 джоулей 16. Три резистора на 24 Ом, 16 Ом и 20 Ом соединены последовательно друг с другом.Какое эквивалентное сопротивление этой комбинации? (a) 40 Ом (b) 36 Ом (c) 60 Ом (d) 120 Ом 17. Три резистора на 4 Ом, 6 Ом и 12 Ом подключены параллельно друг другу. Какое эквивалентное сопротивление этой комбинации? (a) 22 Ом (b) 10 Ом (c) 8 Ом (d) 2 Ом 18. Три резистора на 24 Ом, 16 Ом и 20 Ом соединены последовательно с батареей. Через эту цепь будет протекать ток в 3 ампера, когда разность потенциалов батареи составляет (а) 20 вольт (б) 18 вольт (в) 200 вольт (г) 180 вольт 19.Как долго должна использоваться лампочка мощностью 100 Вт, чтобы рассеять 1000 джоулей электрической энергии? (а) 100000 сек (б) 10000 сек (в) 100 сек (г) 10 сек 20. Шесть тысяч джоулей энергии поглощается водой из нагревателя за 2 минуты. Какую мощность обеспечивает обогреватель? (a) 3000 Вт (b) 1000 Вт (c) 100 Вт (d) 50 Вт

Измерение тока и напряжения — Электрические цепи — WJEC — GCSE Physics (Single Science) Revision — WJEC

Вам нужно знать, как для измерения тока, протекающего через компонент в цепи, и напряжения на нем.

Амперметр включен последовательно с лампой

Измерительный ток

Ток измеряется в амперах . Амперы часто сокращенно обозначают ампер или А . Ток, протекающий через компонент в цепи, измеряется с помощью амперметра. Амперметр можно разместить в любом месте цепи. Помните, что ток одинаков во всех частях последовательной цепи.

Амперметр должен быть подключен последовательно к компоненту — помните, что в последовательной цепи электрические устройства размещаются одно за другим в непрерывной линии в цепи между положительным и отрицательным полюсами батареи.

Напряжение

Напряжение (или разность потенциалов) на электрическом компоненте, таком как лампа, необходимо для протекания тока через него. Элементы или батареи часто обеспечивают необходимое напряжение.

Измерение напряжения

Напряжение измеряется в В , часто сокращенно В .

Вольтметр включен параллельно лампе

Напряжение на компоненте в цепи измеряется с помощью вольтметра.

Вольтметр должен быть подключен параллельно компоненту.

Ампера и электрические стандарты

Два открытия в области физики конденсированных сред, получившие Нобелевскую премию, эффект Джозефсона [32] Брайана Д. Джозефсона в 1962 году и QHE [33] Клауса фон Клитцинга в 1980 году обеспечили значительные улучшения. в том, как поддерживаются и распространяются вольты и омы СИ. В этом разделе описывается раннее превращение этих двух эффектов в стандарты внутреннего напряжения и сопротивления, значения которых при надлежащих условиях эксплуатации зависят только от фундаментальных констант природы.

1.4.1 Эффект Джозефсона

В 1962 году Брайан Джозефсон, аспирант Тринити-колледжа в Кембридже, Англия, предсказал [32], что электроны могут туннелировать парами (куперовскими парами) между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким изолирующим барьером. (слабое звено или переход Джозефсона). Приложенное постоянное напряжение В через барьер будет генерировать переменный ток с частотой f = 2 эВ / h , где e — элементарный заряд, а h — постоянная Планка.И наоборот, приложенный переменный ток с частотой f будет генерировать постоянное напряжение В n (см.) При квантованных значениях.

, где n — целое число, а значение 2 e / h составляет приблизительно 483,6 МГц / мкВ. Джозефсон написал докторскую диссертацию. докторскую диссертацию по этой теории [34], получившую в 1973 г. долю Нобелевской премии по физике.

Структура джозефсоновского перехода облучается микроволнами с энергией hf , создавая постоянное напряжение В n на переходе.

Андерсон и Роуэлл [35] представили первую экспериментальную проверку теории, наблюдая постоянный ток (сверхток) через туннельный барьер без приложенного постоянного напряжения. Затем Шапиро [36] получил ступени постоянного напряжения В, n по формуле. (1) с помощью высокочастотных микроволн для генерации переменного тока с частотой f через сверхпроводники (см. Пример). Кларк [37] показал в 1968 году, что значение 2 e / h , полученное из измерений эффекта Джозефсона, не зависело от материала с точностью до 1 части из 10 8 , применяя одно и то же микроволновое излучение к парам разнородных джозефсоновских переходов и сравнение переходных напряжений.В 1968 году Паркер, Лангенберг, Дененштейн и Тейлор [38] сравнили с помощью потенциометра джозефсоновские напряжения переходов, состоящих из пяти различных сверхпроводящих материалов и различных комбинаций тонкопленочных туннельных переходов или точечных контактов с насыщенными стандартными ячейками Вестона 1,018 В [22] откалиброван NBS. Они получили значение 2 e / h с дробной неопределенностью в одно стандартное отклонение 3,6 × 10 −6 . Finnegan et al. [39] снизили эту неопределенность до 1.2 × 10 −7 в 1971.

Последовательность шагов постоянного напряжения, генерируемых решеткой джозефсоновских переходов.

На фундаментальных основаниях Блох [40] и Фултон [41] утверждали, что уравнение. (1) должно быть точным. Использование нуль-детекторов сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (SQUID) в начале 1970-х годов позволило проверить это на нескольких частях в 10 9 [42, 43], и, таким образом, эффект Джозефсона имел очевидный потенциал для использования в качестве напряжения стандарт [44]. К началу 1970-х сотрудники NIST создали в Гейтерсбурге потенциометрическую измерительную систему, которая сравнивала постоянное напряжение джозефсоновского перехода от 2 до 10 мВ с 1.018 В с точностью до нескольких раз 10 –8 [45, 46]. Международные сравнения в 1971-72 годах между NMI, включая NBS, BIPM, Национальную физическую лабораторию (NPL) в Великобритании, Национальный исследовательский совет (NRC) в Канаде, Национальную измерительную лабораторию (NML) в Австралии и Physikalisch-Technische. Bundesanstalt (PTB) в Германии обнаружил, что измеренные значения 2 e / h согласуются друг с другом с точностью до 2 × 10 −7 [47].

Эти результаты от NMI предполагают курс принятия значения 2 e / h для использования в поддержании единиц напряжения.США были первой страной, сделавшей это, и значение 2 e / h , которое будет использоваться в NBS, было выбрано для предотвращения разрыва при преобразовании NBS из стандартных ячеек в эффект Джозефсона [48]. NBS начала поддерживать и распространять вольты США на основе эффекта Джозефсона в июле 1972 года, используя систему измерения 10 мВ с погрешностью 2 × 10 -8 [46]. Вскоре после этого Консультативный комитет по электроэнергии CIPM рекомендовал значение K J − 72 = 483 594 ГГц / В, которое приняли все страны, кроме США, Франции и Советского Союза.

