Из чего состоит тангенс гальванометр

13 Лаба

1.Оъяснить устройство и принцип действия тангенс-гальванометра;

Тангенциальный

Тангенциальный гальванометр созданный компанией Баннела около 1890.

Тангенциальный гальванометр — один из первых гальванометров, использовавшихся для измерения электрического тока. Он работает с помощью компаса, который используется для сравнения магнитного поля создаваемого неизвестным током с магнитным полем Земли. Свое название он получил от тангенциального закона магнетизма, в котором говорится, что тангенс угла наклона магнитной стрелки пропорционален соотношению сил двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые это было описано Клодом Пулье в 1837 году.

Тангенциальный гальванометр состоит из катушки, сделанной из изолированной медной проволоки, намотанной на немагнитную рамку, расположенную вертикально. Рамка может поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр. Компас расположен горизонтально, в центре круговой шкалы. Круговая шкала разделена на четыре квадранта, каждый из которых проградуирован от 0° до 90°. К магнитной стрелке компаса прикреплен длинный алюминиевый указатель. Чтобы избежать ошибок из-за параллакса под стрелкой устанавливают плоское зеркало.

В процессе работы гальванометр устанавливают так чтобы стрелка компаса совпала с плоскостью катушки. Затем к катушке подводят измеряемый ток, который создает магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли. Стрелка реагирует на векторную сумму двух полей и отклоняется на угол равный тангенсу отношения этих полей.

Гальванометр ориентирован так, что плоскость катушки параллельна магнитному меридиану, т.е горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Когда ток проходит через катушку в ней создается магнитное поле, перпендикулярное первому, силой:

где I — ток в амперах, n — число витков катушки и r — радиус катушки. Эти два перпендикулярных поля векторно складываются и стрелка компаса отклоняется на угол:

Из тангенциального закона, , т.е.

или , где K — понижающий коэффициент тангенциального гальванометра.

Одна из проблем тангенциального гальванометра — сложности при измерении очень больших и очень малых токов.

Измерение геомагнитного поля Земли

Тангенциальный гальванометр также можно использовать для измерения горизонтальной составляющей магнитного поля. Для этого низкое напряжение питания, подключают последовательно с реостатом, гальванометром и амперметром. Гальванометр располагают так, чтобы магнитная стрелка была параллельна катушке, при отсутствии в ней тока. Затем на катушку подается напряжение, которое регулируют реостатом до такой величины, чтобы стрелка отклонилась на угол 45 градусов и величина магнитного поля на оси катушки становится равной горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Это поле можно рассчитать через ток, измеренный амперметром, число витков катушки и ее радиус.

2.Почему катушку тангенс-гальванометра следует ориентировать в направлении магнитного меридиана;

Из условия для сравнения магнитного поля создаваемого неизвестным током с магнитным полем

Описание установки. В работе измеряется горизонтальная составляющая напряженности н магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра

В работе измеряется горизонтальная составляющая напряженности Н магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Тангенс-гальванометр представляет собой плоскую вертикальную катушку радиусом R с некоторым числом витков n, намотанных плотно друг к другу. В центре катушки расположен компас. Магнитная стрелка компаса при отсутствии тока в катушке располагается в плоскости меридиана N S, т.е. совпадает с горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли Н.

Поворотом тангенс-гальванометра добиваемся, чтобы плоскость катушки совпала с плоскостью магнитного меридиана.

Если в этом положении катушки по ней пропустить ток, то возникает магнитное поле напряженностью H₀, перпендикулярное плоскости катушки в ее центре. На стрелку компаса будут действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поля: поле Земли и поле кругового тока. Стрелка повернется на угол (рис.23) и установится по направлению вектора напряженности H₁ результирующего поля, равного векторной сумме H и H₀. Из паралле-

лограмма векторов получим:

Напряженность магнитного поля в центре катушки равна:

Следовательно, горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли в данном месте определяется по формуле:

Рис.23 Рис.24

На схеме установки (рис.24): Т — тангенс-гальванометр, Е — источник постоянного тока 6 В, П — переключатель, меняющий направление тока, проходящего по тангенс-гальванометру.

II. Тангенс — гальванометр.

Рассмотрим круговой проводник из n витков, прилегающих достаточно плотно друг к другу, расположенных вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Если по катушке пропустить ток I, то возникает магнитное поле с напряжённостью H, направленное перпендикулярно к плоскости катушки. Т.о., на стрелку будут действовать два взаимно перпендикулярных поля: магнитное поле Земли и магнитное поле тока. Напряжённости обеих полей взаимно перпендикулярны. На рис. 4. изображено сечение катушки горизонтальной плоскостью. Здесь – вектор напряжённости поля, созданного круговым током,– горизонтальная составляющая магнитного поля Земли. Стрелка установится по направлению равнодействующей, т.е. по диагонали параллелограмма, сторонами которого будут вектор напряжённости магнитного поля кругового токаи.Рассматривая рис.4 получим:

;

с другой стороны. Напряжённость магнитного поля в центре катушки тангенс–гальванометра равна:

;

где r – радиус витка. Тогда:

; где .

