Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №116.

ПОЛУЧЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ВАКУУМА

Цель работы: ознакомиться с методами получения и измерения вакуума. Определить скорость откачки форвакуумного насоса.

Приборы и принадлежности: вакуумная установка, состоящая из форвакуумного пластинчато-роторного насоса 2НВР-5ДМ, баллона предварительного разряжения и вакууметра ВТ-2, секундомер.

Теория метода

 Вакуум - состояние газа, при котором его давление значительно ниже атмосферного.

При разрежении газа средняя длина свободного пробега молекул возрастает, поэтому степень вакуума принято оценивать путем сопоставления средней длины свободного пробега  с характерными размерами L откачиваемого сосуда, например, для сферы диаметром D: L = (2/3) D.

Различают три области вакуума:

1. Низкий вакуум – это состояние газа, при котором взаимные столкновения между молекулами преобладают над столкновениями молекул газа со стенками вакуумного сосуда, при этом <<L.

2. Средний вакуум – это состояние газа, когда частоты соударений молекул друг с другом и со стенками сосуда приблизительно одинаковы, при этом ~L.

3. Высокий вакуум – это состояние газа, при котором столкновения молекул газа со стенками сосуда преобладают над взаимными столкновениями молекул газа, при этом >>L.

При не слишком малых размерах сосуда (не поры и не капилляры) степень вакуумирования можно характеризовать величиной давления газа. Связь между давлением и средней длиной свободного пробега ясна из табл. 1.

Таблица №1

Р, Па

Р, мм. рт.ст.

λ, м

Области вакуума

(ГОСТ 5197-50)

1,013·105

760

6,25·10-7

атм.

1,333·102

1

4,72·10-5

низкий вакуум

1,333

10-2

4,72·10-3

средний вакуум

1,333·10-2

10-4

4,72·10-1

1,333·10-2

10-4

4,72·10-1

высокий вакуум

1,333·10-5

10-7

4,72·102

 

Вакуум широко используется в современной науке, технике и технологии. Например, явление уменьшения теплопроводности газов в области высокого вакуума применяется при теплоизоляции. Общеизвестно использование вакуума в электронной технике, в ускорителях элементарных частиц, в процессах сушки, испарения, дистилляции и т.п. Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве сверхчистых веществ, полупроводников и микросхем.

Способы получения вакуума.

Состояние разряжения газов достигается с помощью вакуумных насосов.

В процессе откачки используются два свойства газов:

способность занимать весь предоставленный объем,

проникновение молекул одного газа между молекулами другого (взаимная диффузия).

Первое свойство используется в механических насосах, второе – в диффузионных.

Принципиальная схема одного из распространенных типов механических насосов представлена на рис.1.

Насос состоит из цилиндрической камеры 1 с входным патрубком 2 и выходным клапаном 3. Внутри камеры вращается цилиндрический ротор 4, эксцентрично расположенный относительно оси симметрии камеры. В прорези ротора вставлены две пластины 5, плотно прижимаемые к внутренней поверхности камеры пружиной 6. Для уплотнения рабочих зазоров роторного механизма, выхлопного клапана 3 и смазки трущихся поверхностей корпус насоса помещается в кожух 7, заполненный вакуумным маслом. Вакуумные масла (ВМ-1, ВМ-5) отличаются низким давлением (рн ~ 10-5 Па) насыщенного пара при комнатной температуре.

Пластины 5 образуют во внутреннем объеме между ротором и корпусом камеру А всасывания и камеру Б сжатия. Объем этих камер при вращении ротора непрерывно изменяется. Причем в то время, когда объем камеры всасывания увеличивается и откачиваемый газ заполняет ее через впускной патрубок 2, объем камеры сжатия Б уменьшается и газ из нее выбрасывается через выхлопной патрубок 10 в атмосферу. Процесс через каждые полоборота ротора повторяется.

Насосы подобной конструкции позволяют производить откачку лишь до давления Р ~ 10-3 мм рт.ст. Это объясняется прорывом газов в месте соприкосновения ротора с цилиндрической камерой вследствие большой разности давления. Поэтому подобные насосы применяются для создания низкого предварительного вакуума (форвакуума) и называются форвакуумными.

Для получения высокого вакуума применяются диффузионные насосы. Принцип действия такого насоса основан на том, что пары какой-либо жидкости, вырываясь с большой скоростью из сопла, уносят с собой продиффундировавшие в них молекулы откачиваемого газа.

