Порядок выполнения работы

Выполнение измерений

1. Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рис. 5.6. Параметры установки занесите в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Параметры установки: С₂ = 47 пкФ, d = 1,00 ·10^{-3 м}, s = 19,63 ·10^{-6 м2}, R₁ = 470 ·10³ Ом, R₂ = 20 ·10³Ом

2. Включите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения и блока мультиметров. Частота выходного сигнала установится 500 Гц.

3. Включите осциллограф и выведите электронный луч в центр экрана.

Рис. 5.7. Петля гистерезиса

4. Увеличивая напряжение в первичной обмотке трансформатора генератора сигналов специальной формы (увеличивая напряжение U_Y примерно до 4,0 В), получите изображение предельной петли гистерезиса. Петля считается предельной, если рост напряжения не приводит к увеличению ее площади.

6. Ручками осциллографа ↔ и ↕ установите изображение петли симметрично относительно осей Хи Y. Ручками осциллографа «Усиление Х», «Усиление Y» (дискретно и плавно) установите наибольшие размеры петли, которые вписываются в экран осциллографа.

7. По экрану осциллографа измерьте координаты точек х_К, х_нас, y_ост, y_S, y_нас(рис. 5.7). Мультиметром или осциллографом измерьте напряжения и . Результаты измерений занесите в табл. 5.1.

8. Ручкой «Напряжение» уменьшите напряжение U_Y до нуля. Этой же ручкой, повышая U_Y от нуля с шагом примерно 0,40 В до его максимального значения , измерьте соответствующие значения напряжения U_X. Результаты измерений занесите в табл. 5.2.

Таблица 5.2

№ п/п	Величина
U_Y, В	U_X, В	Е, В/м	Р, Кл/м²	ε

…

9. Выключите кнопками «Сеть» питание блока генераторов напряжения, мультиметра и осциллографа.

Обработка результатов измерений

1. Используя данные табл. 5.1 и формул (7)—(8), рассчитайте поляризованность и напряженность поля при насыщении сегнетоэлектрика:

Результаты расчетов занесите в табл. 5.1.

2. Используя данные табл. 5.1, рассчитайте спонтанную поляризованность Р_S, остаточную поляризованность Р_ост и коэрцитивную силу Е_К по формулам:

Результаты расчетов внесите в табл. 5.1.

3. Используя данные табл. 5.1 и 5.2, рассчитайте значения поляризованности, напряженности и диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика по формулам:

Результаты расчетов занесите в табл. 2 и на их основании постройте графики зависимостей Р = f (E) и ε = f (E). По полученным результатам сформулируйте выводы.

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются диэлектриками?

2. Что такое электрический момент диполя?

3. Что такое поляризованность диэлектриков?

4. В чем заключается особое свойство сегнетоэлектриков?

5. Чем обусловлена спонтанная поляризованность сегнетоэлектриков?

6. Что такое гистерезис?

7. Что такое домены?

8. Что такое коэрцитивная сила?

9. Где применяются сегнетоэлектрики?

Работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ ЗАТУХАЮЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Цель: Исследование затухающих электрических колебаний, измерение характеристик колебательного контура: периода колебаний T, логарифмического декремента затухания λ, критического сопротивления контура R_кр.

Оборудование: Лабораторная работа «Изучение затухающих колебаний» проводится на установке, состоящей из рабочего устройства — модуля ФПЭ-10 (рис. 6.1), модуля преобразователя импульсов ФПЭ-08, магазина сопротивлений, модуля ИП, генератора ГЗ-121 и осциллографа С1-93. Картина затухающих колебаний наблюдается на экране осциллографа, подключенного согласно схеме (рис. 6.7). Принцип работы установки заключается в получении затухающих колебаний при заряде конденсатора короткими одиночными импульсами, в изучении свойств колебательного контура и изменении его характеристик.

Рис. 6.1. Модули ФПЭ-08 и ФПЭ-10

Введение

Рис. 6.2. Колебательный контур C — конденсатор; L — катушка индуктивности; R — активное сопротивление; K — ключ

Колебательный контур — это электрическая цепь (рис. 6.2), содержащая индуктивность L и емкость C.

Если конденсатор зарядить и тем самым сообщить ему некоторую энергию, а затем ключом K замкнуть контур, то конденсатор начнет разряжаться. Как показывает опыт, в цепи появляется переменный ток. Объясняется это тем, что протекание разрядного тока сопровождается появлением ЭДС самоиндукции, которая сначала препятствует росту тока, но по окончании разрядки конденсатора поддерживает ток в первоначальном направлении. В результате происходит перезарядка конденсатора. По достижении максимального заряда его обкладок снова начинается процесс разрядки, при этом ток в контуре меняет свое направление.

