Различия
Показаны различия между двумя версиями страницы.
| Предыдущая версия справа и слеваПредыдущая версияСледующая версия | Предыдущая версия | ||
| lab5:теория_53 [2019/04/14 08:25] – [Экспериментальные задания] root_s | lab5:теория_53 [2026/09/04 06:03] (текущий) – внешнее изменение 127.0.0.1 | ||
|---|---|---|---|
| Строка 11: | Строка 11: | ||
| Принцип действия пояса Роговского заключается в следующем. Вокруг переменного тока $I_{1} \left(t\right)$ создается переменное магнитное поле и создает э.д.с. индукции $E\left(t\right)$ в соленоиде (рис. 1) с коэффициентом взаимной индукции $M$ [2. С. 281]. | Принцип действия пояса Роговского заключается в следующем. Вокруг переменного тока $I_{1} \left(t\right)$ создается переменное магнитное поле и создает э.д.с. индукции $E\left(t\right)$ в соленоиде (рис. 1) с коэффициентом взаимной индукции $M$ [2. С. 281]. | ||
| $$ | $$ | ||
| - | \varepsilon | + | \cal{E}\left(t\right)=-M\frac{\partial I_{1} \left(t\right)}{\partial \, t} \ \ \ \mbox{ |
| $$ | $$ | ||
| где $M$ --- коэффициент взаимной индукции. Индуктивность соленоида $L=N\cdot M$, где $N$ --- число витков [3. П. 51]. | где $M$ --- коэффициент взаимной индукции. Индуктивность соленоида $L=N\cdot M$, где $N$ --- число витков [3. П. 51]. | ||
| Строка 22: | Строка 22: | ||
| Подключим к поясу активное нагрузочное сопротивление $R_{н} $, с которого будем снимать напряжение, | Подключим к поясу активное нагрузочное сопротивление $R_{н} $, с которого будем снимать напряжение, | ||
| - | Здесь $L$ --- индуктивность пояса; $C_{0} $ --- его собственная емкость; | + | Здесь $L$ --- индуктивность пояса; $C_{0} $ --- его собственная емкость; |
| Конструктивно изготовим пояс так, чтобы он обладал малой емкостью. Оценка малости для емкости в схеме на рис. 2 фактически означает, | Конструктивно изготовим пояс так, чтобы он обладал малой емкостью. Оценка малости для емкости в схеме на рис. 2 фактически означает, | ||
| Строка 43: | Строка 43: | ||
| Пусть длительность импульса тока (характерное время изменения тока) $\tau _{н} $ мала по сравнению с $\tau =\frac{L}{R_н +r}$ --- собственным временем интегрирования пояса с нагрузкой $R_{н} $. Полагая для оценок, | Пусть длительность импульса тока (характерное время изменения тока) $\tau _{н} $ мала по сравнению с $\tau =\frac{L}{R_н +r}$ --- собственным временем интегрирования пояса с нагрузкой $R_{н} $. Полагая для оценок, | ||
| $$ | $$ | ||
| - | R_{н} +r \ll \omega . | + | C_0(R_{н} +r) \ll \tau _{н} . |
| $$ | $$ | ||
| Фактически это случай малой активной нагрузки по сравнению с индуктивной. Тогда членом $\left(R_{н} +r\right)I_{2} $ в уравнении определения $\varepsilon (t)$ можем пренебречь и это уравнение непосредственно интегрируется | Фактически это случай малой активной нагрузки по сравнению с индуктивной. Тогда членом $\left(R_{н} +r\right)I_{2} $ в уравнении определения $\varepsilon (t)$ можем пренебречь и это уравнение непосредственно интегрируется | ||
| $$ | $$ | ||
| - | I_{2} (t)=\frac{1}{L} \int _{0}^{t}e^{-{\frac{\xi }{ \tau } }} \varepsilon \left(\xi \right)\, d\xi =-MI_{2} \left(t\right) | + | I_{2} (t)=\frac{1}{L} \int _{0}^{t}e^{-{\frac{\xi }{ \tau } }} \varepsilon \left(\xi \right)\, d\xi \approx |
| $$ | $$ | ||
| или | или | ||
| Строка 65: | Строка 65: | ||