Обратный поток газа в откачиваемый сосуд устраняется тем, что выброс смеси пара с газом происходит в область пониженного давления (в баллон предварительного разрежения), создаваемого форвакуумным насосом.

Диффузионные насосы позволяют производить разрежение газов до Р = 10-6 мм.рт.ст.

На рис. 2 изображена схема двухступенчатого разгоночного паромасляного диффузионного насоса ММ – 40А. Он состоит из корпуса 1, паропроводов 2 и 3 и электронагревателя 4. Корпус насоса представляет собой стальной цилиндр, нижняя часть которого вместе с днищем служит испарителем. Корпус снабжен рубашкой водного охлаждения 5 со штуцерами для ввода и вывода проточной воды. Для соединения с откачиваемым сосудом служит патрубок 7. Откачиваемый воздух из камеры Д удаляется через патрубок 11 в область форвакуума.

Все масло в испарителе распределяется по трем коаксиальным камерам: А – внутренняя камера в цилиндре 3, В – кольцевая камера между цилиндрами 2 и 3, Д – кольцевая камера между цилиндром 2 и стенкой корпуса 1. Вначале во всех камерах насоса масло имеет один и тот же состав. При разогревании легкие его фракции испаряются, конденсируются на стенках холодильника и стекают в камеру Д. Испарение в этой камере слабое, так как непрерывно поступает охлажденное масло, и, кроме того, пары, вышедшие из этой камеры, задерживаются манжетами 10. Далее легкие фракции через отверстия 0 поступают в камеру В. Здесь они испаряются и выходят через сопло первой ступени 8. Таким образом, в центральной круговой камере остаются наиболее тяжелые фракции масла, и в сопло второй ступени 9, ближайшее к откачиваемому объекту, попадают пары только этих тяжелых фракций, обладающие минимальным давлением насыщенных паров рн ~ 10-6 мм.рт.ст.

Поскольку при работе насоса происходит отделение легких фракций масла по принципу разгонки в жидкой фазе, насос называется разгоночным.

Для работы насоса ММ – 40 А необходимо наличие предварительного разрежения до р ~ 5·10-2 мм рт.ст. Производительность насоса 40 л/с при давлении р = 10-4 мм рт.ст. Предельный вакуум, достигаемый насосом, р = 5·10-6 мм рт.ст.

Сверхвысокий вакуум (р ~ 10-11 мм.рт.ст. получают с помощью молекулярных, электроразрядных или сорбционных насосов в соединении с форвакуумными насосами и охлаждаемыми до – 196оС жидким азотом ловушками. При этом требуется обязательное предварительное обезгаживание вакуумной системы путем длительного прогрева ее до ~ 450оС при непрерывной откачке.

Измерение вакуума.

Под измерением вакуума понимают измерение давления разреженного газа. В зависимости от диапазонов измеряемых давлений применяют различные типы манометров. Основными из них являются жидкостные (ртутные), термоэлектрические, электроразрядные и магнитные.

В настоящей работе применяется термопарный манометр (рис. 3). Он состоит из двух частей: манометрической лампы ЛТ – 4М, подключаемой к вакуумной системе, и электрического измерительного прибора ВТ – 2А. Манометрическая лампа выполняет функцию датчика, а с помощью прибора устанавливается режим работы лампы и измеряется давление.

Манометрическая лампа состоит из металлического баллона 1, внутри которого помещена нить накала 2, в виде тонкой платиновой проволоки, и термопары 3 из хромеля и копеля. Термопара приварена к средней части нити накала, благодаря чему между ними осуществляется хороший тепловой контакт. Отросток 4 служит для подключения лампы к вакуумной системе.

Принцип действия манометра заключается в том, что при достаточно низком давлении, когда средняя длина свободного пробега молекул  ~ L, теплопроводность газа начинает зависеть от давления. Чем меньше давление, тем меньше теплоотдача с нити накала и поэтому выше температура горячего спая термопары, а следовательно, и ЭДС термопары при том же токе накала. Прибор ВТ–2А, измеряющий термо-ЭДС термопары, может быть проградуирован в милливольтах или непосредственно в единицах измеряемого давления.

Определение скорости откачки насоса.

Скорость откачки - объем газа, удаляемый насосом в единицу времени из разряжаемого сосуда при постоянном давлении:

. (1)

С уменьшением давления скорость откачки понижается.

