Описание экспериментальной установки

Схема установки, предназначенной для изучения сложения колебаний напряжения в цепи, состоящей из двух последовательно соединенных элементов с импедансами (в общем случае – это элементы с комплексными сопротивлениями) и, показана на рис. 3.

Рис. 3

Генератор электрических колебаний Г, элементы исследуемой цепи и, а также вольтметрВ и входы x и y осциллографа О соединены через коммутатор К. Коммутатор позволяет осуществить четыре варианта измерений:

1. измерение напряжения на элементе;

2. измерение напряжения на элементе;

3. измерение напряжения на цепочке последовательно соединенных элементови;

4. измерение разности фаз колебаний напряжения на элементах и.

В

Рис. 4

качестве элемента цепииспользуется резистор. В качестве элемента цепииспользуются соединенныепараллельно резистор и конденсатор. Соответствующая схема показана на рис. 4.

Напряжение на резисторе равно напряжению на конденсаторе. Ток через конденсаторопережает по фазе ток через резисторна. Соответствующая векторная диаграмма для токов показана на рис. 5.

Из приведенной диаграммы следует, что

. (6)

Так как элементы исоединены последовательно, через них протекает один и тот же ток. Напряжениена резисторесовпадает по фазе с этим током. Напряжениена резисторесовпадает по фазе с током. Следовательно, разность фаз между напряжениямиитакая же, как и между токамии, т.е. равна углу, определяемому выражением (6).

Рис. 5

Напряжения ,иможно измерить как с помощью осциллографа, так и с помощью вольтметра. Измерения с помощью вольтметра предпочтительнее, так как точность таких измерений выше. При проведении этих измерений рекомендуется с помощью осциллографа следить за формой сигнала, подаваемого с генератора. Она должна быть синусоидальной. В случае искажения формы сигнала следует уменьшить напряжение на выходе генератора до уровня, обеспечивающего синусоидальную форму.

Задание к работе

1. Измерить с помощью вольтметра напряжения ,ив диапазоне частот, указанном в паспорте установки (по 10 значений для каждого из напряжений).

2. По результатам измерений найти фазовый сдвиг и.

3. Определить фазовый сдвиг иметодом фигур Лиссажу (рис. 2) для тех же частот, что и в п. 1.

4. Построить график зависимости от, рассчитанный теоретически по формуле (5).

5. На график нанести точки, полученные по пп. 2 и 3 (изображения точек, полученных по пп. 2 и 3, между собой должны различаться).

6. Экспериментально полученную зависимость отсравнить с теоретической. Сделать выводы о степени соответствия результатов, полученных разными методами.

Контрольные вопросы

1. Получить выражение (1) для результирующего колебания.

2. Доказать, что при взаимно перпендикулярных колебаниях с одинаковой частотой траекторией движения точки является эллипс (получить формулу (4)).

3. Как получена формула (5)? Как по виду эллипса на экране осциллографа определить разность фаз колебаний?

4. Получить выражение для ожидаемой зависимости от.

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Академия, 2004 (и др. годы изданий).

2. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Астрель, 2001 (и др. годы изданий).

Работа № 22

СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

Цель работы: экспериментально определить зависимость периода колебаний и логарифмического декремента от параметров контура. Полученные результаты сравнить с рассчитанными теоретически.

Физическая модель колебательного контура и описание свободных электромагнитных колебаний в нем

Под колебательным контуром обычно подразумевается устройство, состоящее из последовательно соединенных: конденсатора, катушки индуктивности и резистора (наличие резистора возможно, но не обязательно). Рассмотрим реальные элементы колебательного контура.

