Измерение электрических и магнитных величин

Введение

 

Измерения играют большую  роль в жизни человека. Благодаря  измерениям люди избавились от многих неправильных выводов и заключений, которые были сделаны ранее на основании наблюдений за явлениями природы: так, было установлено, что неподвижные звезды в действительности смещаются относительно друг друга, что географический и магнитный полюсы не совпадают, что Земля не есть шар и т. д. Измерения и измерительные приборы дополняют наши органы чувств и позволяют нам воспринимать невидимый свет, познавать и оценивать электрические и магнитные поля. Можно привести еще много примеров, показывающих значение измерений в точных науках, в познании окружающей нас природы.

С помощью измерений  осуществляется связь формул теории с экспериментом.

Что касается роли измерений в технике, то достаточно напомнить, что основной современный технический принцип — взаимозаменяемость деталей — неосуществим без широко развитой и технически совершенной измерительной базы. Все вопросы, связанные с качеством продукции, экономичностью производства, борьбой с браком и т. д., также в конечном счете определяются измерениями.

Из всех видов измерений электрические измерения имеют особое значение, так как электрические и магнитные величины, как правило, непосредственно не воспринимаются органами чувств человека. Поэтому обнаружение электрических и магнитных величин, количественное определение их, а также изучение электрических и магнитных явлений возможно только при помощи средств измерения электрических и магнитных величин.

Посредством магнитных измерений решается весьма широкий круг 
научных и прикладных задач, к которым можно отнести: исследование 
свойств магнитных материалов; исследование всевозможных электромагнитных механизмов и приборов для выявления распределения магнитных потоков и МДС; испытание постоянных магнитов; измерение 
магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов; контроль качества магнитных материалов и изделий из них; определение физических свойств материалов по их магнитным характеристикам (магнитная 
дефектоскопия); изучение магнитного поля Земли и других планет; разведка полезных ископаемых; изучение структуры сильных магнитных 
полей, создаваемых различными установками; исследование слабых 
магнитных полей космического пространства и полей биологических 
объектов и т. д. 

Измерительная техника  является важнейшим фактором научного и технического прогресса практически  во всех областях народного хозяйства.

Измерительная информация широко используется для регулирования и автоматического управления различными объектами и технологическими процессами.

 Интенсивное развитие  средств электронной техники  значительно расширило возможности  электроизмерительной техники. 

Одно из современных  направлений электроизмерительной техники, базирующееся на достижениях  электроники, — создание цифровых измерительных приборов. Измерительную информацию можно представить в непрерывной и дискретной форме в виде непрерывных или дискретных сигналов.

Новые горизонты открыло  перед электроизмерительной техникой появление ЭВМ, использующих новейшие достижения электронной техники..

Говоря о роли и  значении измерительной техники  в научном и техническом прогрессе, нельзя забывать, что для успешного выполнения этих задач необходимо поддержание единства измерений, обеспечивающих требуемую точность и сопоставимость результатов измерений. Единством измерений называется такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью.

Развитие электроизмерительной техники весьма эффективно способствует углублению знаний, новым открытиям и всестороннему прогрессу во всех отраслях науки и техники. /1/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Основные  понятия

 

В данной главе мы ознакомимся  с основными понятиями и определениями.

Измерения являются одним из основных способов познания природы, служат предпосылкой и составной частью исследований и открытий.

Измерения – это нахождение значения физической величины опытным  путем с помощью специальных  технических средств.

Физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении для множества объектов и индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Метод измерений –  прием или совокупность приемов  сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с  реализованным принципом.

Различают 2 метода измерения:

• метод непосредственной оценки;
• метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – метод измерения, при  котором значение величины определяют непосредственно по показывающему  средству измерения. Отсчетное устройство показывающего средства заранее проградуировано в единицах измеряемой физической величины. Метод прост, но точность его невысока.

Метод сравнения с мерой –  метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой  мерой. Например, измерения напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с известной ЭДС нормального элемента. Этот метод по сравнению с методом непосредственной оценки более точен, но несколько сложен.

Средство измерений – техническое  средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течении известного интервала времени. /2/

Все единицы измерения, используемые в электротехнике, могут быть выведены из четырех основных. Для того чтобы  число основных единиц было минимальным, были выбраны три единицы, применяемые в механике: метр (м), килограмм (кг) и секунда (с) и добавлена к ним четвертая основная единица из электротехники – единица силы электрического тока ампер (А).

Из этих четырех основных единиц могут быть образованы все другие электрические единицы.

С 1946 г. ампер определяют следующим  образом: это сила неизменяющегося  тока, который, проходя по двум параллельным тонким проводникам (проволокам), расположенным  на расстоянии 1 м один от другого  в вакууме, вызывает между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2*10  Н на 1 м длины.