Во многих приложениях джозефсоновские переходы, несомненно, были лучшими эталонами, чем стандартные элементы, которые чувствительны к условиям окружающей среды, могут сдвигать значения при транспортировке и могут дрейфовать в несколько раз 10 −8 в год. Типичный эталонный выход от 5 мВ до 10 мВ от ранних устройств Джозефсона, сделанный из нескольких переходов, требовал как очень низкого баланса напряжений, так и масштабирования в 100 раз, что серьезно ограничивало точность измерения стандартных ячеек 1,018 В.

Затем, в 1977 году, Левинсон [49] показал, что несмещенные джозефсоновские переходы спонтанно вырабатывают квантованные постоянные напряжения при облучении микроволнами, открывая путь к успешным решеткам джозефсоновских переходов. К. А. Гамильтон, Р. Л. Каутц, Ф. Л. Ллойд и другие из отдела электромагнитных технологий NBS в Боулдере начали разработку и совершенствование стандартов Джозефсона, основанных на последовательных массивах переходов, работающих при почти нулевом смещении постоянного напряжения [50, 51]. В другом месте Tsai et al. [52] в 1983 г. обнаружили, что константа пропорциональности между напряжением и частотой равна по крайней мере 2 × 10 –16 для двух разных типов джозефсоновских переходов.

Стабильные решетки с переходом через ноль напряжением 1 В работали в NBS [53] и PTB [54] к 1985 г., используя около 1500 переходов и радиочастотные поля от 70 ГГц до 90 ГГц. Массивы с выходным напряжением на уровне 1 В вскоре стали использоваться в НМИ по всему миру [55, 27]. К 1989 году в NIST было произведено 19 000 переходов, матрица на 12 В [56]. Широкое использование решеток джозефсоновских переходов в национальных лабораториях стандартов и более точные определения SI 2 e / h привели CCE к рекомендации [57] нового точного общепринятого значения для постоянной Джозефсона:

К J − 90 = 483597.9 ГГц / В,

(2)

, что на 8 × 10 −6 дробно больше обычного значения 1972 года. Новое значение было принято во всем мире 1 января 1990 года и, таким образом, стало новой основой для Legal Volt в США. Это определение K J − 90 представляет собой текущее представление напряжения, основанное на идеальном стандарте напряжения Джозефсона. CCE предположил, что стандартное значение имеет относительную стандартную неопределенность 0,4 мкВ / В. По соглашению, эта погрешность не включается в погрешности представления вольта, поскольку любое отклонение от вольта СИ будет согласованным между различными лабораториями, использующими стандарт эффекта Джозефсона.

1.4.2 Квантовый эффект Холла

В классическом эффекте Холла ток частиц с зарядом q и скоростью v проходит через устройство, помещенное в магнитное поле с перпендикулярной составляющей плотности магнитного потока B . Сила Лоренца qvB отклоняет проводящие заряды к одной стороне устройства. Результирующее перераспределение заряда создает электрическое поле E на устройстве. В состоянии равновесия сила кулоновского отталкивания qE противостоит силе Лоренца.Электрическое поле генерирует напряжение Холла, пропорциональное B , перпендикулярно как магнитному потоку, так и протеканию тока.

КЭХ наблюдается только в том случае, если проводящие частицы (обычно электроны) ограничены двумерным слоем внутри устройства с помощью потенциала, который ограничивает их движение вне плоскости. В целочисленном QHE их можно рассматривать как независимые ферми-частицы, и, таким образом, при низкой температуре они образуют двумерный электронный газ (2DEG). Этот 2DEG обозначен голубой областью полупроводникового устройства, показанной на вставке.И снова сила Лоренца, возникающая в результате приложенного магнитного поля, равна кулоновской силе, создавая напряжение Холла В H на устройстве и продольное напряжение В x вдоль устройства; однако здесь напряжение Холла больше не прямо пропорционально плотности магнитного потока B .

График, показывающий напряжение Холла В H и продольное напряжение В x для устройства квантованного сопротивления Холла с плотностью магнитного потока B и постоянным током I .Схема такого устройства, изображенная на вставке, показывает выравнивание плотности потока перпендикулярно плоскости устройства.

Колебания напряжения В x возникают, когда приложенный ток I поддерживается постоянным, а плотность магнитного потока B изменяется. Серия плато постоянного напряжения возникает в сигнале В H для тех областей B , где В x мало. Поперечное сопротивление со значением R H определяется как отношение квантового напряжения Холла В H на устройстве, деленное на ток I , проходящий через устройство, и, таким образом, имеет постоянную величину. значение вдоль плато.Например, на двух плато на рисунке измерены значения QHR около 6 453,2 Ом и 12 906,4 Ом в широком диапазоне плотностей магнитного потока.

Клаус фон Клитцинг обнаружил целочисленный квантовый эффект Холла [58] в ночь с 4 на 5 февраля 1980 года в лаборатории высокопольных магнитов Института Макса Планка в Гренобле, Франция. Он сразу понял, что это открытие имеет значение для метрологии сопротивления, из-за его предыдущего опыта в качестве летнего студента в PTB.Фон Клитцинг связался с Фолькмаром Косе в PTB, чтобы организовать калибровку его эталонных резисторов. Результаты с погрешностью в одно стандартное отклонение около 10 −5 R H были объявлены на международной конференции в июне 1980 г. и опубликованы [33] в августе. В 1985 году он получил Нобелевскую премию по физике. Ландвер, его наставник, написал отчет [59] о событиях, приведших к открытию.

Экспериментально обнаружено, что плато имеют значения сопротивления

, где i — целое число, а h / e 2 — около 25 812.8 Ом. i = 2, 3 и 4 плато обозначены. Роберт Лафлин, один из лауреатов Нобелевской премии по физике 1998 г. за развитие понимания дробного КЭХ, дает элементарный вывод [60] уравнения. (3).

Это фундаментальное свойство возникает из-за того, что заряды, движущиеся в скрещенных магнитных и электрических полях, подчиняются уравнению движения, qv x B z = qE y , где q — заряд, а v x — скорость в направлении, перпендикулярном каждому полю. E y можно записать как производную электрического потенциала V y по направлению y , которое является направлением измерения напряжения Холла. Потом,

∫VminVmaxdVy = ∫VminVmaxvxBzdy.

(4)

Интеграл слева — это просто напряжение Холла, которое представляет собой сопротивление Холла, деленное на общий ток. С двумерной плотностью тока J = ev x N S , вставленной с правой стороны, интегрирование дает уравнение R H = B / eN S , где N S — это плотность проводящих электронов внутри 2DEG.Это уравнение является классическим результатом, который предсказывает линейную зависимость между сопротивлением и плотностью магнитного потока B . В КЭХ вблизи центров плато все разрешенные состояния заполнены и существует энергетическая щель на следующий уровень. Уравнение (3) найдено по следующим причинам: (а) электроны в 2DEG совершают циклотронные орбиты вокруг силовых линий магнитного потока и занимают состояния на уровне Ландау; (б) максимальное количество состояний на единицу площади n s на заполненном уровне Ландау составляет n s = eB / h ; и (c) N S = в s .

