Лабы / Лабораторные задания / 1 и 2 Лабы

Лабораторные работы по электричеству

Зависимость U(t) показана на рис. 3. Подставив в (12) значение

где q – время, за которое напряжение на конденсаторе вырастает

до половины своего максимального значения ( рис. 4). Отсюда время q=t×ln2»0,7t.

Следовательно, дли- тельность заряда до по-

ловины максимального значения напряжения на конденсаторе будет та- кой же, как и при разряде конденсатора (см. (6)).

Рис. 4

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Блок-схема установки представлена на рис.5.

Схема состоит из генератора прямоугольных импульсов ГИ типа Г5-54, магазина сопро-

тивлений МС величиной от 0 до 10 кОм, элек-

тронного осциллографа ЭО типа С1-83, и ис- следуемой емкости С.

Рис. 5

Лабораторные работы по электричеству

Генератор позволяет получать прямоугольные импульсы разной длительности и амплитуды с разной частотой повторения, позволя- ет сдвигать время начала импульса относительно синхронизирую- щего импульса.

Прямоугольный импульс через магазин сопротивлений подается на исследуемый конденсатор и вход «Y» осциллографа. Осцилло-

граф позволяет визуально следить за процессом заряда и разряда конденсатора. В работе используется емкость С≈0,01 мкФ, R изме- няется от 0 до 10 кОм. Для наблюдения процессов в RC–цепи удоб- ной при этих значениях R и С является частота повторения 1–2 кГц.

Длительность прямоугольного импульса должна быть достаточной для того, чтобы конден-

сатор успевал зарядиться до напряжения, равного ам- плитуде импульса.

Из рис. 6 видно, что длительность прямоуголь-

ного импульса Т меньше постоянной заряда RC–цепи τ. Следовательно, конден- сатор не успевает зарядить- ся. Чтобы зарядить конден- сатор до напряжения, рав- ного амплитуде импульса,

необходимо выполнить условие Т>>τ.

Рис. 6

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с блок-схемой установки, представленной на рис. 5.

2.Ознакомиться с работой генератора импульсов Г5-54, элек- тронного осциллографа С1-83.

Лабораторные работы по электричеству

3. Подготовить генератор импульсов к работе, для чего выпол- нить следующие операции:

а) нажать кнопку «запуск»; б) установить частоту повторения 2,0×103;

в) установить временный сдвиг 2,0×10; г) установить длительность 2,0×10 μS; д) нажать кнопку «∏»; е) нажать кнопку ×0,3;

ж) переключатель синхроимпульсов установить в положение

«Λ»;

з) ручку «амплитуды повернуть на 1/3 вправо.

4.Подготовить осциллограф к работе, для чего: а) ручку «развертка» поставить в позицию 10 μS; б) нажать кнопку «0,5» внешней синхронизации; в) нажать кнопку «+»; г) вытянуть ручку «ждущая»;

д) род работы I канала установить в позицию « »;

е) переключатель «V/дел» поставить в положение «0,5»; ж) нажать кнопку «I» слева от экрана.

5.Включить стенд и приборы.

6.Установить на экране осциллографа устойчивую картину, вращая ручки «развертка плавно».

7.Установить на магазине сопротивлений 1 кОм.

Упражнение 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИВОЙ ЗАРЯДА КОНДЕН-

САТОРА

1.Установить величину усиления канала Y осциллографа таким, чтобы высота импульса на экране была максимально возможной. Ввести некоторую задержку импульса, чтобы не пропало его нача- ло. Установить частоту развертки осциллографа такой, чтобы на эк- ране уместилась полная кривая заряда конденсатора.

2.Измерить зависимость у(х), при этом измеряя х в мкс, а у – в вольтах. Результаты занести в таблицу

3.Построить кривую заряда конденсатора.

Лабораторные работы по электричеству

Таблица

х, мкс

у, В

Упражнение 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИВОЙ РАЗРЯДА КОНДЕН-

САТОРА

1.Аналогично предыдущему упражнению провести измерения для разряда конденсатора. Результаты занести в подобную таблицу.

2.По кривой разряда конденсатора определить время θ. Вычис- лить постоянную времени τ, используя формулу (6).

3.Учитывая, что погрешность определения θ зависит в основ- ном от приборной, оценить τприб и рассчитать относительную

погрешность

кОм.

4. На основании полученных значений τ для 3-х разных R вы- числить величину емкости С. Определить относительную погреш-

ность

где Dτ и DR – абсолютные погрешности измерения.

5. Определить абсолютную погрешность величины емкости при данных измерениях.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое электрическая цепь, какие элементы входят в состав замкнутой электрической цепи?

Лабораторные работы по электричеству

2.Что такое электроемкость проводника? От каких параметров зависит величина электроемкости плоского конденсатора?

3.Оъясните понятие «RC-цепочка»?

4.Переходные процессы, в каких цепях они возможны?

5.Что означают «мгновенные значения» электрического тока и напряжения, как их вычислить?

6.Как определить максимальные значения напряжения на кон- денсаторе и тока в цепи?

7.Что такое постоянный электрический ток? Чем он отличается от переменного?

8.Каким образом определяется направление тока в цепи?

9.Вывести уравнение (1).

10.Что такое время релаксации?

11.Какова зависимость напряжения на конденсаторе от времени при его разрядке?

12.Вывести закон изменения напряжения на конденсаторе при зарядке конденсатора.

13.Объясните физический смысл уравнения (6).

14.Сравните время заряда и разряда конденсатора.

15.Каким условиям должна удовлетворять длительность им- пульса генератора?

