М И Н И СТ Е РСТ В О О Б РА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СКО Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О Р О Н Е Ж СКИ Й ГО СУД А Р СТ В Е Н Н ЫЙ УН...
4 downloads
194 Views
461KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
М И Н И СТ Е РСТ В О О Б РА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СКО Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О Р О Н Е Ж СКИ Й ГО СУД А Р СТ В Е Н Н ЫЙ УН И В Е РСИ Т Е Т
Ф изический ф акультет Каф едра экспериментальной ф изики
М Е ТОД И Ч Е С К И Е У К А ЗА Н И Я клаб ораторны м раб отам по курсуоб щ ей ф изики (ч. 2, Э лектричество и магнетизм) для студентов 1 курса дневного отделения ф армацевтического ф акультета
Составители: С .Д . М ил о в идо в а А .С . С идо ркин З.А . Л иберм а н О .В . Р о г а зинска я А .М . С о л о духа
В оронеж – 2002
2
С О Д ЕР Ж А Н И Е 1. Г р адуи р о вк а т е р м о эле м е нт а и о пр е де ле ни е е го эле к т р о дви ж ущ е й с и лы … . 3 2. И зуче ни е р або т ы эле к т р о нно го о с ци лло гр афа… … … … … … … … … … … .. 12 3. И зуче ни е вли яни ям агни т но го по ляна ве щ е с т ва. Снят и е пе т е льм агни т но го ги с т е р е зи с а фе р р о м агне т и к о в … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..20 4. И зуче ни е р або т ы пр о с т е йше го лам по во го ге не р ат о р а эле к т р о м агни т ны х к о ле бани й… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 28
3
Р А Б О ТА № 1 Г РА ДУ И РО В К А Т Е РМ О Э Л Е М Е Н Т А И О П РЕ ДЕ Л Е Н И Е Е Г О Э Л Е К Т РО ДВИ Ж У Щ Е Й С И Л Ы Пр и бо р ы и пр и надле ж но с т и : т е р м о пар а, два м е т алли че с к и х с о с уда с т е р м о м е т р ам и , гальвано м е т р , м и лли во льт м е т р , ак к ум улят о р , пе р е м е нно е с о пр о т и вле ни е , к люч, эле к т р о пли т к а. К раткая те ория Пр и т е с но м с о пр и к о с но ве ни и (к о нт ак т е ) двух р азно р о дны х м е т алло в м е ж ду ни м и во зни к ае т р азно с т ь по т е нци ало в. Она по лучи ла названи е к о нт ак т но й р азно с т и по т е нци ало в. А . Во льт а эк с пе р и м е нт ально бы ли ус т ано вле ны два зак о на: 1. Пр и с о е ди не ни и двух пр о во дни к о в, и зго т о вле нны х и з р азли чны х м е т алло в, м е ж ду ни м и во зни к ае т к о нт ак т ная р азно с т ь по т е нци ало в, к о т о р ая зави с и т т о льк о о т и х х и м и че с к о го с о с т ава и т е м пе р ат ур ы . 2. Разно с т ь по т е нци ало в м е ж дук о нцам и це пи , с о с т о ящ е й и з по с ле до ват е льно с о е ди не нны х м е т алли че с к и х пр о во дни к о в, нах о дящ и х с я пр и о ди нак о во й т е м пе р ат ур е , не зави с и т о т х и м и че с к о го с о с т ава пр о м е ж ут о чны х пр о во дни к о в. Она р авна к о нт ак т но й р азно с т и по т е нци ало в, во зни к ающ е й пр и не по с р е дс т ве нно м с о е ди не ни и к р айни х пр о во дни к о в. Рас с м о т р и м пр и чи ны , вы зы вающ и е к о нт ак т ную р азно с т ь по т е нци ало в. От м е че нная в пе р во м зак о не Во льт ы зави с и м о с т ь к о нт ак т но й р азно с т и по т е нци ало в двух м е т алло в о т и х х и м и че с к о го с о с т ава о бус ло вле на двум я пр и чи нам и : р азли чи е м р або т ы вы х о да А эле к т р о на и з эт и х м е т алло в и р азли чи е м к о нце нт р аци и n е с во бо дны х эле к т р о но в в ни х . Ос т ано ви м с я бо ле е + + + + по др о бно на фи зи че с к о й пр и р о де р або т ы вы х о да А . е е На р и с .1.с х е м ат и че с к и и зо бр аж е ны час т и к р и с т алли че с к о й р е ше т к и Си лы + + + + м е т алла. пр и т яж е ни я к е е по ло ж и т е льны м и о нам р е ше т к и , де йс т вующ и е на с во бо дны е эле к т р о ны , нах о дящ и е с я внут р и + + + + м е т алла, в с р е дне м взаи м но Ри с .1 ур авно ве ши вают с я, и эле к т р о ны дви ж ут с яс во бо дно внут р и м е т алла м е ж дуузлам и р е ше т к и . Ес ли ж е по
4
к ак о й-ли бо пр и чи не эле к т р о н вы йде т за пр е де лы м е т алла, т о на не го начнут де йс т во ват ь не ур авно ве ше нны е с и лы пр и т яж е ни я с о с т о р о ны и о но в по ве р х но с т и м е т алла и с о с т о р о ны т о го и збы т о чно го по ло ж и т е льно го зар яда, к о т о р ы й во зни к в м е т алле в с вязи с по т е р е й эле к т р о на. Ре зульт и р ующ ая с и ла F, напр авле нная в с т о р о нум е т алла, во звр ат и т эле к т р о н в м е т алл. М е ж дут е м , о бладаяк и не т и че с к о й эне р ги е й, эле к т р о ны не пр е р ы вно « вы с к ак и вают » и з м е т алла на р ас с т о яни я, не пр е вы шающ и е ат о м ны х р азм е р о в, и вт яги вают с я о бр ат но . В р е зульт ат е р е ше т к а и з по ло ж и т е льны х и о но в буде т с нар уж и о бво лак и ват ьс я т о нк и м с ло е м о т р и цат е льны х эле к т р о но в и на вс е й по ве р х но с т и м е т алла о бр азуе т с я дво йно й эле к т р и че с к и й с ло й, к о т о р ы й являе т с я с во е о бр азны м к о нде нс ат о р о м , пр е пят с т вующ и м но вы м эле к т р о нам вы х о ди т ь и знут р и м е т алла нар уж у. Т ак и м о бр азо м , длят о го , чт о бы по к и нут ьм е т алл и уйт и в о к р уж ающ ую с р е ду, эле к т р о н до лж е н с о ве р ши т ь р або т у А пр о т и в с и л пр и т яж е ни я к м е т аллу, де йс т вующ и х на р ас с т о яни и по р ядк а р азм е р а к р и с т алли че с к о й яче йк и (10-8 с м ). Э т а р або т а назы вае т с я р або т о й вы х о да эле к т р о но в и з м е т алла. Ч е м бо льше р або т а вы х о да, т е м т р удне е эле к т р о ну вы ле т е т ь и з м е т алла. Ве ли чи на р або т ы вы х о да зави с и т о т х и м и че с к о й пр и р о ды м е т алла и с о с т о яни я е го по ве р х но с т и , загр язне ни я, влаж но с т и и т .д. Рабо т у вы х о да пр и нят о вы р аж ат ь в эле к т р о нво льт ах (эВ). Оди н эле к т р о нво льт р аве н р або т е пе р е м е щ е ни яэле к т р о на в эле к т р и че с к о м по ле м е ж ду т о чк ам и с р азно с т ью по т е нци ало в 1 В . 1 эВ=1,6·10-12 эр г=1,6·10-19 Д ж . Рабо т а вы х о да ур азли чны х м е т алло в р азли чна и к о ле бле т с яв пр е де лах о т 1 до 6 эВ. И т ак , пе р е х о дя т е пе р ь к А 1< А 2 вы во ду о бщ е го вы р аж е ни я для 2 + – к о нт ак т но й р азно с т и r , , + – E т е нци ало в, учт е м с начала ϕ1 ϕ 2 по пе р вую пр и чи ну – р азли чную + – р або т у вы х о да. Д ля эт о го + – пр и ве де м в к о нт ак т два м е т алла 1 1 2 и 2, и м е ющ и х р або т у вы х о да Ри с .2 с о о т ве т с т ве нно А 1 и А 2, пр и че м 2 А 2>А 1 (р и с .2). Оче ви дно , чт о с во бо дны й эле к т р о н, по павши й (в пр о це с с е т е пло во го дви ж е ни я) на по ве р х но с т ь р азде ла м е т алло в, буде т вт янут во вт о р о й м е т алл, т ак к ак с о с т о р о ны эт о го м е т алла на эле к т р о н де йс т вуе т бо льшая с и ла пр и т яж е ни я (А 2>А 1). Сле до ват е льно , че р е з по ве р х но с т ь с о пр и к о с но ве ни я м е т алло в буде т пр о и с х о ди т ь « пе р е к ачк а» с во бо дны х эле к т р о но в и з пе р во го м е т алла во вт о р о й, в р е зульт ат е че го пе р вы й м е т алл зар яди т с я по ло ж и т е льно , вт о р о й – о т р и цат е льно . Во зни к ающ ая пр и эт о м р азно с т ь по т е нци ало в ϕ1 '
r Ε,
− ϕ 2'
с о здае т эле к т р и че с к о е по ле напр яж е нно с т ью к о т о р о е буде т зат р уднят ь дальне йшую « пе р е к ачк у» эле к т р о но в и с о вс е м пр е к р ат и т е е , к о гда р або т а пе р е м е щ е ни я эле к т р о на за с че т к о нт ак т но й р азно с т и по т е нци ало в с т ане т р авна р азно с т и р або т вы х о да эле к т р о на и з м е т алло в:
e(ϕ1' −ϕ 2' ) = Α 2 − Α1 , и ли
5
ϕ1' −ϕ 2' =
Α1 − Α 2 , e
(1)
где е – зар яд эле к т р о на. З наче ни е ϕ1 − ϕ 2 с о с т авляе т о бы чно о к о ло о дно го во льт а. Д ля уче т а вт о р о й пр и чи ны , о бус ло вли вающ е й к о нт ак т ную р азно с т ь по т е нци ало в за с че т р азли чно й к о нце нт р аци и с во бо дны х эле к т р о но в, зам е т и м , чт о к лас с и че с к ая эле к т р о нная т е о р и я пр о во ди м о с т и м е т алло в р ас с м ат р и вае т бо льшо е чи с ло с во бо дны х эле к т р о но в в м е т аллах к ак эле к т р о нны й газ, о бладающ и й с во йс т вам и о дно ат о м но го и де ально го газа. Пр е дпо ло ж и м т е пе р ь, чт о в к о нт ак т пр и ве де ны два м е т алла 1 и 2, и м е ющ и е о ди нак о вы е р або т ы вы х о да А 1 и А 2, но р азли чны е к о нце нт р аци и с во бо дны х эле к т р о но в n 1 и n2 (чи с ло эле к т р о но в в е ди ни це о бъе м а), пр и че м n1>n 2 (р и с .3). Т о гда начне т с я пр е и м ущ е с т ве нны й пе р е но с с во бо дны х эле к т р о но в и з пе р во го м е т алла во вт о р о й. В р е зульт ат е А 1= А 2 пе р вы й м е т алл зар яди т с я n 1 > n2 по ло ж и т е льно , вт о р о й о т р и цат е льно . М е ж ду м е т аллам и + – r во зни к не т р азно с т ь по т е нци ало в ,, ,, + – E ϕ1 ϕ 2 иr по яви т с я эле к т р и чес к о е по ле '
+ +
1
Ри с .3
'
– –
Ε,
к о то р о е до по лни т е льно е эле к т р о но в, пр о т и во по ло ж но м
2
2
вы зо ве т дви ж е ни е но в напр авле ни и .
Пр и не к о т о р о й р азно с т и по т е нци ало в ϕ1 − ϕ 2 нас т упи т р авно ве с и е и по т е нци алы м е т алло в м е нят ьс я не будут . Т ак о е р авно ве с и е ус т анавли вае т с я в ни чт о ж ны е до ли с е к унды . Найде м ве ли чи ну эт о й к о нт ак т но й р азно с т и по т е нци ало в. В к лас с и че с к о й эле к т р о нно й т е о р и и пр о во ди м о с т и эт а задача о р авно ве с и и эле к т р о но в в с о пр и к ас ающ и х с я м е т аллах с х о дна с задаче й о р авно ве с и и газа, нах о дящ е го с я в по ле т яж е с т и . И з м о ле к уляр но й фи зи к и и зве с т но , чт о к о нце нт р аци яат о м о в газа n на вы с о т е h с вязана с к о нце нт р аци е й nо упо ве р х но с т и З е м ли фо р м уло й ,
n = n0 e
−
mgh kΤ
,
.
