Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физпрактикум. Часть 2. Электричество и магнетизм. Учебное пособие
.pdf
Модуль ФПЭ-02м позволяет изучать поляризацию сегнетоэлектриков в
зависимости от напряженности электрического поля; изучать и наблюдать петлю гистерезиса при различных значениях температуры как в режиме нагревания до точки Кюри, так и в режиме охлаждения до температуры окружающей
среды. В качестве объекта исследования используется специальный конденсатор с диэлектриком из триглицинсульфата (ТГСе), помещенный в термостат с
регулируемой температурой, а также предусмотрена возможность исследования
простого линейного конденсатора с потерями. Сбор и обработка измерительной
информации, её визуализация и документирование осуществляется с помощью
компьютерного информационно-измерительного комплекса ФПЭ-02м. Питание
модуля от сети 220 В. Модуль ФПЭ-02м может использоваться в двух режимах
работы:
автономная работа без компьютерного комплекса с использованием
стандартных измерительных приборов (осциллограф с XY-входами и вольтметры переменного тока);
с использованием компьютерного измерительного комплекса.
Программное обеспечение
Приблизительный вид основного окна программы ФПЭ-02М показан на
рис.5. Как видно из рис. 5, окно программы разбито на несколько областей
отображения:
Рис. 5.
21
1. Область диаграмм. Здесь отображается список сохраненных диаграмм
(см. ниже), а также текущая измеряемая диаграмма.
2. Область списка сохраненных значений. Любая диаграмма со всеми, со-
ответствующими ей, параметрами измерения может быть сохранена в списке
для последующего просмотра, анализа и обработки.
3. Область отображения измеренных значений.
4. Область панели инструментов. В данной программе, с целью упроще-
ния управления, визуально отсутствует "меню". Все управление осуществляется путем нажатия левой кнопки "мыши" на соответствующую пиктограмму панели инструментов. "Всплывающие" подсказки, появляющиеся при помещении
курсора "мыши" в область соответствующей пиктограммы, вкратце объясняют
то, что произойдет при нажатии на пиктограмму.
Окно списка сохраненных значений
В любой момент времени все текущие параметры измерения могут быть
сохранены в списке для последующего просмотра, анализа и обработки. Окно
списка сохраненных значений предназначено для отображения всех наборов
параметров, которые решено использовать для последующего анализа. Приблизительный внешний вид окна списка представлен на рисунке:
где: U1 — напряжение (в вольтах), подаваемое на сегнетоэлектрик;
Uх — часть напряжения U1 (в вольтах), подаваемая на X-вход ос-
циллографа;
Uу — напряжение (в вольтах), снимаемое с конденсатора С2 (подава-
емое на Y-вход осциллографа);
T — температура (0C) сегнетоэлектрика.
22
Единицы измерений приведены в заголовках столбцов вместе с самими
параметрами. Контрастным цветом на рисунке выделена строка, соответствующая измерению, которое в данный момент анализируется. Выбор анализируемой строки осуществляется путем подведения курсора и нажатием левой кнопки "мыши" на нужной строке таблицы. Добавление строки в список можно
осуществить только при наличии исправной аппаратуры (см. редактирование —
«внести в список»). Удаление анализируемой строки из списка можно осуществить в любое время (см. редактирование — «удалить из списка»).
Окно измерений
Точки, в которых производятся измерения соответствующих параметров,
отображены на условном изображении окна измерений.
Окно диаграмм
Здесь отображается список сохраненных диаграмм (см. рис. 6) в координатах Ux-Uy и текущая измеряемая диаграмма.
Рис. 6
Различными цветами на рисунке обозначены:
1. Текущая измеряемая диаграмма.
2. Выбранная диаграмма (см. окно списка).
3. Все остальные (т. е. не п.1 и не п.2) диаграммы.
23
Панель инструментов
Вся работа с программой ФПЭ-02М осуществляется с помощью панели инструментов, находящейся в нижней части окна программы, нажатием левой кнопки "мыши" в области соответствующей пиктограммы. При движении курсора
"мыши" внутри областей пиктограмм появляется короткая подсказка о выполняемом действии. Панель инструментов условно разделена на несколько групп.
Порядок выполнения работы
Задание 1. Получение основной кривой поляризации, опр. коэрци-
тивной силы и остаточной поляризации.
1. Ознакомиться с описанием установки и методом измерения.
