- •Глава II. Электрические свойства
- •2.1. Построение эквипотенциальных и силовых линий электростатического поля
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.2 Измерение электрических сопротивлений мостиком Уитстона
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.3 Изучение явления термоэлектронной эмиссии и определение работы выхода электрона
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •Значения температуры вольфрамового катода
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.4 Определение электроемкости конденсатора при помощи милликулонметра.
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.5 Определение электроемкости конденсатора мостом Сотти
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.6. Резонанс напряжения
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.7 Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли при помощи тангенс-буссоли
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.8. Снятие кривой намагничивания ферромагнетика
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.9 Определение удельного заряда электрона
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.10 Изучение вакуумного диода и определение удельного заряда электрона
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.11 Снятие кривой намагничивания и петли гистерезиса с помощью осциллографа
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •Часть 1. Снятие кривой намагничивания
- •Часть 2. Снятие петли гистерезиса и определение потерь на перемагничивание.
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.12. Градуировка амперметра и вольтметра
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •I часть. Градуировка амперметра.
- •II часть. Расширение границ измерения амперметра.
- •III часть. Градуировка вольтметра.
- •IV часть. Расширение границ измерения вольтметра.
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.13. Измерение мощности переменного тока и сдвига фаз между током и напряжением
- •I. Теоретическое введение
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •I часть. Измерение характеристик электрического тока.
- •II часть. Исследование зависимости cos от величины индуктивного сопротивления цепи.
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
- •2.14. Изучение работы электронно-лучевого осциллографа
- •I. Теоретическое введение
- •Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний. Фигуры Лиссажу.
- •II. Приборы и принадлежности
- •III. Описание экспериментальной установки и метода измерения
- •IV. Выполнение работы
- •Часть I. Определение амплитудного и действующего переменного напряжения.
- •Часть II. Измерение частоты периодического сигнала.
- •Часть III. Измерение сдвига фаз сигналов по осциллограмме.
- •Часть IV. Измерение сдвига фаз сигналов с помощью фигур Лиссажу.
- •V. Содержание отчета
- •VI. Контрольные вопросы
V. Содержание отчета
Отчет по работе составляется в произвольной форме и должен содержать:
Краткое описание работы.
Электрические схемы.
Расчетные формулы.
Экспериментальные данные и результаты расчетов (в таблице).
График cos = f (L)..
Выводы.
VI. Контрольные вопросы
1.Что называется действующим или эффективным значением тока?
2.Что называется действующим или эффективным значением напряжения?
3.Дайте определение активного, индуктивного, емкостного и полного сопротивлений цепи переменного тока.
4.Сформулируйте закон Ома для полной цепи переменного тока.
5.Запишите выражение для мгновенной и средней мощности цепи переменного тока.
6.Что такое коэффициент мощности и от чего он зависит?
7. Почему в выражении для мощности в случае переменного тока появляется?
8. Почему между током и напряжением в цепи переменного тока появляется сдвиг по фазе.
9. Конденсатор емкостью 20 мкФ и резистор, сопротивление которого 150 Ом, включены последовательно в цепь переменного тока частотой 50 Гц. Какую часть напряжения, приложенного к этой цепи, составляют падения напряжения на конденсаторе и резисторе?
10. катушка с активным сопротивлением 10 Ом и некоторой индуктивностью включена в цепь переменного тока с напряжением 127 В и частотой 50 Гц. Найдите индуктивность катушки, если известно, что катушка поглощает мощность 400 Вт и сдвиг фаз между током и напряжением 600 .
11. В цепь переменного тока напряжением U=220В включены последовательно емкость С, сопротивление R и индуктивность L. Найдите падение напряжения UR на сопротивление, если известно, что падение напряжения на конденсаторе UС =2 UR, на индуктивности UL=3 UR.
12. Активное сопротивление R и индуктивность L соединены параллельно и включены в цепь переменного тока напряжением 127 В и частотой 50 Гц. Найдите сопротивления R и индуктивность L, если известно, что цепь поглощает мощность 404 Вт и сдвиг по фаз между током и напряжением 600 .
2.14. Изучение работы электронно-лучевого осциллографа
Цель работы: изучить устройство электронно-лучевого осциллографа, овладеть навыками осциллографических измерений.
I. Теоретическое введение
Осциллограф в основном применяется для следующих целей:
Для исследования напряжения или тока быстропеременных процессов в зависимости от времени (форма кривой) или в зависимости от напряжения или тока другого процесса.
Для сравнения амплитуд двух напряжений или двух токов.
Для сравнения фаз двух токов, двух напряжений или тока и напряжения.
Для определения частот колебаний, измерения малых промежутков времени.
