Описание лабораторной установки

Все элементы, необходимые для сборки электрических цепей (трансформатор, диоды, нагрузочное сопротивление, дроссель, конденсаторы), смонтированы на панели. Пульсирующее напряжение на нагрузке для различных выпрямительных схем изучается с помощью электронного осциллографа.

Порядок выполнения работы

1. Получение осциллограммы переменного тока. Собрать схему (рис.10.7) и подключить контакты нагрузочного сопротивления R_н к электронному осциллографу (Э.О.). Зарисовать картину на экране осциллографа.

Рис. 10.7

2. Однополупериодный выпрямитель. На базе предыдущей схемы собрать схему однополупериодного выпрямителя (рис. 10.8) и зарисовать картину с экрана осциллографа.

Рис. 10.8

3. Двухполупериодный выпрямитель. Собрать схему двухполупериодного выпрямителя (рис. 10.9) и зарисовать картину на экране. Обратите внимание, что в этом случае амплитуда колебаний в два раза меньше, чем для однополупериодного выпрямителя (при одинаковом числе витков во вторичной обмотке трансформатора).

Рис. 10.9

4. Мостовой выпрямитель. Собрать схему (рис. 10.10), которая является одним из возможных вариантов соединения диодов в мостовом выпрямителе (рис. 10.11). Зарисовать картину на экране осциллографа.

Рис. 10.10

Рис. 10.11

5. C-фильтр. На базе² предыдущей собранной схемы собрать схему мостового выпрямителя с С-фильтром (рис. 10.12). Зарисовать с экрана осциллографа картину сглаживания пульсирующего тока.

Рис. 10.12

6. L-фильтр. На базе предыдущей собранной схемы собрать схему мостового выпрямителя с L-фильтром (рис. 10.13). Зарисовать картину сглаживания пульсирующего тока.

Рис. 10.13

7. LC-фильтр. На базе предыдущей собранной схемы собрать схему мостового выпрямителя с LC-фильтром (рис. 10.14). Зарисовать картину сглаживания пульсирующего тока.

Рис. 10.14

Техника безопасности

При выполнении работы соблюдаются общие правила техники безопасности в лаборатории электричества.

Контрольные вопросы

1. Объяснить и проиллюстрировать эпюрами работу выпрямителя, собранного по любой из рассмотренных схем.

2. Обосновать достоинства и недостатки рассмотренных выше выпрямительных схем.

3. Почему выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя в два раза меньше, чем у однополупериодного и у мостового?

4. Какая схема выпрямителя является самой совершенной и почему?

5. Назначение фильтра. Виды фильтров.

6. Объясните, как работает двухполупериодный выпрямитель.

7. Объясните, как работает мостовой выпрямитель.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 2004 (1998). С. 460-465; 229-231.

2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. М.: Высш. шк., 2000. С. 623-626; 335-338.

Дополнительная литература

1. Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника: Учеб. пособие. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2001. С. 259-273.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

ПРОВЕРКА ЗАКОНА АМПЕРА И ИЗМЕРЕНИЕ

ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Цель работы – проверка линейной зависимости между силой тока в проводнике и силой Ампера, действующей на него, градуировка поля электромагнита в зависимости от тока в его обмотке.

Приборы и принадлежности: электромагнит, рамка, весы с разновесами, реостаты, амперметры, переключатель, однополюсные ключи.

Краткая теория

По закону Ампера величина и направление силы, действующей на элемент тока во внешнем магнитном поле с индукцией ,

,

поэтому модуль силы равен

Закон Ампера – дифференциальный и строго выполняется только для бесконечно малого элемента тока. Этот закон не может быть проверен непосредственным опытом, так как не может быть реализован отдельный элемент тока. Однако можно на опыте проверить следствия из закона Ампера для конечных проводников с током во внешнем магнитном поле. Для конечного проводника длиной l с током I имеем силу Ампера

где l – длина проводника;  – угол между направлением и

Если направление проводника с током перпендикулярно вектору индукции , то

(12.1)

Это следствие предлагается проверить в данной работе. В частности, можно проверить пропорциональность силы Ампера и силы тока в проводнике, длина которого l известна, а индукция поля электромагнита постоянна.

Второй задачей данной работы является градуировка поля электромагнита. Из формулы (12.1) следует, что

. (12.2)

Отсюда, зная ток I, длину проводника l и определяя силу F_А, можно вычислить величину индукции поля для определенного тока I_э в обмотке электромагнита. Изменяя ток I_э от нуля до некоторого значения I_{э max}, по формуле (12.2) определяем величину индукции В и строим график зависимости В от тока I_э.

