Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
2ЧАСТЬлабЭлектромагнетизм.doc
Скачиваний:
64
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
8.88 Mб
Скачать

Экспериментальная часть

Приборы и оборудование: ФПЭ-08 (ПИ) – модуль “Заряд-разряд конденсатора”; ИП – источник питания; PQ – звуковой генератор; МС – магазин сопротивлений (R1); МС – магазин сопротивлений (R2); МЕ – магазин емкостей (С); РО – электронный осциллограф (рис.6.7).

Функциональная схема лабораторной установки представлена на рис.6.8.

Методика измерений

Схема состоит из источника постоянного тока ИП, генератора низкочастотных синусоидальных импульсов (звукового генератора), преобразователя (модуль ФПЭ-08) синусоидальных импульсов в прямоугольные положительной полярности (преобразователь импульсов позволяет получить прямоугольные импульсы, скважность которых меняется регулятором на лицевой панели), двух магазинов сопротивлений R1 и R2, магазина емкостей С и электронного осциллографа.

Подаваемый с выхода генератора синусоидальный импульс преобразуется в прямоугольный и через магазин сопротивлений R2 подается на магазин ёмкостей С. Конденсатор заряжается. Время заряда конденсатора С можно изменять сопротивлением R2. В момент паузы происходит разряд конденсатора по цепи R1R2C. Время разряда определяется параметрами этой цепи.

Визуально процесс заряда-разряда конденсатора можно наблюдать на экране осциллографа. Наиболее устойчивый режим работы данной схемы обеспечивается при изменении номинальных величин элементов RC–цепи в следующих пределах:

С=0.02÷0.04 мкФ; R1=102÷103 Ом; R2=1÷5 кОм; νген=0.5÷5 кГц.

При этом сравнительно полно происходит процесс заряда-разряда конденсатора. При увеличении сопротивлений и ёмкости больше определенных значений конденсатор не успевает полностью зарядиться и разрядиться за один период цикла. Наблюдаемые при этом кривые заряда и разряда изображены на рис.6.6 штрихпунктирной линией.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с работой звукового генератора и электронного осциллографа.

2. Установить следующие параметры выходного напряжения звукового генератора: частота 2 кГц, напряжение 2-3 В.

3. Установить импульсы наибольшей скважности. Для этого нажать левую кнопку “скважность–грубо” преобразователя импульсов ПИ (модуль ФПЭ-08). Ручку “скважность–точно” установить в крайнее правое положение.

4. Подготовить осциллограф к работе:

а) установить ручку развертки «время/дел» в положение «50 μs»;

б) ручку усилителя «вольт/дел» установить в положение «1 V».

5. Включить лабораторный стенд и приборы: источник питания, генератор, осциллограф.

6. Установить на экране осциллографа устойчивую картину.

7. Установить на магазине сопротивлений R1 значение 1.102 Ом.

8. Установить на магазине сопротивлений R2 значение 2.103 Ом.

9. Установить на магазине емкостей значение С=2.10-2 мкФ.

Задание 1: Изучение кривых заряда и разряда конденсатора.

1. Установить усиление канала Y осциллографа таким, чтобы высота импульса на экране была максимальной. Ручками «↔» и «↕» осциллографа совместить начало кривой заряда с началом шкалы осциллографа. Установить частоту развертки осциллографа такой, чтобы на экране уместилась полная кривая заряда конденсатора. Снять кривую зависимости Y=f(X), измеряя X в секундах, а Y – в вольтах. Записать 8-10 значений X и Y. Результаты занести в таблицу 6.1, построить кривую заряда конденсатора U=f(t).

2. Аналогичные измерения провести для кривой разряда, совместив начало кривой разряда с началом координат на шкале осциллографа. Результаты занести в таблицу 6.2, построить кривую разряда конденсатора.

Таблица 6.1

Процесс заряда; R1=1.102 Ом; R2=…..Ом; С=….. мкФ; R=R2

Цена деления по оси Х: 50 μs/дел.

X, дел.

0

X, c

0

Y, В

Таблица 6.2

Процесс разряда; R1=1.102 Ом; R2=…..Ом; С=….. мкФ; R=R1+R2

Цена деления по оси Х: 50 μs/дел.

X, c

0

Y, В

U0=….

0

3. По кривым заряда и разряда конденсатора определить время, за которое величина напряжения падает до половины первоначального значения (“половинное время”) и по формуле (6.13) вычислить время релаксации

. (6.13)

4. Не изменяя усиление канала Y осциллографа, получить на экране кривые заряда и/или разряда конденсатора при других значениях R2 и С, оставляя неизменной величину сопротивления R1=102 Ом (см. табл.6.3).

Рекомендуемые значения R2 и С следующие:

R2=1.103 Ом; C=210-2÷410-2 мкФ;

R2=2103 Ом; C=110-2 мкФ;

R2=3103 Ом; C=110-2 мкФ.

5. Измерить по наблюдаемым на экране осциллографа кривым релаксации заряда “половинное время” в делениях шкалы. Затем t1/2 перевести в секунды. По формуле (6.13) вычислить экспериментальное значение постоянной времени τэксп.. (Для получения достаточно полного процесса заряда и разряда конденсатора можно изменять частоту следования импульсов, меняя частоту звукового генератора.)

7. Вычислить теоретическое значение постоянной времени τтеор.=RC, используя значение параметров RC – цепи. Учесть, что при заряде конденсатора R=R2, а при разряде R=R1+R2.

8. Вычислить относительную погрешность Е(τ) постоянной времени в каждом опыте по формуле (6.14); рассчитать среднюю.

. (6.14)

9. Данные занести в таблицу 6.3.

Таблица 6.3

Процесс

(заряд или

разряд)

R2,

.103Ом

C,

.10-2мкФ

t1/2, с

R, Ом

τэксп., мкс

τтеор, мкс

Е(τ), %

1

2

1

3

1

4

2

1

3

1

Задание 2: Построение кривой разряда конденсатора в логарифмическом масштабе

1. Рассчитать значения , записать в табл.6.2.

2. Построить график зависимости Y=f(X), где , а(рис.6.9).

3. Найти котангенс угла наклона полученной прямой к оси Х как отношение:

.

4. Сравнить полученное значение со значением постоянной времени, найденным в задании 1:.

5. Записать результаты в табл.6.4.

Таблица 6.4.

R1,

103Ом

R2,

103Ом

C,

10-2мкФ

R, Ом

Δt, с

Δ

τтеор, мкс

, мкс

Замечание. Существует ещё один простой графический способ определения времени релаксации. В его основе лежит главное свойство показательной (экспоненциальной) функции: её производная равна самой функции. Из (6.10):

Производная функции, кроме того, равна тангенсу угла наклона касательной к её графику в данной точке: , причём это выполняется для любой точки графика. Следовательно,(см.рис.6.10). Определите время релаксацииэтим способом, запишите в табл.6.4. Сравните полученное значение сτтеор.

6. Сделайте выводы.