Работники национальных метрологических лабораторий быстро начали изучать эффект. Погрешность измерения R H необходимо было уменьшить на несколько порядков. К августу 1980 г. М. Э. Кейдж, Б. Ф. Филд и Р. Ф. Дзюба из NBS проводили эксперименты [61] с Р. Вагнером в Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия, сначала с использованием магнита Биттера, пока не был установлен сверхпроводящий магнит 13 Тл. Как и фон Клитцинг, они использовали кремниевые полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (Si MOSFET), у которых есть досадный недостаток, заключающийся в том, что статическое электричество может пробить оксидный слой, делая устройство бесполезным.

В 1982 году Д. Цуй и Х. Штормер (лауреаты Нобелевской премии 1998 г. и Лафлин за дробный квантовый эффект Холла) пригласили сотрудников NIST в Bell Labs в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Их устройства с гетеропереходом GaAs / AlGaAs, сделанные A. Gossard, были лучше, чем Si MOSFET, из-за меньшей эффективной массы электронов в 2DEG и более широких плато. Эти устройства и усовершенствования в системе измерения позволили провести первые прецизионные измерения R H с погрешностью 2 × 10 −7 R H [62].

Кейдж, Филд и Дзюба начали мониторинг группы из пяти резисторов с проволочной обмоткой 1 Ом (среднее значение которых было законным в США) в NBS с точки зрения квантованного сопротивления Холла. магнит, поставляемый Bell Labs. В 1983 году Цуй, Стормер и Госсард также предоставили NIST свои лучшие устройства на основе GaAs / AlGaAs с целочисленным эффектом. Методика потенциометрического измерения QHR [63] и методы масштабирования сопротивления были усовершенствованы, что позволило NBS контролировать U.С. Юридический Ом с точностью до дробной суммы 1,5 × 10 −8 [29]. Измерения Кейджа, К. Т. Вандегрифта и Дзюбы в течение 5 лет, предшествовавших 1988 г., показали, что законный ом США уменьшался на частичную величину, по крайней мере, на 5,3 × 10 -8 / год. Допустимые сопротивления резисторов в других странах также дрейфовали с аналогичной скоростью.

Относительные погрешности значений SI для h и e в то время составляли примерно 1 × 10 −6 , поэтому h / e 2 нельзя было определить без абсолютных электрических стандартов. связаны с величинами СИ.Поэтому в NIST наилучшее значение SI [28] из R H было получено с использованием вычисляемой конденсаторной цепи (описанной в разделе 2.3). Полученная реализация SI для R H имела неопределенность 2,4 × 10 -8 . NPL в Соединенном Королевстве [64] и NML в Австралии [65] также получили значения SI R H с относительной стандартной неопределенностью 6,7 × 10 −8 и 6,2 × 10 −8 , соответственно.

CCE рассмотрел эти и другие данные, рекомендуя принять новую константу для поддержания сопротивления [57].Точное условное значение постоянной фон Клитцинга в 1990 г.

R K − 90 = 25 812,807 Ом,

(5)

был принят всеми НМИ 1 января 1990 года и стал новой основой для Юридического Ома США. CCE предположил, что стандартное значение имеет относительную стандартную неопределенность 0,2 мкВ / В. Опять же, по соглашению, эта неопределенность не включается в неопределенности представления ома, поскольку любое смещение от СИОма будет согласованным между различными лабораториями, использующими стандарт QHE.

CCE также выпустил набор технических руководств [66] для обеспечения надежных измерений R H , поскольку было обнаружено, что значения могут зависеть от таких параметров, как температура устройства [67], приложенный ток. [68] и электрические контакты к 2DEG [69]. При соблюдении технических рекомендаций было продемонстрировано, что значение R H не зависит от устройства до дробной величины не более 3,5 × 10 −10 [70, 71].

Измерения мощности | Спектр

Введение

Измерения мощности в сети обычно требуются для оценки характеристик устройств или цепей. Модульные дигитайзеры могут выполнять такие измерения мощности. Дигитайзеры — это измерительные приборы, реагирующие на напряжение. Они также могут измерять ток с помощью подходящих токовых пробников или токовых шунтов. Затем измерение тока и напряжения приводит к вычислению мощности на основе произведения полученных форм тока и напряжения.Мощность — это скорость передачи энергии в цепи, которая описывается рядом атрибутов, таких как реальная, полная, реактивная и мгновенная мощность. В этом примечании к применению будет рассмотрено выполнение основных измерений мощности в цепях и устройствах переменного тока с использованием модульного дигитайзера.

Основные измерения мощности

Мгновенная мощность рассчитывается как произведение приложенного напряжения и тока. Реальная мощность (P) — это среднее или среднее значение мгновенной мощности, измеренной в ваттах.Цепи, содержащие реактивные элементы (катушки индуктивности или конденсаторы), могут накапливать энергию и обратный поток мощности, так что мощность течет от нагрузки обратно к источнику. Это реактивная мощность (R), измеряемая в единицах реактивной мощности вольт-амперах или вар. Векторная сумма реальной и реактивной мощности называется полной или полной мощностью, как показано на рисунке 1.

Полная мощность (S) может быть вычислена как произведение действующего или среднеквадратичного напряжения и действующего или среднеквадратичного тока. Единицы полной мощности — вольт-амперы (ВА).Угол (), заключенный между векторами реальной и полной мощности Θ, представляет собой разность фаз между формами сигналов тока и напряжения. Косинус этого угла, отношение реальной мощности к полной мощности называется коэффициентом мощности (pf).

pf = cos (Θ) = PS

Если устройство является чисто резистивным, формы сигналов тока и напряжения совпадают по фазе, полная и активная мощность равны, а коэффициент мощности равен единице. По мере увеличения реактивной составляющей коэффициент мощности уменьшается.

Измерение напряжения линии

Для измерения напряжения требуются пробники. Обычный осциллограф, пробники с высоким сопротивлением можно использовать с дигитайзером. Возможность масштабирования данных вертикального напряжения для учета пробников очень полезна. Поскольку для большинства измерений мощности требуются измерения линейного (сетевого) напряжения, лучше всего проводить эти измерения по-разному, чтобы избежать проблем с заземлением, связанных с несимметричными пробниками. Дигитайзер должен принимать два входных сигнала датчиков и вычислять разницу.В качестве альтернативы, напряжение на горячей и нейтральной линиях может быть получено отдельно и вычтено с помощью вычислений формы сигнала. Если имеется дифференциальный зонд, его также можно использовать.

Измерительная линия тока

Самый удобный метод измерения тока — это использовать соответствующий токовый пробник. Убедитесь, что любой токовый пробник, который вы используете, имеет элементы управления отдельно от измерительного прибора. Выходной сигнал датчика тока можно подавать на канал дигитайзера с соответствующим масштабированием для отображения сигналов от датчика в единицах тока.

Выбор дигитайзера

Большинство измерений линейной частоты выполняется на основных частотах от 50 до 400 Гц, поэтому требования к полосе пропускания дигитайзера не очень велики. Если есть интерес к проведению испытаний на кондуктивную эмиссию, то будет полезна возможность учесть до 40-й гармоники основной гармоники мощности без значительных потерь. Это поставит требования к полосе пропускания примерно на 20 кГц или больше.

