Вимірювання змінного потенціалу, наведеного на тілі людини електричним полем промислової частоти

Завдання роботи:

провести вимірювання змінного потенціалу, наведеного на тілі людини електричним полем промислової частоти.

Обладнання:

– макетна плата;
– польовий транзистор з керуючим p-n переходом, n-канальний J108, J109, J110, J111 або J112;
– резистор опором 100…220 кОм, 0,25…1 Вт;
– конденсатор ємністю 1…2,2 мкФ;
– конденсатор ємністю 5…10 нФ;
– з’єднувальні провідники;
– елемент живлення «Крона», 9 В;
– тримач елементу живлення типу «Крона» (контактний майданчик зі з’єднувальними проводами);
– мультиметр.

Основні терміни та поняття

Електричне поле ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ У РЕЧОВИНІ ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ. ЕЛЕКРОСТАТИЧНЕ ПОЛЕ. НАПРУЖЕНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ. ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦІЇ ПОЛІВ ПРОВІДНИКИ В ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОМУ ПОЛІ (ЕЛЕКТРОСТАТИЧНА ІНДУКЦІЯ) – ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ У РЕЧОВИНІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ ТЕОРІЯ МАКСВЕЛЛА В ЯКІСНОМУ ВИГЛЯДІ ДІЮЧЕ ЗНАЧЕННЯ ЗМІННОГО СТРУМУ – ЗМІННИЙ СТРУМ Польові транзистори Польові транзистори Польові транзистори з керуючим р-n-переходом

Теоретична частина

Весь навколишній простір пронизаний електромагнітними полями, які розповсюджуються від їхнього джерела у вигляді електромагнітних хвиль. Існують природні і техногенні джерела електромагнітних полів.
До природних джерел електромагнітних полів належать: атмосферна електрика (блискавки, статичні розряди тощо), радіовипромінювання Сонця та галактик, електричне та магнітне поля Землі.
До техногенних джерел електромагнітних полів належать: електричні мережі, різноманітне промислове і побутове обладнання, антени радіопередавачів тощо.
Електромагнітні поля характеризуються напруженістю змінних електричного та магнітного полів.
Змінні електричні поля, які нас оточують, наводять змінний електричний потенціал на всіх тілах, що мають електричну провідність. Людське тіло також має електричну провідність, і на ньому також може наводитися змінний електричний потенціал.

У цій лабораторній роботі пропонується провести вимірювання змінного потенціалу, наведеного на тілі людини електричним полем промислової частоти (50 Гц), джерелом якого є електромережа.

Вимірюванню напруженості змінного електричного поля промислової частоти присвячена відповідна лабораторна робота “Вимірювання напруженості змінного електричного поля промислової частоти”. Для цього складається схема витокового повторювача, до якої підключаються вимірювальний конденсатор і мультиметр. Необхідність застосування витокового повторювача з надвисоким вхідним опором зумовлена істотним обмеженням струму через малу ємність вимірювального конденсатора – десятки або сотні пФ.

Електрична ємність людського тіла, змінний потенціал якого ми хочемо виміряти, також невелика і складає в середньому 80 пФ. Тому для його вимірювання нам також знадобиться схема з витоковим повторювачем. Схема для вимірювання змінного потенціалу, наведеного на тілі людини електричним полем промислової частоти, представлена на рисунку 2.

Повторювачем називається пристрій, який повторює вихідний сигнал. В електроніці застосовуються катодні (на електронних лампах), емітерні (на біполярних транзисторах) та витокові (на польових транзисторах) повторювачі. Повторювач характеризується високим коефіцієнтом підсилення за струмом та близьким до одиниці коефіцієнтом передачі напруги. Вони мають відносно високий вхідний опір та відносно низький вихідний опір. Особливо високий вхідний опір мають саме витокові повторювачі на польових транзисторах.

У схемі на рис. 2 витоковий повторювач складається з польового транзистора Q1, резистора R1 та конденсатора C1.

Під час вимірювання змінного потенціалу, наведеного на вашому тілі, треба взятися рукою за щуп (рис. 1). Сигнал з щупа подається до затвору польового транзистора. Конденсатор С1 призначений для відокремлення постійної складової від вихідного сигналу. З нього знімається вихідний сигнал і подається до мультиметра, увімкненого у режимі вимірювання змінної напруги (VAC). Конденсатор С2 номінальною ємністю 5…10 нФ разом з електричною ємністю вашого тіла утворює ємнісний дільник змінної напруги. Застосування ємнісного дільника необхідно, оскільки дуже часто наведений змінний потенціал на тілі людини значно перевищує напругу живлення витокового повторювача.

Для визначення змінного електричного потенціалу, наведеного на тілі людини, за результатами вимірів за схемою на рисунку 2 необхідно скористатися формулою:

де U_AC – показання мультиметра в режимі вимірювання змінної напруги;
С_Т – ємність людського тіла – в середньому 80 пФ = 80•10-12 Ф;
С₂ – ємність конденсатора С2 у вашій схемі – 5…10 нФ = 5•10-9….10•10-9 Ф.

У схемі витокового повторювача для вимірювань змінного електричного потенціалу, наведеного на тілі людини, можна застосувати резистор опором 100…220 кОм і конденсатор ємністю 1…2,2 мкФ.
На рисунку 3 наведені назви і розміщення електродів польових транзисторів J108, J109, J110, J111 та J112 на позначенні в електричних схемах та у виробах у корпусі ТО-92.

Виміряний змінний електричний потенціал, наведений на вашому тілі, дорівнює напрузі, наведеній на тілі відносно «-» живлення витокового повторювача. Якщо «-» джерела живлення з’єднати з заземленням, то ви виміряєте змінну напругу, наведену на вашому тілі відносно землі, потенціал якої дорівнює 0 В.
Як щуп застосовується з’єднувальний провід під макетні плати.

Хід роботи

1. На макетній платі складіть вимірювальну схему відповідно до схеми на рисунку 2 з урахуванням даних про розміщення електродів польових транзисторів на рисунку 3. Підключіть до схеми живлення і мультиметр. Приклад зібраної схеми наведено на рисунку 4.
2. Увімкніть мультиметр на режим вимірювання змінної напруги VAC.

3. Візьміться пальцями за щуп і зафіксуйте покази мультиметра.
4. За формулою (1) обчисліть значення змінного електричного потенціалу, наведеного на вашому тілі змінним електричним полем промислової частоти.
5. За можливості з’єднайте «-» джерела живлення вимірювальної схеми з заземлювальним проводом і визначте змінну напругу, наведену на вашому тілі відносно землі.

Аналіз даних

Дійдіть висновків щодо рівня змінного потенціалу і змінної напруги відносно землі, які наводяться на тілі людини електричним полем промислової частоти. Подумайте, як обчислити максимальний струм, що може протікати між вашим тілом і землею.