Электрическая схема установки представлена на рис.20.5. Схема расположения приборов на панельном щитке представлена на рис. 20.6: Щ 4313 – цифровые приборы для измерения силы тока и напряжений; Г6-7 – генератор звуковых колебаний; 1 – тумблер для включения установки в сеть; 2 – индикатор включения; 3 – переключатель вольтметра; C1, C2, L1, L2 – тумблеры для включения в цепь различных колебательных контуров.
НА ВЕРХНЕМ ПРИБОРЕ Щ 4313 – должны быть нажаты кнопки: "пит", "~", "V", "50", остальные отжаты. Прибор используется для измерения напряжения U С или U Г, в зависимости от положения тумблера 3.
Рис. 20.5
НА НИЖНЕМ ПРИБОРЕ Щ 4313 – должны быть нажаты кнопки: "пит", "~ ", "mA", "50", остальные отжаты. Прибор используется для измерения силы тока.
Рис. 20.6 |
НА ГЕНЕРАТОРЕ – переключатель формы сигналов – "~", переключатель "множитель" – в положении "10", крайний правый регулятор – на второй точке после нуля.
Перед началом выполнения работы ознакомьтесь с установкой и проверьте правильность включения приборов. Заполните метрологическую карту.
Порядок выполнения работы
1. Включите установку в сеть.
2. Установите на приборном щитке переключатели С и L в одно из положений: C1, L1; C2,L2; C2, L1; C1, L2 по заданию преподавателя.
3. Включите генератор тумблером "сеть".
При измерении частоты генератором имейте в виду: переключателем "множитель" частота сигнала меняется ступенчато, а регулятором, касающимся круга со шкалой – плавно. Величина измеряемой частоты будет равна произведению показания по шкале на круге и показания переключателя "множитель".
4. Изменяя частоту генератора в интервале от 100 до 4000 Гц, определите значение частоты, при которой наблюдается максимальное значение силы тока. Запишите резонансную частоту n0 и максимальную силу тока I max в таблицу 20.1.
Таблица 20.1.
n0, Гц | I max, mA | I (nmax)≈ I (nmin)≈0.5¸0.6 I max, mA. | nmin, Гц | nmax, Гц |
5. Найдите для исследуемого контура диапазон частот, в котором необходимо произвести измерения. Для этого определите две частоты nmax и nmin: большую и меньшую резонансной, при которых значение тока составляет примерно половину от максимального: I (nmax)≈ I (nmin)≈0.4¸0.6 I max.
6. В интервалах nmin ¸nрез и nрез ¸nmax возьмите по 10¸12 значений частоты и измерьте для каждой из них ток в контуре I, напряжение на конденсаторе UC, напряжение на генераторе U Г. Результаты запишите в таблицу 20.2.
Таблица 20.2
Параметры системы | № | n, Гц | I, мА | U С, B | U Г, B | w, с-1 |
Ci, Li | ||||||
Например, наибольшее значение силы тока I max=9 мA достигается при частоте n0≈2.9.103 Гц. Вычисляем I (nmax)≈ I (nmin)≈0.4¸0.6 I max≈4 мA. Уменьшая частоту, находим такое её значение nmin, при котором сила тока станет 4 мA. Далее увеличиваем частоту от n0 и находим такое её значение nmax, при котором также сила тока примерно равна 4 мA. Пусть nmin≈1.103 Гц, nmax≈7.103 Гц, тогда целесообразно производить измерения для следующих частот: 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0, 2.4, 2.6, 2.8, 2.9, 3.0, 3.2, 3.4, 3.6, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 7.0 (кГц).
Помните, что приборы измеряют действующее (или эффективное) значение токов и напряжений.
7. Вычислите циклическую частоту w =2pn для всех значений n.
8. По заданию преподавателя повторите измерения, сделанные по пунктам 4, 5, 6, 7 для других контуров.
9. Результаты измерений занесите в таблицу 20.2.