Описание лабораторной установки

Установка состоит из электромагнита и питающей его электрической цепи, физико-технических весов, одна из чашек которых заменена медной рамкой, и электрической цепи, питающей рамку (рис. 12.1). Для проведения работы используется электромагнит панцирного типа, обмотки которого соединены последовательно. Питание электромагнита и рамки производится от выпрямителей. Схема питания показана на рис. 12.1, схемы а и б.

Рис. 12.1

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Проверка закона Ампера

1. Собрать электрические цепи электромагнита и рамки (см. рис. 12.1)

2. Определить точку равновесия n₀ (''нулевую точку'') ненагруженных весов по качаниям стрелки. Нулевая точка должна находиться не далее, чем на 5 делений вправо или влево от центра шкалы. В противном случае весы подлежат регулировке.

3. Определить с помощью небольшой гирьки (разновеса) цену деления весов , где m – масса разновеса; n – показания весов при такой массе разновеса.

4. Определить направление тока в электромагните, при котором рамка с проводником l втягивается между полюсами. Для этого замкнуть оба рубильника (К₁ и К₂) и поставить переключатель П в такое положение, при котором рамка с током опустится вниз (положение 1).

5. Весы привести в нерабочее положение, установить с помощью реостатов R₂ и R₃ в электромагните ток в 3-4 А и несколько раз переключить ток в обмотках (рубильник К₂ при этом выключить). Повторить эту операцию несколько раз, плавно снижая силу тока до нуля. Таким образом, сердечник электромагнита размагнитится.

6. Поставить переключатель П в положение 1 и замкнуть оба рубильника К₁ и К₂. В цепи электромагнита установить ток I_э=1 A. Такой же ток установить в цепи рамки ( I=1 A ).

7. Весы освободить от арретира и нагрузить чашку весов разновесками, приводя весы в равновесие. Равновесным положением весов считают такое, при котором новая нулевая точка весов n₁ хотя и отличается от первоначальной n₀, но находится в пределах шкалы весов. Записать массу m гирь.

8. Поддерживая ток в электромагните неизменным (I_э=1 A), увеличить ток I в рамке и повторить указанное измерение. Ток в рамке может быть доведен до 3-3,5 А. Результаты измерений записать в табл. 12.1.

Таблица 12.1

№ замера	Iэ, А	Ток в рамке I, А	Масса гирь			Уравновешивающая сила Р, Н	Сила Ампера FА, H
			n0	n1	m, мг
1 2 3 4 5

Уравновешивающая сила Р (вес гирь), равная силе Ампера, определяется по формуле

,

где  – цена деления шкалы весов; m – масса гирь при прохождении тока по рамке; g – ускорение свободного падения.

Упражнение 2. Измерение индукции поля электромагнита

1. Установить в рамке ток I=1 A, а в обмотках электромагнита оставить ток I_э=1 A.

2. Привести весы в равновесие и зафиксировать массу гирь на чашке.

3. При постоянной величине тока в рамке увеличить ток I_э в электромагните на 0,5 А и уравновесить весы. Повторить эти измерения 5-6 раз (пока ток в обмотках не достигнет 3,5 – 4 А).

Результаты измерений занести в табл. 12.2, аналогичную табл. 12.1, но имеющую добавочный столбец для величины индукции

.

Перед каждым измерением силы F_А необходимо произвести магнитную подготовку. Для этого при выключенном рубильнике К₂ переключателем П сделать 5-6 коммутаций тока в электромагните, постепенно уменьшая ток до нуля. После коммутаций оставить переключатель в положении 1.

4. По данным табл. 12.1 и 12.2 построить график F_A(I) зависимости силы Ампера от тока в проводнике и график B(I_э) зависимости магнитной индукции поля от тока в электромагните.

Техника безопасности

При выполнении работы соблюдайте общие правила техники безопасности лаборатории электричества.

Отчет о работе

Составляется в соответствии с общими требованиями.

Контрольные вопросы

1. Напишите уравнение закона Ампера.

2. Каков физический смысл вектора магнитной индукции? В каких единицах измеряется магнитная индукция B?

3. Как ведет себя рамка с током в однородном магнитном поле?

4. Как ведет себя рамка с током в неоднородном магнитном поле?

5. Почему два прямолинейных проводника, по которым текут токи одного направления, притягиваются?

6. Чем в данной работе создается магнитное поле, в которое помещается проводник с током?

7. С какой целью производится многократная коммутация тока, проходящего через электромагнит перед выполнением измерений?

8. Как проводится градуировка поля электромагнита?