ЭЛЕКТРОМЕТР - колымский научно

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ САХА (Я)
СРЕДНЕКОЛЫМСКАЯ УЛУСНАЯ ГИМНАЗИЯ
КОЛЫМСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР
ШКОЛЬНИКОВ
Татаринов И. И.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭЛЕКТРОСКОП
(ЭЛЕКТРОМЕТР)
для школьной лаборатории
Руководитель – Шакунов С. А.
Среднеколымск 2011
Татаринов Игорь Иванович, ученик 7 класса
Среднеколымской улусной гимназии
ЭЛЕКТРОННЫЙ ЭЛЕКТРОСКОП
(ЭЛЕКТРОМЕТР)
для школьной лаборатории
Руководитель – Шакунов Сергей Аркадьевич
Работа выполнена в Колымском научно-исследовательском
центре школьников Среднеколымской улусной гимназии
2
СОДЕРЖАНИЕ
С
тр.
I. НАЗНАЧЕНИЕ ПРИБОРА…………………………………………………
…...4
II. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА………………………………………
……4
III. КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА………………………………………………
……6
IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОСКОПА………………….
……8
4.1. Градуировка измерительного блока по входному напряжению…
……8
4.2. Определение входной емкости прибора…………………………….
…..9
4.3. Измерение заряда электроскопом……………………………………
….10
4.4. Цена деления Q-метра (измерителя заряда)……………………….
….10
ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………….
….11
3
I. НАЗНАЧЕНИЕ ПРИБОРА
Предлагаемый электронный электроскоп измеряет
напряженность электростатического поля и индицирует знак
электрического заряда - источника поля, а также его
относительную величину.
Как показали наши исследования, при перемещении
заряженного тела достаточно малых размеров относительно
электроскопа, показания прибора изменяются обратно
пропорционально расстоянию во второй степени в соответствии
с известной зависимостью напряженности поля от расстояния
до точечного заряда.
II. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА
В качестве элемента, чувствительного к постоянному
электрическому полю, используется полевой транзистор VT1
(КП305) с изолированным затвором и встроенным каналом nтипа, который включен в одинарный мост постоянного тока (рис.
1).
Рис. 1. Принципиальная схема измерительного блока электроскопа
Плечами моста являются собственно канал (исток-сток)
полевого транзистора VT1 и резисторы R1, R2-R3 (по схеме
верхняя часть потенциометра R3) и R3(нижняя его часть)-R4.
Плечом сравнения здесь является резистор R1, а плечами
отношения – резисторы R2-R3 и R3-R4.
4
Поскольку сопротивление канала транзистора зависит от
потенциала на его затворе, то при поднесении заряженного
тела к зонду Z, вследствие электростатической индукции, заряд
(и потенциал) затвора изменяется, при этом наступает
разбалансировка моста.
Индикация величины заряда и его знака осуществляется
микроамперметром РА1 с током полного отклонения 500 мкА и
со шкалой имеющей нулевое значение посередине,
включенного в горизонтальную диагональ моста. В зависимости
от знака заряда ток стока транзистора либо уменьшается, либо
увеличивается. При этом стрелка индикатора отклоняется в
соответствующую сторону от среднего положения.
Диоды VD1 и VD2 служат для защиты стрелочного
прибора от перегрузки.
Резистор R3 служит для начальной балансировки моста,
которую осуществляют при нажатой кнопке SB1 («сброс»), при
этом потенциал затвора относительно истока равен нулю.
Питание моста осуществляется постоянным током подачей
стабилизированного
напряжения
на его
вертикальную
диагональ в точках X1 и X2.
Светодиод VD3, включенный через ограничительный
резистор R5, служит индикатором включения питания прибора,
осуществляемого выключателем SB2.
Блок питания прибора выполнен по схеме регулируемого
стабилизатора постоянного напряжения (рис. 2). Сетевой
трансформатор первичной обмоткой через выключатель S1 и
защитный плавкий предохранитель F1 подключается к сети
переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц.
Коэффициент трансформации трансформатора обеспечивает
выходное напряжение на вторичной обмотке около 16 – 16,5 В.
Кремниевые диоды V1-V4, включенные по мостовой схеме,
образуют двухполупериодный выпрямитель.
Рис.2. Принципиальная схема блока питания электроскопа
5
К выпрямительному мосту подключен оксидный
конденсатор
С1,
частично
сглаживающий
пульсации
выпрямленного напряжения. С него выпрямленное напряжение
подается к нагрузке через стабилизатор напряжения,
выполняющий
функцию
дополнительного
фильтра
выпрямителя
и
одновременно
регулятора
выходного
напряжения блока питания.
Управляющую цепь стабилизатора напряжения образуют
параметрический стабилизатор, состоящий из резистора R1 и
стабилитрона V5, и подключенный к нему переменный резистор
R2. Напряжение, снимаемое с резистора R2, управляет
состоянием двухкаскадного усилителя тока на транзисторах V6
и V7, включенными по схеме с общим коллектором (эмиттерные
повторители). Нагрузкой транзистора V6 является эмиттерный
p-n переход транзистора V7 и резистор R3, а нагрузкой
регулирующего транзистора V7 – цепи измерительного блока
электроскопа, подключаемого к выходным клеммам блока
питания X1 и X2, напряжение на которых установлено при
наладке прибора 4,9В подстроечным резистором R2.
III. КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА
Конструктивно измерительный блок прибора выполнен в
пластмассовом корпусе на печатной плате из двустороннего
стеклотекстолита. Корпус и плата использованы от пожарнотехнического датчика задымления (рис. 3, 4). Также от этого
датчика использованы светодиод в качестве индикатора
включения питания и кнопка, служащая для обнуления заряда
на затворе – «сброс». В качестве электростатического зонда Z
(рис. 1) использована металлическая защитная сетка, входящая
в состав датчика задымления (рис. 3). Внутри корпуса помещен
экранирующий схему экран из алюминиевой фольги,
приклеенной к внутренним стенкам корпуса и электрически
соединенный с истоком полевого транзистора. На боковой
стенке корпуса измерительного блока размещен переменный
резистор R3, служащий для балансировки моста.
Измерительный блок вместе со стрелочным прибором
6
закреплены на шасси с подвалом, выполненном из фанеры
толщиной 5 мм, на верхней панели шасси размещены тумблер
включения питания SB2 и разъем X1-X2 для подключения к
блоку стабилизированного питания (рис. 4).
Блок питания выполнен на печатной плате и
конструктивно заключен в корпус от сетевого адаптера для
стационарного радиотелефона (рис.5).
Рис. 3 Конструкция измерительного блока электроскопа
7
Рис. 4 Внешний вид измерительного блока электроскопа
Рис.5 Внешний вид блока питания прибора
IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОСКОПА
4.1. Градуировка измерительного блока
по входному напряжению
Градуировка
осуществлялась
на
измерительной
установке, блок-схема которой изображена на рис. 6. Здесь
электроскоп
применялся
в
качестве
градуируемого
милливольтметра.
Рис. 6. Схема градуировки электроскопа по входному напряжению
Высокое выходное сопротивление (порядка 5 Мом)
источника образцового входного напряжения обеспечивалось
включением высокоомного резистора R2.
При установке каждого значения входного напряжения,
измеряемого высокоомным цифровым милливольтметром PU,
8
отсчет выходного тока по прибору PI, производили через 20
секунд после установки входного напряжения. При таком
режиме отсутствовал дрейф выходного тока, обусловленный
процессом зарядки входной емкости. Как показали наши
исследования, дрейф уверенно не наблюдался уже после 5
секунд действия установленного входного напряжения.
В результате были построены для прибора выходной и
входной градуировочные графики соответственно: Iвых = f(Uвх) и
Uвх = F(Iвых).
4.2. Определение входной емкости прибора
Входная емкость прибора Свх обусловлена емкостью
между затвором и истоком полевого транзистора Cзи, и
емкостью монтажа См:
Свх = Cзи, + См,
(1)
ее определяли, собрав измерительную схему (рис. 7).
Рис. 7. Схема измерения входной емкости электроскопа (Э – электроскоп)
К точке А (затвор – зонд Z) подключали небольшой
конденсатор С1 а между точкой Б и общим проводом (исток)
прикладывали напряжение U0. Это напряжение вначале
распределяется обратно пропорционально емкостям С1 и Свх
9
(спустя достаточно длительное время оно распределится прямо
пропорционально сопротивлениям утечек указанных емкостей).
Напряжение Uвх на емкости Свх указывается электрометром,
поэтому
Свх =
𝑼𝟎 −𝑼вх
𝑼𝟎
∙ 𝑪𝟏 .
(2)
Проведенные измерения позволили определить входную
емкость прибора, которая оказалась 5,7 пФ.
4.3. Измерение заряда электроскопом
На основании вышеизложенного, измерение заряда
производится при зарядке зонда внешним источником заряда и
дальнейшем вычислением приобретенного зондом заряда по
формуле:
𝑄 = 𝐶вх ∙ 𝐹(𝐼вых ) ≈ 5,7 ∙ 10−12 ∙ 𝐹(𝐼вых ).
(3)
4.4. Цена деления Q-метра (измерителя заряда)
Цена деления была определена из расчетов на основе
мкКл
формулы (3) и оказалась равной С = 𝟎, 𝟎𝟑𝟒 дел .
10
ЛИТЕРАТУРА
1. Грибанов Ю. И. Измерение слабых токов, зарядов и больших
сопротивлений. М.-Л., Госэнергоиздат 1962. (Массовая радиобиблиотека,
вып. 459).
2. Терещук Р. М., Терещук К. М., и др. Малогабаритная
радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. Наукова думка, Киев, 1975.
3. Шакунов С. А. Электрометрические приборы для учебной
физической лаборатории вуза на основе полупроводниковых МОП структур
(конструирование и расчет). Дипломная работа. Рукопись. Петропавловский
государственный педагогический институт. Кафедра общей физики.
Казахстан, Петропавловск. 1982.
11