Скорость откачки может быть определена экспериментально. Пусть в некоторый момент времени t в сосуде объемом V давление данной массы газа равно р. При откачке за малый промежуток времени dt объем газа увеличивается на величину dV. Та же масса газа теперь занимает больший объем (V + dV). Давление внутри сосуда изменится на величину dp и станет равным (р + dp). (Очевидно, что величина dp отрицательна). Полагая, что процесс откачки происходит при постоянной температуре, согласно закону Бойля-Мариотта можно записать

PV = (p + dp)*(V + dV), (2)

или, раскрывая скобки и пренебрегая величиной второго порядка малости dp*dV, получим

. (3)

 Поделив обе части последнего выражения на dt, согласно определению (1) имеем:

. (4)

 Учитывая, что: , (5)

(где р0 – давление в начальной момент времени и, следовательно, постоянная величина), получим:

. (6)

 Формула (6) используется при экспериментальном определении скорости откачки насоса.

Описание установки

 Блок-схема лабораторной установки приведена на рис. 4, где приняты следующие условные обозначения: 2НВР-5ДМ – форвакуумный пластинчато-роторный насос; Б – откачиваемый баллон, ЛТ-4М манометрическая лампа, К – кран, соединяющий вакуумную систему с атмосферой.

 Предупреждения! К выполнению работ приступать только после ознакомления с описанием. При выполнении работы соблюдать следующие меры предосторожности:

 а) без разрешения преподавателя установку не включать;

 б) кран К открывать только при неработающем насосе;

в) при повороте рукоятки стеклянного вакуумного крана необходимо одной рукой поддерживать его за корпус, чтобы не сдвинуть с места крепления и не повредить;

г) во избежание перегорания нити нагревателя манометрической лампы нельзя устанавливать ток накала выше указанного значения на баллоне лампы.

Включение установки

1. Подготовьте к работе термопарный вакууметр, для чего переключатель "ДИАПАЗОН ИЗМЕРЕНИЙ" поставьте в положение "10-1¸10-3", а ручку реостата "РУГУЛИРОВКА ТОКА НАКАЛА" – в крайнее левое положение.

2. Подключите вакууметр к щитку питания (220В) и включите тумблер "СЕТЬ", при этом загорится сигнальная лампа.

3. Переключатель "ТОК НАКАЛА - ИЗМЕРЕНИЕ" поставьте в положение "ТОК НАКАЛА", реостатом "РЕГУЛИРОВКА ТОКА НАКАЛА" установите по нижней шкале прибора рабочий ток манометрической лампы ЛТ-4М, указанный на ее баллончике, после чего переведите переключатель в положение "ИЗМЕРЕНИЕ". Вакууметр готов к работе.

4.Закрыв кран К, изолируйте вакуумную систему от атмосферы, подготовьте таблицу для записи показаний и поворотом рубильника на щитке питания включите форвакуумный насос.

Определение скорости откачки форвакуумного насоса.

 Вам предлагается проследить за изменением давления в вакуумной системе с течением времени и по результатам наблюдений определить скорость откачки форвакуумного насоса в определенный момент времени работы насоса. Для этого:

1) Включите секундомер в тот момент времени, когда давление составит р0=2·10-1 мм.рт.ст. Отсчет давления производится по верхней логарифмической шкале вакууметра. Однако для упрощения процесса измерения рекомендуется предварительно производить отсчет в делениях средней линейной шкалы. Затем полученные показания перевести в мм.рт.ст. по верхней шкале или по прилагаемому градуировочному графику милливольтметра.

Величину давления рекомендуется отсчитывать через каждые 15 секунд в течение первой минуты, а затем через каждую минуту в течение 7¸10 минут.

2) Результаты измерений занести в табл. 2.

Таблица № 2

Время отсчета

Давление р

p0/p

ℓn(p0/p)

дел.

мм. рт. ст.

0

15"

30"

45"

1'

2'

.

10

2*10 -1

0

 3) Представьте изменение давления с течением времени графически, откладывая по оси Х время в секундах, а по оси У - ln(р0/р) (р0 = 2·10-1 мм рт.ст. – давление в начальный момент времени). Примерный вид графика представлен на рис. 5.

4) Определите скорость откачки форвакуумного насоса в момент времени t2=15c после включения секундомера. Для этого проведите касательную к кривой ln(р0/р) в точке ln(р0/р2), соответствующей t2=15c.

