Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Воронежский государственный университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

pdf_labs / sep04028

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

21.05.2015

Размер:

174.34 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РО	ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И
В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й	У Н И В Е РСИ Т Е Т

ЛА БО РА Т О РН Ы Й ПРА К Т И К У М ПО ЭЛЕ К Т РИ ЧЕ СТ В У И М А ГН Е Т И ЗМ У

Часть1 Практическоепособие

Специальности: 010400 – ф из ика, 013800 – рад иоф из ика иэлектроника, 014100 – м икроэлектроника иполупровод никовы еприборы

ВО РО Н Е Ж

2004

У тверж д ено научно-м етод ическим советом ф из ического ф акультета

(21.04.04 г., протокол№ 4)

Составители: А лейников Н .М ., А лейников А .Н .

Практическоепособиепо электричеству и м агнетиз м у (часть1) под готовлено на каф ед реобщ ей ф из икиф из ического ф акультета В оронеж ского госуд арственного университета. Реком енд уется д ля ауд иторной и сам остоя - тельной под готовки студ ентов 2 курса д невного и вечернего отд елений ф и- з ического ф акультета.

Лабораторная работа № 1

И З У Ч Е НИ Е Э Л Е К Т Р О С Т А Т И Ч Е С К О ГО П О Л Я

Ц ель работы: оз наком иться	с м етод ом		м од елирования	электростатического
поля , граф ическим из ображ ением		поля	линия м и од инакового потенциала и
линия м инапря ж енности.
В ведение
Электростатическое	поле	пред ставля ет		частны й	случай

электром агнитного поля . И сточникам и электростатических полей я вля ются непод виж ны ез аря д ы .

О сновной величиной,	характериз ующ ей		электростатическое поле	в
каж д ой точке пространства,	я вля ется	напря ж енность. Н апря ж енность` Е		–
векторная величина, численно равная		силе,	д ействующ ей на ед иничны й

полож ительны й точечны й з аря д , пом ещ аем ы й в точку, в которой опред еля ется

поле. Е сли вектор Е опред елен во			всех точках	поля ,	м ож но провести
сем ейство	линий напря ж енности,	касательная в		каж д ой	точке которой
совпад ает	с направлением вектора	Е .	Линии напря ж енности всегд а им еют

начало иконец. Н ачинаются онина полож ительны х з аря д ах – истоках поля , а з аканчиваются на отрицательны х – стоках поля . Этилинии, наз ы ваем ы етакж е

силовы м и линия м и, д ают нагля д	ное из ображ ение поля .	По густоте линий
суд я т о величиненапря ж енности.	Н аправлениевектора Е	в некоторой точке

поля опред еля ют по направлению касательной клиниив этой точке. Энергетической характеристикой поля я вля ется потенциал V – скаля рная

величина, численно равная работе, которую нуж но соверш ить д ля переноса ед иничного полож ительного точечного з аря д а из бесконечности в д анную точку поля . У словиеV(∞ )=0 наз ы вается условием норм ировкипотенциала. Н а практике из м еря ется не потенциал, а раз ность потенциалов, т.е. потенциал отсчиты вается относительно некоторого потенциала, условно приним аем ого з а нулевой. Н агля д ноеиз ображ ениеполя м ож но получитьтакж епри пом ощ и

эквипотенциальны х		поверхностей, т.е.	поверхностей,		все точки которы х
им еют	од инаковое	з начение потенциала.		У равнение	эквипотенциальной
поверхностиим еет вид V(x,y,z)=const.
В	случае д вухм ерного (плоского)		поля	уравнение эквипотенциальной
линии им еет вид		V(x,y)=const. Эквипотенциальны е			линии строя т с
постоя нны м ш агом		∆ V, т.е. так, чтобы	раз ность потенциалов м еж д у д вум я

сосед ним илиния м ибы ла од инаковой Vn+1 – Vn =∆ V. По густотеэквипотенциалей такж ем ож но суд итьо величинеполя .