| Напряжение на $R_{н} $ прямо пропорционально $I_{1}(t)$, чего и требовалось достичь. | Напряжение на $R_{н} $ прямо пропорционально $I_{1}(t)$, чего и требовалось достичь. | ||
| - | Дополнительно можно подчеркнуть, | + | Дополнительно можно подчеркнуть, |
| $$ | $$ | ||
| \left(R_{н} +r\right)C_{0} \ll \tau _{н} \ll \frac{L}{R_{н} +r}. | \left(R_{н} +r\right)C_{0} \ll \tau _{н} \ll \frac{L}{R_{н} +r}. | ||
| Строка 88: | Строка 88: | ||
| $$ | $$ | ||
| можем записать уравнение для замкнутой цепи | можем записать уравнение для замкнутой цепи | ||
| - | \begin{equation} \label{GrindEQ__10_} | + | $$ |
| - | \varepsilon \left(t\right)=L\frac{dI_{2} }{dt} +\frac{1}{C_{н} } \int I_{2} dt+\left(R_{н} +r\right)I_{2} | + | \varepsilon \left(t\right)=L\frac{dI_{2} }{dt} +\frac{1}{C_{н} } \int I_{2} dt+\left(R_{н} +r\right)I_{2} |
| - | \end{equation} | + | $$ |
| где $I_{2} $ --- ток в цепи пояса; $I_{1} $ --- исследуемый импульс тока. | где $I_{2} $ --- ток в цепи пояса; $I_{1} $ --- исследуемый импульс тока. | ||
| Подберем параметры интегрирующей цепочки так, чтобы при протекании тока $I_{2} \left(t\right)$ с характерным временем $\tau _{н} $ по цепи пояса основное падение напряжения падало на активном сопротивлении $R_{н} +r$ пояса. Это соответствует требованию малости величины индуктивного импеданса пояса $\omega L\ll R_{н} +r$ и емкостного сопротивления $(\omega | Подберем параметры интегрирующей цепочки так, чтобы при протекании тока $I_{2} \left(t\right)$ с характерным временем $\tau _{н} $ по цепи пояса основное падение напряжения падало на активном сопротивлении $R_{н} +r$ пояса. Это соответствует требованию малости величины индуктивного импеданса пояса $\omega L\ll R_{н} +r$ и емкостного сопротивления $(\omega | ||
| - | \begin{equation} | + | $$ |
| - | \varepsilon \left(t\right)=\left(R_{н} +r\right)I_{2} \left(t\right)=-M\frac{dI_1}{dt}, | + | \varepsilon \left(t\right)=\left(R_{н} +r\right)I_{2} \left(t\right)=-M\frac{dI_1}{dt}, |
| - | \end{equation} | + | $$ |
| из которого находим зависимость $I_{1} \left(t\right)$ от $I_{2} \left(t\right)$ | из которого находим зависимость $I_{1} \left(t\right)$ от $I_{2} \left(t\right)$ | ||
| - | \begin{equation} \label{GrindEQ__12_} | + | $$ |
| - | I_{1} \left(t\right)=-\frac{R_{н} +r}{M} \int I_{2} \left(t\right)dt , | + | I_{1} \left(t\right)=-\frac{R_{н} +r}{M} \int I_{2} \left(t\right)dt , |
| - | \end{equation} | + | $$ |
| Рассмотрим напряжение $U_{н} $ на емкости $C_{н} $ с выхода интегрирующей цепочки, | Рассмотрим напряжение $U_{н} $ на емкости $C_{н} $ с выхода интегрирующей цепочки, | ||
| - | \begin{equation} \label{GrindEQ__13_} | + | $$ |
| - | U_{C} \left(t\right)=\frac{1}{C} \int I_{2} \left(t\right)dt . | + | U_{C} \left(t\right)=\frac{1}{C} \int I_{2} \left(t\right)dt . |
| - | \end{equation} | + | $$ |
| Сравнивая последние выражения получаем | Сравнивая последние выражения получаем | ||
| - | \begin{equation} \label{GrindEQ__14_} | + | $$ |
| - | I_{1} \left(t\right)=-\frac{\left(R_{н} +r\right)C}{M} U_{C} \left(t\right)=-\frac{\left(R_{н} +r\right)C}{M} N\cdot U_{C} \left(t\right). | + | I_{1} \left(t\right)=-\frac{\left(R_{н} +r\right)C}{M} U_{C} \left(t\right)=-\frac{\left(R_{н} +r\right)C}{L} N\cdot U_{C} \left(t\right). |
| - | \end{equation} | + | $$ |