З де с ь mgh е с т ь р азно с т ь по т е нци альны х эне р ги й W1-W2 на вы с о т е h и уЗ е м ли . В с лучае двух с о пр и к ас ающ и х с ям е т алло в и по эт о м у
W1 − W2 = e(ϕ1" − ϕ 2" )
n2 = n1e где
−
e (ϕ −ϕ kΤ " 1
" 2
6
) ,
n1 и n2 – к о нце нт р аци яэле к т р о но в в о бо и х
м е т аллах . От с юда
kΤ n1 ln . e n2 " " значе ни я ϕ1 − ϕ 2 и м е ют по р ядо к
ϕ1" − ϕ 2" =
(2)
Пр и к о м нат но й т е м пе р ат ур е 10 -1 В. В о бщ е м с лучае к о нт ак т а двух м е т алло в, р азли чающ и х с яи р або т о й вы х о да и к о нце нт р аци е й с во бо дны х эле к т р о но в, к о нт ак т наяр азно с т ьпо т е нци ало в буде т , с о глас но (1) и (2), р авна:
ϕ1 − ϕ 2 = −
Α1 − Α 2 kΤ n1 + ln . e e n2
(3)
Э т а фо р м ула являе т с я м ат е м ат и че с к и м вы р аж е ни е м пе р во го зак о на Во льт ы , т .к . о на по к азы вае т , чт о к о нт ак т ная р азно с т ь по т е нци ало в зави с и т т о льк о о т т е м пе р ат ур ы и х и м и че с к о й пр и р о ды м е т алло в. Д ля до к азат е льс т ва вт о р о го зак о на Во льт ы пр и ве де м в с о пр и к о с но ве ни е не с к о льк о (напр и м е р , че т ы р е ) р азно р о дны х м е т алли че с к и х пр о во дни к о в, и м е ющ и х о ди нак о вую т е м пе р ат ур у(р и с .4,а). Оче ви дно , чт о р азно с т ьпо т е нци ало в м е ж дук о нцам и эт о й це пи
ϕ1 − ϕ 4 = (ϕ1 − ϕ 2 ) + (ϕ 2 − ϕ 3 ) + (ϕ 3 − ϕ 4 ).
Т о гда, учи т ы вая(3) и вы по лняяпр о с т ы е пр е о бр азо вани я, по лучи м с о о т но ше ни е
ϕ1 −ϕ 4 = −
Α1 − Α 2 kΤ n1 + ln , e e n4
являющ е е с я м ат е м ат и че с к и м вы р аж е ни е м вт о р о го зак о на Во льт ы , т .к . о но по к азы вае т , чт о р азно с т ь по т е нци ало в м е ж ду к о нцам и т ак о й це пи не зави с и т о т х и м и че с к о й пр и р о ды 1 2 3 4 пр о м е ж ут о чны х φ1 φ1 φ2 φ2 φ3 φ3 φ4 φ 4 а) пр о во дни к о в. Ес ли т е пе р ь φ1 – φ4 не по с р е дс т ве нно с о е ди ни т ь м е ж ду с о бо й к о нце вы е 1 4 пр о во дни к и (р и с .4,б), т о эт а б) р азно с т ь по т е нци ало в к о м пе нс и р уе т с я р авно й по 2 3 ве ли чи не р азно с т ью по т е нци ало в φ 1-φ 2, Ри с .4. во зни к ающ е й в ме сте к о нт ак т а пр о во дни к о в 1 и 4. По эт о м у к о нт ак т ная р азно с т ь по т е нци ало в не с о здае т т о к а в зам к нут о й це пи
7
м е т алли че с к и х пр о во дни к о в, и м е ющ и х о ди нак о вую т е м пе р ат ур у. Однак о к о нт ак т ная р азно с т ь по т е нци ало в, к ак ви дно и з фо р м улы (3), зави с и т о т т е м пе р ат ур ы . Э т о й зави с и м о с т ью и о бус ло вле но явле ни е , по лучи вше е названи е т е р м о эле к т р и че с к о го эффе к т а. Со с т ави м зам к нут ую це пь и з д ву х р азно р о дны х м е т алли че с к и х 1 пр о во дни к о в 1 и 2. Т е м пе р ат ур ы φ1 φ1 a b Ta, Δ Ua Tb, Δ Ub к о нт ак т о в (с пае в) a и b буде м b по дде р ж и ват ь φ2 φ2 р азли чны м и : Т a>Tb (р и с .5). Т о гда, 2 с о глас но фо р м уле (3), к о нт ак т ная р азно с т ь по т е нци ало в в го р яче м с пае Ри с .5 бо льше , че м в х о ло дно м ΔU a>ΔU b. В р е зульт ат е м е ж дус паям и a и b во зни к ае т р азно с т ьпо т е нци ало в
ε
= ∆U a − ∆U b = (ϕ1 − ϕ 2 )a − (ϕ1 − ϕ 2 )b ,
назы вае м ая т е р м о эле к т р о дви ж ущ е й с и ло й, а в зам к нут о й це пи по йде т т о к с и ло й J. По льзуяс ьфо р м уло й (3), по лучае м
ε
Α − Α 2 kTa n1 Α1 − Α 2 kTb n1 = − 1 + ln − − + ln = e e n e e n2 2
k n = (Ta − Tb ) ln 1 , e n2 и ли
ε
= c(Ta − Tb ) = c∆Τ,
(4)
где к о эффи ци е нт
k n1 c= ln e n 2 назы вае т с япо с т о янно й т е р м о пар ы . Т е р м о пар а - зам к нут аяце пь, с о с т о ящ аяи з двух р азно р о дны х пр о во дни к о в, в к о т о р о й с о здае т с ят о к за с че т р азли чи ят е м пе р ат ур ы к о нт ак т о в. Ф о р м ула (4) по к азы вае т , чт о т е р м о эле к т р о дви ж ущ ая с и ла (Т Э Д С) т е р м о пар ы пр о по р ци о нальна р азно с т и т е м пе р ат ур с пае в (к о нт ак т о в). По с т о янная т е р м о пар ы с чи с ле нно р авна т е р м о эле к т р о дви ж ущ е й с и ле , во зни к ающ е й пр и р азно с т и т е м пе р ат ур с пае в в 1 гр адус . Наи бо ле е р ас пр о с т р ане нны е т е р м о пар ы : м е дь-к о нс т ант ан, ж е ле зо -к о нс т ант ан, ж е ле зо ни к е ль, плат и на-плат и но р о ди й и др . и м е ют с р е днюю ве ли чи нус по р ядк а (5-100) м к В/К .
8
З ави с и м о с т ьТ Э Д С о т р азно с т и т е м пе р ат ур 1 с пае в по зво ляе т и с по льзо ват ь т е р м о пар ы в к аче с т ве т е р м о эле к т р и че с к и х т е р м о м е т р о в. С эт о й це лью с о с т авляе т с я це пь, и зо бр аж е нная на Г р и с .6. Спай b т е р м о пар ы , с о с т авле нно й и з 2 пр о во дни к о в 1 и 2 (на р и с .6 о ни по к азаны р азно й т о лщ и ны ), по дде р ж и вае т с я пр и по с т о янно й и зве с т но й т е м пе р ат ур е Tb (напр и м е р , пр и a Ta b Tb т е м пе р ат ур е т ающ е го льда и ли к о м нат но й т е м пе р ат ур е ). Спай a по м е щ ае т с я в с р е ду, Ри с .6 т е м пе р ат ур а Ta к о т о р о й по дле ж и т и зм е р е ни ю. З ная по с т о янную с данно й т е р м о пар ы и и зм е р яя гальвано м е т р о м Г т е р м о эле к т р о дви ж ущ ую с и лу ε , р ас с чи т ы вают т е м пе р ат ур уTa. Обы чно шк алу гальвано м е т р а гр адуи р уют не по с р е дс т ве нно в гр адус ах . Т е р м о эле к т р и че с к и й т е р м о м е т р о бладае т с ущ е с т ве нны м и пр е и м ущ е с т вам и пе р е д р т ут ны м . Он о че нь чувс т ви т е ле н, и м е е т м алую т е м пе р ат ур ную и не р ци ю, пр и м е ни м в ши р о к о м ди апазо не т е м пе р ат ур , по зво ляе т и зм е р ят ь т е м пе р ат ур у м алы х о бъе м о в с р е ды (пр ак т и че с к и – т о че к с р е ды ). К р о м е т о го , о н до пус к ае т ди с т анци о нны е и зм е р е ни я, т .е . о пр е де ле ни е т е м пе р ат ур ы о бъе к т а, р ас по ло ж е нно го на бо льшо м р ас с т о яни и о т м е с т а и зм е р е ни я и ли не до с т упно го дляне по с р е дс т ве нно го и зм е р е ни я. О п иса н ие сх е м ы и м е т ода изм е ре н ия т е рм оэл е к т родвиж уще й сил ы В данно й лабо р ат о р но й р або т е т е р м о пар а с о с т о и т и з двух р азно р о дны х пр о во ло к ди ам е т р о м 1-2 м м , для лучше го к о нт ак т а с вар е нны х с во и м и к о нцам и (р и с .7). Одна из пр о во ло к р азо м к нут а и К на к о нцах е е ук р е пле ны две к ле м м ы К , к к о то р ым м о ж но пр и с о е ди ни т ь 2 2 1 и зм е р и т е льны й эле к т р и че с к и й пр и бо р . Пр авы й с пай т е р м о пар ы о пущ е н в a b с о с уд, напо лне нны й во до й к о м нат но й т е м пе р ат ур ы . Л е вы й Э л. пли т к а с пай о пущ е н в т ак о й ж е с о с уд с во до й, Ри с .7 т е м пе р ат ур а к о т о р о й м о ж е т и зм е нят ьс я пут е м по до гр е вани я с по м о щ ью эле к т р о пли т к и , и для
9
по дде р ж и вани я р авно м е р но го р ас пр е де ле ни я т е м пе р ат ур ы о н с набж е н м е шалк о й. Д ля и зм е р е ни я т е м пе р ат ур ы во ды , а, с ле до ват е льно , и с пае в т е р м о пар ы в о бо и х с о с удах и м е ют с ят е р м о м е т р ы . В наше й ус т ано вк е и зм е р е ни е Э Д С т е р м о пар ы пр о и зво ди т с я не не по с р е дс т ве нны м по дк люче ни е м гальвано м е т р а к к ле м м ам К (к ак по к азано на р и с .6), а м е т о до м к о м пе нс аци и на р е о х о р де , и с к лючающ и м ве ли чи ну паде ни я напр яж е ни я на внут р е нне м с о пр о т и вле ни и гальвано м е т р а. Э т о т м е т о д зак лючае т с я в с ле дующ е м . Рас с м о т р и м це пь, и зо бр аж е нную на р и с .8. З де с ь Т П – т е р м о пар а, Б – бат ар е я(ак к ум улят о р ), Г – гальвано м е т р , mV – м и лли во льт м е т р , К
ТП
J2
Г J1
a
b C
J
K
R Б
mV Ри с .8
– к люч, R – пе р е м е нно е с о пр о т и вле ни е . А В – р е о х о р д, пр е дс т авляющ и й с о бо й ук р е пле нную на ли не йк е о дно р о дную пр о во ло к у, вдо ль к о т о р о й м о ж е т пе р е м е щ ат ьс я с к о льзящ и й к о нт ак т С . Ес ли Э Д С т е р м о пар ы ε м е ньше , че м бат ар е и , т о на пр о во ло к е вс е гда м о ж но найт и т ак ую т о чк у С , к о гда в ве т ви А Г С т о к а не о к аж е т с я и с т р е лк а гальвано м е т р а буде т с т о ят ь на нуле . По вт о р о м у пр ави луК и р х го фа дляк о нт ур а А Г С А и м е е м :
J 2 ( RТ П + R Г ) − J 1 R AC = − ε ,
где RТ П – с о пр о т и вле ни е т е р м о пар ы и по дво дящ и х пр о во до в, RГ –с о пр о т и вле ни е гальвано м е т р а, RAC – с о пр о т и вле ни е учас т к а А С . К о гда т о к че р е з гальвано м е т р J2=0, т о
J 1 R AC = ε
(5)
и в эт о м с лучае паде ни е напр яж е ни я на учас т к е А С , с о здавае м о е бат ар е е й Б, р авно Э Д С т е р м о пар ы , т .е . пр о и с х о ди т к о м пе нс аци я. Т ак к ак т о к а в це пи А Г С не т , т о т о к на учас т к е А В буде т р аве н т о к у на учас т к е А С . Паде ни е напр яж е ни я на учас т к е А В , и зм е р яе м о е м и лли во льт м е т р о м , буде т р авно И з (5) и (6) нах о ди м
U AB = J 1 R AB .
(6)
ε = U AB R AC .
(7)
R AB
10
Вви ду т о го , чт о пр о во ло к а на учас т к е
ε где
l1 и l 2
А В – к али бр о ванная, м о ж но запи с ат ь
= U AB
l1 , l2
(8)
- дли ны учас т к о в А С и А В в пр о и зво льны х е ди ни цах .
З ная UAB, т .е . по к азани е м и лли во льт м е т р а mV и , и зм е р и в
AB = l 2 , по
AC = l 1
и
фо р м уле (8) вы чи с ляют Э Д С т е р м о пар ы . Вы п ол н е н ие ра бот ы
1. Со с т авляют т абли цут е х ни че с к и х данны х пр и бо р о в. 2. Напо лняют о ба с о с уда во до й к о м нат но й т е м пе р ат ур ы и с о би р ают це пь (с м .р и с .8). С по м о щ ью пе р е м е нно го с о пр о т и вле ни я R ус т анавли вают по ло ж е ни е с т р е лк и м и лли во льт м е т р а на це ло е чи с ло де ле ни й с це лью удо бс т ва дальне йши х вы чи с ле ни й, и эт о по к азани е пр и бо р а до лж но бы т ь о дни м и т е м ж е во вр е м я пр о ве де ни явс е х и зм е р е ни й. 3. З афи к с и р о вав т е м пе р ат ур у Т В в пр аво м с о с уде , к о т о р ая в пр о це с с е эк с пе р и м е нт а о с т ае т с япо с т о янно й, по до гр е вают на эле к т р о пли т к е ле вы й с о с уди , о т м е чая т е м пе р ат ур уТ a че р е з к аж ды е 5 К , и зм е р яют Э Д С т е р м о пар ы о пи с анны м вы ше м е т о до м к о м пе нс аци и . Нагр е вани е пр о до лж ают до т е м пе р ат ур ы 90-95о С, вс е вр е м я пе р е м е ши вая во ду м е шалк о й. Пр и и зм е р е ни ях Т Э Д С к люч К зам ы к ае т с я на к о р о т к о е вр е м я во и збе ж ани е бы с т р о го р азр яда ак к ум улят о р а. Д анны е и зм е р е ни й зано с ят в т абл.1. Т абли ца 1 (U AB =… м к В, № n/n
о
Т а, С
l 2 =…
м м , Т b =… о С)
l 1, м м
ε , мк В
c,
мкВ K
1 2 3 . . . Ср . От к лады ваяпо о с и абс ци с с р азно с т ьт е м пе р ат ур с пае в т е р м о пар ы (Т а-Т b), а по о с и о р ди нат ве ли чи ну Т Э Д С для с о о т ве т с т вующ е й т е м пе р ат ур ы Т а, с т р о ят гр афи к эт о й зави с и м о с т и . И з гр афи к а, с о глас но фо р м уле (4), о пр е де ляют с я не с к о льк о значе ни й по с т о янно й т е р м о пар ы с , а зат е м нах о ди т с яе е с р е дне е значе ни е . К онтрольны е вопросы 1. Ч т о назы вают р або т о й вы х о да эле к т р о но в и з м е т алла и че м о на о бус ло вле на?