Электронный осциллограф может быть также использован для исследования изменения любой физической величины, если эти изменения могут быть преобразованы в изменения напряжения в электрической цепи. Например, используя микрофон, можно преобразовать колебания давления воздуха при распространении в нем звука в механические колебания диафрагмы, колебания диафрагмы вызывают колебательное движение связанной с ней катушки в поле постоянного магнита, а это движение катушки сопровождается возникновением переменного напряжения на ее концах. Присоединив выводы микрофона к входу электронного осциллографа, можно исследовать звуковые колебания.
Осциллографы различают:
а) по назначению;
б) количеству одновременно исследуемых сигналов;
в) ширине полосы пропускания;
г) точности измерений;
д) характеру исследуемого сигнала и т.д.
По назначению осциллографы делят на: осциллографы универсальные (С1); осциллографы скоростные, работающие на частотах 100 МГц - 1 ГГц (С7); осциллографы запоминающие (С8); осциллографы специальные (С9).
По количеству одновременно исследуемых сигналов на – однолучевые, двухлучевые, многолучевые (многоканальные).
По ширине полосы пропускания ЭЛО делятся на низкочастотные (fверхн = 1 МГц), на среднечастотные (fверхн = 10 МГц), скоростные. Полоса пропускания дается при спаде АЧХ в 3 дБ.
По точности измерения временных интервалов и амплитуд осциллографы делятся на 4 класса точности (таблица1).
Таблица 1
Класс точности |
Изм. амплит. |
Изм. Врем. интервалов |
Нелин. АЧХ |
Нелинейность развертки |
1 |
3 % |
3 % |
3 % |
3 % |
2 |
5 % |
5 % |
5 % |
5 % |
3 |
10 % |
10 % |
10 % |
10 % |
4 |
нет |
нет |
20 % |
20 % |
По характеру исследуемых сигналов различают ЭЛО для исследования периодических сигналов, ЭЛО для исследования апериодических сигналов.
Основная структурная схема ЭЛО изображена на рис.1 и состоит из следующих узлов: электронно-лучевой трубки; канала вертикального отклонения (канала У); канала горизонтального отклонения (канала Х); двух калибраторов 3,5 (амплитуды и длительности), блока питания и блока временной развертки. От блока питания напряжение подается на электроды электронно-лучевой трубки, электронные схемы блока временной развертки и усилителей горизонтального и вертикального отклонения луча.
Спомощью переключателейS устанавливают различные режимы работы прибора.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) служит для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение - осциллограмму.
Канал вертикального отклонения обеспечивает регулировку (усиление и ослабление) входного напряжения до уровня, необходимого для отклонения луча по вертикальной оси ЭЛТ. Канал состоит из входного устройства 1 и широкополосного усилителя напряжения 2.
Исследуемый сигнал поступает на входное устройство, в котором он ослабляется и задерживается для того, чтобы напряжение развертки поступило на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ с некоторым опережением, что позволит наблюдать на экране начало процесса. Усилитель канала обеспечивает необходимое усиление исследуемого сигнала и преобразует его из однофазного в два противофазных напряжения, которые подаются на вертикально отклоняющие пластины.
Канал горизонтального отклонения вырабатывает развертывающее напряжение, усиливает его, а также синхронизирует в различных режимах работы. Канал состоит из входного устройства 6, блока синхронизации 7, генератора развертки 8 и усилителя горизонтального отклонения 9.
Синхронизация колебаний генератора развертки может осуществляться как исследуемым сигналом, так и от внешнего источника, подключаемого к гнезду "Вход Х" (при этом переключатель S3 ставят в положение 2).
Развертывающим напряжением может быть как пилообразное напряжение генератора развертки, так и любое другое, поданное на гнездо "Вход Х" ( в последнем случае переключатели S3, S4, S5 ставят в положение 2).
Входное устройство и усилитель напряжения канала Х выполняют функции, аналогичные функциям соответствующих узлов канала вертикального отклонения. Блок синхронизации служит для усиления синхронизирующего напряжения и изменения его полярности в том случае, когда оно не совпадает с полярностью, необходимой для запуска генератора развертки.
Калибраторы ЭЛО служат для измерения амплитуды и длительности исследуемого сигнала. Канал управления яркостью 4 (канал Z) предназначен для получения масштабных меток, которые используются при измерении временных параметров сигнала.
Электронно-лучевая трубка.
Если в аноде вакуумного триода сделать отверстие, то часть электронов, испущенных катодом, пролетит сквозь это отверстие. Их движением далее можно управлять с помощью электрических и магнитных полей. Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называется электронно-лучевой трубкой.
Источником электронов в электронно-лучевой трубке (рис.2) служит катод1, нагреваемый нитью накала. Электроны разгоняются электрическим полем между катодом и двумя анодами 2. Изменяя напряжение на аноде 2, можно фокусировать электронный пучок 5, т. е. изменять площадь поперечного сечения электронного пучка на экране. Изменяя напряжение между катодом 1 и управляющим электродом 2, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Понижение потенциала управляющего электрода относительно потенциала катода препятствует прохождению электронов от катода к аноду и вызывает ослабление интенсивности электронного пучка 5.