| Итак, получена явная и прямая зависимость измеряемого сигнала с пояса от формы исследуемого импульсного тока, что и являлось конечной целью. Зная параметры пояса и интегрирующей цепочки $R_{н}$, $r$, $C_{н} $, $L$, $N$, можно по напряжению на конденсаторе определить амплитуду $I_{0} \left(t\right)$. Условия работы пояса в этом режиме можно оценить неравенством | Итак, получена явная и прямая зависимость измеряемого сигнала с пояса от формы исследуемого импульсного тока, что и являлось конечной целью. Зная параметры пояса и интегрирующей цепочки $R_{н}$, $r$, $C_{н} $, $L$, $N$, можно по напряжению на конденсаторе определить амплитуду $I_{0} \left(t\right)$. Условия работы пояса в этом режиме можно оценить неравенством | ||
| - | \begin{equation} | + | $$ |
| - | \frac{L}{R_{н} +r} \ll \tau _{н} \ll \left(R_{н} +r\right)C_{н} . | + | \frac{L}{R_{н} +r} \ll \tau _{н} \ll \left(R_{н} +r\right)C_{н} . |
| - | \end{equation} | + | $$ |
| Строка 142: | Строка 142: | ||
| ===== Описание экспериментальной установки ===== | ===== Описание экспериментальной установки ===== | ||
| - | Установка для измерения параметров импульсного тока с помощью пояса Роговского состоит из двух вариантов конструкции пояса Роговского, | + | Установка для измерения параметров импульсного тока с помощью пояса Роговского состоит из двух вариантов конструкции пояса Роговского, |
| - | {{ :lab5: | + | |
| - | Для создания импульсов тока $I_{1} \left(t\right)$ в данной работе обычно установлен генератор прямоугольных импульсов, | + | {{ : |
| + | |||
| + | Для создания импульсов тока $I_{1} \left(t\right)$ в данной работе обычно установлен генератор прямоугольных импульсов, | ||
| $$ | $$ | ||
| - | I_{1} \left(t\right)=-\frac{\left(R_{н} +r\right)C}{M} U_{C} \left(t\right)=-\frac{\left(R_{н} +r\right)C}{M} N\cdot U_{C} \left(t\right) | + | I_{1} \left(t\right)=-\frac{\left(R_{н} +r\right)C}{M} U_{C} \left(t\right)=-\frac{\left(R_{н} +r\right)C}{L} N\cdot U_{C} \left(t\right) |
| $$ | $$ | ||
| цепочек. Собственное активное сопротивление проводов r в лабораторных поясах мало и им можно пренебречь в соответствующих формулах. | цепочек. Собственное активное сопротивление проводов r в лабораторных поясах мало и им можно пренебречь в соответствующих формулах. | ||
| Строка 159: | Строка 160: | ||
| ^ Число витков | 220 | 100 | | ^ Число витков | 220 | 100 | | ||
| ^ Магнитная проницаемость | 1 | 1 000 | | ^ Магнитная проницаемость | 1 | 1 000 | | ||
| - | ===== Контрольные вопросы ===== | ||
| - | |||
| - | - Запишите уравнения 8, 13, 14 и 16 в системе СГС. Правила преобразования уравнений из одной системы в другую см., например, | ||
| - | - Индуктивность тороидального соленоида с прямоугольным сечением (рис. 1) вычисляется по формуле, | ||
| - | - Почему трансформатор хорошо передает форму тока, синусоидально изменяющегося во времени? | ||
| - | ===== Экспериментальные задания ===== | ||
| - | |||
| - | Прежде чем начинать измерения, | ||
| - | |||
| - | 1. Включение установки «Пояс Роговского», | ||
| - | |||
| - | Включить генератор SFG-2110. Выбрать форму выходного сигнала. Для этого нажать кнопку «wave». На индикаторной панели будет высвечиваться форма сигнала: | ||
| - | |||
| - | Установить частоту выходного сигнала генератора. Набрать требуемое значение частоты (например 10). Выбрать значение единицы измерения (например kHz). | ||
| - | |||
| - | Выход генератора соединить с проводником, | ||