10. Постройте графики зависимостей I = f (w); U C= f (w) и U Г= f (w), причем последние два графика обязательно строить в одних и тех же осях.
11. Из графиков зависимости U C= f (w) и U Г= f (w) определите e, U C(w 0) и U Г(w 0) (см.рис.20.4).
12. Из графика зависимости I=f (w) найдите w 0, D w и I (w 0) (см.рис.20.3).
13. Рассчитайте активное сопротивление всей цепи R, сопротивление генератора r и активное сопротивление колебательного контура R К:
14. Найдите величину индуктивности катушки L и емкости конденсатора С (см.формулы (20.4) и (20.30)):
.
15. Вычислите добротность колебательного контура двумя способами по следующим формулам и сравните результаты (см.формулу (20.29)):
.
16. Результаты всех вычислений запишите в таблицу 20.3. Сделайте выводы.
Таблица 20.3.
w 0, с-1 | e, В | U C(w 0), В | U Г(w 0), В | I (w 0), мА | D w, с-1 | R, Ом | r, Ом | R К, Ом | L, Гн | C, Ф | ||
Контрольные вопросы
1. Какие процессы называются электромагнитными колебаниями? Что такое колебательный контур? Дайте понятие свободных и вынужденных электромагнитных колебаний.
2. Запишите дифференциальное уравнение для свободных колебаний в колебательном контуре и его решение. Рассмотрите два случая: идеальный колебательный контур (R =0) и контур, сопротивление которого R ≠0 Проанализируйте их.
3. Какую величину называют коэффициентом затухания, логарифмическим декрементом затухания? В чем их физический смысл?
4. Выведите дифференциальное уравнение, описывающее вынужденные электромагнитные колебания и запишите его решение.
5. Как зависят от времени ток в цепи, напряжение на конденсаторе и его заряд при вынужденных колебаниях? Нарисуйте графики этих зависимостей.
6. От чего зависит амплитуда вынужденных колебаний? Какое явление называется резонансом и какова его роль?
7. При каком значении частоты сила тока в цепи максимальна? При каком значении частоты максимален заряд конденсатора? Напряжение на конденсаторе?
8. Дайте определение добротности колебательного контура. От чего зависит добротность? Как отличаются резонансные кривые для контуров с различной добротностью?
9. Почему добротность является важнейшей характеристикой резонансных свойств и как она определяется в работе?
10. Докажите формулы (20.27) и (20.28).
Используемая литература
[1] §§ 28.1-28.3;
[2] §§ 19.1, 19.6, 19.7;
[3] §§ 3.7, 3.8, 3.10;
[4] т.2, §§ 89-91;
[5] §§ 143, 146-150.
Лабораторная работа 2-21
Изучение явления взаимной индукции (ФПЭ-05)
Цель работы: исследование явления взаимной индукции двух коаксиально расположенных (соосных) катушек.
Теоретическое введение
Рассмотрим два контура 1 и 2, расположенные на некотором расстоянии друг от друга (рис. 21.1). Если по контуру 1 пропустить ток I 1, то он создает поток магнитной индукции через контур 2, который будет пропорционален току I 1:
(21.1)
. (21.2)
Формула (21.2) является универсальной и справедлива независимо от того, каким способом будут изменять магнитный поток: изменяя индукцию магнитного поля, либо изменяя площадь контура (деформируя контур), либо изменяя ориентацию контура относительно линий магнитной индукции. Более того, формула (21.2) справедлива и для незамкнутого проводника, тогда под dФ нужно понимать пересеченный магнитный поток при движении проводника.
Знак «–» в (21.2) связан с законом сохранения энергии и означает, что индукционный ток всегда имеет такое направление, что его магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшему индукционный ток. Это – правило Ленца. Таким образом, ЭДС индукции во втором контуре (рис.21.1) равна:
. (21.3)
Формула (21.3) справедлива в отсутствие ферромагнетиков. Если поменять местами контуры 1 и 2 и провести все предыдущие рассуждения, то получим:
(21.4)
Можно показать, что коэффициенты взаимной индукции равны:
. (21.5)
Экспериментальная часть
Приборы и оборудование: звуковой генератор PQ; электронный осциллограф PO; модуль “взаимоиндукция” ФПЭ-05; вольтметр PV (прибор комбинированный Щ-4313).