Рис. 6.3. Затухающие колебания

При протекании тока энергия, сообщенная контуру при зарядке конденсатора, превращается в тепловую, которая выделяется в резисторе R. Поэтому колебания затухают. На рис. 6.3 показан график изменения напряжения u = q/C на обкладках конденсатора с течением времени.

Закон изменения напряжения имеет следующий вид:

, (1)

где u(t) — мгновенное значение напряжения, U_m— его начальная амплитуда, ω — циклическая частота затухающих колебаний, t — время от начала разрядки, α — начальная фаза, δ — коэффициент затухания.

(2)

Циклическая частота ω затухающих колебаний определяется параметрами цепи — ее индуктивностью L, емкостью C и активным сопротивлением R:

, (3)

где ω₀ — собственная частота контура,

(4)

Период затухающих колебаний

(5)

больше, чем период незатухающих T₀ = 2π/ω₀ и, как следует из формул (2)–(5), отличается от него тем сильнее, чем больше величина δ. При δ << ω₀ период колебаний .

Рис. 6.4. Апериодический разряд

По мере увеличения коэффициента затухания период колебаний растет, стремясь к бесконечности при δ = ω₀. Это означает, что колебания в цепи сменяются апериодическим разрядом конденсатора (рис. 6.4).

Сопротивление контура, при котором возникает такой разряд, называют критическим. Величина R_кр, согласно условию δ = ω₀ и с учетом формул (2), (4), определяется выражением:

(6)

Затухание колебаний характеризуют величиной логарифмического декремента затухания:

(7) (7)

где U_t и U_t₊_T — амплитуды напряжения в моменты времени, отличающиеся на период. В соответствии с законом колебаний (1) имеем:

(8)

Метод измерений

Для наблюдения затухающих колебаний напряжение u с обкладок конденсатора колебательного контура подают на вход Y осциллографа. Конденсатор подключен к генератору сигналов специальной формы, настроенному на выдачу униполярных импульсов. В течение первой половины периода напряжение u на конденсаторе равно ЭДС источника. Через половину периода напряжение u = 0 В. В контуре начинаются свободные затухающие колебания. Осциллограмма этих колебаний показана на рис. 6.5.

Измерение параметров затухающих колебаний по осциллограмме

Амплитуды напряжения на конденсаторе U_t и U_t_+T(см. рис. 6.5), необходимые для расчета логарифмического декремента λ по формуле (7), можно измерить в делениях шкалы Y осциллографа.

Рис. 6.5. Осциллограмма

Для измерения периода колебаний T проводят предварительную калибровку оси времени осциллографа по известному периоду T_И. При этом определяют цену деления оси X как отношение

(с/дел.). В результате измеряемый период затухающих колебаний

(9)

где l₀ — число делений, соответствующее отрезку времени, равному периоду колебаний T_И (см. рис. 6.4); n — целое число полных колебаний на отрезке оси длины l.

По измеренным значениям λ и T с помощью формулы (8) определяют экспериментальное значение коэффициента затухания δ.

Критическое сопротивление контура R_кр находят опытным путем, наблюдая изменение вида зависимости u(t) по мере увеличения активного сопротивления контура R. Признаком выхода на режим апериодического разряда конденсатора является получение кривой u(t), не содержащей колебаний (см. рис. 6.4).

Описание установки

Рис. 6.6. Электрическая схема 1 — генератор сигналов специальной формы (униполярные импульсы); 2 — миниблок «Магазин сопротивлений» R_р; 3 — миниблок «Индуктивность»; 4 — миниблок «Конденсатор»; U_Y — сигнал на вход Y осциллографа

Схема электрической цепи представлена на рис. 6.6, монтажная схема — на рис. 6.7, 6.7а.

Исследуемый колебательный контур состоит из последовательно соединенных катушки (с известной индуктивностью L и активным сопротивлением R_к), магазина сопротивлений R_р и конденсатора известной емкости С (С₁ или С₂).

Напряжение U_Yс конденсатора колебательного контура подают на вход Y осциллографа. Масштабная сетка, нанесенная на его экране, позволяет измерять параметры зависимости u(t): амплитуду и период затухающих колебаний.

По осциллограмме u(t) наблюдают также переход от колебаний к апериодическому разряду конденсатора. Для его достижения увеличивают сопротивление контура с помощью магазина сопротивлений.

Генератор сигналов специальной формы 1 предназначен для получения униполярных импульсов с целью сообщения энергии колебательному контуру.

Рис. 6.7. Монтажная схема

Рис. 6.7а. Внешний вид монтажной схемы

Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: