7

Саровский государственный физико - технический институт физический практикум

Часть II электричество и магнетизм

Составили: Е. Г. Косяк

О.Н. Лебедев

Одобрено

научно-методическим советом СарФТИ

в качестве учебного пособия

« ___ » ________________2012 г.

2012

УДК

537 (0765)

Физический практикум, часть II. Электричество и магнетизм. Косяк Е. Г., Лебедев О. Н. Издание СарФТИ, Саров, 2012 г.

Сборник лабораторных работ, выполняемых при изучении раздела «Электричество и магнетизм» курса общей физики. Пособие предназначено для студентов СарФТИ дневной и вечерней форм обучения.

Рецензент:

Введение. Лабораторный комплекс "Электромагнетизм"

Комплекс (Рис. 1) предназначен для постановки лабораторных работ по курсу "Электричество и магнетизм" в физическом практикуме. В состав комплекса входят: генератор сигналов GFG-8216A, осциллограф GOS-620, вольтметр GDM-8135, источник постоянного напряжения, усилитель тока и блок элементов схем. Кроме этого, для выполнения некоторых работ используются дополнительные узлы и элементы.

Рис. 1

Описание приборов

Генератор GFG-8216A предназначен для питания экспериментальных макетов переменным током. Он может выдавать периодические колебания синусоидальной, пилообразной и прямоугольной формы. В прибор встроен частотомер, позволяющий контролировать параметры выходного сигнала. Основные органы управления и подключения:

POWER – кнопка включения питания.

FREQUENCY – регулятор частоты выходного сигнала. Диапазон регулировки выбирается кнопками из ряда 1Гц – 1МГц, при этом глубина регулировки будет 0.3Х÷3Х, где Х – выбранное кнопкой значение.

Установленная частота выходного сигнала отображается на дисплее частотомера. Погрешность установки зависит от выбранного диапазона:

±0.1 мГц для диапазона 1;

±1 мГц для диапазона 10;

±10 мГц для диапазона 100;

±0.1 Гц для диапазона 1к;

±1 Гц для диапазона 10к;

±10 Гц для диапазона 100к;

±100 Гц для диапазона 1М;

AMPL – ручка регулировки амплитуды выходного сигнала. Максимальная амплитуда выходного сигнала – не менее 10В на нагрузке 50 Ом. Если выходной сигнал оказывается слишком велик, можно включить аттенюатор кнопкой ATT -20dB.

Кнопки выбора формы выходного сигнала позволяют получить колебания прямоугольной, треугольной или синусоидальной формы.

DUTY – регулятор, позволяющий управлять симметрией сигнала для синусоиды или треугольника. Для прямоугольного сигнала изменяется скважность импульсов.

OUTPUT 50Ω – выход генератора.

Остальные органы управления и разъемы генератора не используются в рамках данного практикума.

Осциллограф GOS-620 служит для наблюдения формы и измерения величины периодических электрических сигналов различной формы. Два канала вертикального отклонения луча позволяют одновременно видеть два исследуемых сигнала, измеряя, например, фазовый сдвиг между ними. Включение каналов в режим X‑Y позволяют наблюдать зависимость одного напряжения не от времени, а от другого напряжения. Такой режим работы используется, например, для изучения петель гистерезиса или фигур Лиссажу.

В осциллографе изображение на экране получается в результате свечения люминофора при попадании на него электронного луча (потока электронов, выпущенных электронной пушкой). Двигаясь от пушки к экрану, электроны проходят между отклоняющими пластинами (вертикальными и горизонтальными), на которые подается некоторая разность потенциалов. Отрицательно заряженные электроны притягиваются положительной пластиной и отталкиваются отрицательной, вследствие этого точка на экране смещается. Подавая переменное напряжение на соответствующие пластины, можно рисовать лучом на экране, при этом смещение точки по горизонтали и вертикали будет пропорционально соответствующим отклоняющим напряжениям. При этом для устойчивой картинки необходимо чтобы луч периодически проходил по одним и тем же точкам, т.е. был синхронизирован.

При изучении временных зависимостей на горизонтальные пластины подается линейно изменяющееся напряжение, частота которого задается ручкой TIME/DIV (Время/деление). Число при соответствующем положении ручки указывает, сколько единиц времени (микросекунд, миллисекунд или секунд) укладывается в одном большом делении (в одной клетке). В крайнем левом положении эта же ручка включает режим X‑Y.