Функциональная схема установки представлена на рис. 21.2.
Электрическая принципиальная схема модуля ФПЭ-05 “Взаимоиндукция” представлена на рис. 21.3, где: L1, L2 – катушки индуктивности на одной оси; П1, П2 – переключатели катушек; Ш – шток со шкалой, показывающей взаимное расположение катушек L1 и L2.
Методика измерений
В данной работе измеряется коэффициент взаимной индукции между длинной катушкой 1 (L1) и короткой катушкой 2 (L2), которая надевается на катушку 1 и может перемещаться вдоль ее оси. Питание одной из катушек, например 1, осуществляется от генератора звуковой частоты PQ, напряжение с которого
(21.6)
подается через сопротивление R. Вольтметр, подключенный к панели PQ, измеряет действующие значения напряжения . Величина R выбирается таким образом, чтобы выполнялось неравенство
, (21.7)
где L 1 – индуктивность катушки 1, R 1 – ее активное сопротивление (R =10 кОм). В этом случае ток, протекающий через катушку 1, можно определить по формуле:
(21.8)
Переменный ток в катушке 1 создает переменную ЭДС взаимной индукции в катушке 2:
. (21.9)
Для измерения используется осциллограф. Амплитуда ЭДС взаимной индукции
, (21.10)
где ν – частота звукового генератора. Из формулы (21.10) имеем:
. (21.11)
Если поменять местами катушки 1 и 2, то можно аналогично измерить
. (21.12)
Экспериментальная установка.
Для изучения явления взаимной индукции предназначена кассета ФПЭ – 05 «Взаимоиндукция», в которой расположены две катушки индуктивности 1 (L1) и 2 (L2) на одной оси (рис.21.4) и шток со шкалой (Ш), показывающий взаимное расположение катушек 1 и 2. Принципиальная схема установки показана на рис. 21.2. Для перестановки катушек необходимо переключатели П1 и П2 перебросить в противоположное положение. Электрическая схема подключения показана на рис. 21.5. Модуль ФПЭ-05 подключается к звуковому генератору РQ. Вольтметр PV, подключенный к панели РQ, измеряет действующие (эффективные) значения напряжения
(21.13)
Для измерения амплитуды ЭДС взаимной индукции используется электронный осциллограф (РО).
Порядок выполнения работы
Задание 1: Измерение коэффициентов взаимной индукции М21 и М12 и исследование их зависимости от взаимного расположения катушек.
1. Подать напряжение на установку.
2. Ознакомиться с работой электронного осциллографа и звукового генератора.
3. Задать напряжение U эфф=2 В и частоту сигнала генератора ν=10 кГц, подать напряжение на катушку 1, а ЭДС катушки 2 подать на осциллограф (переключатели П1 и П2 в крайнее левое положение). Переключатель “V/дел” на передней панели осциллографа РО установить в положение 0.05 В/дел.
4. Установить подвижную катушку 1 в крайнее переднее положение. Перемещая ее в противоположное крайнее положение через 10 мм, записывать значение координаты Z (расстояние между центрами катушек) и ЭДС взаимной индукции ε 02 в цепи катушки 2, измеренную по экрану осциллографа, в табл. 21.1.
5. По формуле (21.11) рассчитать значение М 21. Полученные данные занести в таблицу 21.1.
6. Поменяв местами катушки L1 и L2 (оба переключателя П1 и П2 в крайнее правое положение), повторить измерения по пунктам 3, 4 и рассчитать М12.
7. Построить графики зависимости М 21 и М 12 как функции координаты Z (расстояние между центрами катушек 1 и 2).
Задание 2: Измерение М21 при различных значениях амплитуды питающего напряжения.
1. Поставить катушку 1 в среднее положение относительно катушки 2. (Выдвинуть шток до положения “50”).
2. Задать частоту звукового генератора PQ ν=20 кГц.
3. Измерить амплитуду ЭДС взаимной индукции ε 02 при различных значениях напряжения U эфф в цепи катушки 1 в интервале 0÷5 В через 0.4 В.
4. По формуле (21.11) рассчитать М 21. Полученные данные занести в таблицу 21.2.
Таблица 21.1
U эфф=2 В, ν=10 кГц | ||||||
Z, мм | e 02 | М 21, Гн | e 01 | М 12, Гн | ||
дел. | В | дел. | В | |||
Таблица 21.2
ν=20 кГц | |||||||||||||
U эфф, В | 0.4 | 0.8 | 1.2 | 1.6 | 2.0 | 2.4 | 2.8 | 3.0 | 3.4 | 3.8 | 4.2 | 4.6 | 5.0 |
e 02, В | |||||||||||||
М 21, Гн |
Таблица 21.3
U эфф=2.5 В | ||||||||||
ν, кГц | ||||||||||
e 02, В | ||||||||||
М 21, Гн |
Задание 3: Измерение М21 при различных частотах питающего напряжения.
1. Поставить катушку 1 в среднее положение относительно катушки 2. (Выдвинуть шток до положения “50”).
2. Задать напряжение звукового генератора U эфф=2.5 В.
3. Измерить амплитуду ЭДС взаимной индукции ε 02 при различных частотах звукового генератора в интервале (5÷50) кГц через 5 кГц.
4. По формуле (21.11) рассчитать М 21. Полученные данные занести в табл. 21.3.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте закон электромагнитной индукции Фарадея и правило Ленца.
2. Как применить закон Фарадея для определения разности потенциалов на концах прямолинейного проводника, движущегося в магнитном поле?
3. В чем состоит явление взаимной индукции?
4. Чему равна ЭДС взаимной индукции двух контуров?
5. От чего зависит коэффициент взаимной индукции?
6. Выведите расчетные формулы (21.11) и (21.12).
7. Объясните график зависимости М 21= f (Z), полученный в данной работе.
8. Нарисуйте линии магнитного поля катушки индуктивности.
9. Нарисуйте линии магнитного поля системы катушек 1 и 2 для различного положения катушки 1 относительно катушки 2 (см.рис.21.4).
Используемая литература
[1] §§ 25.1, 25.3;
[2] § 17.2;
[3] § 2.46;
[4] т.2, §§ 50, 66;
[5] §§ 123, 128.
Лабораторная работа 2-22
Электростатика
Цель работы: определение емкости проводников с помощью электрометра.
Теоретическое введение
Электроемкость уединенного проводника - это одна из его характеристик, которая показывает, какой заряд нужно сообщить данному проводнику, чтобы его потенциал изменился на единицу, и определяется по формуле:
, (22.1)
где C - емкость проводника; j - потенциал, который получил проводник при сообщении ему заряда q.
Электроемкость проводника зависит от его размеров, формы, наличия по соседству других проводников и от диэлектрической проницаемости среды.
Единицей электроемкости в системе СИ является 1 Фарад - это электроемкость такого проводника, потенциал которого при сообщении заряда в 1 Кулон изменяется на 1 Вольт.
Ёмкость проводника сферической формы радиуса R можно найти, если учесть, что электростатическое поле такого заряженного проводника сферически симметрично и при такое же, как поле точечного заряда, расположенного в центре сферы:
; .
Следовательно, потенциал поверхности сферы равен
,
и из (22.1) получим:
. (22.2)
Конденсатором называется совокупность двух любых проводников, способных накапливать энергию электрического поля между обкладками.
Емкость конденсатора определяется отношением заряда на одной из его обкладок к разности потенциалов между обкладками:
. (22.3)
В большинстве случаев форма обкладок конденсатора и их взаимное расположение подбирают таким образом, чтобы внешние поля существенно не влияли на электрическое поле между ними и силовые линии, начинающиеся на одной из обкладок, обязательно заканчивались на другой. Благодаря этому всегда обеспечивается равенство абсолютных значений зарядов на обкладках.