Для данного места Земли и для данного прибора величина

( I )

является постоянной тангенс – гальванометра, тогда:_

( 2 ).

Формулу ( 1 ) можно переписать в виде

( 3 ).

Таким образом, круговой проводник с магнитной стрелкой может быть использован для измерения силы тока, текущего по цепи. Прибор, основанный на вышеописанном принципе, носит название тангенс–гальванометра.

Тангенс–гальванометр, используемый в данной работе, состоит из катушки, в центре которой на вертикальной оси располагается магнитная стрелка. Стрелка может свободно вращаться внутри круглой коробки с прозрачной крышкой (компас). По контору дна коробки намечена круговая шкала, проградуированная в угловых градусах.

Практическая часть.

Собрать электрическую цепь лабораторной установки по схеме. Источником напряжения служит выпрямитель ВС–24 М.С. С помощью переключателя К изменяют направление тока, текущего через тангенс–гальванометр tgq.

Установить tgq так, чтобы плоскость витков катушки совпадала с плоскостью магнитного меридиана, т.е. чтобы магнитная стрелка расположилась в плоскости витков катушки, указывая при этом на С и Ю.

Регулятор напряжения R на панели выпрямителя вывести в крайнее левое положение. Включить выпрямитель и поставить переключатель Кв левое или правое положение. Регулятором напряжения R установить ток в цепи I=0,5A. зафиксировать угол отклонения магнитной стрелки. Перекинуть ключ Кв противоположное положение и также зафиксировать угол отклонения стрелки. Это необходимо для плоскости нахождения среднеарифметического значения угла отклонения магнитной стрелки, т.к. всегда имеется неточность в установлении витков tgq в плоскости магнитного меридиана.
Выполнить пункт 3 при значениях тока I=1Aи1,5A.
Результаты измерений занести в таблицу:

#	I	j₁	j₂	j_ср.	tgj	H₀	H_0ср	H_о	H_0ср
1.
2.
3.

Таблица 1. При каждом значении тока определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли по формуле: ( 4 ); т.к. в системе СИ коэффициент пропорциональности К в формуле ( 2 ) равен .

Найти среднеарифметическое значение.
Вычислить погрешность вычисления при каждом значении тока:

( 5 ), и затем среднее значение .

записать окончательно результат работы в виде:

( 6 ).

Метод тангенс–гальванометра

Тангенс–гальванометр состоит из нескольких кольцеобразных витков медной проволоки, расположенных в вертикальной плоскости. В центре витков расположена магнитная стрелка, установленная на шкале с градусными делениями, шкала служит для отсчета положений магнитной стрелки или ее отклонений. Расположив витки, тангенс–гальванометра в плоскости магнитного меридиана пропустим ток по виткам. В этом случае на магнитную стрелку будут действовать две пары сил.

Одна пара сил создана действием магнитного поля земли – она будет стремиться вернуть стрелку в плоскость магнитного меридиана, т.к. силы этой пары направлены параллельно плоскости меридиана. Другая пара сил будет создана действием магнитного поля кругового тока – она стремится расположить стрелку перпендикулярно к плоскости магнитного меридиана. Следовательно, на магнитную стрелку действуют два поля – поле Земли () и поле тока (). Под действием этих полей магнитная стрелка отклонится на угол α от магнитного меридиана и будет в равновесии при условии, что равнодействующая этих сил будет совпадать с направлением отклоненной стрелки.

Из чертежа (рис.1.) следует, что

Величина напряженности полясозданного током в центре витка, вычисляется по закону Био–Савара–Лапласа. Для системы СИ:

где I – ток, текущий в витке, в амперах;

r – радиус витка катушки, в метрах.

Напряженность магнитного поля тока в катушке с числом n витков определяется по формуле:

В итоге горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли:

Порядок выполнения работы

Собрать схему: Т – тангенс–гальванометр, К – коммутатор для изменения направления тока в тангенс–гальванометре, mA – миллиамперметр, R – реостат, ε источник тока (рис.2).

рис.2

Установить компас на стеклянной подставке в центре тангенс–гальванометра.
Установить тангенс-гальванометр в плоскость магнитного меридиана так чтобы конец стрелки компаса совпадал с 0 о , а сама стрелка компаса располагалась вдоль витков тангенс–гальванометра.
Включить источник питания. Установить движок реостата в некотором положении и измерить величину тока I₁.
Как только стрелка компаса придет в равновесие, отсчитать по круговой шкале отклонение α₁.
Не меняя величины тока, I₁ изменить переключением коммутатора направление тока и измерить величину отклонения стрелки компаса α₂. Взять среднее значение угла α.
Опыт повторить пять раз при различном токе. Величину тока изменяют реостатом R.
Измерить линейкой радиус витков тангенс–гальванометра и сосчитать число витков n (Величины R, n указаны на основании подставки).
Данные занести в таблицу.

N п/п , A , град. , град. , град. , А/м
Вычислить погрешность косвенных измерений.