Управление вертикальным отклонением луча сгруппировано на поле VERTICAL передней панели. Переключатель VOLTS/DIV (Вольт/деление) для каждого канала указывает цену большого деления по вертикали в вольтах или милливольтах. Следует помнить, что для измерения напряжения серые регуляторы VAR должны быть в положении "CAL". Управление каналами осциллографа осуществляет переключатель MODE. Положение CH1 или CH2 отображает только один соответствующий канал, DUAL – видимы оба канала, ADD – позволяет наблюдать сумму обоих напряжений. Трехпозиционный переключатель AC-GND-DC переключает соответствующий канал в режим "закрытый"‑"открытый" вход. В режиме "открытого" входа (DC) на усилитель вертикального отклонения подается и постоянная и переменная составляющие входного сигнала. В режиме "закрытого" входа (AC) постоянная составляющая отсекается конденсатором и рассматривается только переменная часть входного напряжения. Такой режим удобен для изучения малых изменений на фоне большого постоянного напряжения, например пульсаций на выходе источника постоянного напряжения. Положение GND обнуляет соответствующий канал, это удобно для установки нулевого положения луча.

Ручки POSITION перемещают картинку по горизонтали и по вертикали.

Управление временной синхронизацией луча сгруппировано на поле TRIGGER передней панели. Устойчивой картинки добиваются регулятором синхронизации (ручка LEVEL). Источник напряжения синхронизации выбирается переключателем MODE. Положение CH1 или CH2 привязывает генератор развертки к соответствующему каналу, положение LINE – к сетевому напряжению, положение EXT выбирает внешний сигнал, подаваемый на соответствующий вход TRIG IN. Переключатель SLOPE позволяет управлять полярностью сигнала запуска развертки.

Используя осциллограф в режиме временных зависимостей, не следует забывать, что луч на экране всегда двигается слева направо, т.к. на время обратного хода его гасят. Это сделано для удобства измерения.

Основная относительная погрешность коэффициента отклонения по обеим не более ±5%.

Вольтметр GDM-8135 относится к классу комбинированных приборов и позволяет измерять: постоянное напряжение, среднее квадратичное значение переменного напряжения, сопротивление постоянному току, силу постоянного тока, среднее квадратичное значение силы переменного тока.

Для индикации измеряемой величины используется табло из четырех десятичных цифр, но следует помнить, что в старшем разряде может быть либо 0, либо 1, поэтому показание прибора не может превышать числа 1999^.10^N (обратите внимание, все пределы прибора равны 2^.10^N).

Рядом с цифровым индикатором на передней панели находятся кнопки выбора измеряемой величины и переключатель пределов. V, kΩ, mA означают соответственно – напряжение (Вольт), сопротивление (килоОм) и силу тока (миллиАмпер). Кнопка ~AC/^—DC позволяет выбрать переменный или постоянный ток (или напряжение). Выбирать измеряемую величину следует аккуратно. Попытка измерить сопротивление (кнопка kΩ) на включенном макете приводит к порче вольтметра.

Функция кнопок выбора предела очевидна – максимальное значение, которое можно измерить при нажатой кнопке. Для повышения точности измерения следует так выбрать предел, чтобы использовалось не менее трех значащих цифр, при этом подбор значений ведется от больших к меньшим.

При измерении разных величин используются разные входные гнезда, при этом второй провод всегда должен быть в гнезде COM. При подключении прибора следует обращать особое внимание на маркировку гнезд. Попытка измерения напряжения при подключенном токовом входе (гнездо mA) приводит к порче вольтметра.

При измерении переменного напряжения и тока следует помнить, что корректно измеряются только сигналы синусоидальной формы.

Пределы допускаемой основной погрешности, %:

постоянное напряжение 0.001U_изм ± 1 ед. мл. разряда;

переменное напряжение 40Гц-1кГц 0.005U_изм ± 1 ед. мл. разряда;

1кГц-10кГц 0.01U_изм ± 1 ед. мл. разряда;

10кГц-20кГц 0.02U_изм ± 1 ед. мл. разряда;

20кГц-40кГц 0.05U_изм ± 1 ед. мл. разряда;

сила переменного тока, пределы измерения 200μA-200mA

40Гц-1кГц 0.005I_изм ± 1 ед. мл. разряда;

1кГц-10кГц 0.01I_изм ± 1 ед. мл. разряда;

10кГц-20кГц 0.02I_изм ± 1 ед. мл. разряда;

предел измерения 2000mA

40Гц-2кГц 0.01I_изм ± 1 ед. мл. разряда;

сила постоянного тока 200μA-200mA 0.002I_изм ± 1 ед. мл. разряда;

2000mA 0.005I_изм ± 1 ед. мл. разряда;

активное сопротивление 200Ω-2000kΩ 0.002R_изм ± 1 ед. мл. разряда;

20MΩ 0.005R_изм ± 1 ед. мл. разряда.