Единица электрической мощности –  ватт – получается прямым приравниванием единице механической мощности:

1 Вт =1 = 1                                                    ₍₁₎

Вольт, единица электрического напряжения, связана с ампером  через электрическую мощность:

Р=UI,                                                      (2)

1Вт=1В 1А.                                                (3)

Ом – единица электрического сопротивления, определяется согласно закону Ома по силе тока и напряжению:

R = _{,                                                            (4)}

       1Ом = _{.                                                          (5)}

 

Все другие электрические  единицы измерения также являются производными. Обзор электрических величин и единицы их измерения представлены в таблице 1.3

Таблица 1-Электрические величины и их единицы измерения

Величина	Обозначение в формулах	Наименование единицы	Символ	Равнозначные выражения
Сила тока	I, i	Ампер	А	−
Мощность	Р	Ватт	Вт
апряжение	U, u	Вольт	В	−
Сопротивление	R	Ом	Ом
Энергия, работа	W	Джоуль	Дж	1Дж= 1Вт 1с=1Н 1м
Емкость	С	Фарада	Ф	=
Индуктивность	L	Генри	Гн

Магнитные измерения  относятся к области измерительной  техники, занимающейся измерением магнитных величин для определения характеристик магнитных полей, веществ и материалов.

    Несмотря на  разнообразие задач, решаемых  с помощью магнитных измерений,  определяются в основном несколько  магнитных величин: магнитный  поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля H, намагниченность J, магнитный момент М_м.

Одной из основных характеристик магнитного поля является вектор магнитной индукции  В, который может быть определен по силе F, с которой поле действует на заряд q, перемещающийся в поле со скоростью v:

F = q[vB].                                                   (6)

Единицей магнитной  индукции в международной системе СИ является тесла (Тл).

 Поток вектора магнитной  индукции B через поверхность s называют магнитным потоком

Ф =∫ B ds.                                                    (7)

Единица магнитного потока в системе СИ — вебер (Вб). Единица  напряженности магнитного ноля в  системе СИ — ампер на метр (А/м).

Векторы В и Н связаны между собой в вакууме и воздухе соотношением

В = μ₀ Н,                                                      (8)

где  μ ₀= 4π 10^-7 - магнитная постоянная, Гн/м.

Для среды с магнитной  проницаемостью  μr связь между В и Н имеет вид

В = μr μ₀ Н.                                                    (9)

Важной характеристикой  магнитного поля является 
магнитный момент. Магнитный момент может быть определен 
двояким образом:

1. для контура с током:

М_м = I s,                                                      (10)               

где I — ток в контуре, а s— векторное обозначение площади контура;

2. для тела:

М_м = J V,                                                 (11)

где J — намагниченность тела; V— объем тела.

Единица магнитного момента  — ампер - квадратный метр (А м²).  

Очевидно, что намагниченность тела

,                                              (12)

а единица намагниченности  — ампер на метр (А/м), т.е. такая  же, как напряженности магнитного поля.

Намагниченность может  быть определена через напряженность магнитного поля

J = к Н,                                                  (13)

где к — магнитная восприимчивость. В общем  случае эта 
зависимость нелинейная. 

  Основные величины, характеризующие  магнитное поле в средах, В, Н и J связаны между собой соотношением

В = μ₀(Н + J).                                            (14)

Связь межу магнитной проницаемостью и магнитной восприимчивостью имеет вид

μr = к + 1.                                              (15)

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Классификация  методов и приборов измерения  электрических и магнитных величин

 

Измерение любого вида электрических  и магнитных величин может  быть осуществлено различными методами и средствами измерения в зависимости  от условий измерения, вида измеряемой величины, требуемой точности и т.д.

Проанализировав литературу, изучающую вопросы методов и средств измерения электрических и магнитных измерений, мы можем дать следующую классификацию:

1 Методы электрических  измерений.

1.1 Метод непосредственной  оценки.

1.2 Метод сравнения.

2 Средства и методы  измерения электрических величин.

2.1 Средства измерений  постоянных токов и напряжений.

2.1.1 Магнитоэлектрический  амперметр.

2.1.2 Магнитоэлектрический  вольтметр.

2.2 Средства измерений  действующих значений переменных  токов и напряжений.

2.2.1 Электромагнитный  прибор.

2.2.2 Электродинамический прибор.

2.2.3 Ферродинамический  прибор.

2.2.4 Электростатический  прибор.

2.2.5 Термоэлектрический  прибор.

2.3 Средства измерения  средних и амплитудных значений  переменного тока.

2.3.1 Выпрямительный прибор.

2.3.2 Ламповый прибор.

2.4 Средства измерения сопротивления.

2.4.1 Омметр.

2.4.2 Амперметр – вольтметр.

2.5 Методы измерения  сопротивления.

2.5.1 Метод амперметра  – вольтметра.

2.5.2 Мостовые методы.

2.6 Методы измерения  емкости.

2.6.1 Метод амперметра – вольтметра.

2.6.2 Метод резонанса.

2.6.3 Метод разряда конденсатора.

2.6.4 Мостовой метод.

2.7 Методы измерения  индуктивности.

2.7.1 Метод амперметра  – вольтметра