Свя з ь напря ж енности с потенциалом опред еля ется равенством Е =–grad V, т.е. напря ж енностьчисленно равна град иенту потенциала, вз я том у

	4
с обратны м з наком . Силовы е	линии поля всегд а ортогональны к
эквипотенциальны м поверхностя м .	Град иент скаля рной ф ункции V(x,y) есть

произ вод ная Е =–dV/dr по некотором у направлению r, вд олькоторого ф ункция V из м еня ется снаибольш ей скоростью. Т аким образ ом , по распред елению потенциала м ож но опред елить з начение напря ж енности в произ вольной точке поля , з ам еня я произ вод ную отнош ением конечны х приращ ений ≈–∆ V/∆ r, гд е ∆ V – ш аг потенциала, ∆ r – расстоя нием еж д у сосед ним иэквипотенциаля м и.

Методикаработы

Впровод я щ ей сред еэлектростатическоеполесущ ествоватьнем ож ет, т.е.

напря ж енностьполя внутрипровод ника =0. Поэтом у потенциалво всех точках провод ника V(x,y,z)=const. Это я влениеназ ы вается экранировкой. По этой

причине обы чны м	вольтм етром	нельз я	из м еря ть раз ности потенциалов			в
электростатическом	поле, т.к.	вольтм етр, несм отря		на	его больш ое
электрическое сопротивление,		я вля ется	провод ником	по	отнош ению	к
непровод я щ ей сред е.

Слож ности электростатических из м ерений привели краз работкеособого

м етод а

из учения

электростатических

полей.

Этод

м етод

основан

на

искусственном воспроиз вед ении поля

стационарны х

токов в

провод я щ ей

сред е,

эквивалентного

электростатическом у

полю непод виж ны х

з аря д ов.

Зам ена поля

непод виж ны х з аря д ов

полем

стационарны х

токов

поз воля ет

использ оватьобы чны етокоиз м ерительны еприборы .

И з м еря ть и

произ вод ить расчеты

д ля

потенциалов

легче,

чем

д ля

напря ж енностей,

т.к. потенциал – скаля рная величина, а напря ж еность –

векторная .

Поэтом у

в д анной

работе

эксперим ентально

опред еля ют

распред еление потенциалов, а з атем

получают

из ображ ение поля

линия м и

напря ж енности, ортогональны м иклиния м равного потенциала.

настоя щ ей

работе прим еня ется

з онд овы й м етод . Н а рис. привед ена

принципиальная схем а из м ерений. В

исслед уем ую точку поля вносится

						Б
220 В	И				Г	З
220 В	И		К		Г
			К
	П					А
из м ерительны й электрод		–	з онд З, такой,		чтобы	м иним ально	наруш ал
исслед уем оеполе. Зонд соед иня ется провод ником сиз м ерительны м							прибором
Г, по показ ания м которого опред еля ют				потенциал з онд а по отнош ению к
потенциалу	электрод а	А,	приня того	з а	начало	отсчета. В	качестве

из м ерительного прибора, вы полня ющ его рольнулевого прибора, использ уется

чувствительны й гальваном етр.	К источнику И	напря ж ением	10 вольт
под ключены электрод ы А и Б	и д искретны й	потенциом етр П,	которы й

поз воля ет из м еня ть напря ж ение от 0 д о 10 вольт с ш агом 1 вольт. Раз ность

потенциалов м еж д у з онд ом

З иэлектрод ом

А опред еля ется ком пенсационны м

м етод ом . Е сли потенциалз онд а равен потенциалу под виж ного контакта К ,

то

гальваном етр Г покаж ет нулевой

ток.

Перем ещ ая з онд в элетролитической

ванне и д обивая сь нулевого показ ания

гальваном етра Г, м ож но опред елить

точкиполя , потенциалы которы х равны потенциалу под виж ного контакта К .