16.Объяснить работу установки по принципиальной электриче- ской схеме.

17.Нарисовать блок-схему установки и рассказать порядок вы- полнения работы.

18.Почему в данной установке нет источника постоянного тока, показанного на принципиальной схеме?

19.Можно ли в данной установке применить генератор синусои- дального напряжения, пилообразного напряжения?

20.Какой частоты и длительности импульсы должен вырабаты- вать генератор?

21.Для чего нужно в данной схеме активное сопротивление R? Какой должна быть ее величина?

22.Какого типа конденсаторы и резисторы могут применяться в данной установке?

23.Какие значения могут иметь емкость и сопротивление в дан- ной схеме?

Лабораторные работы по электричеству

24.Для чего нужна синхронизация сигнала осциллографа?

25.Каким образом добиваются оптимального вида сигнала на экране осциллографа? Какие регулировки при этом применяются?

26.Чем отличаются цепи заряда и разряда конденсатора?

27.Какие измерения нужно провести, чтобы определить емкость конденсатора в RC-цепи?

28.Как оценить погрешности измерений при работе установки?

29.Как повысить точность определения времени релаксации RC-

цепи?

30.Назовите пути повышения точности определения емкости конденсатора.

Лабораторные работы по электричеству

Лабораторная работа № 7

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕПИ С ГАЗОРАЗРЯДНЫМ ДИОДОМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение релаксационных процессов в электрических цепях с конденсаторами и газоразрядным диодом. Ознакомление принципа работы релаксационного лампового генератора пилообразных коле- баний.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Если электрическая цепь включает в себя источник постоянного тока и конденсатор, то в такой цепи возможно наблюдение процес- сов заряда и разряда конденсатора. Принципиальная схема показана на рис. 1.

Эти процессы детально были рассмотрены в лабораторной рабо- те №6, поэтому ограничимся лишь некоторыми замечаниями.

Предположим ,что мгновенное значения тока одно и то же во всех поперечных сечениях провода, соединяющего обкладки конденсатора, а

мгновенное электрическое поле такое же, как электростатическое при тех же зарядах на обкладках конденсатора. Токи и поля, удовлетворяющие этим условиям, называются квазистати-

ческими или квазистационарными.

Рис. 1

Условие квазистационарности выполняется в том случае, если

L c <<τ ,

где L – длина проводника, соединяющего обкладки конденсатора;

Лабораторные работы по электричеству

с – скорость света в вакууме; τ – характерное время протекания процессов в электрической

цепи.

Приведем зависимость напряжения на конденсаторе от времени, полученную в лаб. работе №6, в 2-х случаях :

при заряде конденсатора

при разряде конденсатора

где ε – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени t=0 (напряжение источника ЭДС);

τ=RC – время релаксации.

Эти зависимости представлены на рис. 2.

Рис. 2

Рассмотрим релаксационные колебания в цепи, содержащей конденсатор и неоновую лампу.

На рис. 3 представлена схема генератора релаксационных коле- баний, основанного на использовании RC-цепи.

Лабораторные работы по электричеству

Генератор работает следующим образом. Конденсатор емкости С,

параллельно которому присоединена неоновая лампа НЛ, заряжается от

источника ЭДС ε через большое сопротивление R.

Рис. 3

Если бы неоновой лампы не было, то напряжение конденсатора UC увеличивалось бы с течением времени, согласно пунктирной кривой на рис. 4, которая описывается уравнением (1), и стремилось

бы асимптотически к ЭДС источника ε (U0).

Рис. 4

При наличии неоновой лампы происходит следующее. Когда на- пряжение UC достигает напряжения зажигания UЗ, в лампе возни- кает газовый разряд, и конденсатор начинает быстро разряжаться через лампу, поскольку сопротивление неоновой лампы RЛ при на- личии разряда значительно меньше сопротивления R.

Лабораторные работы по электричеству

Когда UC уменьшается до значения напряжения гашения разряда UГ, разряд в лампе прекращается и конденсатор начинает опять за- ряжаться, а напряжение UC расти. Затем в определенный момент

времени в лампе снова зажигается разряд и описанные процессы повторяются периодически.

График релаксационного процесса приведен на рис. 4. Очевидно, что период колебаний Т определяется выражением

где Т1 – время заряда, за которое напряжение на конденсаторе из- меняется от UГ до UЗ;

Т2 – время разряда, за которое напряжение изменяется от UЗ до

UГ.

Поскольку R>>RЛ, то Т1>>Т2, т.к. значения Т1 и Т2 в первом

приближении пропорциональны постоянным времени цепей заряда τ1=RC и разряда τ2=RЛС, соответственно.

Следовательно, период процесса Т@Т1. Используя уравнение (1),

Роль переключателя, обеспечивающего попеременный заряд и разряд конденсатора, играет газоразрядный диод. Работа газораз- рядных (ионных) ламп основана на явлении электрического разряда в газах. Конструктивно ионные лампы представляют собой систему из двух (или более) электродов, размещенных в герметизированном баллоне, заполненном каким-либо инертным газом, водородом или парами ртути.

В зависимости от вида разряда различают лампы с самостоя- тельным и несамостоятельным разрядами. Испускаемые катодом в

результате эмиссии электроны ускоряются электрическим полем до потенциала ионизации. Столкновения электронов с молекулами га- зов приводят к ионизации молекул. Ускоренные полем положи- тельные ионы бомбардируют катод, вызывая появление новой пор- ции электронов. В том же направлении действует и фотоэффект,

обусловленный свечением газового разряда в результате процесса рекомбинации. В баллоне лампы образуется газоразрядная плазма с