11
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
К ак о вы пр и чи ны к о нт ак т но й р азно с т и по т е нци ало в? Вы ве ди т е фо р м улу(4). К ак о й фи зи че с к и й с м ы с л по с т о янно й т е р м о пар ы с ? В че м с о с т о и т м е т о дк о м пе нс аци и Т Э Д С? Д о к аж и т е с пр аве дли во с т ьфо р м улы (8). Г де нах о дят пр и м е не ни е т е р м о пар ы ? В че м пр е и м ущ е с т ва т е р м о пар ы пе р е дт е р м о м е т р о м ?
12
Р А Б О ТА № 7 И ЗУ ЧЕ Н И Е РА БО Т Ы Э Л Е К Т РО Н Н О Г О О СЦ И Л О Г РА Ф А . П РО В Е РК А Г РА ДУ И РО ВК И ЗВУ К О В О Г О Г Е Н Е РА Т О РА Пр и бо р ы и пр и надле ж но с т и : эле к т р о нны й о с ци лло гр аф, звук о во й ге не р ат о р с и нус о и дальны х напр яж е ни й, ге не р ат о р пи ло о бр азны х напр яж е ни й, т р анс фо р м ат о р . Ос ци лло гр афи че с к и е м е т о ды и с с ле до вани я заво е вали пр о чно е м е с т о в с о вр е м е нно й наук е и т е х ни к е . Они пр и м е няют с я, в о с но вно м , для и с с ле до вани я бы с т р о пе р е м е нны х пе р и о ди че с к и х пр о це с с о в. Д о с т о и нс т вам и эле к т р о нно – луче во го о с ци лло гр афа являют с я е го вы с о к ая чувс т ви т е льно с т ь и бе зы не р ци о нно с т ь де йс т ви я, чт о по зво ляе т и с с ле до ват ь пр о це с с ы , дли т е льно с т ь к о т о р ы х по р ядк а 10-6 ÷ 10-8 с . У С Т РО Й С Т ВО Э Л Е К Т РО Н Н О Г О О С Ц И Л Л О Г РА Ф А Ос ци лло гр аф пр е дс т авляе т с о бо й с ло ж ны й эле к т р о нны й пр и бо р , бло к – с х е м а к о т о р о го пр и ве де на на р и с . 1.
R1
R2
R3
с и нхро ни зат о р ~ 220 V
Бло к пи т ани я
UР
UУ
Y
Ри с .1
UХ
X
13
Ос но вны м и узлам и о с ци лло гр афа являют с яэле к т р о нно –луче ваят р убк а, бло к пи т ани я, ус и ли т е ль напр яж е ни я Ux, ус и ли т е ль напр яж е ни я Uy, ге не р ат о р пи ло о бр азно го напр яж е ни яUp и с и нх р о ни зи р ующ е е ус т р о йс т во . Э ле к т р о нно -луче ваят р убк а вне шне пр е дс т авляе т с о бо й с т е к лянны й балло н с вы с о к и м вак уум о м (р и с .2).
К
У Э
А1 А2 Пх
Пу
~
Ри с .2 Она с о с т о и т и з эле к т р о нно й пушк и , дающ е й пучо к эле к т р о но в (на р и с .2 о на вы де ле на пунк т и р о м ), двух пар о т к ло няющ и х плас т и н Пх и Пу ,р ас по ло ж е нны х во взаи м но пе р пе нди к уляр ны х пло с к о с т ях , и флуо р е с ци р ующ е го эк р ана. Э ле к т р о ннаяпушк а по зво ляе т по лучи т ьс фо к ус и р о ванны й по т о к эле к т р о но в. Она с о с т о и т и з нак али вае м о го к ат о да К , упр авляющ е го эле к т р о да У Э , и м е ющ е го в це нт р е о т ве р с т и е для по луче ни я узк о го эле к т р о нно го луча, и двух ано до в А 1 (фо к ус и р ующ и й ано д ) и А 2 (ус к о р яющ и й ано д ). М е ж ду к ат о до м и пе р вы м ано до м А 1 пр и ло ж е но напр яж е ни е по р ядк а 10 В. По эт о м уэле к т р о ны ус к о р яют с я эле к т р и че с к и м по ле м и по падают на флуо р е с ци р ующ и й эк р ан, вы зы вая е го с ве че ни е . М е няяве ли чи нуэт о го напр яж е ни яи е го по ляр но с т ь, м о ж но ум е ньшат ь к о ли че с т во эле к т р о но в, пр о х о дящ и х че р е з е го о т ве р с т и е , а, с ле до ват е льно , и яр к о с т ьпят на на эк р ане т р убк и . Вт о р о й ано д А 2, по т е нци ал к о т о р о го вы ше пе р во го , с луж и т для фо к ус и р о вани я эле к т р о нно го луча. Ре гули р уя по т е нци ал вт о р о го ано да, м о ж но по лучи т ь на эк р ане т р убк и яр к о с ве т ящ уюс я т о чк у. Вы йдя и з вт о р о го ано да, эле к т р о нны й луч пр о х о ди т м е ж дудвум я пар ам и м е т алли че с к и х плас т и н Пх и Пу Ес ли на любую пар уплас т и н по дат ьнапр яж е ни е , т о эле к т р о нны й лучо т к ло ни т с я о т с во е го пе р во начально го напр авле ни я, т .к . эле к т р о ны будут пр и т яги ват ьс я к плас т и не , зар яж е нно й по ло ж и т е льно , и о т т алк и ват ьс я о т плас т и ны , зар яж е нно й о т р и цат е льно . Пр о йдя о т к ло няющ и е плас т и ны , эле к т р о нны й лучпо падае т на эк р ан. Э к р ан эле к т р о нно -луче во й т р убк и пр е дс т авляе т с о бо й с ло й флуо р е с ци р ующ е го ве щ е с т ва, нане с е нно го на внут р е ннюю с т о р о нут р убк и . Пр и удар е о б эк р ан эне р ги я эле к т р о на час т и чно р ас х о дуе т с я на вы би вани е эле к т р о но в и з по ве р х но с т и , на к о т о р ую о н по падае т , час т и чно на р азо гр е в эт о й
14
по ве р х но с т и , а час т и чно пр е вр ащ ае т с я в с ве т о вую эне р ги ю. Э ле к т р о н, по падая на по ве р х но с т ь, по к р ы т ую флуо р е с ци р ующ и м с ло е м , пр и во ди т в во збуж де нно е с о с т о яни е ат о м ы и м о ле к улы эт о го с ло я. Во звр ащ аяс ь в но р м ально е с о с т о яни е , ат о м ы и м о ле к улы и с пус к ают с ве т . Э т о явле ни е но с и т названи е люм и не с це нци и . Я р к о с т ь с ве че ни я пят на на эк р ане эле к т р о нно -луче во й т р убк и зави с и т о т с к о р о с т и и чи с ла эле к т р о но в, падающ и х на эле м е нт пло щ ади эк р ана за не к о т о р ы й пр о м е ж ут о к вр е м е ни . Ре гули р о ват ь яр к о с т ь пят на на эк р ане м о ж но , ли бо м е няя к о ли че с т во эле к т р о но в в эле к т р о нно м луче , ли бо м е няяс к о р о с т ь эле к т р о но в. Напр яж е ни я на упр авляющ е м эле к т р о де , пе р во м и вт о р ы м ано дах , с по м о щ ью к о т о р ы х м о ж но и зм е нят ь яр к о с т ь и фо к ус эле к т р о нно го луча, р е гули р уют с я де ли т е лям и напр яж е ни я R1,R2 и R3, к к о т о р ы м по дво ди т с я вы с о к о е по с т о янно е напр яж е ни е о т бло к а пи т ани я(с м . р и с .1). Д р уги м важ ны м эле м е нт о м эле к т р о нно -луче во го о с ци лло гр афа являе т с я ге не р ат о р р азве р т к и . Г е не р ат о р р азве р т к и пр е дс т авляе т с о бо й р ади о т е х ни че с к о е ус т р о йс т во , по зво ляющ е е пе р е м е щ ат ь эле к т р о нны й луч вдо ль го р и зо нт ально й о с и с по с т о янно й с к о р о с т ью (V=const.) Пр е дпо ло ж и м , чт о в м о м е нт вр е м е ни t0 к го р и зо нт ально о т к ло няющ и м плас т и нам Пх (в эле к т р о нно -луче во й т р убк е о ни р ас по ло ж е ны ве р т и к ально ) пр и ло ж е но напр яж е ни е , ли не йно и зм е няющ е е с я с о вр е м е не м . Т о гда с ве т ящ е е с я пят но буде т дви гат ьс я по эк р ану с о с к о р о с т ью V=const в эт о м ж е напр авле ни и . Э т о напр яж е ни е назы вают напр яж е ни е м р азве р т к и Uр . Ес ли в эт о т ж е м о м е нт вр е м е ни t0 к ве р т и к ально о т к ло няющ и м плас т и нам Пу (в эле к т р о нно -луче во й т р убк е о ни р ас по ло ж е ны го р и зо нт ально ) по дк лючи т ь и с с ле дуе м о е пе р е м е нно е напр яж е ни е U(t) , и м е ющ е е пе р и о ди че с к и й х ар ак т е р , т о на эк р ане по лучи т с я к р и вая зави с и м о с т и напр яж е ни я о т вр е м е ни в и нт е р вале вр е м е ни о т t1 до t2 , где t2-м о м е нт вр е м е ни , к о гда пят но до с т и гае т к р ая эк р ана. Т ак к ак U(t) -пе р и о ди че с к ая функ ци я с пе р и о до м T=t1-t0, т о на эк р ане буде т ви де н о ди н пе р и о д и зм е не ни я ве ли чи ны U(t) (р и с .3).Ес ли зас т ави т ь лучв м о м е нт вр е м е ни t1 м гно ве нно во звр ат и т ьс я в и с х о дно е с о с т о яни е (т о чк у А , с о о т ве т с т вующ ую вр е м е ни t0) и по вт о р и т ь р азве р т к у с V=const до т о чк и В (с о о т ве т с т вующ е й вр е м е ни t1), м ы уви ди м на эк р ане вт о р о й пе р и о д и зм е не ни я ве ли чи ны U(t). А В Т ак и м о бр азо м , с м е щ ая луч о т т о чк и А до т о чк и В вдо льго р и зо нт ально й о с и с V=const t0 t1 , а по т о м м гно ве нно во звр ащ ая е го о т В в А и по вт о р яя т ак ую р азве р т к у м но го к р ат но , м ы с м о ж е м уви де т ьна эк р ане не по дви ж ную к ар т и нуU(t) в т е че ни е о дно го пе р и о да, е с ли T=t1-t0. Ес ли ж е nT=t1-t0, где n-це ло е чи с ло , т о на эк р ане м ы по лучи м n пе р и о до в Ри с . 3 и зм е не ни яве ли чи ны U(t).
15
По с ле вс е го с к азанно го с ле дуе т , чт о
гр афи к и зм е не ни я во вр е м е ни напр яж е ни я р азве р т к и Up до лж е н Uр и м е т ь ви д, и зо бр аж е нны й на р и с .4. Д ля по луче ни я т ак о го напр яж е ни я в о с ци лло гр афе с м о нт и р о ван ге не р ат о р пи ло о бр азно го напр яж е ни я. И т ак , t0 t1 t для по луче ни я не по дви ж но го и зо бр аж е ни я и с с ле дуе м о го Ри с .4 пе р и о ди че с к о го напр яж е ни я U(t) на эк р ане о с ци лло гр афа не о бх о ди м о , чт о бы t1-t0=nT, где n-це ло е чи с ло . Ес ли ж е n-чи с ло др о бно е , т о и зо бр аж е ни е на эк р ане буде т пе р е дви гат ьс я, чт о зат р удняе т наблюде ни е за эт и м и зо бр аж е ни е м .
Л уч
Се т ь
Я р к о с ть
Ф о к ус А м пли т уда с и нх р о ни заци и
Ос ьУ
Ос ьХ Ч ас т о т а плавно
К о нт р . с и гнал 1:10 1:1
1:100
От с е т и Внут р . Вне шн.
Вх о две р т и к . З е м ля
У с и ле ни е по ве р т и к али
Вне шн. Си нх р .
