Лабораторные работы по электричеству

большой концентрацией электронов и ионов, которые и являются носителями зарядов.

Минимальное значение напряжения между катодом и анодом, при котором происходит образование в лампе газоразрядной плаз- мы, носит название потенциала зажигания UЗ. Прекращение свече- ния лампы происходит при более низком напряжении, которое на- зывается потенциалом гашения UГ.

Зависимость тока от напряжения для газоразрядной лампы не подчиняется закону Ома и характеризуется рядом особенностей при малых напряжениях (рис. 5). При напряжениях U<UЗ лампа не про- пускает тока (не горит). Ток в лампе возникает только в том случае,

когда напряжение между электродами лампы достигает напряжения зажигания UЗ. При этом величина тока скачком устанавливается равной I1, которая при дальнейшем увеличении напряжения U рас- тет по закону, близкому к линейному. При уменьшении напряжения на горящей лампе до UЗ лампа еще не гаснет, и сила тока продолжает уменьшаться. Лам-

па перестает пропускать ток лишь при напряжении гашения UГ, которое обычно существен- но ниже UЗ. Сила тока при этом скачком падает от значения I2 до нуля.

Рис. 5

Различие напряжений зажигания и гашения дает возможность использовать неоновую лампу для получения электрических коле- баний “пилообразного типа”.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема установки показана на рис. 6.

Лабораторные работы по электричеству

Рис. 6

Схема состоит из источника постоянного тока ИП, неоновой лампы НЛ, универсального вольтметра V, с пределом измерений напряжения свыше 100 В. Для контроля колебаний,возникающих в цепи, применяется электронный осциллограф ЭО и громкоговори- тель ГГ, включенный в цепь через усилитель УС.

Набор конденсаторов различных емкостей и сопротивлений по- зволяет формировать RC-цепи с разными временами релаксации. Переключатели К1 и К3 позволяют изменять значения R и С. Клю- чом К2 RC-цепочка подключается в цепь заряда.

Лабораторные работы по электричеству

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение 1. СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕОНОВОЙ

ЛАМПЫ На вольтметре В7-21 кнопки 1 и 5 установить в нажатом состоя-

нии, кнопки 4 и 6 – в отжатом, установить предел измерений на- пряжения «200 В».

Переключатель К1 перевести в положение «измерение

UЗАЖИГАНИЯ». Медленно передвигать регулятор напряжения R6 до тех пор, пока лампа не загорится. Зафиксировать напряжение зажи-

гания UЗ и занести показания в таблицу 1. Определить напряжение гашения UГ при уменьшении напряжения (движение R6 в обратную сторону). Занести и эти показания в таблицу 1.

Указанные измерения UЗ и UГ провести не менее трех раз и вы-

После измерений перевести переключатель К1 в нейтральное по- ложение.

Лабораторные работы по электричеству

Таблица 2

№ п/п U, B R, Moм С, мкФ Т=t10/10 ТРАСЧ

экс

1

2

Упражнение 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДА РЕЛАКСА- ЦИОННОГО ПРОЦЕССА С НЕОНОВОЙ ЛАМПОЙ (Случай большого периода колебаний)

Переключатель К1 перевести в положение «Релаксация». Уста- новить потенциометром R6 максимальное напряжение. Измерить период колебаний Т при нескольких выбранных значениях R и С,

отсчитывая по секундомеру время десяти вспышек неоновой лампы

t10. Числовые значения R1,2 и С1–4 указаны на рис. 6. Варианты со- единений взять из табл. 3 (выбрать переключателями К2, К3).

Рассчитать период Т по формуле (4) и занести в таблицу 2.

Упражнение 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДА РЕЛАКСА- ЦИОННОГО ПРОЦЕССА С НЕОНОВОЙ ЛАМПОЙ (Случай мало- го периода колебаний)

Переключатель К1 остается в положении «Релаксация». Числовые значения R и С устанавливаются переключателями К2

и К3. Их значения указаны в таблице 4.

Лабораторные работы по электричеству

Так как параметр Т лежит в диапазоне 1¸30 мс, то измерение пе- риода производится с помощью осциллографа. Звуковой сигнал, создаваемый громкоговорителем, дает представление о частоте сле- дования импульсов (сила звука регулируется).

Определить длительность периода с помощью осциллографа и занести результаты в таблицу 2.

Оценить погрешности определенной экспериментально ТЭКС следующим образом

где Dt – абсолютная погрешность измерений времени колебаний; t – средняя длительность 10 колебаний.