Послед овательно из м еня я напря ж ениена потенциом етреот 0 д о 10 вольт,

д ля

каж д ого напря ж ения

наход я т

соответствующ ую эквипотенциальную

линию.

При пом ощ и пантограф а (на рис. не указ ан) все эквипотенциальны е

линиинанося т на лист бум аг и.

П орядокизмерений

Собрать схем у.

При вы боре электрод ов,

а такж е их полож ения в ванне,

руковод ствоваться указ ания м ипрепод авателя .

В ключить м акет

в сеть и убед иться

работоспособности схем ы

по

отклонению стрелкигальваном етра.

Закрепитьлист бум аг и под д ерж ателем

пантограф а и каранд аш ом нанести

контур ванны

из ображ ения

электрод ов

А и Б , соответствующ ие

потенциалам 0 и10 вольт.

И з м еня я напря ж ениепотенциом етра от 1 д о 9 вольт сш агом 1 вольт, д ля

каж д ого напря ж ения опред елитьточкиравного потенциала инанестиих на

лист бум аг и.

электрод ов А и Б , реком енд ованны х

Повторить из м ерения д ля д ругих

препод авателем .

В нестив ванну провод я щ еетело (по указ анию препод авателя ) иустановить

его так, чтобы потенциал

провод ника

соответствовал од ном у

из

потенциалов потенциом етра, наприм ер,

5 или 6 вольт.

Получить

из ображ ениеполя , повторив пред ы д ущ иеиз м ерения .

О тключитьм акет от сетиираз обратьсхем у.

О бработкарезультатовизмеренийиоформлениеотчетаоработе

О тчет по работед олж енвключатькраткиесвед ения по м етод икеиз м ерения

электростатического поля , принципиальную схем у из м ерений,

рез ультаты

из м ерений ивы вод ы , сд еланны ена основеэтих рез ультатов.

ум еньш енном

м асш табе

показ ать

электролитическую

ванну

располож енны е

ней

электрод ы

из образ ить эквипотенциальны м и

линия м ивсеэксперим ентально наблюд аем ы еполя .

Построить из ображ ение полей

линия м и напря ж енности, руковод ствуя сь

свойством ортогональности силовы х линий эквипотенциаля м .

Стрелкам и

на концах линий показ атьистокиистокиполей.

Контрольные вопросы

1.Поня тиеобэлектростатическом поле, его свойствах. Свойство потенциальностиэлектростатического поля .

2.Н апря ж енностьипотенциал, свя з ьм еж д у ним и.

3.Силовы елинииполя иэквипотенциали, их вз аим ноерасполож ение.

4.	Т руд ности		из м ерения электростатического		поля .		Почем у	обы чны м
	вольтм етром		нельз я	из м еря ть напря ж ение м еж д у		раз личны м и точкам и
	электростатического поля ?
5.	Н а чем	основано		м од елирование электростатического поля					полем
	стационарны х токов?
6.	Почем у в работеиз м еря ется распред елениепотенциалов, а ненапря ж енно-
	стей?
7.	К ак по из ображ ению поля эквипотенциаля м и опред елитьз начение напря -
	ж енностив произ вольной точкеполя ?
				Л итература
1.	К алаш ников С.Г. Электричество / С.Г.К алаш ников. – М						., 1985. – С.20-27,
	41-44.
2.	М атвеев	А .Н . Электричество и м агнетиз м /			А .Н .М	атвеев. – М		.,	1983. –
	С.98-106.