2. Подготовить установку к работе: вывести ручки потенциометров в ну-
левое положение, переключатель термостата поставить в нейтральное положение, подключить к измерительной схеме сегнетоэлектрический конденсатор Сх.
3. Включить компьютер, подать напряжение на рабочий модуль, вращением ручек потенциометров (R3 и R2) получить на экране осциллографа предельную петлю гистерезиса. Занести показания в окно сохранения данных.
4. Вычислить по формулам (5), (6), (7) и (9) максимальную величину
электрического смещения D и напряжённости поля в веществе E, отношение
U1/U x, величину электрической проницаемости , величины Dr и Ес, в последнем случае беря соответствующее напряжение (вычислив коэфф. отклонения).
5. Уменьшая величину выходного напряжения U1, получить семейство
петель гистерезиса (см. рис.6) — не менее 7 петель. Для каждой петли произвести аналогичные вычисления, кроме 4 последних.
6. Записать результаты измерений в таблицу. Построить графики (см. рисунки 2.1, 2.2 и 2.3).
24
С2 = 1 мкФ, S = 21 мм2, h = 2 мм.
N
n/n
U
1
В
U1/Ux U
x
В
U
у
В
D
мак
Кл/м
2
E
мак
В/м
Ux(Ec)
B
E
c
B/м
Uy(Dr)
B
D
r
Кл/м
2
N
n/n
U
1
В
U1/Ux U
x
В
U
у
В
D
мак
Кл/м
2
E
мак
В/м
Т
С
Задание 2. Определение точки Кюри.
При определении точки Кюри используется термостат, который может
работать в двух режимах: «нагрев» — Выкл.— «охлаждение» (рис. 3.2 и рис
3.3). В термостате размещен только исследуемый сегнетоэлектрический конденсатор Сх. В процессе «нагрева-охлаждения» Сх можно фиксировать в памяти
компьютера любое количество промежуточных петель гистерезиса и соответствующих им значений параметров U1, Uх, Uу и 0С, формируя базу данных эксперимента. Сохранённые данные эксперимента можно использовать для анализа, обработки или обсчета, а также сохранять на любом доступном носителе
(HDD, FD, CD), а также выводить на печать. Драйвер печати поддерживает печать, как графических, так и алфавитно-цифровых элементов базы. Измеритель
температуры, расположенный на лицевой панели модуля ФПЭ-02м работает
только в автономном режиме выполнения лабораторной работы (без компьютерного комплекса). В основном штатном режиме отсчет температуры ведется
по данным, отображаемым в окне и протоколе сохраненных значений.
1. Установить на экране максимальную петлю гистерезиса.
2. Включить подогрев сегнетоэлектрика.
3. Повторить измерения при разных температурах (не менее 12; через 2
градуса вначале, в конце через 1, а затем через 0,5 градуса).
4. Построить зависимость проницаемости от температуры (см. рис. 2.4).
25
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
. 1. В чем заключается поляризация диэлектриков? Какая величина является количественной характеристикой поляризации? Как эта величина связана с напряженностью электрического поля в диэлектрике?
. 2. Опишите различные типы поляризации: электронного смещения, ионного смещения, ориентационную, спонтанную.
. 3. Определить понятие: «сегнетоэлектрическое состояние». Опишите основные свойства сегнетоэлектриков.
. 4. Как зависит диэлектрическая поляризация от температуры. Что такое температура Кюри?
. 5. Нарисуйте принципиальную электрическую схему для получения петли гистерези-
са и объясните ее работу.
. 6. Получите формулу, по которой в работе определяется диэлектрическая проницае-
мость сегнетоэлектрика.
26
Лабораторная работа № 2 (ФПЭ-04М)
ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА С ПОМОЩЬЮ
ДАТЧИКОВ ХОЛЛА
Цель работы: ознакомиться со структурой магнитного поля соленоидов
разной длины при различной напряженности магнитного поля с помощью датчиков Холла, ориентированных по координатам Х,Y.
Содержание: Введение. Аппаратное обеспечение. Программное обеспе-
чение. Порядок выполнения работы. Обработка результатов.