Оценить величину относительной погрешности ТРАСЧ по при-

ближенной формуле

где τ и Dτ – постоянная времени заряда и ее абсолютная погреш- ность.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каким током заряжается конденсатор: переменным или посто- янным?

2.Чему равна энергия заряженного конденсатора?

3.Вывести уравнение зарядки конденсатора.

4.Напишите закон Ома для полной цепи и для участка цепи.

Лабораторные работы по электричеству

5.Вывести уравнение разрядки конденсатора.

6.Почему время зарядки конденсатора больше времени разряда

ТЗАР>>ТРАЗ ?

7.Изобразить и объяснить графики зависимости напряжения на конденсаторе во время его заряда и во время разряда.

8.Что такое периодический процесс? Является ли исследуемый процесс зарядки-разрядки конденсатора периодическим?

9.Что означают понятия «эмиссия» и «ионизация»?

10.Откуда в лампе , заполненной нейтральным инертным газом, появляются ионы и электроны?

11.От чего зависит концентрация электронов и ионов в лампе?

12.Что такое рекомбинация?

13.Что такое “самостоятельный” и “несамостоятельный” разря-

ды?

14.Что такое электрическое квазистационарное поле?

15.Что такое плазма?

16.Пользуясь принципиальной схемой установки, объяснить ее работу.

17.Можно ли считать пилообразные колебания напряжения, возникающие в данной работе, периодическим процессом?

18.Что представляет собой генератор электрических колебаний?

19.Что такое газоразрядный диод? Его устройство и принцип действия.

20.Что является источником электронов в лампе?

21.Каким требованиям должен удовлетворять осциллограф, применяемый в экспериментальной установке?

22.Каковы функции вольтметра, применяемого в данной уста-

новке?

23.Какие выходные напряжения должен обеспечивать источник постоянного тока?

24.Какие типы конденсаторов могут применяться в данной ус- тановке?

25.Чем определяются номиналы емкостей конденсаторов, при- меняемых в схеме установки?

26.Объяснить, чем режим «измерения UЗ» отличается от режима «релаксации».

Лабораторные работы по электричеству

27.Какими условиями определяются величины напряжений за- жигания и гашения? Равны ли они между собой?

28.Объясните ход зависимостей напряжения U(t), тока I(t) и

I(U).

29.Почему количество вспышек, отсчитываемых во время изме- рений, берется равным десяти?

30.Как оценить погрешности измерений?

Лабораторные работы по электромагнетизму

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПЛОСКОЙ КАТУШКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с одним из методов получения магнитного поля в пространстве при помощи плоской катушки с током. Изучение яв- ления взаимной индукции.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Известно, что источником магнитного поля являются либо по- стоянные магниты, либо проводники с током.

Между проводниками, по которым протекают электрические то- ки, возникают пондеромоторные (механические) силы взаимодейст- вия, зависящие от силы этих токов и расположения проводников относительно друг друга.

Во всех точках пространства, окружающего произвольный про- водник с током, всегда существует обусловленное этим током поле сил. Это поле называется магнитным полем тока. Термин «магнит- ное поле» был введен английским физиком М. Фарадеем, считав- шим, что как электрические, так и магнитные взаимодействия осу- ществляются посредством единого материального поля.

Природа макроскопического магнитного поля, создаваемого проводниками с током, заключается в движении электрически за- ряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов).

Основной характеристикой магнитного поля, представляющей

собой среднее значение суммарного действия микроскопических полей, созданных отдельными микрочастицами, является вектор

магнитной индукции B.

Лабораторные работы по электромагнетизму

Очевидно, что значение и направление магнитной индукции B движущегося заряда будет зависеть от величины самого заряда, его скорости и удаленности до точки измерения индукции. Если вместо

заряда взять элементарный проводник – элемент тока – Idl , можно

рассчитать для него вектор магнитной индукции для любой точки пространства, в котором находится проводник.

Закон Био-Савара-Лапласа позволяет определить вектор индук- ции магнитного поля, созданного элементом тока:

где Idl – элемент тока;

I – сила тока в проводнике;

dl – вектор, равный по модулю длине dl проводника и совпа- дающий по направлению с направлением тока;

μ– магнитная проницаемость среды (для вакуума μ=1);

μ0 = 4π ×10−7Гн/м – магнитная постоянная;

r – радиус-вектор, проведенный от середины элемента проводника к точке, в которой определяется магнитная индукция.

Направления вектора dB

– силовые линии магнитного поля – определяются прави- лом векторного произве- дения, и представляют собой концентрические окружнос- ти, центр которых лежит на прямой, проходящей через элемент dl . Векторы dl , r , dB образуют правовинто- вую систему (рис. 1).

Рис. 1