4.4 Порядок виконання завдання 2

1. Увімкнути осцилограф. За допомогою ручок "Яркость" та "Фокус" отримати чітку лінію розгортки. Ручками "", "" встановити лінію розгортки в центрі екрану.

2. Ввімкнути звуковий генератор 1. З клеми "Вихід 600 Ом" звукового генератора 1 за допомогою кабелю подати на вхід Y осцилографа (ліва бокова панель) сигнал з частотою 3 кГц.

3. Перемикач "V/дел." установити в такому положенні, щоб сигнал на екрані осцилографу був як можна більшим, але не виходив за межі робочої частини екрану.

4. На правій боковій панелі тумблер "Разверт." встановити в нижнє положення.

5. Ввімкнути звуковий генератор 2. З клеми "Вихід 600 Ом" звукового генератора 2 за допомогою кабелю подати на вхід X осцилографа (права бокова панель) сигнал з частотою 0,9 кГц.

6. Змінюючи амплітуду вихідного сигналу генератора 2 за допомогою ручки, що знаходиться над клемами виходу, добитися, щоб сигнал не виходив за бокові межі екрану.

7. Поступово збільшувати частоту сигналу генератора 2 від 0,9 до 10 кГц і фіксувати ті значення, при яких спостерігаються нерухомі фігури – фігури Лісcажу. Схематично зобразити ці фігури у звіті.

8. Зробити висновок відносно того, як співвідношення частот генераторів 1 і 2 впливає на зовнішній вигляд фігур Ліссажу.

Контрольні запитання

1. Яке призначення осцилографа?

2. Опишіть будову електронно-променевої трубки, дайте її схематичне зображення.

3. Дайте визначення чутливості ЕПТ.

4. Що таке розгортка?

5. Як здійснюється процес синхронізації сигналу?

6. Що таке фігури Ліссажу?

7. Зобразіть блок-схему осцилографа і поясніть основні принципи його роботи.

8. Як за допомогою осцилографа вимірюють амплітуду і період сигналу, що досліджується?

9. Як визначити ефективне значення і частоту напруги за допомогою осцилографа?

10. Як зовнішній вигляд фігур Ліссажу залежить від співвідношення частот коливань, що додаються?

Література

1. Савельев И.В. Курс общей физики. - т.2, М.: Наука,1982.- С.201-204.

2. Трофимова Т.И. Курс физики.- М: Высшая школа, 1990.- С.227-229.

3. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики.-

т.2,К.:Техніка, 2001.-С.227-231.

Інструкцію склав доцент кафедри фізики ЗНТУ Манько В.К.

5 Лабораторна робота № 22.1 вивчення законів постійного струму

Мета роботи: вимірювання опору провідника різними методами, розрахунок питомого опору, перевірка залежності R = f(l).

Прилади і обладнання: експериментальна установка.

5.1 Теоретична частина

Електричним струмом називається направлений рух електричних зарядів. В металах та напівпровідниках струм зумовлений рухом електронів провідності, у провідних розчинах (електролітах) –позитивними та негативними іонами, у газах – іонами та електронами. За напрямок струму прийнятий напрямок направленого руху позитивних зарядів.

Для кількісної характеристики електричного струму використовують дві основні величини: сила струму та його густина.

Сила струму І , або просто струм – це швидкість перенесення заряду q через поперечний переріз провідника

. (5.1)

Сила струму – скалярна величина. В інтернаціональній системі одиниць (СІ) струм вимірюється в амперах (А). Це основна одиниця СІ. Струм вимірюється також у міліамперах (mA, мА) та мікроамперах (µA, мкА).

При нерівномірному розподілі струму по поперечному перерізу провідника введена фізична величина – густина струму j. Це струм, який протікає через одиницю площі поперечного перерізу

. (5.2)

Вимірюється густина струму в А/м².