Лабораторная работа № 2а

И З У Ч Е НИ Е Р А Б О Т Ы					Э Л Е К Т Р О ННО ГО О С Ц И Л Л О ГР А Ф А
Ц ель работы:		оз наком иться			с наз начением		осциллограф а,		принципом		его
д ействия ,	наз начением			основны х уз лов		осциллограф а,		научиться получать
из ображ ения		сигналов			раз личной	д лительности			и	опред еля ть
чувствительностьэлектронно-лучевой трубки.
В ведение
Электронны й осциллограф прим еня ется							в раз личны х областя х науки и
техники д ля	из м ерения		постоя нного и перем еного напря ж ения , д лительности
исслед уем ы х сигалов.			Н а экране осциллограф а м ож но наблюд ать раз личны е
з ависим ости,		наприм ер,		гистерез исны е		я вления в		ф ерром агнетиках			и

сегнетоэлектриках. М ож но из м еря тьинеэлектрическиевеличины , наприм ер, в рад иолокации – расстоя ния д о исслед уем ы х объектов. Н аиболее часто осциллограф прим еня ется приисслед ованиибы стро протекающ их процессов.

Ус тройс твоипринц ип действияосц иллографа

Основны м элем ентом осциллограф а (рис.1) я вля ется электронно-лучевая

трубка, пред ставля ющ ая стекля нны й баллон, внутрикоторого соз д анвы сокий


вакуум .	В	трубке раз м ещ ена систем а				электрод ов		д ля	образ ования и
ф орм ирования электронного луча.				Эта		систем а,	наз ы ваем ая			электронной
пуш кой,	состоит		из под огревателя	1	и оксид ного катод а 2,				испускающ его
электроны . К атод			пом ещ ен внутри управля ющ его электрод а (м од уля тора) 3.
М од уля тор		пред ставля ет цилинд р		с отверстием			в	торце.	Н а м од уля тор
под ается	потенциал, отрицательны й				относительно			катод а.	В	рез ультате

электроны , эм итируем ы екатод ом ,			торм оз я тся	и отталкиваются коси трубки,
собирая сь в	уз кий пучок.	При д альнейш ем			д виж ении пучок, вслед ствие
отталкивания	электронов,	снова	расход ится		или расф окусируется . Д ля

ф окусировкипучка служ ат д ва анод а 4 и5, пред ставля ющ иеполы ецилинд ры , внутрикоторы х располож ены д иаф рагм ы сотверстия м ираз ны х д иам етров.


О ба	анод а им еют		полож ительны е относительно			катод а потенциалы ,
причем	потенциал второго анод а (ускоря ющ его) болеевы сокий, чем							первого
(ф окусирующ его).		И з м енением		потенциала первого анод а пучок на экране
осциллограф а ф окусируется				в	точку. При ум еньш ении отрицательного
потенциала м од уля тора электроны в пучкеторм оз я тся ,						тем	сам ы м ум еньш ая
я ркостьпя тна на экранеосциллограф а.
Д ля	из м енения	направления			электронного пучка	з а	вторы м	анод ом
располож ены д ве пары			отклоня ющ их пластин 6 и 7.			Н апря ж ение на “ Х ”
пластинах см ещ ает электронны й луч в гориз онтальном						направлении, на “ Y”
пластинах – в вертикальном .

вход		аттенюатор
Y


	блок	узел
220 в	питания	синхрони-
		зации
	внутр


внеш		генератор
внеш	от сети	развертки
синхр	внеш

вход

	усилитель				"Y"
			Y		"Y"
			Y
1	2	3	4 5	6	7

	усилитель	"X"
	X	"X"
	X

Рис.1

Слабы еисслед уем ы есигналы пред варительно усиливаются им еющ им ися в осциллограф еусилителя м и.