Основной характеристикой конденсатора является его емкость В идеальном конденсаторе нет диссипативных потерь энергии. Его импеданс (комплексное сопротивление) чисто реактивный. В реальных конденсаторах диэлектрик, заполняющий пространство между обкладками, может иметь небольшую электропроводность и поэтому возможны некоторые потери энергии на выделение джоулева тепла. Кроме того, при электрических колебаниях периодически происходит переполяризация диэлектрика, на которую также затрачивается некоторое количество энергии. В некоторых случаях приходится учитывать также тот факт, что кроме емкостиконденсатор, как и любой проводник, может иметь небольшое значение индуктивностивеличина которой зависит от конструкции конденсатора.

Основной характеристикой катушки индуктивности является ее индуктивность Идеальная катушка, в которой нет потерь энергии, имеет чисто реактивный импеданс. Однако если в катушке применяется сердечник, то при колебаниях в контуре часть энергии теряется на перемагничивание сердечника. Часть энергии теряется также на нагревание проводника обмотки, имеющей конечное значение сопротивления. Большое влияние на реальный импеданс катушки оказывают так называемые межвитковые емкости. Эти емкости имеют наименьшее значение в однослойных катушках с принудительным шагом (шаг спирали больше диаметра провода) и наибольшее – в многослойных катушках с намоткой внавал.

Реальные резисторы, кроме активного сопротивления , могут иметь некоторое значение индуктивности.

Обычно мы рассматриваем идеальный случай, полагая, что колебательный контур состоит из последовательно соединенных идеальных элементов и.

Рассмотрим колебательный контур, состоящий из этих элементов. При наличии электромагнитных колебаний в контуре энергия магнитного поля сосредоточена в катушке и равна . Энергия электрического поля сосредоточена в конденсаторе и равна. Полная энергия электромагнитного поля в контуре равна

. (1)

Если бы потерь энергии не было (), то энергиябыла бы постоянной, а производная от этой энергии по времени равнялась нулю. Если сопротивление отлично от нуля, то в резисторе выделяется джоулево тепло, на что расходуется энергия электромагнитного поля. При этом в соответствии с законом сохранения энергии, изменение энергиив единицу времени равно выделяемой тепловой мощности, взятой со знаком минус, т.е.

. (2)

Выражение (2) после вычисления производной можно привести к виду

. (3)

Если ввести обозначения ;, то получим уравнение

. (4)

Уравнение (4) является стандартной формой записи дифференциального уравнения любого линейного осциллятора, совершающего свободные затухающие колебания. Решением уравнения (4) является функция

, (5)

где частота колебаний . Для колебательного контура

. (6)

В выражении (5) произведение имеет смысл амплитуды, величина которой убывает со временем. Коэффициентназываетсякоэффициентом затухания. Чем больше коэффициент , тем быстрее со временем убывает амплитуда колебаний. Коэффициентвходит также в выражение для частоты колебаний. В идеальном случае, когда потери отсутствуют и коэффициентравен нулю,. Частотуназывают собственной частотой колебательной системы. Период свободных колебаний

. (7)

При отсутствии потерь энергии (или когда амплитуды двух соседних, отличающихся на один период колебаний, почти одинаковы и потерями энергии за один период по сравнению с можно пренебречь)

. (8)

Из выражения (7) следует, что с увеличением сопротивления периодтакже увеличивается и при приближениик значениюстремится к бесконечности. При значениях, больших чем, колебания становятся невозможными (период становится мнимой величиной). Сопротивление

(9)

называется критическим.

Решение дифференциального уравнения (4), представленное выражением (5), трудно проверить экспериментально, так как мы не располагаем прибором, позволяющим непосредственно измерять заряд конденсатора для каждого момента времени. Однако мы можем сравнительно легко измерить напряжение на конденсаторе. Напряжение на конденсаторе, имеющем емкость

. (10)

Для характеристики степени затухания колебаний колебательной системы кроме коэффициента затухания используетсялогарифмический декремент . Логарифмическим декрементом называется логарифм отношения амплитуд, соответствующих моментам времени, различающимся на период, т.е.

. (11)

Можно показать, что логарифмический декремент колебательного контура связан с параметрами контура соотношением

Если затухание мало, то в соответствии с (8) и

. (12)