Дигитайзер должен иметь достаточное разрешение по амплитуде для воспроизведения гармоник высших порядков линии электропередачи, достаточно от 12 до 16 бит.

Количество каналов зависит от того, предназначены ли односторонние или дифференциальные измерения. Дифференциальные измерения объединяют два канала для каждого измерения. Для однофазного линейного измерения четыре входных канала дают два дифференциальных канала. Для трехфазных измерений на каждой фазе требуется шесть или более каналов. Если предположить, что три канала дифференциального напряжения и три несимметричных канала тока, то потребуется девять каналов. Поскольку большинство дигитайзеров предлагают от одного до шестнадцати каналов в двоичной последовательности (1/2/4/8/16), вам следует выбрать следующее большее количество каналов для выполнения задачи измерения.

Частота дискретизации, как и полоса пропускания, должна в четыре или пять раз превышать требуемую полосу пропускания.

В таблице 1 приведены некоторые рекомендации по выбору дигитайзеров спектра или дигитайзеров моделей NETBOX

Таблица 1: Дигитайзер и дигитайзер спектра семейства NETBOX, наиболее совместимые с измерениями мощности в сети
Семейство моделей Интерфейс каналов Вход канала Пропускная способность Максимальная частота дискретизации
M2i.47xx PCIe, PCI 8, 16 несимметричный 0,5 МГц 1,33 Мвыб / с
M2i.46xx PCIe, PCI 2, 4, 8 Односторонний
Дифференциальный
0,1, 0,5, 1,5 МГц 0,2, 1, 3 Мвыб. / С
M2i.49xx PCIe, PCI 2, 4, 8 Односторонний
Дифференциальный
5, 15, 30 МГц 10, 30, 60 Мвыб / с
DN2.46x LXI, LAN 4, 8, 16 Односторонний
Дифференциальный
0,1, 0,5, 1,5 МГц 0,2, 1, 3 Мвыб. / С
DN2.49x LXI, LAN 4, 8, 16 Односторонний
Дифференциальный
5, 30 МГц 10, 60 Мвыб / с

Пример измерения однофазной мощности

В следующем примере измеряется мощность, необходимая небольшому охлаждающему вентилятору с сетевым питанием.Измерения проводились с использованием дигитайзера NETBOX модели DN2.496.04 с 4 аналоговыми каналами, разрешением 16 бит, частотой дискретизации 60 Мвыб / с и полосой пропускания 30 МГц. Токовый пробник Tektronix модели P6042 и пара пассивных пробников осциллографа использовались для регистрации осциллограмм тока и напряжения. Были измерены линейный ток и линейное напряжение. Линейное напряжение измерялось дифференциально, так что ни горячий, ни нейтральный провод линии питания не был заземлен.

На рис. 2 показаны результаты измерения, полученные с помощью программного обеспечения Spectrum SBench 6, которое используется для управления и обработки полученных данных.

Входное напряжение измеряется по-разному с помощью двух пассивных пробников, подключенных к каналам Ch3 и Ch4. Каналы объединены и отображаются как канал Ch3 в верхней центральной сетке. Показания масштабируются, чтобы отразить затухание зондов. Ток, отражающий выходной сигнал токового пробника, появляется в канале Ch0 в нижней центральной сетке. Эти данные также масштабируются в зависимости от чувствительности токового щупа, поэтому он считывается в вертикальных единицах ампер. Пиковое и эффективное (среднеквадратичное) значения как тока, так и напряжения отображаются в информационной панели слева от рисунка.

Мгновенная мощность вычисляется с использованием аналогового вычисления SBench 6 для умножения форм сигналов тока и напряжения. Мощность отображается в крайней левой сетке. Пиковое значение и среднее значение мощности также перечислены на панели «Информация». Среднее значение мгновенной мощности представляет реальную мощность и записывается как 6,6 Вт.

Полная мощность вычисляется как произведение действующих значений линейного тока и напряжения. На основании измеренных значений (121.5 В и 63,2 мА) полная мощность составляет 7,68 ВА.
Это позволяет нам вычислить коэффициент мощности как 0,86. Наблюдая за горизонтально увеличенным изображением формы волны тока и напряжения в двух крайних правых сетках, мы можем видеть, что форма волны напряжения (вверху справа) опережает форму волны тока, указывающую на индуктивную характеристику. Курсоры, отмечающие пересечение нуля с положительным наклоном, показывают, что форма сигнала напряжения опережает сигнал тока на 1,44 мс. Это соответствует сдвигу фазы на 31 градус.Это также можно рассчитать как cos-1 (pf) или 30,68 градуса. Расчет на основе коэффициента мощности более точен, поскольку он не страдает от неопределенностей размещения курсора.

Линейные гармоники

Получив кривые тока и напряжения, мы можем расширить анализ до частотной области. На рисунке 3 показаны средние спектры сигналов линейного тока (нижний левый) и линейного напряжения (верхний левый):
В спектре линейного напряжения больше, гармоники высшего порядка.Гармоники нечетного порядка являются наиболее заметными. Текущий спектр имеет более низкую общую гармоническую составляющую, но в нем также преобладают нечетные гармоники.

Трехфазное питание

Трехфазная электрическая энергия — это тип многофазной системы распределения электроэнергии переменного тока для производства, передачи и распределения электроэнергии. Он используется для питания больших двигателей и других тяжелых электрических нагрузок. Трехфазная система обычно более экономична, чем эквивалентная однофазная или двухфазная система при аналогичных уровнях напряжения, поскольку в ней используется меньше проводящего материала для передачи электроэнергии.Однофазный источник питания переменного тока требует двух проводов, трехфазный источник может передавать в три раза больше мощности, используя только один дополнительный провод. Это означает, что увеличение стоимости передачи на 50% дает увеличение передаваемой мощности на 200%.

Терминология трехфазного подключения

Трехфазные соединения, такие как трехфазные двигатели, показанные на Рисунке 4, подключаются по схеме WYE (верхняя схема) или ТРЕУГОЛЬНИК (нижняя схема).

Напряжения Van, Vbn и Vcn в соединении WYE называются фазными напряжениями.Напряжения, обозначенные как Vab, Vbc и Vac, являются линейными напряжениями. Токи Ia, Ib и Ic являются фазными токами. Полная мощность, рассеиваемая нагрузкой, является суммой произведений тока и напряжения отдельных фаз в соединении WYE. Обратите внимание, что жирным шрифтом обозначены векторные операции:

Pt = Ia * Van + Ib * Vbn + Ic * Vcn

Обычно мощность рассчитывается с использованием линейных напряжений, а не фазных напряжений.

На рисунке 5 показана векторная диаграмма фазного напряжения, фазного тока и линейных напряжений.Расчет напряжения выполняется векторно.