Раз личают д ва основны х реж им а работы осциллограф а. В первом случае на отклоня ющ иепластины “ Х ” и“ Y” под ают д ва внеш них сигнала. В о втором исслед уется лиш ь од ин внеш ний сигнал, под аваем ы й на “ Y” пластины . При

		8
этом	на “Х ” пластины под ается	напря ж ение	генератора	раз вертки
осциллограф а.
Наблю дениеформы исследуемогосигнала
Д ля	наблюд ения з ависим ости	исслед уем ого	сигнала от	врем ени

необход им о на “ Y” пластины под атьисслед уем оенапря ж ениеUy(t), а на “Х ”


пластины –	напря ж ение раз вертки Ux(t)=kt,					U
пластины –	напря ж ение раз вертки Ux(t)=kt,
линейно	из м еня ющ ееся		во	врем ени.
линейно	из м еня ющ ееся		во	врем ени.
И сточником	такого		напря ж ения		в
осциллограф е я вля ется			генератор		так
наз ы ваем ого пилообраз ного напря ж ения .					Под
д ействием	такого	напря ж ения ,		ф орм а					t
которого показ ана на рис.2, пя тно на экране							Рис.2
буд ет перем ещ аться		вд оль экрана			с		Рис.2
буд ет перем ещ аться		вд оль экрана			с
постоя нной	скоростью, а		з атем	м гновенно воз вращ аться				в исход ное
полож ение.	Е сли на	“ Y”	пластинах		напря ж ения нет, то			луч буд ет

прорисовы вать на экране пря м ую линию,

наз ы ваем ую осью врем ени или

U U U

t 5 t

t 7 t8

Ux5U U U

t1 t2

Ux1Ux2 Ux3

U U

Рис.3

U U U

t1 t2 t 3 t 4 t5 t

t7 t

раз верткой. Е слина “ Y” пластины под атьислед уем оенапря ж ение, кратноепо

врем ени напря ж ению

раз вертки, то

на

экране получается

непод виж ное

из ображ ениез ависим остиUy(t). И з рис.3 становится поня тны м , какна экране ф орм ируется из браж ение синусоид ы , когд а период ы од инаковы . Е сли период ы обоих напря ж ений некратны д руг д руг у, то из ображ ениена экране буд ет неустойчивы м .

У стойчивость

из ображ ения

д остигается

синхрониз ацией

генератора

раз вертки

исслед уем ы м

напря ж ением .

Синхрониз ация

обеспечивает

постоя нство

кратность

частоты

раз вертки

частоте

исслед уем ого

период ического

напря ж ения .

Это

осущ ествля ется

под ачей

на

генератор

раз вертки части

исслед уем ого

напря ж ения ,

которое управля ет

з апуском

пилообраз ного

напря ж ения .

И ногд а

воз никает

необход им ость

синхрониз ировать сигнал

напря ж ением

внеш него

источника

или сети

перем енного тока.

У правлениеосц иллографом

Н а рис.4 показ ана перед ня я панель осциллограф а. Элем енты

и ручки

управления перед ней панелиим еют след ующ иеобоз начения :

1 – “сеть” вы ключательнапря ж ения сети, 2 – “луч” – вы ключательлуча, 3 –

сигнальная

лам почка,

з агорается

при

включении

сеть,

–

“я ркость”

–

луч

сеть

регуля тор

я ркости,

–

“ф окус”

–

ф окусирует пя тно на экране, 6 – “осьY

вверх-вниз ”

регуля тор

вертикального

см ещ ения луча, 7 – “осьХ

вправо-влево”

– регуля тор гориз онтального см ещ ения

я ркость

ф окус

луча,

–

“д иапаз он

частот”

–

переключатель

д иапаз онов

частот

осьY

ам плитуда

осьX

генератора раз вертки, 9 – “частота плав-

синхрон.