Вх о дго р и зо нт Д и апазо н час т о т
З е м ля
У с и ле ни е по го р и зо нт али Си гн. лам по чк а
Ри с . 5
16
Но даж е е с ли пе р и о д и с с ле дуе м о го напр яж е ни я и пе р и о д пи ло о бр азно го напр яж е ни яр авны и к р ат ны , не льзяр учат ьс яза с о х р ане ни е ук азанно го р аве нс т ва и в дальне йше м . Пр и чи на - во зм о ж ная не с т аби льно с т ь час т о т ы ге не р ат о р а р азве р т к и . По эт о м у к о ле бани я ге не р ат о р а р азве р т к и с и нх р о ни зи р уют с я с др уги м и , бо ле е с т аби льны м и к о ле бани ям и . Д ля эт о й це ли о с ци лло гр аф с набж е н пе р е к лючат е ле м р о да с и нх р о ни заци и (пе р е к лючат е ль "с и нх р о ни заци я"). Г е не р ат о р р азве р т к и м о ж но с и нх р о ни зи р о ват ь ли бо час т о т о й и с с ле дуе м о го напр яж е ни я, ли бо час т о т о й пе р е м е нно го напр яж е ни я, взят о го о т с е т и , ли бо час т о т о й к ак о го - ни будьвне шне го напр яж е ни я. На р и с .5 пр и ве де н вне шни й ви д ли це во й пане ли о с ци лло гр афа, где р ас по ло ж е ны вс е е го о р ганы упр авле ни яс с о о т ве т с т вующ и м и надпи с ям и . ВЫ П О ЛН ЕН И ЕР А Б О Т Ы П одготовка осциллографа к работе 1. И зучи т ьбло к -с х е м уо с ци лло гр афа и назначе ни е к аж до го о р гана упр авле ни я на пе р е дне й пане ли . 2. З ар и с о ват ь бло к -с х е м у о с ци лло гр афа и с вязат ь р учк и пе р е дне й пане ли с эле м е нт ам и о т де льны х бло к о в с х е м ы . 3. Пр и ве с т и о с ци лло гр аф в и с х о дно е р або че е с о с т о яни е . Ес ли о с ци лло гр аф нах о ди т с я вс е вр е м я в р або т е (ут о чни т ь у пр е по дават е ля и ли лабо р ант а), т о эт о т пунк т не вы по лнят ь: • р учк и "яр к о с т ь", "фо к ус ", "о с ь X", "о с ь Y" до лж ны зани м ат ь с р е дне е по ло ж е ни е ; • р учк и "ус и ле ни е " по ве р т и к али и "ус и ле ни е " по го р и зо нт али по ве р нут ь вле во до о т к аза; • пе р е к лючат е ль"о с лабле ни е " по с т ави т ьв по ло ж е ни е 1:10; • пе р е к лючат е ль"ди апазо н час т о т " по с т ави т ьв по ло ж е ни е "вы к л.". 4. По дк лючи т ьо с ци лло гр аф к с е т и , вк лючи т ьпо с ле до ват е льно т ум бле р ы "с е т ь" и "луч". По с ле пр о гр е ва о с ци лло гр афа (1-2м и н.), м ани пули р уя р учк ам и "о с ь X" и "о с ь Y", по м е с т и т ь с ве т ящ е е с я пят но в це нт р эк р ана и , р е гули р уя р учк ам и "яр к о с т ь" и "фо к ус ", до би т ьс я, чт о бы о но бы ло р е зк и м и м и ни м альны х р азм е р о в. С ЛЕД ЛУЧА Н ЕД О ЛЖ ЕН Б Ы Т Ь С ЛИ Ш К О М Я Р К И М ! 5. Вк лючи т ь ге не р ат о р р азве р т к и , ус т ано ви в пе р е к лючат е ль "ди апазо н час т о т " и р учк у "ам пли т уда с и нх р о ни заци и " в с р е дне е по ло ж е ни е . Пе р е к лючат е ль "с и нх р о ни заци я" по с т ави т ь в по ло ж е ни е "внут р ". Ручк у "ус и ле ни е " по го р и зо нт али по ве р нут ь впр аво до т е х по р , чт о бы по лучи лас ь с ве т ящ аяс я по ло с а в пр е де лах эк р ана.
17
УП Р А Ж Н ЕН И Е1 И ссле дование формы пе ре ме нного эле ктриче ского напря ж е ния . 1. И с с ледоват ь форм у перем ен н огоэлек т ричес к огон апряж ен ия н а выходе звук овогоген ерат ора ЗГ с ин ус оидальн ых н апряж ен ий. Д ля эт о го не о бх о ди м о и с с ле дуе м о е напр яж е ни е по дат ь на ве р т и к альны й вх о д о с ци лло гр афа "о с ьY" (к ле м м ы "вх о д" и "зе м ля"). Ре гули р уя р учк о й "ус и ле ни е " по ве р т и к али , а е с ли по т р е буе т с я пе р е к лючат е ле м "о с лабле ни е ", уло ж и т ь наблюдае м ую к ар т и ну в эк р ан о с ци лло гр афа по ве р т и к али . М е няя час т о т у ге не р ат о р а р азве р т к и (пе р е к лючат е ль "ди апазо н час т о т " и р учк а "час т о т а плавно "), до би т ьс я ус т о йчи во го и зо бр аж е ни я не с к о льк и х пе р и о до в к о ле бани й пе р е м е нно го эле к т р и че с к о го напр яж е ни я. З ар и с о ват ьнаблюдае м ую к ар т и нуи с де лат ьс о о т ве т с т вующ и е вы во ды . 2. И с с ледоват ь форм у перем ен н огоэлек т ричес к огон апряж ен ия вгородс к ой элек т ричес к ой с ет и ( с нят ьс т р анс фо р м ат о р а и ли с к ле м м ы "к о нт р . с и гнал"). К ле м м а "к о нт р . с и гнал" нах о ди т с я на пе р е дне й пане ли о с ци лло гр афа. К не й по дк люче н о ди н к о не ц вт о р и чно й о бм о т к и т р анс фо р м ат о р а, нах о дящ е го с я внут р и о с ци лло гр афа. Вт о р о й к о не ц эт о й о бм о т к и пр и пае н к к ле м м е “зе м ля”. По эт о м у для и с с ле до вани я эт о го напр яж е ни я до с т ат о чно с о е ди ни т ь к ле м м у "к о нт р . с и гнал" с вх о до м "У ". Д але е по вт о р и т ь, к ак и в п.1. 3. И с с ледоват ь ан ологичн оф орм у перем ен н огоэлек т ричес к огон апряж ен ия н а выходе вн ешн егоген ерат ора пилообразн ых н апряж ен ий. УП Р А Ж Н ЕН И Е2. И зме ре ние пе ре м е нного эле ктриче ского напря ж е ния с помощ ью осциллографа. Д ля и зм е р е ни я пе р е м е нно го эле к т р и че с к о го напр яж е ни я с по м о щ ью о с ци лло гр афа нуж но знат ь е го чувс т ви т е льно с т ь. Опр е де ли т ь чувс т ви т е льно с т ь о с ци лло гр афа по ве р т и к али jy и не и зве с т но е напр яж е ни е м о ж но с ле дующ и м о бр азо м . 1.Вы к лючи т ь''ус и ле ни е '' по го р и зо нт али . 2.Пе р е к лючат е ль''о с лабле ни е '' по с т ави т ьв по ло ж е ни е 1:10. 3.По дат ь на ве р т и к альны й вх о д и зве с т но е напр яж е ни е U 0 с к ле м м ы ''к о нт р . с и гнал'' (U0=2,5В). 4.У ло ж и т ьнаблюдае м ую к ар т и нув эк р ан по ве р т и к али , р е гули р уяр учк о й ''ус и ле ни е '' по ''о с и Y''. В Д А ЛЬН ЕЙ Ш ЕМ УС И ЛЕН И ЕП О ВЕР Т И К А ЛИ Н ЕТ Р О ГА Т Ь! 5.И зм е р и т ьо т к ло не ни е L луча на эк р ане . 6.Опр е де ли т ь чувс т ви т е льно с т ь о с ци лло гр афа по фо р м уле jy =(L/2)/U0, где U0ам пли т удно е значе ни е напр яж е ни я. Т ак и м о бр азо м , чувс т ви т е льно с т ь
18
о с ци лло гр афа пр и данно м ус и ле ни и чи с ле нно р авна о т к ло не ни ю луча (в м м ) на эк р ане о с ци лло гр афа, вы зы вае м о го напр яж е ни е м в 1В. 7.Не и зве с т но е напр яж е ни е U (с т р анс фо р м ат о р а и ли с вы х о да звук о во го ге не р ат о р а) по дат ь на ве р т и к альны й вх о д и и зм е р и т ь о т к ло не ни е l луча, вы зы вае м о е эт и м напр яж е ни е м . Т о гда, с уче т о м (1), U=U0(l/L). Ес ли о т к ло не ни е луча l не ук лады вае т с я в эк р ане о с ци лло гр афа, с ле дуе т пе р е к лючат е ль ''о с лабле ни е '' по с т ави т ь в по ло ж е ни е 1:100 и уче с т ь эт о пр и вы чи с ле ни и U. Ес ли о т к ло не ни е l луча о че нь м ало , с ле дуе т пе р е к лючат е ль ''о с лабле ни е '' по с т ави т ьв по ло ж е ни е 1:1 и т ак ж е эт о уче с т ьпр и вы чи с ле ни и U. УП Р А Ж Н ЕН И Е3. П рове рка градуировки звукового ге не ратора синусоидальны х напря ж е ний с пом ощ ью фигур Лиссаж у. Ф и гур ы Л и с с аж у- эт о к р и вы е с ло ж но й фо р м ы , к о т о р ы е по лучают с я в р е зульт ат е с ло ж е ни я двух взаи м но пе р пе нди к уляр ны х гар м о ни че с к и х к о ле бани й с р азли чны м и час т о т ам и :
Ux = U0xcosω xt = U0xcos 2πνxt, Uy = U0ycosω yt = U0ycos 2πνyt. Ви дфи гур ы Л и с с аж узави с и т о т с о о т но ше ни яс к лады вае м ы х час т о т . Ес ли час т о т а о дно го к о ле бани яи зве с т на, напр и м е р νx, т о час т о т удр уго го к о ле бани яνy м о ж но найт и и з о бщ е го ви да фи гур Л и с с аж упо фо р м уле :
νy =νx
nx , ny
{4}
где nх - чи с ло пе р е с е че ни й данно й фи гур ы с о с ью Х , а nу - с о с ью У . Д ляпо луче ни яна эк р ане о с ци лло гр афа фи гур Л и с с аж уи вы по лне ни яданно го упр аж не ни яне о бх о ди м о : 1 .Вы к лючи т ь ге не р ат о р р азве р т к и (пе р е к лючат е ль ''ди апазо н час т о т '' в по ло ж е ни е 'ВЫ К Л.''). 2. По дат ь на го р и зо нт альны й вх о днапр яж е ни е Uх и зве с т но й час т о т ы , напр и м е р , 50 Г ц. Напр яж е ни е и зве с т но й час т о т ы (f=50 Г ц) м о ж но с нят ь с к ле м м ы ''к о нт р . с и гнал'' и ли о т го р о дс к о й эле к т р и че с к о й с е т и че р е з по ни ж ающ и й т р анс фо р м ат о р . 3. На ве р т и к альны й вх о д по дат ь и с с ле дуе м о е напр яж е ни е Uу о т звук о во го ге не р ат о р а З Г с час т о т о й f=50 Г ц. 4. Вр ащ ая р учк у ''ус и ле ни е '' по го р и зо нт али и ''ус и ле ни е '' по ве р т и к али , р ас по ло ж и т ь по луче нную к ар т и ну в пр е де лах эк р ана. М е няя плавно час т о т у звук о во го ге не р ат о р а, до би т ьс я по явле ни я ус т о йчи во й к ар т и ны . Пр и о ди нак о во й ве ли чи не напр яж е ни й Uх и Uу на плас т и нах эле к т р о нно -луче во й т р убк и на эк р ане о с ци лло гр афа до лж на бы т ь о к р уж но с т ь. Ве ли чи ну напр яж е ни й Uх и Uу м о ж но р е гули р о ват ь пе р е к лючат е ле м ''о с лабле ни е '' и
19
р учк ам и ''ус и ле ни е '' по го р и зо нт али и ''ус и ле ни е '' по ве р т и к али . К р о м е эт о го , напр яж е ни е Uу на вы х о де звук о во го ге не р ат о р а м о ж но р е гули р о ват ь с о о т ве т с т ующ и м и р учк ам и на ге не р ат о р е . 5. И зм е няя час т о т у звук о во го ге не р ат о р а, начи ная с м и ни м ально й, по лучи т ь не м е не е пят и ус т о йчи вы х фи гур Л и с с аж у. Д ля к аж до й фи гур ы о пр е де ли т ь чи с ло пе р е с е че ни й е е с о с ью Х – nх и о с ью У - nу. Ре зульт ат ы и зм е р е ни й зане с т и в т абли цу Ч ас т о т а ЗГ , Г ц
на Ви д фи гур ы Л и с с аж у
nx
ny
…
ν, Г ц
По фо р м уле (4) для к аж до й фи гур ы Л и с с аж у найт и час т о т у νу и с с ле дуе м о го напр яж е ни яи с р авни т ье е с час т о т о й, ук азанно й на ли м бе звук о во го ге не р ат о р а. К онтрольны е вопросы 1. Нар и с уйт е бло к - с х е м у эле к т р о нно го о с ци лло гр афа и о бъяс ни т е назначе ни е о р гано в е го упр авле ни я. 2. Рас с к аж и т е ус т р о йс т во эле к т р о нно - луче во й т р убк и . 3. Объяс ни т е назначе ни е ге не р ат о р а р азве р т к и о с ци лло гр афа. 4. К ак о е напр яж е ни е (ам пли т удно е и ли эффе к т и вно е ) и зм е р яе т с я о с ци лло гр афи че с к и м м е т о до м ? 5. Ч т о назы вае т с ячувс т ви т е льно с т ью о с ци лло гр афа? 6. Ч т о т ак о е фи гур ы Л и с с аж у? 7. К ак по ви дуфи гур ы Л и с с аж уо пр е де ли т ьо т но ше ни е час т о т с лагае м ы х взаи м но пе р пе нди к уляр ны х гар м о ни че с к и х к о ле бани й? 8. К ак с по м о щ ью фи гур Л и с с аж ум о ж но пр о гр адуи р о ват ьзвук о во й ге не р ат о р ?