Величины линейных напряжений в сбалансированной системе равны трехкратному фазному напряжению. Обратите внимание, что фазные напряжения опережают линейные на 30 градусов. Это результат векторного вычитания, используемого для вычисления линейных напряжений из фазных напряжений.
Высоковольтные дифференциальные пробники используются для измерения линейного и фазного напряжений, они применяют к сигналу ослабление 100: 1. Результирующие фазные напряжения на входе дигитайзера равны 1.69 В пиковое (3,38 Впик-пик). Эти напряжения масштабируются с коэффициентом 100 из-за использования датчика ÷ 100. В результате фазные напряжения будут сообщены как 169 Впик (338 Впик-пик). Это 120 В среднеквадратического значения. Линейные напряжения в √3 раз превышают фазное напряжение или 208 В (среднеквадратичное). Это номинальное трехфазное напряжение в США.

Мы можем проверить вышесказанное, измеряя фазные напряжения на дигитайзере, а затем вычисляя линейные напряжения. Это показано на Рисунке 6:

.

Каналы Va, Vb и Vc — это измеренные фазные напряжения.Vab, Vbc и Vca — вычисленные линейные напряжения (номинально 586 Vpk-pk). Разность фаз между фазным напряжением и напряжением соседней линии составляет 30 градусов, что подтверждается измерением курсора на графике масштабирования в крайней левой сетке. Линейное напряжение Vab отстает от фазного напряжения Va на 1,38 мс из периода 16,67 мс. Разность фаз между линейными напряжениями составляет 120 градусов.

Векторы тока на рисунке 5 показаны с общей разностью фаз от фазных напряжений.Этот угол, Θ, представляет реактивные компоненты, которые могут быть включены в обмотки двигателя. В нашем эксперименте используется чисто резистивная нагрузка, равная 0 градусов.

Измерения трехфазной мощности

На рисунке 7 мы показываем фазные напряжения (Va, Vb и Vc), фазные токи (Ia, Ib и Ic) и рассеиваемую фазную мощность (Pa, Pb и Pc) для нагрузки, подключенной по схеме WYE (где у нас есть доступ как к фазному, так и к линейному напряжению). Умножьте фазное напряжение на соответствующий фазный ток, и получите мгновенную мощность в каждой фазе.Среднее значение мгновенной мощности — это активная составляющая мощности. Сумма всех трех показаний фазной мощности — это полная активная мощность нагрузки.

Это измерение называется измерением мощности с помощью трех ваттметров. Чтобы выполнить это измерение с использованием внешних дифференциальных пробников для измерения напряжений, потребуется шесть каналов. Если используются несимметричные пробники, количество каналов увеличивается до девяти. Гибкость, позволяющая указать до 16 каналов в конфигурации дигитайзера, является основным преимуществом этого типа измерений.

Фазные напряжения показаны в верхнем ряду рисунка 7. Фазные токи показаны в центральном ряду. Мощность фазы отображается в нижнем ряду. Сумма всех трех форм сигнала фазной мощности отображается в крайней левой сетке с надписью «Общая мощность». Обратите внимание, что общая мощность относительно постоянна. Параметры, отображаемые на панели «Информация» слева, считывают средние значения отдельных форм сигналов фазовой мощности вместе с общей мощностью. Сумма средних значений трех измерений фазной мощности равна средней полной мощности.Результат измерения для полной мощности — 850,9 Вт

Метод двух ваттметров

Альтернативным методом является метод двух ваттметров, который требует измерения только двух линейных напряжений и двух фазных токов. В математической форме:

PT (t) = Vac (t) ia (t) + Vbc (t) ib (t)

Это можно вывести следующим образом:

Это можно проверить с помощью следующего математического вывода:

PT = Va (t) ia (t) + Vb (t) ib (t) + Vc (t) ic (t)

, но, используя текущий закон Кирхгофа: ia + ib + ic = 0 или + ic = — ia — ib

PT (t) = Va (t) ia (t) — Vc (t) ia (t) — Vc (t) ib (t) + Vb (t) ib (t)

PT (t) = Vac (t) ia (t) + Vbc (t) ib (t)

Где: Va — Vc ≡ ac и Vb — Vc ≡ bc

Вот пример применения метода двух ваттметров, который может быть реализован с использованием четырехканального дигитайзера Spectrum вместе с двумя датчиками дифференциального напряжения и двумя датчиками тока.

Как и в примере вычисления полной мощности на основе отдельных фазных напряжений и токов, в этом методе используются два линейных напряжения (Vac и Vbc) и два фазных тока (Ia и Ib). Напряжения в линии отображаются в верхнем ряду, фазные токи — в среднем ряду, а отдельные кривые мощности — в нижнем ряду. Как и прежде, общая мощность отображается в крайней левой сетке с пометкой «Общая мощность». Средние или средние значения каждой формы сигнала мощности отображаются в информационной сетке слева.Опять же, номинальная мощность 851 Вт.

Заключение

Были рассмотрены основные концепции измерения мощности переменного тока, включая определение мгновенной, реальной, полной и реактивной мощности. Дигитайзеры с подходящим количеством каналов могут использоваться для измерения одно- и многофазных систем питания с использованием подходящих датчиков напряжения и тока. Универсальность дигитайзера, простота связи и быстрая передача информации делают его идеальным для измерения мощности переменного тока.Дигитайзеры спектра небольшие и компактные и доступны в различных форм-факторах, поэтому их можно использовать в самых разнообразных испытательных установках. Например, продукты DigitizerNETBOX спроектированы таким образом, что ими можно управлять через Ethernet, что дает им возможность работать удаленно или, фактически, в любом месте локальной сети (LAN). Платы PXI доступны для приложений, в которых набор модульных приборов будет работать вместе как часть полной тестовой системы. Карты PCI и PCIe могут быть установлены непосредственно в большинство современных ПК, превращая их в мощные автономные испытательные станции.

Ссылки

Абсолютное вольт и электростатический потенциал

Абсолютное вольт и электростатический потенциал

ПРИМЕЧАНИЕ

В данном руководстве описывается лаборатория Эксперимент проводился в течение 1996–1997 учебного года. Существенный с тех пор были внесены изменения, и руководство использовалось во время текущий учебный год еще НЕ доступен в Интернете. Печатные копии можно приобрести в книжном магазине.



Назначение

Для расчета абсолютного напряжения, измеренного механическим означает и проиллюстрировать концепции электрического поля с помощью экспериментальной демонстрации.


Подготовительное домашнее задание

Предварительная домашняя работа должна выполняться дома и передаваться в лабораторию TA, прежде чем вы начнете лабораторию. Прочитайте инструкции для этой лаборатории.

вопросов

1) Каково выражение для запасенной энергии в конденсаторе по емкости и напряжению?

2) Выведите выражение для подъемной силы , данное в записи.

3) Чему студенты должны научиться, выполняя лабораторную работу?


Введение

Сила (заданная законом Кулона) действует на конкретный электрический заряд любым другим зарядом. Общая электрическая сила на такой заряд действует сумма всех этих сил. Если небольшой были введены, чтобы «проверить» его, сила на этом испытательный заряд будет меняться при перемещении.

Подобные соображения приводят к появлению концепции поле.Сила на единицу испытательного заряда зависит от положения в пространстве, не зависящем от испытательного заряда и характеристики пространственного распределения заряда в области. В любом месте электрическое поле (например, из-за множества зарядов) равно определяется как электрическая сила на единицу заряда (т. е. сила который будет воздействовать на единичный положительный заряд) в этот момент. Электрическое поле можно рассматривать как способность производить электрическая сила на заряде. Концептуально электрическое поле хорошо определен в любом месте, даже если на самом деле быть любым испытательным зарядом, чтобы испытать это.