вверх-вниз

но”

–

плавны й

регуля тор

частоты

1:10

внеш

раз вертки,

–

“внутр-внеш -сеть” –

1:100

частота

внутр сеть

переключатель вид а синхрониз ации,

плавно

ксослабление

синхрвнеш

– “ам плитуд а синхрониз ации” – из м еня -

д иапазон

вход X 14

вход Y

частот

ет

ам плитуд у

синхрониз ирующ его

напря ж ения ,

–

“ослабление”

–

зем ля

исслед ум ы й

сигнал

м ож ет

бы ть

Рис.4

ослаблен в 10 или 100 раз , 13 –

“усиление Y” – плавная регулировка усиления

по вертикали, 14 – “усиление

Х ” – плавная регулировка усиления по гориз онтали, 15 – “вход Y ” – вход ная

клем м а усилителя

вертикального отклонения

луча, 16 – “вход

” – вход ная

клем м а

усилителя

гориз онтального

отклонения

луча,

17 – “кс” – вы ход

контрольного сигнала 50 Гц, 18 – “з ем ля ” – клем м ы общ его провод а, 19 –

“вход

синхр”

–

вход ная

клем м а

д ля

под ключения

внеш него

источника

синхрониз ирующ его сигнала.

Н а

з ад ней

панели

осциллограф а

им еются

д ве пары

гнез д

д ля

непосред ственной

под ачи напря ж ения на “ X” или “ Y” пластины . Ря д ом

гнез д ам ирасполож ены тум блеры , поз воля ющ иеотключатьот пластинтрубки

усилители

гориз онтального

или

вертикального

отклонения .

Гнез д о,

м аркированное буквой

“М ”,

пред наз начено д ля

под ключения

внеш него

напря ж ения км од уля тору.

У праж нение1. Н аблюд ениеф орм ы сигнала.

Собратьсхем у рис.5. О сциллограф Э О работает в реж им ераз вертки.

О т з вукового генератора ЗГ под атьнапря ж ениена Y- вход осциллограф а.

Д обиться

хорош его устойчивого из браж ения сигнала,

з аполня ющ его весь

экран.

При ф иксированной

частоте раз вертки, из м еня я

частоту

з вукового

генератора,

получить

ЗГ

ЭО

осциллограм м ы с кратностью в од ин,

д ва и три

период а.

Приф иксированной частотез вукового генератора,

из м еня я

д лительносить

раз вертки,

получить

Рис.5

осциллограм м ы с кратностью в од ин,

д ва и три

период а.

Зарисовать осциллограм м ы , указ ав

частоту

исслед уем ого

сигнала и

длительностьраз вертки.

Упраж нение2. О пред елениечувствительноститрубки.

Е сли к вертикально	отклоня ющ им пластинам	трубки прилож ить
синусоид альное напря ж ение,	то раз м ер из ображ ения	сигнала по вертикали

буд ет пропорционаленд войной ам плитуд епод вод им ого напря ж ения из ависит

от чувствительноститрубки.

ЧувствительностьтрубкиS численно равна отклонению l (в м м

илид еле-

ния х) пя тна на экране, вы з ванного раз ностью потенциалов U на пластинах в 1

вольт,

т.е. S=l/U (м м /В ольт). О бы чно вольтм етром

из м еря ется эф ф ективное

напря ж ение, з ная котороем ож но опред елитьчуствительность

S =

(1).

U эф ф

Соберите схем у рис.6, под ключив клем м ы вы ход а ЗГ к гнез д ам

“ Y” на

з ад ней панели осциллограф а при вы ключенном

генераторе раз вертки.

Т ум блером под

гнез д ам и

“ Y”

отключите

Y (Х )

пластины от усилителя .

ЗГ

По

показ ания м

вольтм етра

установите

ЗГ

ЭО

напря ж ениена вы ход еЗГ Uэф ф =30 вольт.

И з м ерив величину отклонения l

луча, по ф орм уле

(1) вы числитеSY.

О пред елите чуствительность SХ ,

под ав сигнал от

Рис.6

ЗГ на “ Х ” пластины , аналогично опред елению SY.

1 / 21 2 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке pdf_labs

#
21.05.2015337.78 Кб17may05012.pdf
#
21.05.2015232.66 Кб15may05013.pdf
#
21.05.2015163.99 Кб16sep04027.pdf
#
21.05.2015174.34 Кб15sep04028.pdf
#
21.05.2015369.16 Кб17sep06025.pdf