20
Р А Б О Т А № 11 И ЗУЧ Е Н И Е ВЛИ ЯН И Я М АГН И ТН О ГО ПО ЛЯ Н А ВЕ Щ Е СТВА СН ЯТИ Е ПЕ ТЛИ М АГН И ТН О ГО ГИ СТЕ Р Е ЗИ СА Ф Е Р Р О М АГН Е ТИ КО В К раткая те ория Вс е ве щ е с т ва, по м е щ е нны е в м агни т но е по ле , нам агни чи вают с я в бо льше й и ли м е ньше й с т е пе ни . Пр и эт о м о дни ве щ е с т ва о с лабляют вне шне е м агни т но е по ле , а др уги е е го ус и ли вают . Пе р вы е назы вают с я ди ам агне т и к ам и , вт о р ы е пар ам агне т и к ам и . Ср е ди м агне т и к о в о с о бе нно вы де ляе т с я гр уппа ве щ е с т в, вы зы вающ и х о че нь бо льшо е ус и ле ни е вне шне го м агни т но го по ля. Э т и ве щ е с т ва назы вают с яфе р р о м агне т и к ам и . Рас с м о т р и м пр и чи ны во зни к но ве ни я ди а-, пар а- и фе р р о м агни т но го с о с т о яни й в р азли чны х ве щ е с т вах . К ак и зве с т но , ат о м ы любо го ве щ е с т ва с о с т о ят и з яде р , во к р уг к о т о р ы х по с т аци о нар ны м о р би т ам дви ж ут с я эле к т р о ны . М агни т ны й м о м е нт , вы званны й дви ж е ни е м эле к т р о на по о р би т е , назы вае т с я е го о р би т альны м м агни т ны м м о м е нт о м . По м и м о эт о го , эле к т р о н о бладае т т ак назы вае м ы м с о бс т ве нны м (с пи но вы м ) м агни т ны м м о м е нт о м , о бус ло вле нны м е го вр ащ е ни е м во к р уг с о бс т ве нно й о с и . Со бс т ве нны м м агни т ны м м о м е нт о м о бладае т т ак ж е ядр о ат о м а. Г е о м е т р и че с к ая с ум м а о р би т альны х и с пи но вы х м агни т ны х м о м е нт о в эле к т р о но в и с о бс т ве нно го м агни т но го м о м е нт а ядр а о бр азуе т м агни т ны й м о м е нт ат о м а ве щ е с т ва. У ди ам агни т ны х ве щ е с т в с ум м ар ны й м агни т ны й м о м е нт ат о м а р аве н нулю, т .к . и м е ющ и е с я в ат о м е о р би т альны е , с пи но вы е и яде р ны е м агни т ны е м о м е нт ы взаи м но к о м пе нс и р уют с я. Однак о по д вли яни е м вне шне го м агни т но го по ля у эт и х ат о м о в во зни к ае т м агни т ны й м о м е нт , напр авле нны й вс е гда пр о т и во по ло ж но эт о м увне шне м упо лю (р и с . 1). В р е зульт ат е ди ам агни т наяс р е да нам агни чи вае т с я Н =0 Н ≠ 0
Д и ам агне т и к
Пар ам агне т и к
Ф е р р о м агне т и к
Ри с .1 и с о здае т с о бс т ве нно е м агни т но е по ле , напр авле нно е пр о т и во по ло ж но вне шне м у по лю и по эт о м у о с лабляющ е е е го . Во зни к ши е м агни т ны е м о м е нт ы ат о м о в ди ам агне т и к о в с о х р аняют с я до т е х по р , по к а с ущ е с т вуе т вне шне е м агни т но е по ле . Пр и вы к люче ни и эт о го по ля и ндуци р о ванны е м агни т ны е м о м е нт ы ат о м о в и с че зают и ди ам агне т и к и р азм агни чи вают с я. Не о бх о ди м о о т м е т и т ь, чт о ди ам агни т ны й эффе к т пр о и с х о ди т не зави с и м о о т т е м пе р ат ур ы ве щ е с т ва.
21
Д и ам агни т ны м и ве щ е с т вам и являют с я ви с м ут , р т ут ь, фо с фо р , с е р а, м е дь, с е р е бр о , бо льши нс т во о р гани че с к и х с о е ди не ни й (в т о м чи с ле во да). У ат о м о в пар ам агни т ны х ве щ е с т в о р би т альны е , с пи но вы е и яде р ны е м агни т ны е м о м е нт ы ат о м о в не к о м пе нс и р уют др уг др уга. По эт о м у ат о м ы пар ам агне т и к а вс е гда о бладают м агни т ны м м о м е нт о м . Однак о ат о м ны е м агни т ны е м о м е нт ы р ас по ло ж е ны бе с по р ядо чно и по эт о м у в о т с ут с т ви и вне шне го м агни т но го по ля пар ам агни т ная с р е да в це ло м не о бнар уж и вае т м агни т ны х с во йс т в. Вне шне е м агни т но е по ле по во р ачи вае т ат о м ы пар ам агне т и к а т ак , чт о и х м агни т ны е м о м е нт ы ус т анавли вают с я пр е и м ущ е с т ве нно в напр авле ни и эт о го по ля. Пр и эт о м по лно й и х о р и е нт аци и в ук азанно м напр авле ни и пр е пят с т вуе т т е пло во е дви ж е ни е ат о м о в. В р е зульт ат е пар ам агне т и к нам агни чи вае т с я и с о здае т с о бс т ве нно е м агни т но е по ле , вс е гда с о впадающ е е по напр авле ни ю с вне шни м и по т о м у ус и ли вающ е е е го . Пр и вы к люче ни и вне шне го м агни т но го по ля т е пло во е дви ж е ни е ат о м о в р азр ушае т о р и е нт аци ю ат о м ны х м агни т ны х м о м е нт о в и пар ам агне т и к р азм агни чи вае т с я. По эт о м у с по вы ше ни е м т е м пе р ат ур ы у эт и х ве щ е с т в нам агни че нно с т ь ум е ньшае т с я. В пар ам агне т и к е , к о не чно , и м е е т м е с т о и ди ам агни т ны й эффе к т - по явле ни е и ндуци р о ванны х м агни т ны х м о м е нт о в, о с лабляющ и х вне шне е м агни т но е по ле . Однак о зде с ь ди ам агни т ны й эффе к т не зам е т е н на фо не с и льно го пар ам агни т но го эффе к т а. К пар ам агне т и к ам о т но с ят с я не к о т о р ы е газы (к и с ло р о д, азо т ), м е т аллы (алюм и ни й, во льфр ам , плат и на), щ е ло чны е и щ е ло чно зе м е льны е м е т аллы . В фе р р о м агне т и к ах о с о бе нно с и льно взаи м о де йс т ви е м агни т ны х м о м е нт о в ат о м о в м е ж ду с о бо й. В р е зульт ат е ни ж е о пр е де ле нно й т е м пе р ат ур ы (о на назы вае т с я т о чк о й К юр и фе р р о м агне т и к а) м агни т ны е м о м е нт ы ат о м о в уж е в о т с ут с т ви и вне шне го м агни т но го по ля пр и ни м ают упо р ядо че нную о р и е нт аци ю, к о т о р ая с о х р аняе т с я о ди нак о во й в пр е де лах м ак р о с к о пи че с к и х о блас т е й, назы вае м ы х до м е нам и . Однак о о р и е нт аци я м агни т ны х м о м е нт о в о т ли чна др уг о т др уга, и фе р р о м агне т и к в це ло м не о бладае т м агни т ны м м о м е нт о м . Во вне шне м м агни т но м по ле за с че т дви ж е ни я гр ани ц до м е но в пр о и с х о ди т пр е и м ущ е с т ве нны й р о с т т е х до м е но в, к о т о р ы е с во и м м агни т ны м м о м е нт о м о р и е нт и р о ваны в напр авле ни и эт о го по ля, и фе р р о м агне т и к нам агни чи вае т с я до нас ы щ е ни я. Пр и вы к люче ни и вне шне го м агни т но го по ля фе р р о м агне т и к в о т ли чи е о т ди а- и пар ам агне т и к о в по лно с т ью не р азм агни чи вае т с я, а с о х р аняе т не к о т о р ую о с т ат о чную м агни т ную и ндук ци ю, т .к . т е пло во е дви ж е ни е не в с о с т о яни и де зо р и е нт и р о ват ь с т о ль к р упны е с о во к упно с т и ат о м о в, к ак и м и являют с я до м е ны . К фе р р о м агне т и к ам о т но с ят с я ж е ле зо , ни к е ль, к о бальт , гадо ли ни й, ди с пр о зи й, не к о т о р ы е с плавы и о к и с лы эт и х м е т алло в, а т ак ж е р яд с плаво в м ар ганца и х р о м а. Д ля вс е х р ас с м о т р е нны х т и по в м агне т и кrо в пр и по м е щ е ни и и х в м агни т но е по ле р е зульт и р ующ ую м агни т ную и ндук ци ю B м о ж но запи с ат ьк ак
r r r B = B0 + Bс обс т . ,
(1)
22 r где B0 - м агни т ная и ндук ци я вне шне го м агни т но го по ля. Т ак и м о бр азо м , у r r пар ам агне т и к о в и фе р р о м агне т и к о в ве к т о р ы B0 и Bс обс т . напр авле ны в о дну
с т о р о ну, а уди ам агне т и к о в - в р азны е с т о р о ны . r Д лях ар ак т е р и с т и к и м агни т но го по ляк р о м е ве к т о р а м агни т ноrй и ндук ци и B вво дят до по лни т е льны й ве к т о р - напр яж е нно с т ьм агни т но го по ля H
r r B H= , µµ 0
(2)
где µ - м агни т ная пр о ни цае r м о с т ь с р е ды , а µ0 - м агни т ная по с т о янная. К ак ви дно и з фо р м улы (2), ве к т о р H не зави с и т о т м агни т ны х с во йс т в с р е ды и по эт о м у х ар ак т е р и зуе т м агни т но е по ле в вак уум е . М агни т ная и ндук ци я вне шне го r м агни т но го по ля (т .е . вак уум а) B0 буде т с вязана с напр яж е нно с т ью м агни т но го по ляс ле дующ и м с о о т но ше ни е м :
r r B0 = µ 0 H ,
(3)
т .к . длявак уум а µ=1. И з фо р м ул (2) и (3) с ле дуе т , чт о
r B µ= r . B0
(4)
Т ак и м о бр азо м , м агни т ная пр о ни цае м о с т ь µ по к азы вае т , во с к о льк о р аз м агни т наяи ндук ци яв ве щ е с т ве бо льше м агни т но й и ндук ци и в вак уум е . Спо с о бно с т ь р азли чны х ве щ е с т в к нам r агни чи вани ю х ар ак т е р и зуют е щ е ве к т о р о м и нт е нс и вно с т и нам агни чи вани я J 0 , к о т о р ы й р аве н ве к т о р но й с ум м е м агни т ны х м о м е нт о в вс еrх ат о м о в, с о де р ж ащ и х с я в е ди ни це о бъе м а ве щ е с т ва. Ве к т о р нам агни чи вани я J с вязан с ве к т о р о м и ндук ци и с о бс т ве нно го м агни т но го
r B по ля с обс т . с о о т но ше ни е м И з (1), (3) и
r r Bс обс т . = µ 0 J . (5) с ле дуе т , чт о r r r r r B = B0 + Bс обс т . = µ 0 H + µ 0 J . r
(5)
(6) И т ак , ве к т о р J х ар ак т е р и зу rе т м агни т но е по ле , с о зданно е м агни т ны м и м о м е нт ам и ат о м о в ве щ е с т ва; ве к т о р H х ар r ак т е р и зуе т м агни т но е по ле вак уум а, с о зданно го т о к ам и в пр о во дни к ах ; ве к т о р B х ар ак т е р и зуе т р е зульт и р ующ е е м агни т но е по ле , т .е . по ле , с о зданно е и т о к ам и в пр о во дни к ах , и м агни т ны м и м о м е нт ам и ат о м о в ве щ е с т ва. Д ля ди ам агне т и к о в µ < 1 , для пар ам агне т и к о в - µ > 1. В о бо и х с лучаях ве ли чи на м агни т но й пр о ни цае м о с т и µ не зави с и т о т напр яж е нно с т и м агни т но го по ля H и бли зк а к е ди ни це . У фе р р о м агне т и к о в µ >> 1 и зави с и т о т напр яж е нно с т и H вне шне го м агни т но го по ля. С р о с т о м H м агни т ная пр о ни цае м о с т ь с начала бы с т р о
23
во зр ас т ае т , до с т и гая м ак с и м ум а, а зат е м ум е ньшае т с я, пр и бли ж аяс ь пр и о че ньс и льны х по лях к значе ни ю µ = 1 (р и с .2). По эт о м у в фе р р о м агне т и к ах м агни т ная и ндук ци я уж е не буде т пр о по р ци о нальна
μ
В Вн
H Ри с .2
Ри с .3
Hн
H
напр яж е нно с т и вне шне го м агни т но го по ля (р и с .3). Пр и с р авни т е льно не бо льшо й ве ли чи не напр яж е нно с т и H H и ндук ци я до с т и гае т до во льно бо льшо го значе ни я BH , по с ле че го о на и зм е няе т с яс лабо , т .е . нас т упае т к ак бы е е нас ы щ е ни е . Ес ли в фе р р о м агне т и к е , нас ы щ е нно м , напр и м е р , до с о с т о яни я BH (р и с .4), начат ь В ум е ньшат ь напр яж е нно с т ь вне шне го Вн 1 м агни т но го по ля H , т о и ндук ци я B буде т 2 т ак ж е ум е ньшат ьс я. Однак о е е ум е ньше ни е В ост буде т пр о и с х о ди т ь не по к р и во й 1-0, а по Н к р и во й 1-2 гр афи к а нам агни чи вани я. Пр и H =0 3 6 фе р р о м агне т и к не р азм агни чи вае т с япо лно с т ью –Н с 0 +Н с Н н - в не м с о х р аняе т с я о с т ат о чная м агни т ная 5 –В ост и ндук ци я Bос т . . По лно е р азм агни чи вани е (к р и вая 2-3) нас т упи т 4 ли шь в т о м с лучае , е с ли к о бр азцу пр и ло ж и т ь вне шне е м агни т но е по ле H = − H c , т .е . по ле Ри с .4 пр о т и во по ло ж но го знак а. Э т а напр яж е нно с т ь м агни т но го по ля назы вае т с я к о эр ци т и вны м по ле м . Д альне йше е уве ли че ни е м агни т но го по ля пр о т и во по ло ж но го знак а вы зо ве т и ндук ци ю - BH о бр ат но го напр авле ни я (к р и вая 3-4) и с о о т ве т с т ве нно о с т ат о чную и ндук ци ю - Bос т . т о го ж е напр авле ни я. З ат е м фе р р о м агне т и к м о ж но о пят ь р азм агни т и т ь (к р и вая 4-5-6) и вно вьпе р е м агни т и т ьдо нас ы щ е ни я(к р и вая6-1). Рас с м о т р е нно е явле ни е о т с т авани я и зм е не ни я м агни т но й и ндук ци и о т и зм е не ни я напр яж е нно с т и нам агни чи вающ е го по ля назы вае т с я м агни т ны м ги с т е р е зи с о м , а зам к нут аяк р и вая1-2-3-4-5-6-1 - пе т ле й м агни т но го ги с т е р е зи с а.
