Методические указания к лабораторным работам по курсу общей физики (Электричество и магнетизм. Ч.2) для студентов фармацевтического факультета

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 .