Затем по графику найти ординату касательной ln(р0/р'2), соответствующей t2=30c (р'2 – давление, которое установилось бы к моменту времени t2=30c, если бы скорость откачки оставалась неизменной с момента t2=15c).

 Тогда, как видно из рис. 5,

.

 Зная объем всей вакуумной системы V и определив по графику разность ln(p0/p'2) – (ln(p0/p1), вычислите скорость откачки S при давлении р1 по формуле

.

 Численное значение V приведено на установке. (V = 3,45 л.)

Контрольные вопросы

Какое состояние газа называется вакуумом? Высоким вакуумом?

Какие физические свойства газа используются в процессе получения вакуума?

В чем заключается принцип работы форвакуумного насоса? Диффузионного насоса?

Чем отличаются вакуумные масла от обычных смазочных масел?

Что называется скоростью откачки насоса? Отчего она зависит?

Опишите принцип действия термопарного вакууметра.

Как получают сверхвысокий вакуум?

Литература

Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Школа, 1990, с.85.

Кортнев Т.В., Рублев Ю.В., Куценко А,Н, Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1965, с. 172-184.

Методы измерения сопротивления

1. Метод с использованием амперметра и вольтметра, когда искомое сопротивление рассчитывают по закону Ома для участка цепи (рис. 1) , где  – ток в сопротивлении;  – напряжение на нем; R – сопротивление одного из участков резистивной проволоки.

Применение этой формулы предполагает, что внутреннее сопротивление амперметра         RА = 0, а внутреннее сопротивление вольтметра RV = ¥. В реальных условиях приходится вводить поправки на внутреннее сопротивление измерительных приборов. Когда измерения происходят по схеме 1, а, амперметр измеряет силу тока в исследуемом сопротивлении, а вольтметр измеряет падение напряжения на сопротивлениях R и RА. Такая схема включения трактуется как «точное измерение силы тока». В этом случае искомое сопротивление найдется по формуле

                                ,                                                                     (5)

где ,  – измеряются, RА берется из паспортных данных.

Когда измерения происходят по схеме 1, б, амперметр измеряет силу тока в параллельной цепи сопротивления R и вольтметра, а вольтметр измеряет падение напряжения только на исследуемом сопротивлении. Такая схема включения трактуется как «точное измерение напряжения». В этом случае искомое сопротивление найдется по формуле

                                                ,                                                                          (6)

где ,  – измеряются, RV берется из паспортных данных.

                2. Мостовой метод измерения сопротивления основан на балансе              4-плечного моста (см. описание к лаб. работе 3-3), в одно плечо которого введен измеряемый участок резистивного провода, или при использовании моста постоянного тока Р-333 с подключенным измеряемым сопротивлением.

Порядок выполнения работы

      Задание 1. Измерить неизвестное сопротивление методом амперметра и вольтметра.

      1. Включить прибор (рис. 2) в сеть.

      2. Установить метод измерения сопротивления. В нажатом положении переключателя реализуется метод амперметра и вольтметра.

                3. Подвижный электрический контакт фиксируют на разных точках резистивного провода. Для каждой точки измеряют длину  исследуемого участка провода, а также несколько раз силу тока  и напряжение  в электрической цепи по каждой измерительной схеме: а) «точное измерение напряжения»;  б) «точное измерение силы тока».

Для каждого опыта рассчитывают величину сопротивления R с учетом поправок на внутреннее сопротивление измерительных приборов:

для схемы п. 3а по формуле (6);

для схемы п. 3б по формуле (5).

Задание 2. Определение удельного сопротивления металла.

1. Измерить диаметр провода  и площадь сечения .

2. Из формулы (4) рассчитать удельное сопротивление . Результаты занести в таблицу.

3. Вычислить абсолютную и относительную ошибки измерений.

Контрольные вопросы

Каковы основные положения классической электронной теории металлов?

Запишите формулу для определения плотности тока.

Запишите закон Ома в дифференциальной форме.

Выведите закон Ома из электронных представлений.

В чем сущность электросопротивления металлов?

От каких параметров зависит сопротивление проводников?

Вывести расчетные формулы (5) и (6).

Список рекомендуемой литературы

Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т.2. – М.: Наука, 1982. §34, 77, 78. 496 с.

Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. §145 – 147.


Изучение цепи переменного тока