- •Министерство сельского хозяйства российской федерации
- •Введение
- •Лабораторная работа № 1 Изучение электростатического поля методом моделирования
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •3.1 Задание 1 Фокусировка электронного луча и регулирование его положения на экране
- •3.2 Задание 2 Определение чувствительности осциллографа и чувствительности электроннолучевой трубки
- •3.3 Задание 3 Наблюдение формы различных сигналов и измерение входного напряжения
- •3.4 Задание 4 Получение фигур Лиссажу и определение частоты исследуемого сигнала
- •4 Контрольные вопросы
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •2 Описание лабораторной установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 Исследование p-n-перехода и определение параметров полупроводникового диода
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 Изучение принципа работы электронных ламп и определение характеристик вакуумного триода
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки и вывод расчетной формулы
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7 Изучение электропроводности жидкостей и определение электрохимического эквивалента меди
- •1 Общие сведения
- •2 Описание лабораторной установки
- •3 Порядок выполнения работы и требования к оформлению результатов
- •4 Контрольные вопросы
- •Библиографический список
4 Контрольные вопросы
4.1 Как формулируется закон Кулона?
4.2 Как формулируются определения напряженности и потенциала электрического поля в данной точке?
4.3 Как связана работа по перемещению заряда в электрическом поле с знаком заряда и изменением его кинетической и потенциальной энергии?
4.4 Как выражается связь между напряженностью электрического поля и потенциалом?
4.5 Как наглядно изобразить электрическое поле? Как выглядит изображение поля системы двух одноименных и двух разноименных зарядов?
4.6 Что такое циркуляция вектора напряженности электрического поля?
4.7 Почему циркуляция вектора напряженности электростатического поля равна нулю?
4.8 Как формулируется теорема Гаусса (Остроградского-Гаусса)?
4.9 Что такое градиент потенциала?
Лабораторная работа № 2
Определение чувствительности электроннолучевой трубки
осциллографа и частоты синусоидального сигнала
методом фигур Лиссажу
Цель и задачи работы: Изучение движения заряженных частиц в электрическом поле, определение чувствительности осциллографа и электроннолучевой трубки, освоение методики измерений напряжения по амплитуде сигнала и частоты электрических синусоидальных колебаний с помощью фигур Лиссажу.
1 Общие сведения
Электронный осциллограф предназначен для исследования формы электрических сигналов путем наблюдения и измерения их параметров. Достоинством электронного осциллографа является его высокая чувствительность и безынерционность действия, что позволяет исследовать процессы с амплитудой менее 1∙10-3 В, длительность которых порядка 10-8 с. С помощью электронного осциллографа возможно также наблюдение изменения неэлектрических величин (температуры, давления, плотности и т.п.), предварительно преобразованных в электрические сигналы соответствующими датчиками.
Основной частью электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), состоящая из стеклянного баллона, из которого выкачан воздух до давления 10-6 мм рт. ст. Основные элементы трубки: электронная пушка, создающая поток электронов, отклоняющие пластины и флуоресцирующий экран с некоторым послесвечением. Экран светится только в тех точках, куда попадают быстро летящие электроны.
Схематично ЭЛТ изображена на рисунке 1. Электронный пучок формируется в электронной пушке, состоящей из подогреваемого катода 1, покрытого окисью бария или стронция, нити накала 2, управляющего электрода с диафрагмой 3 для пропускания узкого пучка электронов, первого анода 4 и второго анода 5.
Изменяя потенциал на управляющем электроде 3, можно регулировать количество электронов, проходящих через его отверстие, а следовательно, и яркость пятна на экране трубки 6. Первый анод 4, представляющий собой цилиндр, внутри которого на некотором расстоянии друг от друга расположены диафрагмы с небольшими отверстиями, и второй анод 5 служат для формирования, фокусирования и разгона электронного пучка.
Рисунок 1 Схема электронно-лучевой трубки : Пx и Пy – горизонтально и вертикально отклоняющие пластины; 1 – катод; 2 – нить накала; 3 – диафрагма; 4, 5 – ускоряющие аноды; 6 – экран
Для отклонения электронного луча используется система из двух пар металлических параллельных пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Электрическое поле пластин, расположенных горизонтально, отклоняет луч вертикально – это вертикально отклоняющие пластины Пy. Другая пара пластин, расположенных вертикально, носит название горизонтально отклоняющих пластин Пx.
Для характеристики отклоняющей системы используют чувствительность трубки к напряжению на пластинах. Чувствительность трубки , измеряющаяся в , показывает величину отклонения электронного луча на экране в миллиметрах при разности потенциалов на отклоняющих пластинах в 1 В.
Рассмотрим движение электронного пучка. Допустим, что электрическое поле, созданное управляющими пластинами однородно и перпендикулярно к плоскости пластин (рисунок 2). Полное отклонение , как видно из рисунка, состоит из: - отклонения при движении между пластинами и - отклонения при движении от конца пластин до экрана.
На основании законов кинематики и динамики движения заряженных частиц в электрическом поле можно получить формулы для расчета отклонения луча на экране:
, (1)
, (2)
где - напряжение между пластинами (отклоняющее напряжение), В; - напряжение между катодом и вторым анодом (разгоняющее напряжение), В; - заряд электрона, Кл; - масса электрона, кг (с. 368, /5/).
Объединяя (1) и (2), получаем полное отклонение на экране:
. (3)
По определению чувствительность трубки:
. (4)
Рисунок 2 Движение электрона между пластинами и от пластин к экрану: l- длина пластин; d– расстояние между пластинами; L- расстояние от конца пластин до экрана; U - разность потенциалов между отклоняющими пластинами
Из (4) видно, что чувствительность зависит от расстояния между отклоняющими пластинами расстояния от них до экрана и от напряжения на втором аноде.
Для развертки на экране изучаемого сигнала на пластины Пx подается пилообразное напряжение (рисунок 3) с генератора развертки.
Как видно из рисунка 3, период пилообразного напряжения . Качество генератора развертки тем лучше, чем ближе к нулю.
При одновременной подаче синусоидального напряжения на пластины Пy и пилообразного напряжения на пластины Пx на экране осциллографа наблюдается синусоида. Количество периодов, изображаемой на экране синусоиды, зависит от соотношения периодов пилообразного и исследуемого напряжений.
Рисунок 3 График пилообразного напряжения: - время «прямого» хода луча (слева направо); - время «обратного» хода луча
(справа налево)
При подаче на отклоняющие пластины Х и Y одновременно двух синусоидальных напряжений:
и , (5)
на экране осциллографа получаются линии, называемые фигурами Лиссажу. В самом простом случае, при сложении колебаний с одинаковыми частотами и разностью фаз получается эллипс, вписанный в прямоугольник со сторонами и , где , а . Уравнение эллипса имеет вид:
. (6)
Форма и ориентация эллипса зависят от разности фаз складываемых колебаний (рисунок 4).
Рисунок 4 Изображение на экране осциллографа при сложении двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний
с произвольной разностью фаз
При разности фаз , где =0, 1, , и т.д. полуоси эллипса совпадают с осями координат. Если , где = 0, 1, , и т.д., эллипс вырождается в прямую линию, являющуюся диагональю прямоугольника. При непрерывно изменяющейся разности фаз эллипс непрерывно изменяет свое положение и форму. При сложении колебаний с неравными частотами вид фигур усложняется. Пример одной из таких фигур приведен на рисунке 5.
Рисунок 5 Фигура Лиссажу, получающаяся при сложении колебаний и