Устройство прибора магнитоэлектрической системы, который может служить для измерения тока, напряжения и т.п. показано на рис. 6.1. Полюсные наконечники постоянного магнита имеют цилиндрическую расточку, в которой по оси установлен стальной сердечник. Между полюсами и сердечником образуется зазор с радиальным магнитным полем, индукция которого одинакова по величине во всех точках зазора (рис. 6.2). Рамка (см. рис. 6.1), укрепленная на оси, может вращаться в межполюсном зазоре. При вращении две ее стороны (на рис. 6.2 они перпендикулярны) постоянно пересекают радиальное магнитное поле в зазоре.
|
Для уменьшения трения ось рамки оканчивается стальными кернами, опирающимися на подпятники, изготовленные из агата, рубина или корунда. С осью жестко связана стрелка прибора. При включении прибора в электрическую цепь ток проходит по виткам рамки. При этом на каждую сторону рамки, расположенную в магнитном поле зазора, действует сила 
. С учетом числа витков рамки k согласнозакону Ампера имеем
F = k B I l 1, (6.1)
здесь B ‒ величина магнитной индукции в зазоре; I ‒ сила тока в рамке; l1 ‒ длина той стороны рамки, которая расположена в зазоре; направление силы F определяется правилом ”левой руки”. Каждая из сил 
создает вращающий момент рамки, равный 
, где l 2 - длина стороны рамки, не помещенной в зазор.
Направление вектора 
1 можно определить по правилу ”правого винта”: если вращать винт так, как вращает рамку приложенная сила, то поступательное движение винта указывает направление вектора 
. На рис. 6.2 направлен по оси вращения рамки к нам и обозначен точкой. 
Момент пары сил, приложенных к рамке
, (6.2 )
где S – площадь рамки, l 2– длина второй стороны рамки.
Величину k I S обозначают Pm и называют магнитным моментомрамки. Эту величину вводят как вектор и направляют по положительной нормали к рамке с током. Следовательно, 
, где 
- единичный вектор вдоль положительной нормали к рамке.
С введением вектора Pm выражение (6.2) можно записать в векторной форме:
, (6.3)
здесь 
‒ магнитная индукция в тех местах зазора, где расположена рамка.
Используя закон Ампера, нетрудно показать, что формула (6.3) справедлива также в случае, когда рамка с током расположена в однородном магнитном поле с индукцией 
.
При изменении направления тока в рамке направление каждой из сил 
изменится на противоположное, и, следовательно, стрелка будет отклоняться в другую сторону от положения равновесия. Поэтому магнитоэлектрический измерительный механизм пригоден только в цепях постоянного тока.
Для компенсации момента 
служат пружины, скрепленные одним концом с осью рамки. При повороте рамки пружины создают момент сил упругости, пропорциональный углу поворота рамки j
N = C j, (6.4)
здесь C - жесткость пружины. Момент 
всегда направлен противоположно вращающему моменту 
.
Пока угол поворота j мал (| 
|>| 
|), рамка продолжает вращаться под действием результирующего момента M ‒ N. При этом угол j увеличивается и вместе с ним увеличивается и N. Это происходит до тех пор, пока момент сил упругости пружин N не станет равным вращающему моменту M. Следовательно, угол, соответствующий установившемуся положению равновесия рамки, будет удовлетворять, согласно (6.2) и (6.4), равенству
C j = k B I S. (6.5)
Из формулы (6.5) следует, что угол поворота рамки пропорционален току в ней. Поэтому шкала прибора магнитоэлектрической системы равномерная.
По формуле (6.5) индукция магнитного поля в зазоре
, (6.6)
что позволяет определить ее опытным путем, если измерить каким-либо образом величины C, j, k, S.
Порядок выполнения работы
1. Изучить принцип действия прибора магнитоэлектрической системы.
2. Определить индукцию магнитного поля в межполюсном зазоре прибора магнитоэлектрической системы.
2.1. Собрать электрическую схему (рис.6.3), где А 1 - амперметр магнитоэлектрической системы, шкала которого проградуирована в градусах для измерения магнитной индукции в зазоре прибора; А 2 – амперметр для измерения силы тока в цепи.
2.2. Изменяя ток с помощью реостатов R 1 и R 2, снять 7-10 показаний приборов А 1 и А 2. При этом показания прибора А 1 должны быть сняты в пределах всей шкалы, т.е. от 0 до 90°.
2.3. Результаты измерений занести в табл. 1. По формуле (6.6) для каждой пары I и j определить Bi затем < B >. Необходимые данные о приборе А 1 взять из табл. 2.
Таблица 1
| № п/п | I, А | j, град | Bi, Tл. | |<B> - Bi | | |<B> - Bi | 2 |
| … | |||||
| Сумма | |||||
| Среднее значение |
Таблица 2
| №№ п.п. | Инвентарный номер прибора | С ∙108, Н×м/град | S ∙106, м2 | k |
| 078 426 | ||||
| 179 251 | ||||
| 241 392 | ||||
| 054 851 | ||||
| 033 077 | ||||
| 214 273 | ||||
| 016 776 | ||||
| 074 495 | ||||
| 093 837 | ||||
| 063 121 | ||||
| 085 207 | ||||
| 103 059 | ||||
| 007 636 | ||||
| 096 794 | ||||
| 162 950 | ||||
| 411 841 |
2.4. Вычислить полуширину доверительного интервала:
и результат записать в виде
B = < B > ± D B, a =..., 
3. Построить график зависимости j = f (I). Анализируя график, сделать выводы относительно шкалы прибора и индукции магнитного поля в межполюсном зазоре прибора.
Контрольные вопросы
1. Чем создается и как обнаруживается магнитное поле?
2. Как направлен вектор индукции магнитного поля?
3. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле (закон Ампера).
4. Величина индукции магнитного поля (физический смысл индукции магнитного поля), единицы ее измерения в СИ.
5. Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы.
6. Вывод расчетной формулы для определения магнитного поля в воздушном зазоре прибора.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