Если тестовый заряд перемещается в электрическом поле, сработайте будет сделано на нем с помощью электрической силы. Статический электрический сила закона Кулона — консервативная сила. То есть работа выполненное перемещение между двумя точками не зависит от пройденного пути. Это наводит на мысль о другом полезном понятии — электрическом потенциале. В разность потенциалов между двумя точками — это работа на единицу заряда что будет делать электрическое поле при перемещении пробного заряда между ними.

Такой опыт должен помочь студенту получить конкретное понимание этих абстрактных понятий и облегчить понимание емкости и связь между силой, расстоянием и энергией в контексте электрических явлений.

В первой части этого эксперимента вы свяжете электрическую потенциал к механическим величинам с использованием косвенного метода для произведите абсолютное измерение напряжения. Этот метод, благодаря умному дизайн, позволяет избежать наихудших систематических ошибок, из-за которых прямой эксперимент с законом Кулона страдает и дает более точные полученные результаты. Способность разрабатывать эксперименты, которые приносят результаты с небольшими систематическими ошибками — вот что отличает лучшие экспериментальные ученые. Во второй части вы исследуете статическое электричество. поля и наметить их потенциалы.


Часть I: Абсолютное измерение напряжения

Абсолютное измерение разности электрических потенциалов (V-напряжение) с помощью механических средств — это способ узнать об электрических количества и соотносят их непосредственно с механическими, которые уже понял. Попутно другие знакомые явления будут быть проверенным.

Изучение электричества и магнетизма обычно начинается после тщательное вводное изучение механики. Первый важный встречающиеся электрические отношения — это закон Кулона, который гласит: что сила, действующая между двумя точечными зарядами, пропорциональна их величины и обратно пропорциональны квадрату расстояние между ними.Когда-то константа пропорциональности была выбрана единица оплаты в принципе определена для этой системы единиц (т. е. m.k.s.). Затем, чтобы измерить заряд один просто установил бы два идентичных точечных заряда, известных расстояние друг от друга, измерьте силу между ними, а затем используйте кулоновский закон, чтобы получить размер обвинений.

Но проводить прямые и точные измерения по закону Кулона нельзя. легко осуществимо. Требуемые точечные начисления недоступны, и распределение зарядов на проводящих сферах (например, можно попытаться использовать на практике) не единообразно.Распространение заряда зависит сложным образом от положения всех местные объекты, проводящие или непроводящие, заряженные или не заряженные.

К счастью, существует практический способ определения электрического количество с точки зрения силы, сделав «абсолютным» измерение, используя метод, основанный на емкости.

Концепция емкости

Рисунок 7.1

Поскольку заряд по электрическому проводнику распространяется сам по себе чтобы сформировать эквипотенциал, существует определенное значение электрического потенциал, связанный с каждым проводником.И, поскольку электростатический поля накладываются друг на друга, эти потенциалы будут линейно связаны к зарядам на проводниках. Понятие емкости описывает коэффициенты этих соотношений, которые определяются только по геометрии.

В системе двухпроводников, несущих противоположные заряды величины Q, это соотношение просто

Q = CV (7.1)

где V — напряжение (разность потенциалов) между ними, а коэффициент C — их взаимная емкость.Простой пример конденсатор с параллельными пластинами, имеющий емкость в воздухе (без учета краевых эффектов) оф,

(7,2)

0 (= 8,854 10 -12 Кулонов 2/ / Ньютон Измерители 2 ) — диэлектрическая проницаемость свободного пространства.

В конденсаторе одна пластина имеет положительный заряд и у других есть отрицательный. Эти обвинения, как и ожидалось, привлекают пластины такого конденсатора оказывают друг на друга силы притяжения.Эту силу можно получить, учитывая распределение заряда на заряженный конденсатор путем интегрирования.

Однако к этой проблеме также можно подойти из с точки зрения принципа виртуальной работы. Сохраненный электрическая энергия такой системы составляет,

(7,3)

Поскольку эта энергия изменяется при изменении геометрии (и, следовательно, C), для перемещения пластин конденсатора требуется работа. это сила F e , которую прикладывают пластины конденсатора друг на друга, которые выполняют эту работу.Таким образом, если C зависит от одного размер z величина силы между электродами (т.е. скорость выполнения работы на единицу смещения) в направление этой переменной, при условии, что V является постоянным, равно

(7,4)

В случае с параллельными пластинами это

= (7,5)

Обратите внимание на квадратичную зависимость силы от напряжения и что константа пропорциональности, кроме электрического физическая постоянная, чисто геометрическая.Следовательно, если сила между пластинами можно измерить, разность потенциалов V можно рассчитать сразу. В приведенном выше примере напряжение рассчитывается из,

(7,6)

Это принцип, на котором основан этот эксперимент. Тем не мение, по практическим соображениям конденсатор будет представлять собой два концентрических цилиндра а не параллельные пластины. Ось цилиндров будет в том же направлении, что и сила (+ z).Конечно, емкость между двумя цилиндрами будет отличаться от емкости параллельной пластины, пример, показанный выше, но емкость зависит только по габаритам. Это обсуждается ниже.

Экспериментальный аппарат

Устройство, показанное на рисунке 7.2, предназначено для измерения осевая сила в вертикальном направлении z между двумя концентрическими алюминиевые круглые цилиндры. Определяется разность потенциалов через эти два цилиндра, где приложено до 3000 вольт.Внешний цилиндр конденсатора закреплен в полукруглом концы двух пластин Lucite. Внутренний цилиндр, который должен быть достаточно однородный и легкий, изготавливается из очищенной банки для напитков.

Этот внутренний цилиндр движется вертикально, опираясь на тонкий вал. сдерживается двумя подшипниками. Эти подшипники должны свободно вращаться; так они должны содержаться в чистоте. Если подшипник начинает тереться или заедать можно промыть спиртом, а затем смазать небольшим одна капля веретенного масла. Нижний конец вала поддерживается полым поплавком, частично погруженным в воду.Дистиллированная вода несколькими каплями смачивающего средства Eastman Kodak Photo-Flo 200 снизит поверхностное натяжение. Полностью погруженный основной корпус поплавок, мяч для пинг-понга (неизвестной сжимаемости), обеспечивает большая часть плавучести, необходимая для поддержки вала и его груза. Погруженная часть стеклянной трубки, соединяющей шар с вал снабжает остальное.

Суммарная вертикальная сила на подвижной части эксперимента. есть,

(7.7)

— электрическая сила между цилиндрическими конденсаторами; — восходящая выталкивающая сила мяча для пинг-понга, а — нисходящая сила тяжести. Идея для и почти исключают друг друга, так что доминирует.

Положение равновесия (вертикальное) устанавливается уровень воды в стакане и грузики (латунные или стальные орехов) в чашу весов. Вес следует использовать для регулировки погружение поплавка так, чтобы поверхность воды была на уровне центра стержня.Уровень воды следует отрегулировать так, чтобы банка выходила за верхний подшипник примерно на сантиметр.