Внутренняя поверхность стеклянного баллона электронно-лучевой трубки напротив анода, покрытая тонким слоем кристаллов, представляет экран 6. Поток электронов, пролетевших через отверстие в аноде электронно-лучевой трубки – электронный пучок,– при ударе вызывает свечение кристаллов, и сквозь стекло экрана видно светящееся пятно в месте попадания электронов на экран.
С помощью электрических или магнитных полей можно управлять движением электронов на их пути и заставить электронный пучок «рисовать» любую картину на экране.
В трубке электронно-лучевого осциллографа между анодом и экраном находятся две пары параллельных металлических пластин 3 и 4. Эти пластины называются управляющими электродами. Одна пара пластин расположена вертикально, а другая горизонтально. Если подать напряжение на вертикально расположенные пластины, то электронный пучок будет отклоняться в горизонтальном направлении, подача напряжения на горизонтальные пластины вызывает вертикальное смещение пучка.
Если между горизонтально расположенными отклоняющими пластинами 3 подано напряжение U, то, пролетая между ними, электрон движется с ускорением
(1)
где е — заряд электрона; d — расстояние между пластинами.
Через интервал времени , в течение которого электрон движется между отклоняющими пластинами длинойl, проекция скорости электрона υy установится равной:
. (2)
За время t движения от пластин до экрана () электрон смещается в вертикальном направлении на расстояние
, (3)
где L — расстояние от пластин до экрана.
Коэффициент пропорциональности К в последнем выражении является для данного осциллографа постоянной величиной. Он называется чувствительностью пары отклоняющих пластин и выражается в миллиметрах на вольт (мм/В).
Так как отклонение электронного луча y пропорционально напряжению U, приложенному к пластинам, то при известной чувствительности осциллограф может быть использован как вольтметр для измерения как постоянных, так и быстроизменяющихся напряжений.
Аналогично при подаче напряжения на вертикально расположенные пластины 4 луч смещается в горизонтальной плоскости, причем смещение x пропорционально приложенному напряжению.
Развертка
Для исследования быстропеременных электрических процессов в осциллографе осуществляется развертка – равномерное перемещение электронного пучка по горизонтали с быстрым отбросом назад. Для того чтобы пучок перемещался вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью, напряжение на вертикально отклоняющих пластинах должно изменяться линейно по времени, а для быстрого возвращения пучка в исходное положение напряжение должно очень быстро падать до нуля. Такое напряжение носит название пилообразного.
Рассмотрим принцип наблюдения процессов, изменяющихся во времени, на экране.
Предположим, что в моментt0 к вертикальным пластинам приложено напряжение, линейно изменяющееся во времени, т. е. . Тогда пятно будет двигаться по экрану с постоянной скоростью () в горизонтальном направлении. Если в тот же моментt0 к горизонтальным пластинам подключить исследуемое переменное напряжение U(t), то на экране получится кривая зависимости U от времени в интервале времени от t0 до tx — момент времени, когда пятно достигает края экрана. Если U(t) — периодическая функция с периодом , то, заставив луч в моментtx мгновенно возвратиться в исходное положение А (рис. 3) и повторив развертку с постоянной скоростью до точки В, мы увидим на экране второй период изменения величины U(t).
Таким образом, смещая луч от точки А до точки В вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью, а потом мгновенно возвращая его от В к А и повторяя такую развертку многократно, можно увидеть на экране неподвижную картину изменения U(t) в течение одного периода, если время движения пятна по экрану от А до В () равно периоду измененияU(t). Если , гдеп — целое число, то на экране мы получим п периодов изменения величины U(t).
После всего сказанного нетрудно видеть, что график изменения во времени напряжения развертки должен иметь вид, изображенный на рис.4, то есть бытьпилообразным. Для получения такого напряжения в осциллографе смонтирован генератор пилообразного напряжения.
Синхронизация.
Для получения неподвижного изображения на экране необходимо, чтобы в периоде генератора развертки укладывалось целое число периодов исследуемого процесса (Тр=пТ), в противном случае картина не будет неподвижна. Поэтому исследуемый сигнал с данным периодом То подают на осциллограф и, меняя период развертки Тр, подбирают его таким, что . Однако вследствие возможной нестабильности частоты генератора развертки нельзя ручаться за сохранение указанного равенства и в дальнейшем. Поэтому колебания генератора развертки синхронизируются с другими, более стабильными колебаниями.
При исследовании процессов высокой частоты получить без синхронизации устойчивое изображение процесса очень трудно.