Силу струму І крізь визначену поверхню S знаходять інтегруванням:

. (5.3)

Густина струму – вектор, напрямок якого співпадає з вектором швидкості позитивних зарядів. Густину струму j можна визначити через концентрацію n вільних зарядів q та швидкість їх направленого руху V

J= qnV. (5.4)

Якщо стан провідника залишається незмінним (температура, густина і т. д.), то для кожного провідника існує залежність між напругою U, прикладеною до його кінців, струмом І та опором R

. (5.5)

Це закон Ома для дільниці кола в інтегральній формі. За законом Ома в диференціальній формі густина струму j у провіднику прямо пропорційна напруженості Е ел. поля в ньому, де σ – питома ел. провідність провідника

. (5.6)

Тут - питомій опір, який залежить від температури і для різних матеріалів різний. Для певної температури його можна знайти в довідникових таблицях. Опір провідника залежить від його геометричних розмірів: довжини та площі перерізу S

. (5.7)

При і S = 1x1 м² із (5.7) одержуємо , тобто питомий опір – це опір куба з ребром 1 м при протіканні струму між протилежними гранями. Вимірюється питомий опір в СІ в Ом·м.

Закон Ома для замкненого кола:

, (5.8)

де ε – електрорушійна сила джерела струму; R – зовнішній опір кола; r – внутрішній опір джерела струму.

При проходженні струму через провідник останній нагрівається. Кількість теплової енергії у провіднику пропорційна його опору, квадрату сили струму та часу:

. (5.9)

Якщо сила струму змінюється у часі, то:

(5.10)

Співвідношення (5.9) та (5.10) відображають закон Джоуля-Ленца. Кількість теплоти w, яка виділяється в одиниці об'єму провідника за одиницю часу, називається питомою потужністю w струму. Тоді закон Джоуля-Ленца диференціальній формі має вигляд:

. (5.11)

Для розрахунку електричних схем, особливо розгалужених, застосовуються закони Кірхгофа. При цьому оперують такими поняттями:

• вузол електричної схеми–це точка, де сходяться більше двох провідників (див. рис.5.1, точки а, б);

• вітка – частина схеми між двома сусідніми вузлами. На вітці розгалуження немає, тому струм у всіх елементах вітки однаковий;

• контур – довільна замкнута частина схеми;

• лінійно незалежні контури – це такі, які відрізняються хоча би однією віткою.

Перший закон Кірхгофа: алгебраїчна сума струмів у вузлі дорівнює нулю . (5.12)

Струми, направлені до вузла і від нього беруться з протилежними знаками. n – кількість провідників, що сходяться у вузол.

Другий закон Кірхгофа: алгебраїчна сума падінь напруг на елементах контуру дорівнює алгебраїчній сумі е.р.с. у цьому ж самому контурі.

. (5.13)

У цих сумах знак “плюс” береться тоді, коли напрямок струму чи напрямок дії е.р.с. співпадає з довільно вибраним напрямком обходу контуру. В противному разі береться знак “мінус”. k – це кількість елементів у контурі, m – кількість джерел е.р.с. у тому ж контурі.

Приклад. Нехай маємо схему рис.5.1. Вона містить два вузли а, б, три вітки і два лінійно незалежні контури.

Довільно задаємо напрямки струму у вітках та напрямки обходу контурів.

Записуємо рівняння першого закону Кірхгофа у кількості на одне менше, ніж кількість вузлів (у нашому прикладі одне рівняння, наприклад, для вузла а:

. (5.14)

Записуємо рівняння другого закону Кірхгофа для лінійно незалежних контурів, у нас два:

Для контуру І: , (5.15)

Для контуру ІІ: . (5.16)

Система трьох рівнянь (5.14)–(5.15) дає можливість розрахувати значення трьох струмів.

Для того, щоб одержати різні значення опорів їх з’єднують послідовно (рис.5.2) і паралельно (рис.5.3).

При послідовному з'єднанні загальний опір дорівнює сумі опорів

. (5.17)

При паралельному з’єднанні обернений сумарний опір дорівнює сумі обернених опорів

. (5.18)