24
Пло щ адь, о гр ани че нная пе т ле й м агни т но го ги с т е р е зи с а, х ар ак т е р и зуе т р або т у, зат р аче нную вне шни м м агни т ны м по ле м на о дно к р ат но е пе р е м агни чи вани е фе р р о м агне т и к а. Э т а р або т а вы де ляе т с яв ви де т е пло т ы . Вы ше о т м е чало с ь, чт о фе р р о м агне т и к и (в о т ли чи е о т ди а- пар ам агне т и к о в) о бладают х ар ак т е р но й о с о бе нно с т ью - ни ж е т о чк и К юр и о ни р азби вают с я на с ам о пр о и зво льно нам агни че нны е до нас ы щ е ни я о блас т и и ли до м е ны . Л и не йны е р азм е р ы фе р р о м агни т ны х до м е но в 10-2 - 10-3 с м . Пр и до с т ат о чно с и льно м м агни т но м по ле H H м агни т ны е м о м е нт ы о т де льны х до м е но в вы с т р аи вают с я пар алле льно вне шне м у по лю и фе р р о м агне т и к и бы с т р о нам агни чи вают с я до нас ы щ е ни я. Пр и вы к люче ни и вне шне го м агни т но го по лят е пло во е дви ж е ни е не в с о с т о яни и по лно с т ью р азр уши т ь до м е нную с т р ук т ур у, т .е . с о х р аняе т с я о с т ат о чная м агни т ная и ндук ци я. Д ля р азм агни чи вани я не о бх о ди м о пр и ло ж и т ь м агни т но е по ле , напр яж е нно с т ь к о т о р о го р авна к о эр ци т и вно м у по лю. Э т и м о бъяс няе т с я м агни т ны й ги с т е р е зи с . Разм агни чи вани ю с по с о бс т вуют т ак ж е вс т р ях и вани е и т е м пе р ат ур ны й нагр е в. Пр и т е м пе р ат ур е , р авно й т о чк е К юр и (напр и м е р , для ж е ле за о на р авна 770о С), т е пло во е дви ж е ни е о к азы вае т с я с по с о бны м де зо р и е нт и р о ват ь ат о м ы в с ам и х до м е нах , вс ле дс т ви е че го фе р р о м агне т и к пр е вр ащ ае т с яв пар ам агне т и к . 1. И зуче ние фе рром агне тиков статиче ским м е тодом Пр и бо р ы и пр и надле ж но с т и : пр и бо р для и зм е р е ни я м агни т но й и ндук ци и , ам пе р м е т р , два р е о с т ат а, два к о м м ут ат о р а, и с т о чни к по с т о янно го т о к а (1,25 В), т р анс фо р м ат о р , к люч, до баво чны е с о пр о т и вле ни я, и с с ле дуе м ы е м ат е р и алы в ви де с т е р ж не й. О писание сх е мы и ме тодики изм е ре ний Ос но вно й час т ью с х е м ы (р и с .5) являе т с я и зм е р и т е льны й пр и бо р м агни т о эле к т р и че с к о й с и с т е м ы , в к о т о р о м по с т о янны й м агни т зам е не н эле к т р о м агни т о м . Се р де чни к о м эле к т р о м агни т а с луж и т и с с ле дуе м ы й фе р р о м агне т и к , и зго т о вле нны й в ви де с т е р ж ня. Пр и пр о пус к ани и по о бм о т к е эле к т р о м агни т а по с т о янно го т о к а J внут р и о бр азца с о здае т с я м агни т но е по ле , напр яж е нно с т ь H к о т о р о го м о ж но вы чи с ли т ьпо фо р м уле дляс о ле но и да:
H = nJ ,
(7) где n - чи с ло ви т к о в на е ди ни цу дли ны с о ле но и да. В р е зульт ат е в с т е р ж не во зни к не т м агни т ны й по т о к Φ = BS , к о т о р ы й в с во ю о че р е дь с о здае т м агни т но е по ле в зазо р е , где нах о ди т с як ат ушк а с т о к о м . Вр ащ ающ и й м о м е нт , де йс т вующ и й на к ат ушк у в эт о м м агни т но м по ле , р аве н
Μ 1 = BJaS ,
(8) где a - чи с ло ви т к о в к ат ушк и , S - пло щ адь ви т к а к ат ушк и . Пр и вы во де р ам к и к ат ушк и и з по ло ж е ни я р авно ве с и я во зни к ае т пр о т и во де йс т вующ и й вр ащ е ни ю м о м е нт , т .к . о на ук р е пле на на упр уги х пр уж и нах . Ве ли чи на эт о го м о м е нт а р авна
25
Μ 2 = kϕ = k
N , l
(9)
где k - к о эффи ци е нт упр уго й де фо р м аци и , ϕ - уго л по во р о т а р ам к и , N - с м е щ е ни е с т р е лк и по шк але , l - дли на с т р е лк и . В с о с т о яни и р авно ве с и я
Μ1 = Μ 2 Ве ли чи на
BJaS = k
или
c=
l Ja k
l N . , о т к уда N = JaSB. k l
(10)
о пр е де ляе т чувс т ви т е льно с т ьпр и бо р а к ве ли чи не м агни т но й
и ндук ци и .
=36В,~220В А
К1
R1 =36 В
Т р анс фо р -
1
R2 ~220 В
К2 К3 Ри с . 5 Т ак к ак напр яж е нно с т ь м агни т но го по ля пр о по р ци о нальна т о к у ( H = nS ), фи к с и р уе м о м у ам пе р м е т р о м , т о и зм е не ни е зави с и м о с т и B о т H м о ж но с ве с т и к нах о ж де ни ю зави с и м о с т и N = f (J ) . Г р афи к функ ци и N = f (J ) и зо бр ази т функ ци о нальную зави с и м о с т ь B = f (H ) в не к о т о р о м пр о по р ци о нально м м ас шт абе и по зво ли т вы яви т ьо с но вно й х о дэт о й к р и во й. С по м о щ ью по т е нци о м е т р а R2 и к о м м ут ат о р а К 2 м о ж но м е нят ь ве ли чи нуи напр авле ни е по с т о янно го т о к а че р е з о бм о т к у эле к т р о м агни т а, а с ле до ват е льно , ве ли чи нуи напр авле ни е м агни т но го по ляв и с с ле дуе м о м о бр азце . Ч т о бы с нят ь к р и вую нам агни чи вани я о бр азца, е го с ле дуе т пр е двар и т е льно р азм агни т и т ь. Д ля эт о й це ли с луж и т по т е нци о м е т р R1, вк люче нны й в с е т ь пе р е м е нно го т о к а че р е з т р анс фо р м ат о р . По давая пе р е м е нно е напр яж е ни е на
26
о бм о т к у эле к т р о м агни т а и по с т е пе нно ум е ньшая ве ли чи ну пе р е м е нно го т о к а, м о ж но с ве с т и до нуля о с т ат о чную и ндук ци ю в и с с ле дуе м о м о бр азце . Пр и эт о м фе р р о м агне т и к по две р гае т с я м но го к р ат ны м ци к ли че с к и м пе р е м агни чи вани ям , В с о о т ве т с т вующ и м р азли чны м пе т лям ги с т е р е зи с а, к о т о р ы е , по с т е пе нно ум е ньшаяс ь, с т яги вают с я к т о чк е 0, где нам агни чи вани е р авно нулю (р и с .6). Пе р е к люче ни е пр и бо р а с по с т о янно го т о к а на пе р е м е нны й о с ущ е с т ви т с я с по м о щ ью 0 Н к о м м ут ат о р а К 1. Во вр е м я пе р е к люче ни я эт о го к о м м ут ат о р а с пе р е м е нно го напр яж е ни я 220 В на по с т о янно е 36 В к о м м ут ат о р К 2 до лж е н зани м ат ь не йт р ально е по ло ж е ни е . К лючК 3 че р е з до баво чно е с о пр о т и вле ни е вк лючае т и с т о чни к по с т о янно го Ри с .6 т о к а с напр яж е ни е м 1,25 В. Вы полне ние работы 1. Со бр ат ь с х е м у в с о о т ве т с т ви и с р и с .5. По т е нци о м е т р ы R1 и R2 до лж ны бы т ь по с т авле ны в нуле во е по ло ж е ни е , к о м м ут ат о р ы К 1 и К 2 - в не йт р ально е , к люч К 3 - в вы к люче нно м по ло ж е ни и . 2. Разм агни т и т ьпо лно с т ью о бр азе ц. Д ляэт о го е го вс т авляют в к ат ушк упр и бо р а (Пр ) для и зм е р е ни я м агни т но й и ндук ци и в о т но с и т е льны х е ди ни цах , к о м м ут ат о р К 1 с т авят в по ло ж е ни е ~220 В и по дк лючают с х е м у к и с т о чни к у пе р е м е нно го напр яж е ни я 220 В. По с ле эт о го не с к о льк о р аз уве ли чи вают и ум е ньшают по т е нци о м е т р о м R1 пе р е м е нно е напр яж е ни е на о бм о т к е эле к т р о м агни т а. И с с ле дуе м ы й о бр азе ц фе р р о м агне т и к а м о ж но с чи т ат ь р азм агни че нны м , е с ли в о т с ут с т ви и т о к а в о бм о т к е пр и зам ы к ани и к люча К 3 с т р е лк а пр и бо р а не о т к ло няе т с я. 3. Снят ь к р и вую нам агни чи вани я. Д ля эт о го по дк лючают с х е м у к о м м ут ат о р о м К 1 к и с т о чни к упе р е м е нно го напр яж е ни я (36 В), зам ы к ают к лючК 3 и , м е няя с по м о щ ью по т е нци о м е т р а R2 т о к в к ат ушк е че р е з 0,02 А , о т м е чают с о о т ве т с т вующ и е по к азани яN и зм е р и т е льно го пр и бо р а и с о с т авляют т абли цу значе ни й N = f (J ) . 4. Не вы к лючая ус т ано вк и по с ле вы по лне ни я п.3, ум е ньшают с по м о щ ью по т е нци о м е т р а R2 че р е з 0,2 А т о к до нуля. З ат е м , и зм е няя с по м о щ ью к о м м ут ат о р а К 2 напр авле ни е т о к а, уве ли чи вают е го до во зм о ж ны х пр е де ло в и с но ва ум е ньшают до нуля. Пе р е к лючи в к о м м ут ат о р К 2, с но ва уве ли чи вают т о к - по лны й ци к л и зм е не ни я т о к а заве р ше н. И зм е не ни е т о к а с о пр о во ж дают запи с ью с о о т ве т с т вующ и х пар значе ни й J и N и с о с т авляют т абли цузначе ни й N = f (J ) по м ня, чт о пр и пе р е к люче ни и к о м м ут ат о р а К 2 т о к и зм е няе т напр авле ни е . Не о бх о ди м о учи т ы ват ьзнак и по к азани й пр и бо р а. 5. И зм е р е ни япо вт о р яют с др уги м фе р р о м агни т ны м м ат е р и ало м .
27
6. По р е зульт ат ам и зм е р е ни й с т р о ят с я гр афи к и N = f (J ) , чт о анало ги чно B = f (H ) . К онтрольны е вопросы 1. К ак к лас с и фи ци р уют с ям агне т и к и ? 2. Ч т о т ак о е м агни т наяпр о ни цае м о с т ьве щ е с т ва? 3. Объяс ни т е х о до с но вно й к р и во й нам агни чи вани яфе р р о м агне т и к а. 4. В че м зак лючае т с яявле ни е м агни т но го ги с т е р е зи с а? 5. Ч т о т ак о е о с т ат о чнаяи ндук ци яи к о эр ци т и вно е по ле ?