Введение. В пространстве, окружающем проводники с током или дви-
жущиеся заряды, возникает магнитное поле, которое можно обнаружить по
воздействию его на другой проводник с током или магнитную стрелку. Магнитное поле в каждой точке пространства количественно может быть описано с
помощью вектора напряженности магнитного поля Н или с помощью вектора
индукции магнитного поля В. В вакууме Н и В связаны соотношением:
В0 = 0Н0, – (1)
где 0 = 4 10
-7
Гн/м – магнитная постоянная.
Для вычисления напряжённости и индукции магнитного поля используют
закон Био – Савара – Лапласа, согласно которому магнитная индукция поля dВ,
создаваемого элементом тока idl в некоторой точке пространства на расстоянии
r, определяется выражением:
d В = 0/4 . i [dl r]/r3. (2)
Для нахождения магнитной индукции поля, создаваемого проводником
конечных размеров, надо воспользоваться принципом суперпозиции:
В = dВi = 0/4 . i [dli ri]/r
3
. (3)
i
В пределе сумма записывается в виде интеграла по контуру проводника с током.
Применим формулу (3) для вычисления магнитной индукции поля на оси
соленоида. Каждый виток соленоида — это круговой ток, поэтому первоначально вычислим её на оси кругового витка с током (рис.1).
27
Векторы dB перпендикулярны к плоскости, в которой лежат векторы idl и
r. Следовательно, они образуют конический веер. При сложении составляющих
магнитного поля dВ2, перпендикулярных к оси ОА, они компенсируют друг
друга вследствие симметрии контура. Составляющая вектора dB по оси равна:
dВ1 = dВ R/r = 0/4 . i dl/r2 . R/r.
Поэтому результирующий вектор В в точке А направлен вдоль оси круго-
вого тока и равен по модулю:
В = dВ1 = 0/4 . iR/r3 . dl = 0/4 . i 2R2/r3. (5)
При h = 0 формула (5) переходит в формулу для магнитной индукции в
центре кругового тока:
В = 0 . i/2R.
Перейдем теперь к вычислению поля соленоида, изображенного на рис. 2:
Пусть на единицу длины соленоида приходится n витков. Тогда на участке dz будет ndz витков, которые в точке O соленоида, согласно (5), создадут поле с магнитной индукцией:
dВz = 0/4 . i 2R2/r3 . ndz. (6)
На рис.3 отдельно изображены элемент dz, радиус-вектор и углы и
. Из геометрических построений (см. рис.2 и рис.3) следует, что
28
, . (7)
22
2
22
1
lR
l
cos;
)lL(R
lL
cos
22
0max
LR4
L
inB
Подставляем (7) в (.6) и интегрируем в пределах от 1 до 2:
В = dВz = В = 0/4 . i 2R2/r3 . ndz = (8)
= 1/2 0 n i (cos
– cos
1
),
2
где n = N/L — число витков на единице длины соленоида и
Максимальное значение магнитной индукции В
соответствует точке,
max
лежащей на середине оси соленоида, как это следует из (9):
. (10)
В случае бесконечного соленоида:
В = 0 n I. (11)
Аппаратное обеспечение
. (9)
На рис.4 показана лабораторная установка «Модуль ФПЭ-04м>>:
Рис.4.
Модуль ФПЭ-04м позволяет изучать свойства магнитного поля соленои-
да с помощью датчиков Холла при различных значениях напряженности магнитного поля, а также при изменении длины исследуемого соленоида. В качестве объекта исследования используется специальный 5-секционный соленоид
29
с различной длиной секций и различным количеством витков в каждой секции.
Сбор и обработка измерительной информации, её визуализация и документирование осуществляется с помощью компьютерного информационноизмерительного комплекса ФПЭ. На передней панели модуля расположены:
- переключатель секций соленоида;
- приборные гнезда для подключения измерительных приборов;
- тумблера: включения прибора и для включения тока соленоида;
- регуляторы тока соленоида.
На боковой поверхности корпуса расположен подвижный шток, перемещающийся внутри соленоида, в конце которого расположены два датчика Холла. Датчики ориентированы на восприятие магнитного поля по координатам X
и Y. Положение датчиков Холла относительно исследуемого соленоида считы-
вается либо по шкале на штоке, либо по показаниям специального датчика перемещения на экране монитора.
Программное обеспечение
Приблизительный вид основного окна программы ФПЭ-04М показан на
рисунке 5:
Как видно из рис.5, окно программы разбито на несколько областей отображения:
1. Область отображения измеренных значений.
Рис. 5.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]