Система выйдет из равновесия под действием любой силы. между цилиндрами. Эту довольно высокую чувствительность легко оценка из физических принципов (см. рисунок 7.2). Положение системы наблюдается через маломощный микроскоп, направленный по оптической цели на древке.

Банка заземлена через подшипники, внешняя цилиндр подключен к источнику потенциала через защитный (высокое напряжение) сопротивление в несколько десятков МОм.Несмотря на то что это высокое напряжение подвергается воздействию, резистор предотвращает любые значительные ток от протекания; это не опасно, хотя может быть неудобно при прикосновении. Поэтому не прикасайтесь к банке, которая может быть при 3000 В.

Рисунок 7.2

Перекрытие банки и цилиндра на длину намного больше, чем радиальное расстояние между ними, и цилиндр хорошо выходит за верхним концом банки.В этих условиях изменение в емкости, создаваемой небольшим сдвигом осевого положения s, с очень хорошим приближением, может быть выражено просто как,

(7,8)

, где ( — внешнее радиус, внутренний радиус) и,

= (7,9)

— емкость на единицу длины длинного цилиндрического конденсатора. наличие электродов той же геометрии, что и устройство; и — радиусы цилиндр и может, уважительно.Это потому, что электрические распределение поля в большей части области перекрытия существенно инвариантен в осевом направлении; а также конечные эффекты будут довольно небольшими из-за удачной геометрии (цилиндр выходит далеко за пределы банка вверху и банка выходит далеко за пределы цилиндра внизу).

Подумайте о емкости, связанной с каждым из трех отдельные области: область перекрытия (где электрическое поле инвариантна в осевом направлении), верхний конец и нижний конец. Если может двигаться, скажем, вверх, перекрытие увеличится и емкость будет линейно увеличиваться с s.

Верх переместится вверх к открытому концу цилиндра, поэтому его часть емкости станет меньше, но конец цилиндр находится так далеко, что изменение будет совсем небольшим. То же самое можно сказать и о нижнем конце, поскольку баллончик выступает значительно ниже цилиндра.

Соответственно, для разности потенциалов V между электродами изменение накопления энергии со смещением можно записать как

= = (7.10)

По принципу виртуальной работы сила — производная dU по s. Следовательно,

F e = = = (7,11)

— сила, действующая на банку из-за электрических эффектов.

Система будет плавать в состоянии равновесия, в котором все силы уравновешивают гравитацию, плавучесть и электрические эффекты. Система построен так, что постоянная сила тяжести в основном компенсируется плавучестью полностью погруженного пинг-понга мяч.Таким образом, изменения электрических сил из-за потенциала цилиндра будет уравновешиваться изменениями плавучести из-за на измененный уровень поплавка в воде.

Эти изменения выталкивающей силы возникают из-за изменений вода, вытесняемая поплавком за счет штока (малый стеклянная трубка), так как мяч всегда находится под водой. Вес эта вытесненная вода составляет,

F b = (7,12)

где r — плотность воды, а d — диаметр трубка.Множитель в скобках учитывает малый абсолютный уровень изменение воды в сосуде (D — его диаметр) из-за смещение.

Поскольку F b мал для тонких трубок, аппарат очень чувствителен к величине электрической силы, и это можно оценить по наблюдаемому смещению вала и известная геометрия поплавковой системы.

Объединение приведенных выше выражений дает приложенное напряжение,

V 2 = (7.13)

по объему и параметрам системы. (Обратите внимание, что r = 1000 кг / м 3 в единицах измерения m.k.s.) правая часть уравнения зависит только от механических величин.

Процедура

ВНИМАНИЕ: НЕ прикасайтесь к банке. Хотя доступная мощность слишком мала, чтобы быть опасной, потенциалы в несколько тысяч вольт здесь задействованы, поэтому прикасаться к цилиндру может быть неудобно.Кроме того, если он испачкается, эксперимент может провалиться.

1) Убедитесь, что уровень воды примерно на полпути вверх. стеклянный шток поплавка; в противном случае добавьте или удалите веса, чтобы это так. Убедитесь, что банка правильно очищает верхний подшипник. (около см). При необходимости добавьте или удалите воду.

Для точных и воспроизводимых измерений вал должен быть может свободно принимать правильное положение. Даже когда подшипники хорошо выровнены, вал по существу вертикальный, подшипник трение будет мешать необходимому свободному движению.Этот можно преодолеть, установив вращение системы осторожным использованием большой и указательный пальцы на стержне. Возможно, вам будет полезно стабилизировать рукой, слегка положив ее на опору подшипника во время выполнения это. При вращении вала следите за чистотой рук, при необходимости вымойте их.

2) Поиграйте с аппаратом, чтобы с ним ознакомиться. Пытаться осторожно вращая вал, используя (чистый и сухой) большой и указательный пальцы. После запуска вращение должно продолжаться пять или десять секунд. и должен постепенно исчезнуть, а не внезапно остановиться.Проверьте, ведет ли себя ваше устройство таким образом; если не подшипники нужно очистить, и вам следует обратиться за помощью к вашему TA.

Важно: Каждый раз, когда вы вносите изменения, вы должны вращать вал для преодоления трения. Сделайте это как минимум дважды, чтобы подтвердите, что вы получаете точные показания.

3) Посмотрите в микроскоп. При необходимости сбросьте оптический цель, чтобы центрировать ее на шкале. Убедитесь, что цель не двигайтесь во время эксперимента, перемещая целевой стопор для поддержки цель.Вращайте вал и наблюдайте, как оседает цель. в позицию. Повторите, проверяя последовательность.

Измерение смещения по массе

4) При подаче нулевого напряжения на прибор найдите смещения Произведено пяти различных масс. Предлагаемые массы: 0, 20, 40, 60, 80 миллиграммов.

Шкала микроскопа 6 мм в длину с 0,1 мм на минор. разделение. Обратите внимание: зная расстояние между целевыми метками (около 4 мм), вы можете расширить диапазон измерения путем прицеливания на одном или другом.Измерьте фактическую длину вашей цели так что вы можете это сделать.

Измерение смещения в зависимости от показаний вольтметра

5) Подайте пять различных напряжений, как показано измеритель мощности электропитания к аппарату в диапазоне до 3000В. Предлагаемые напряжения: 0, 1000, 2000, 2500, 3000 Вольт. Опять таки после изменения напряжения прокрутите вал не менее двух раз, чтобы уверен, что вы получаете последовательные измерения.

Измерьте напряжение с помощью теоретической чувствительности

6) Установите в источнике питания некоторое промежуточное напряжение (т.е.е. 2500 Вольт) и запишите показания счетчика.

7) Заземлите прибор и обратите внимание на показания шкалы.

8) Затем переключитесь на напряжение питания и запишите показания. Вычтите, чтобы получить смещение.

9) Повторите несколько раз и усредните найденные значения.

10) Затем рассчитайте приложенное напряжение, используя уравнение (7.13) и геометрические параметры вашей системы (см. рисунок и используйте m.к.с. единицы). Как это соотносится со счетчиком на блоке питания?