28
Р А Б О Т А № 12 И ЗУЧ Е Н ИЕ Р АБ О ТЫ ПР О СТЕ Й Ш Е ГО ЛАМПО ВО ГО ГЕ Н Е Р АТО Р А Э ЛЕ КТР О М АГНИ ТН Ы Х КО ЛЕ Б АН И Й
Пр и бо р ы и пр и надле ж но с т и : т р е х эле к т р о днаялам па, и с т о чни к по с т о янно го напр яж е ни я на 300 В, и с т о чни к пе р е м е нно го напр яж е ни я на 4В, два во здушны х к о нде нс ат о р а по с т о янно й и пе р е м е нно й е м к о с т и , две к ат ушк и и ндук т и вно с т и , два к о нде нс ат о р а по с т о янно й е м к о с т и , с о пр о т и вле ни е , м и к р о ам пе р м е т р , и нди к ат о р вы с о к о час т о т но го эле к т р о м агни т но го по ля на не о но во й лам пе , не и зве с т ны е е м к о с т ьи и ндук т и вно с т ь. К раткая те ория Э ле к т р и че с к и й к о ле бат е льны й к о нт ур пр е дс т авляе т с о бо й це пь (р и с .1), с о с т о ящ ую и з по с ле до ват е льно с о е ди не нны х е м к о с т и С, и ндук т и вно с т и L и с о пр о т и вле ни яR пр о во дни к о в. В к о нт ур е пр о и с х о дят пе р и о ди че с к и е и зм е не ни я с и лы т о к а и с вязанны х с не й ве ли чи н. Пе р е зар ядк у плас т и н к о нде нс ат о р а м о ж но по нят ь, вс по м ни в, в че м с о с т о и т явле ни е с ам о и ндук ци и . Я вле ни е с ам о и ндук ци и с о с т о и т в с ле дующ е м : пр и вс як о м и зм е не ни и т о к а в к о нт ур е в не м во зни к ае т э.д.с . с ам о и ндук ци и E c, к о т о р ая пр ям о пр о по р ци о нальна i K с к о р о с т и и зм е не ни ят о к а в к о нт ур е (di/dt) и о бр ат но эт о й с к о р о с т и напр авле на:
+
C
L
–
.ε = − L dtdi . c
(1)
Ес ли т о к нар ас т ае т , э.д.с . пр е пят с т вуе т эт о м у уве ли че ни ю т о к а и с о здае т и ндук ци о нны й то к пр о т и во по ло ж но го напр авле ни я. Ес ли т о к ум е ньшае т с я, э.д.с . Ри с .1 пр е пят с т вуе т ум е ньше ни ю т о к а и с о здае т и ндук ци о нны й т о к т о го ж е напр авле ни я. Рас с м о т р и м р або т у к о нт ур а. З ар яди м к о нде нс ат о р о т вне шне го и с т о чни к а эле к т р о эне р ги и до не к о т о р о й р азно с т и по т е нци ало в U, с о о бщ и в е го о бк ладк ам
R
зар яды ±q, и зат е м с по м о щ ью к люча К зам к нут ь к о нт ур , т о к о нде нс ат о р начне т р азр яж ат ьс я и в це пи по т е че т не к о т о р ы й т о к . Пр и м ало м значе ни и R о н буде т о че нь бы с т р о нар ас т ат ь. Напр авле ни е для т о к а i, по к азанно е на р и с .1, пр и м е м за по ло ж и т е льно е (ве р х няя плас т и на зар яж е на по ло ж и т е льно , ни ж няя о т р и цат е льно ) и р ас с м о т р и м пр о це с с ы , пр о т е к ающ и е в к о нт ур е . Д о пус т и м с начала, чт о о м и че с к о е с о пр о т и вле ни е пр о во дни к а, и з к о т о р ы х с о с т о и т к о нт ур , и с че зающ е м ало , т .е . R≈0, и пус т ь в начальны й м о м е нт вр е м е ни зар яд к о нде нс ат о р а м ак с и м але н (q=qo). Пр и эт о м р азно с т ь по т е нци ало в м е ж ду
29
е го о бк ладк ам и т ак ж е м ак с и м альна (U=U o), а т о к в це пи р аве н нулю (р и с .2,а). К о гда к о нде нс ат о р начне т р азр яж ат ьс я, т о в к о нт ур е по т е че т т о к . В р е зульт ат е эне р ги я эле к т р и че с к о го по ля буде т ум е ньшат ьс я, но зат о во зни к не т вс е во зр ас т ающ ая эне р ги я м агни т но го по ля, о бус ло вле нно го т о к о м , т е к ущ и м
i=0
i=i0
+
–
–
+ t=0 a)
t=1/4 Т б)
Ри с .2.
i=0
i=–i0
t=1/2 Т в)
t=3/4 Т г)
че р е з и ндук т и вно с т ь. Т ак к ак в це пи де йс т вуе т э.д.с . с ам о и ндук ци и , т о к буде т уве ли чи ват ьс я по с т е пе нно , и че р е з вр е м яt=1/4 T (че т ве р т ьпе р и о да) о н до с т и гне т м ак с и м ально го значе ни я (i=io), к о нде нс ат о р р азр яди т с я по лно с т ью, и эле к т р и че с к о е по ле и с че зне т , т .е . q=0 и U=0. Т е пе р ь вс я эне р ги я к о нт ур а с о с р е до т о че на в м агни т но м по ле к ат ушк и (р и с .2,б). В по с ле дующ и й м о м е нт вр е м е ни м агни т но е по ле к ат ушк и начне т о с лабе ват ь, в с вязи с че м в не й и ндуци р уе т с я т о к , и дущ и й (с о глас но пр ави лу Л е нца) в т о м ж е напр авле ни и , в к о т о р о м ше л т о к р азр ядк и к о нде нс ат о р а. Благо дар я эт о м у к о нде нс ат о р пе р е зар яж ае т с я. Ч е р е з вр е м я t=1/2 T м агни т но е по ле и с че зне т , а эле к т р и че с к о е по ле до с т и гне т м ак с и м ум а. Пр и эт о м q=qo, U=Uo и i=0. Т ак и м о бр азо м , эне р ги я м агни т но го по ля к ат ушк и и ндук т и вно с т и пр е вр ат и т с я в эне р ги ю эле к т р и че с к о го по ля к о нде нс ат о р а (р и с .2,в). Ч е р е з вр е м я t=3/4 T к о нде нс ат о р по лно с т ью р азр яди т с я, т о к о пят ь до с т и гне т м ак с и м ально й ве ли чи ны (i=io), а эне р ги я к о нт ур а с о с р е до т о чи т с я в м агни т но м по ле к ат ушк и (р и с .2,г). В по с ле дующ и й м о м е нт вр е м е ни м агни т но е по ле к ат ушк и начне т о с лабе ват ь и и ндук ци о нны й т о к , пр е пят с т вующ и й эт о м у о с лабле ни ю, пе р е зар яди т к о нде нс ат о р . В р е зульт ат е к м о м е нт увр е м е ни t=T с и с т е м а (к о нт ур ) во звр ащ ае т с я в и с х о дно е с о с т о яни е (р и с .2,а) и начи нае т с я по вт о р е ни е р ас с м о т р е нно го пр о це с с а. В х о де пр о це с с а пе р и о ди че с к и и зм е няют с я (к о ле блют с я) зар яд и напр яж е ни е на к о нде нс ат о р е , с и ла и напр авле ни е т о к а, т е к ущ е го че р е з и ндук т и вно с т ь. Э т и к о ле бани я с о пр о во ж дают с я взаи м ны м и пр е вр ащ е ни ям и эне р ги й эле к т р и че с к о го и м агни т но го по ле й. Т ак и м о бр азо м , е с ли с о пр о т и вле ни е к о нт ур а р авно нулю, т о ук азанны й пр о це с с буде т пр о до лж ат ьс я не о гр ани че нно до лго и м ы по лучи м не зат ух ающ и е эле к т р и че с к и е к о ле бани я, пе р и о д к о т о р ы х буде т зави с е т ь о т ве ли чи н L и С (с м .ни ж е фо р м улуТ о м с о на).
30
К о ле бани я, пр о и с х о дящ и е в т ак о м и де ально м к о нт ур е (R=0), назы вают с яс во бо дны м и , и ли с о бс т ве нны м и , к о ле бани ям и к о нт ур а. Вы ве де м т е пе р ь ур авне ни е , о пи с ы вающ е е к о ле бат е льны й пр о це с с в к о нт ур е . Д ля эт о го буде м с чи т ат ь, чт о эле к т р и че с к и е пр о це с с ы в к о нт ур е к вази с т аци о нар ны . Э т о значи т , чт о м гно ве нно е значе ни е с и лы т о к а i о дно и т о ж е в любо м м е с т е к о нт ур а. Пр и эт и х ус ло ви ях м о ж но и с по льзо ват ь вт о р о е пр ави ло К и р х го фа для по с т о янно го т о к а: в зам к нут о м к о нт ур е р азве т вле нно й це пи алге бр аи че с к ая с ум м а э.д.с . и с т о чни к о в т о к а р авна алге бр аи че с к о й с ум м е пр о и зве де ни й с и л т о к а на с о пр о т и вле ни я с о о т ве т с т вующ и х учас т к о в эт о го к о нт ур а. Т о гда, вы бр ав напр авле ни е о бх о да к о нт ур а, по к азанно е на р и с .1 с т р е лк о й, в к аче с т ве по ло ж и т е льно го , по лучи м
U + Ec = iR, где
U=
q C
- напр яж е ни е на плас т и нах к о нде нс ат о р а,
(2)
ε
= −L С
di dt
- э.д.с .
с ам о и ндук ци и к ат ушк и и ндук т и вно с т и . И ли
q di − L = iR . C dt
(3)
Т о к i являе т с я р азр ядны м т о к о м к о нде нс ат о р а и в данно м с лучае по к азы вае т , на к ак ую ве ли чи ну ум е ньшае т с я зар яд к о нде нс ат о р а в е ди ни цу вр е м е ни . Т ак чт о с уче т о м знак а в явно м ви де и м е е м :
di d 2q =− 2 . dt dt
(4)
1 d 2 q R dq + + q = 0. dt 2 L dt LC
(5)
dq i=− , dt По дс т ави в (4) в (3), по лучи м
И т ак , зак о н и зм е не ни я ве ли чи ны зар яда к о нде нс ат о р а к к о ле бат е льно м к о нт ур е удо вле т во р яе т ди ффе р е нци ально м у ур авне ни ю вт о р о го по р ядк а. Д ля и де ально го к о ле бат е льно го к о нт ур а, к о гда R=0, ур авне ни е (5) пр и ни м ае т ви д
d 2q 1 + q = 0. dt 2 LC
(6)
Э т о ур авне ни е пр и по с т о янны х L и С анало ги чно с вязи м е ж ду ус к о р е ни е м к о ле блющ е го с ят е ла и с м е щ е ни е м хо т по ло ж е ни яр авно ве с и япр и гар м о ни че с к о м к о ле бат е льно м дви ж е ни и :
d 2x 2 + ω x = 0. 0 2 dt
(7)
Ре шая ди ффе р е нци ально е ур авне ни е (6), по лучи м с ле дующ и й зак о н и зм е не ни я зар ядо в на плас т и нах к о нде нс ат о р а:
q = q0 cos ω 0 t , где
q0
31
(8)
- м ак с и м ально е значе ни е зар яда, к о т о р о е о пр е де ляе т с я и з начальны х
ус ло ви й, ω 0 =
1 LC
- с о бс т ве нная(к р уго вая) час т о т а эле к т р и че с к и х к о ле бани й.