К простейшим типам конденсаторов относятся плоские, сферические и цилиндрические.
Рис.22.1 Рис.22.2 Рис.22.3 |
Емкость приведенных на рисунках 22.1–22.2 конденсаторов может быть рассчитана по формулам:
плоский конденсатор (рис. 22.1):
; (22.4)
сферический конденсатор (рис. 22.2):
; (22.5)
цилиндрический конденсатор (рис. 22.3):
(22.6)
Для вычисления разности потенциалов на обкладках конденсатора воспользуемся формулой связи напряженности электростатического поля и потенциала: ; или, то же самое в интегральной форме: . Интегрировать здесь будем по радиус-вектору, проведенному от внутренней обкладки к внешней. Вектор напряженности поля направлен радиально (в силу симметрии), тогда
. (22.7)
Напряженность поля между обкладками можно найти по теореме Остроградского-Гаусса (22.8), согласно которой поток вектора напряженности электростатического поля через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме свободных зарядов, охваченных поверхностью, деленной на εε 0:
. (22.8)
В качестве Гауссовой поверхности в нашем случае следует взять сферу, концентрическую обкладкам, радиусом r: R 1< r < R 2. Из-за симметрии напряженность поля в любой точке сферы одинакова и совпадает по направлению с нормалью к поверхности в данной точке, и величину Е можно вынести из под знака интеграла в (22.8), а . В правой части (22.8) суммарный заряд, охваченный Гауссовой поверхностью, - это заряд внутренней обкладки, то есть заряд конденсатора q. Тогда
. (22.9)
Здесь учтено, что - площадь сферы. Выразив Е из (22.8) и подставив в (22.7), получим:
,
откуда с учетом (22.3) получается (22.5).
Аналогично докажем (22.6). В качестве Гауссовой поверхности здесь следует взять цилиндр, коаксиальный обкладкам цилиндрического конденсатора, радиусом r: r 1< r < r 2 и длиной l. Тогда из (22.8) получим:
.
Далее, из (22.7):
,
Откуда с учетом (22.3) получим (22.6).
Конденсаторы характеризуются не только их электрической емкостью, но также и напряжением пробоя – такой минимальной разностью потенциалов обкладок, при которой происходит электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе.
Рис. 22.4 |
В тех случаях, когда емкости одного конденсатора оказывается недостаточно, конденсаторы соединяют параллельно (рис.22.4). При этом напряжение на конденсаторах оказывается одинаковым: U i= U. Общий заряд батареи
,
где n - общее число конденсаторов; q i - заряд i-го конденсатора. С учетом того, что из (22.3) заряд каждого конденсатора qi=C i U i, где С i - емкость i-го конденсатора, а общий заряд q=CU,
Рис. 22.5 |
,
и после сокращения:
(22.10)
Емкость батареи конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.
Последовательно конденсаторы соединяют в том случае, когда их нужно включить в цепь с напряжением выше того, на которое рассчитан отдельный конденсатор. При последовательном соединении конденсаторов (рис. 22.5) заряды на конденсаторах одинаковы: q i= q, а полное напряжение на батарее равно сумме напряжений:
.
С учетом (22.3) , , тогда получим:
,
и после сокращения:
, (22.11)
то есть величина, обратная емкости батареи, равна сумме обратных величин емкостей отдельных конденсаторов.
При последовательном соединении заряды на конденсаторах одинаковы, напряжение на них распределяется в зависимости от их емкостей, что уменьшает возможность пробоя конденсатора.
Экспериментальная часть
Приборы и оборудование: электрометр с заземлённым корпусом, проводники (металлические шары), круглые пластины, цилиндрический конденсатор (коаксиальный кабель), два диэлектрических тела (пластмассовая линейка и целлюлоза).