Измерьте напряжение нулевым методом

11) Не меняя блок питания, найдите другое значение для приложенное напряжение с использованием нулевого метода. С блоком питания выключен или отключен, отметьте «ноль» на шкале.

12) Затем подайте напряжение от источника питания (т. Е. 2500 Вольт).

13) Сохраняя записи, добавляйте массы до тех пор, пока не будет достигнута нулевая точка. пройдено, затем интерполируйте, чтобы найти массу, соответствующую масштабу нуль.

14) Выключите все ПИТАНИЕ, когда закончите.

Анализ данных

1) Постройте график с использованием данных из раздела 4) Масса по сравнению с смещением. Линейный зависимость должна быть найдена.

2) Обратите внимание на смещения по данным, рассчитанным в 5) для каждого и построить график зависимости смещения от напряжения 2 . Линейный ожидается зависимость от V 2 , как показывает уравнение (7.12).

3) Преобразуйте массу, соответствующую нулю шкалы, в силу (F = мг) и вычислите значение приложенного напряжения с помощью уравнения (7.10). Здесь требуется только стабильность нулевой точки; плавучесть сила не появляется в расчетах. Как твой результат сравните со счетчиком на блоке питания.

4) Уравнение (7.10) преобразует эту силу в абсолютные вольты 2 . Шаг 2 дает указанные вольты 2 на смещение (мм). Квадратный корень из их отношения дает калибровочную константу для счетчик, который, если бы счетчик был точным, был бы один. Как точен ли счетчик? Обсуди свои результаты.Какое измерение напряжения ты считаешь самым надежным? Почему? Счетчик электропитания точный ?


Часть II: электрические поля

В этом эксперименте вы исследуете электрические потенциалы устанавливается с помощью электродов, которые заставляют токи течь в проводящих листы. Вы сможете нанести на карту эквипотенциальные контуры и найти силовые линии электрического поля для нескольких конфигураций электроды.

Аппарат (см. Рисунок 7.3) включает доску, на которой лист специальной бумаги с проводящей графитовой поверхностью, аккумулятор, испытательные электроды и гальванометр.

На бумаге отпечатан электродный узор и сетка. линии нарисованы для справки. Он установлен на основании с пружинными зажимами, контактирующими с серебряными электродами. Батарея соединен с обвязочными штырями для приложения разности потенциалов (напряжение) между электродами.


Рисунок 7.3. Аппарат для картирования поля

Как работает аппарат

В проводнике, таком как серебряные электроды, даже небольшие электрические поля вызовут перемещение большого количества заряда таким образом как стремление сократить поле. Таким образом заряды распределят на электродах, чтобы сделать их уравновешивающими поверхности. Поле между электродами будет подходящим. к результирующему распределению сборов.

Графитовая поверхность бумаги, напротив, имеет сопротивление намного выше, чем у электродов.Малые токи будут имеют тенденцию течь вдоль силовых линий электрического поля (т.е. между разности потенциалов), создаваемые заряженными электродами, но эти будет недостаточно, чтобы существенно нарушить картину поля. Предоставляя источник небольшого тока, необходимого для управления гальванометр, графитовая поверхность позволяет вам измерить разность потенциалов в диаграмме электростатического поля настраивается заряженными электродами. Ток, который будет протекать через гальванометр, подключенный между двумя точками на бумаге, пропорционально разности потенциалов между точками.Таким образом, найдя точки, между которыми гальванометр не измеряет ток, вы можете наметить контуры с таким же потенциалом.

Процедура

Используйте следующую процедуру, чтобы нанести на карту поля для трех разные рисунки электродов. Это:

1) двухточечный узор

2) схема с параллельными пластинами

3) Узор Фарадея в виде ведерка со льдом

Запишите свои измерения и результаты для каждого на одном из рабочие листы доступны в конце лабораторной работы.Начните с отслеживания конфигурация электрода на вашем листе и маркировка положительного электрод.

1) Гальванометр подключается к двум датчикам поля. Место установленный зонд в исходной позиции где-то между два электрода.

2) Отметьте эту позицию в листе данных.

3) Затем переместите наконечник ручного щупа над бумагой, чтобы найдите место, дающее нулевое «нулевое» показание счетчика.

4) Отметьте эту эквипотенциальную точку на графике.Чтобы обеспечить хороший контакт, иногда может потребоваться легкое встряхивание зонд немного наклоняется.

5) Не перемещая установленный датчик, найдите всю серию нулевых точек на бумаге и отметьте положение каждого в паспорте.

6) Когда вы найдете достаточно точек, чтобы провести плавную линию через них сделай так. Это эквипотенциальный контур и потенциал между любыми точками на этой линии равен нулю.

7) Теперь переместите смонтированный зонд в новое положение (не на вашем старый контур) и нарисуйте другой контур, повторив шаги 1-6.

а). Отметьте не менее четырех эквипотенциальных линий для двухточечная и параллельная пластина. В параллельном шаблоне пластин быть обязательно исследуете концы пластин, потому что интересно там что-то происходит.

б). Нанесите на карту не менее восьми эквипотенциальных линий для Фарадей узор ведерко со льдом. Обязательно сделайте контур достаточно близким к одному из электродов. Нарисуйте столько эквипотенциалов, сколько есть необходимо показать его интересную структуру.У Фарадея образец ведра для льда начните зондирование, поместив смонтированный зонд рядом с дно «ведра».

8) Электрическое поле везде перпендикулярно эквипотенциалам. Нарисуйте пунктирными линиями на листах данных примеры того, как линии электрического поля (силовые линии) должны двигаться. Обязательно сделайте это в интересных частях выкройки. Помня об этом электрическое поле — вектор, стрелками указываем направление связанных с силовыми линиями электрического поля.

Примечание : спецификации должны быть заполнены до того, как вы покинуть лабораторию и сдать (с ответами на вопросы ниже) с вашим отчетом.

9) ОБЯЗАТЕЛЬНО ОТСОЕДИНИТЕ АККУМУЛЯТОР ПО СОЕДИНЕНИИ!

вопросов

1) Двухточечный узор: В каком регионе (ах) будет электрическая сила на испытательном заряде быть наибольшей?

2) Схема параллельных пластин: Создает ли электрическое поле изменение прочности в области между пластинами? Описывать траектория положительного единичного заряда, если он был введен на полпути между пластинами со скоростью, направленной параллельно тарелки.

3) Фигуры ведер со льдом Фарадея: Электрическое поле внутри ведра больше или меньше, чем снаружи? Где наибольшая концентрация заряда на электродах?

4) Нарисовав линиями поля, какое направление сила, которая будет приложена к положительному испытательному заряду?


СПРАВКА:

H.W. Фулбрайт, Американский журнал Physics. (61) (10), Oct.1993 г. [Простой и недорогой учебный прибор для абсолютных измерений напряжения]

Лист данных

Картирование электрического поля

Двухточечный узор

Имя: ________________________________________

Лист данных

Картирование электрического поля

Схема параллельных пластин

Имя: ________________________________________

Лист данных

Картирование электрического поля

Узор из ведра Фарадея

Имя: ________________________________________

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.