С уче т о м с вязи м е ж дук р уго во й час т о т о й и пе р и о до м к о ле бани й и м е е м :
ω0 =
2π 1 = . T LC
(9)
T = 2π LC . От к уда (10) Д анно е ур авне ни е (10) назы вае т с яфо р м уло й Т о м с о на. В р е ально м к о ле бат е льно м к о нт ур е о м и че с к о е с о пр о т и вле ни е R не льзя с ве с т и к нулю. По эт о м у в не м эле к т р и че с к и е к о ле бани я вс е гда будут зат ух ающ и м и , т ак к ак час т ь эне р ги и буде т зат р ачи ват ьс я на нагр е вани е пр о во дни к о в (Д ж о уле во т е пло ). Д ля о с ущ е с т вле ни я не зат ух ающ и х эле к т р и че с к и х к о ле бани й не о бх о ди м о о бе с пе чи т ь авт о м ат и че с к ую по дачу эне р ги и с час т о т о й, р авно й час т о т е с о бс т ве нны х к о ле бани й к о нт ур а, т .е . не о бх о ди м о с о здат ь авт о к о ле бат е льную с и с т е м у. Т ак о й с и с т е м о й не зат ух ающ и х к о ле бани й являе т с ялам по вы й ге не р ат о р . Лам повы й ге не ратор Пр о с т е йшаяс х е м а лам по во го ге не р ат о р а не зат ух ающ и х эле к т р о м агни т ны х к о ле бани й пр и ве де на на р и с .3 Он с о с т о и т и з к о ле бат е льно го к о нт ур а, i1 вк люче нно го в ано дную це пь т р е х эле к т р о дно й лам пы по с ле до ват е льно с и с т о чни к о м Б А по с т о янно го ано дно го напр яж е ни я. А но дная бат ар е я Б А являе т с я к ак бы "р е зе р вуар о м ", и з к о т о р о го по дае т с я эне р ги я в к о ле бат е льны й к о нт ур . L1 L С С к ат ушк о й L к о нт ур а и ндук т и вно с вязана к ат ушк а L, к о нцы к о т о р о й по дк люче ны к с е т к е и к ат о ду лам пы . Она с вязы вае т р або т у лам пы с к о ле бат е льны м пр о це с с о м i2 i 1 в к о нт ур е и назы вае т с як ат ушк о й о бр ат но й БН с вязи . Т р е х эле к т р о дная лам па вм е с т е с К БА к ат ушк о й о бр ат но й с вязи с луж и т для т о го , чт о бы эне р ги я по давалас ь в к о нт ур в т ак т Ри с .3 к о ле бани ям . Не зат ух ающ и е к о ле бани я по лучают с я благо дар я пе р и о ди че с к о й по дзар ядк е к о нде нс ат о р а ано дны м т о к о м лам пы , пр о х о дящ и м че р е з к о нт ур . Д ля т о го чт о бы о с ущ е с т влят ь пе р и о ди че с к ую по дзар ядк ук о нде нс ат о р а к о нт ур а в не о бх о ди м ы е м о м е нт ы вр е м е ни , ано дны й т о к
32
до лж е н и м е т ь пульс и р ующ и й х ар ак т е р . Э т о о бе с пе чи вае т с я пут е м с о о т ве т с т вующ е го и зм е не ни я по т е нци ала на с е т к е лам пы , к о т о р ы й с о здае т с я че р е з по с р е дс т во к ат ушк и с вязи L с ам и м к о ле бат е льны м к о нт ур о м . Рас с м о т р и м бо ле е по др о бно р або т у т ак о й эле к т р и че с к о й с и с т е м ы . Пр и зам ы к ани и к люча К вк лючае т с я ано дная бат ар е я Б А и в ано дно й це пи по яви т с я во зр ас т ающ и й с о вр е м е не м ано дны й т о к i1. Э т о т т о к , во -пе р вы х , зар яди т к о нде нс ат о р к о нт ур а и , во -вт о р ы х , с о здас т в к ат ушк е L м агни т но е по ле , к о т о р о е пр о ни ж е т т ак ж е к ат ушк у L1. Т ак к ак эт о по ле ус и ли вае т с я с о вр е м е не м , т о , с о глас но пр ави лу Л е нца, в к ат ушк е L1 буде т и ндуци р о ват ьс я т о к i2, пр о т и во по ло ж ны й т о к у i1 ( р и с .3. напр авле ни е эт и х т о к о в по к азано с т р е лк ам и ). Се т о чны й т о к i2 зар яди т с е т к у лам пы о т р и цат е льно , в с вязи с че м лам па "запр е т с я". Пр и м е чани е . Не о бх о ди м о по м ни т ь, чт о напр авле ни е т о к а пр о т и во по ло ж но напр авле ни ю дви ж е ни я эле к т р о но в в лам пе . Сле до ват е льно , пр и с и ле т о к а i2 эле к т р о ны дви ж ут с як с е т к е и , нак апли ваяс ьна не й, зар яж ают е е о т р и цат е льно . Т ак и м о бр азо м , лам па пр о и зве ла зар ядк у к о нде нс ат о р а и зат е м о т к лючи ла к о нт ур о т и с т о чни к а эне р ги и Б А , р азо м к нув ано дную це пь. Начавше е с яв к о нт ур е эле к т р и че с к о е к о ле бани е буде т т е пе р ь с о ве р шат ьс я о бы чны м по р ядк о м . В т е че ни е вт о р о й че т ве р т и пе р и о да т о к в к о нт ур е пе р е зар яди т к о нде нс ат о р и пр е к р ат и т с я. Т ак к ак в эт о вр е м я м агни т но е по ле к ат ушк и L, а с ле до ват е льно , и к ат ушк и L1 о с лабе вае т , т о , с о глас но пр ави лу Л е нца, т о к в с е т о чно й к ат ушк е L1 пр о до лж ае т и дт и в пр е ж не м напр авле ни и . По эт о м у с е т к а по лучи т до по лни т е льны й о т р и цат е льны й зар яд, и лам па о с т ане т с я"запе р т о й". В т е че ни е вт о р о й по ло ви ны пе р и о да в к о нт ур е по йде т т о к о бр ат но го напр авле ни я, с начала ус и ли вающ и йс я (в т р е т ье й че т ве р т и пе р и о да), а по т о м о с лабе вающ и й (в по с ле дне й че т ве р т и пе р и о да). По эт о м у, о пят ь-т ак и в с о о т ве т с т ви и с пр ави ло м Л е нца, в с е т о чно й к ат ушк е L1 напр авле ни е т о к а и зм е ни т с я на о бр ат но е , и о т р и цат е льны й зар яд с е т к и начне т ум е ньшат ьс я. К к о нцу пе р и о да эт о т зар яд ли к ви ди р уе т с я, лам па ’ ’ о т к р о е т с я’ ’ и пр о и зве де т по др азядк ук о нде нс ат о р а. З ат е м начне т с япо вт о р е ни е пр о це с с а. Т ак и м о бр азо м , лам па пе р и о ди че с к и - к началук аж до го пе р и о да - по дае т в к о нт ур эне р ги ю о т ано дно й бат ар е и . Благо дар я эт о м у в к о нт ур е с о ве р шают с я не зат ух ающ и е эле к т р и че с к и е к о ле бани я. О писание сх е м ы лабораторной работы В данно й р або т е и с по льзуе т с ялам по вы й ге не р ат о р с авт о т р анс фо р м ат о р но й о бр ат но й с вязью. На р и с .4 е го с х е м а пр и ве де на с ле ва.
33
В эт о й с х е м е к ат ушк а к о нт ур а и с е т о чная к ат ушк а с о вм е щ е ны в о дну. Вс я к ат ушк а L вх о ди т в с о с т ав к о нт ур а, а час т ь е е Lg являе т с я с е т о чно й к ат ушк о й. Д о по лни т е льны м и эле м е нт ам и в с х е м е ге не р ат о р а являют с яС бл, С св и Rg. К о нде нс ат о р С бл=10000 пФ , к о т о р ы й и м е е т м ало е с о пр о т и вле ни е для т о к о в вы с о к о й час т о т ы , бло к и р уе т с е т к у о т по с т о янно го напр яж е ни я и с т о чни к а ано дно го пи т ани я 300 В, к о т о р о е и м е е т с я и на к о нт ур е . И но гда е го назы вают бло к и р о во чны м к о нде нс ат о р о м . К о нде нс ат о р С с в=100 пФ (к о нде нс ат о р с вязи ) и с о пр о т и вле ни е Rg-0,5 М Ом (с о пр о т и вле ни е ут е чк и ) вк люче ны в це пь с е т к и лам пы с це лью вы бо р а о пр е де ле нно го р е ж и м а лам пы и лучше го и с по льзо вани я ли не йно го учас т к а х ар ак т е р и с т и к и т р и о да. Спр ава на р и с .4 р ас по ло ж е н р е зо нанс ны й к о нт ур с к ат ушк о й -3 и ндук т и вно с т и L1=0,475⋅10 Г н и к о нде нс ат о р о м пе р е м е нно й е м к о с т и
Cс в С Rg
L
L1
C1
mA
Lg Cбл
4V
300 V
Ри с .4
С 1=10 ÷ 550 пФ . Пар алле льно и м вк люче н м и к р о ам пе р м е т р . к ат ушк и L и L1 и ндук т и вно с вязаны др уг с др уго м .
Оче ви дно , чт о
Вы полне ние работы Упраж не ние 1. О пределен и епери ода н еза туха ю щ и х колеба н и й ген ера тора . 1. Со бр ат ь с х е м у лам по во го ге не р ат о р а, о бр ащ ая вни м ани е на пр ави льно е вк люче ни е и с т о чни к а ано дно го пи т ани я. Нали чи е ге не р аци и пр о ве р яе т с я пр и по м о щ и и нди к ат о р а вы с о к о час т о т но го эле к т р о м агни т но го по ляна не о но во й лам пе , к о т о р аязаго р ае т с япр и пр и бли ж е ни и е го к к ат ушк е и ндук т и вно с т и L. 2. Ес ли ге не р ат о р р або т ае т , пр и с т упают к с бо р к е р е зо нанс но го к о нт ур а (р е зо нат о р а). Т ак к ак к ат ушк и ге не р ат о р а L и р е зо нат о р а L1 с вязаны м е ж ду
34
с о бо й и ндук т и вно , т о в р е зо нат о р е т ак ж е во зни к нут к о ле бани я, на нали чи е к о т о р ы х ук азы вае т т о к в м и к р о ам пе р м е т р е . Ес ли пе р и о д к о ле бани й р е зо нат о р а не с о впадае т с пе р и о до м к о ле бани й в к о нт ур е ге не р ат о р а, т о с и ла т о к а в р е зо ни р ующ е м к о нт ур е буде т м ала. И зм е няя е м к о с т ь С 1, м о ж но пр и бли зи т ь пе р и о д к о ле бани й р е зо нат о р а к пе р и о ду к о ле бани й ге не р ат о р а. Ч е м бо льше эт о пр и бли ж е ни е , т е м бо льше т о к в р е зо нат о р е и пр и р е зо нанс е т о к буде т м ак с и м альны м . В эт о м с лучае к о ле бани я в р е зо нат о р е будут пр о и с х о ди т ьс т ак и м ж е пе р и о до м , к ак и в ге не р ат о р е : Т 1=Т , т .е .
2π L1C1′ = 2π LC
и ли
L1C1′ = LC ,
(13)
где C1′ - значе ни е е м к о с т и пе р е м е нно го к о нде нс ат о р а С 1, с о о т ве т с т вующ е е м ак с и м ально м у значе ни ю т о к а. 3. И зм е няя ве ли чи ну е м к о с т и С 1, о пр е де ляют с и лу т о к а в р е зо нат о р е , о бязат е льно пр о йдя че р е з м ак с и м ально е значе ни е с и лы т о к а. Ре зульт ат ы и зм е р е ни й зано с ят в т абли цу и с т р о ят гр афи к зави с и м о с т и с и лы т о к а в р е зо нат о р е о т ве ли чи ны е м к о с т и С 1 (по о с и о р ди нат о т к лады вае т с яс и ла т о к а, а по о с и абс ци с с - е м к о с т ь пе р е м е нно го к о нде нс ат о р а). На по луче нно й р е зо нанс но й к р и во й м ак с и м ум т о к а буде т с о о т ве т с т во ват ь о пр е де ле нно й е м к о с т и C1′ . З ная эт у е м к о с т ь и ве ли чи ну L, о пр е де ляют пе р и о д и час т о т у к о ле бани й ге не р ат о р а по фо р м улам :
T = 2π L1C1′
и
f =
1 . T
Упраж не ние 2. О пределен и ен еи звестн ой ем кости С х. Не и зве с т ную е м к о с т ьС х по дк лючают в к о нт ур р е зо нат о р а пар алле льно С 1, и с но ва с ни м ают р е зо нанс ную к р и вую. М ак с и м ум т о к а буде т т е пе р ь пр и др уго й ве ли чи не е м к о с т и C1′′ пе р е м е нно го к о нде нс ат о р а С 1. Т ак к ак пе р и о д к о ле бани й ге не р ат о р а не и зм е ни лс я, т о ус ло ви е м р е зо нанс а буде т р аве нс т во
2π LC = 2π L1 (C1′′ + C x ).
У чи т ы вая (13), м о ж но запи с ат ь От к уда
C x = C1′ − C1′′.
L1C1′′ = L1 (C1′′ + C x ).
Упраж не ние 3. О пределен и ен еи звестн ой и н дукти вн ости Lx. Д ля о пр е де ле ни я Lх с т уде нт ам пр е длагае т с я с ам о с т о ят е льно пр о де лат ь и о т ве т и т ьна не к о т о р ы е во пр о с ы : 1. К ак по дк лючи т ьLх в к о нт ур ге не р ат о р а? 2. Нар и с о ват ьс х е м ур е зо нат о р а с Lх. 3. По лучи т ьфо р м улудляо пр е де ле ни яLx. 4. Пр и к ак о м по дк люче ни и Lx к L (по с ле до ват е льно м и ли пар алле льно м ) буде т ве р на фо р м ула
35
C′ Lx = 1 − 1 L1 . C1′′′
Пр и вы по лне ни и эт о го задани явни м ат е льно пр о анали зи р уйт е упр аж не ни е 2. . К онтрольны е вопросы 1. Д айт е о пр е де ле ни е и ндук т и вно с т и и е м к о с т и , и в к ак и х е ди ни цах о ни и зм е р яют с я? 2. Объяс ни т е р або т у и де ально го к о ле бат е льно го к о нт ур а, и к ак о ва р о ль э.д.с . с ам о и ндук ци и в е го р або т е ? 3. Вы ве ди т е фо р м улу Т о м с о на для не зат ух ающ и х к о ле бани й в и де ально м к о ле бат е льно м к о нт ур е . 4. Объяс ни т е р або т упр о с т е йше го лам по во го ге не р ат о р а. 5. Наче р т и т е с х е м ы с вк люче нны м и в це пь р е зо нат о р а не и зве с т но й е м к о с т ью С х и не и зве с т но й и ндук т и вно с т ью Lх . 6. По че м у с и ла р е зо нанс но го т о к а ум е ньшае т с я с вк люче ни е м не и зве с т но й и ндук т и вно с т и Lх? 7. По че м у и в к ак ую с т о р о ну не и зве с т ны е е м к о с т ь и и ндук т и вно с т ь с дви гают м ак с и м ум р е зо нанс но й к р и во й? Со с т ави т е ли : М иловидова С вет лан а Д м ит риевн а С идорк ин А лек с ан др С т епан ович Л иберм ан Зин овий А лек с ан дрович Р огазин с к аяО льга В ладим ировн а С олодуха А лек с ан др М айорович Ре дак т о р Бун ин а Т .Д .