| - | |||
| - | Включить осциллограф Tektronix TDS1012. Когда дисплей выйдет на рабочий режим, нажать кнопку AUTO SET. На дисплее появятся сигналы, | ||
| - | |||
| - | Установить скважность выходного сигнала с генератора в режиме меандра. Нажать SHIFT и «7». Затем набрать число «20». Оно высветится на дисплее. Нажать кнопку Hz/\%. Изменение скважности сигнала будет видно на осциллографе. При такой скважности рекомендуется выполнять работу. | ||
| - | |||
| - | Выполнить задания 2 --- 4. Чтобы быстрее начать выполнять задания, | ||
| - | |||
| - | 2. Определение собственных параметров пояса: емкости, | ||
| - | |||
| - | При подаче по центральному проводнику прямоугольного импульса тока с достаточно короткими фронтами после каждого из фронтов в поясе возникают свободные затухающие колебания с собственной частотой (см. например, | ||
| - | $$ | ||
| - | L_{0} =\frac{1}{4\pi ^{2} f_{0}^{2} C_{0} } . | ||
| - | $$ | ||
| - | |||
| - | Подключив дополнительную емкость $C_{1} $ известной величины параллельно выходу пояса и определив новую частоту $f_{1} $, можно найти емкость $C_{0} $ , используя соотношение | ||
| - | \begin{equation} \label{GrindEQ__18_} | ||
| - | \frac{f_{0}^{2} }{f_{1}^{2} } =\frac{C_{0} +C_{1} }{C_{0} } . | ||
| - | \end{equation} | ||
| - | |||
| - | Собственная индуктивность находится из | ||
| - | \begin{equation} \label{GrindEQ__19_} | ||
| - | L_{0} =\frac{1}{4\pi ^{2} f_{0}^{2} C_{0} } . | ||
| - | \end{equation} | ||
| - | |||
| - | По форме огибающей затухающих колебаний оценивается собственная постоянная затухания пояса $\tau =2L r^{-1}$ (см. работу 5.2 и разд. 4.1) и сопротивление $r$. | ||
| - | |||
| - | Для нахождения собственных параметров пояса подключаем выход пояса через измерительный коаксиальный кабель к осциллографу. При таком подключении нагрузкой пояса является емкость кабеля и входная емкость осциллографа. Удельная емкость кабеля | ||
| - | $$ | ||
| - | L=\frac{\mu _{0} \mu }{2\pi } N^{2} b\ln \left(\frac{R+a}{a} \right), | ||
| - | $$ | ||
| - | а активное сопротивление $-$ с измеренным при помощью цифрового тестера. | ||
| - | |||
| - | 3. Режим интегрирования тока на собственной индуктивности. | ||
| - | |||
| - | \noindent В качестве нагрузки пояса подключите активное сопротивление (рис. 2). ). С помощью уравнения 9 оцените рабочий диапазон длительности импульсов тока, для которого пояс будет правильно работать в этом режиме. Меняя длительность импульса тока и величину сопротивления, | ||
| - | $$ | ||
| - | I_2 (t)=\frac{I_1(t)}{N}, | ||
| - | $$ | ||
| - | |||
| - | |||
| - | |||
| - | |||
| - | 4. Режим интегрирования тока на внешней емкости. | ||
| - | |||
| - | Используйте в качестве нагрузки пояса интегрирующую цепочку (рис. 3). С помощью уравнения 15 оцените рабочий диапазон длительности импульсов тока, для которого пояс будет правильно работать в этом режиме. Подберите параметры цепочки и длительность импульса, | ||
| - | |||
| - | |||
| ===== Библиографический список ===== | ===== Библиографический список ===== | ||
| - | 1. \textit{Часть I}, разделы 1.1$-$1.3, 2.1$-$2.2, 2.4, 3.1, 4.1 настоящего сборника. | + | |
| - | + | | |
| - | 2. \textit{Сивухин Д. В.} Общий курс физики. М.: Наука, 1983. Т. 3. Электричество. | + | |
| - | + | ||
| - | 3. \textit{Мешков И. Н., Чириков Б. В.} Электромагнитное поле. Новосибирск: | + | |
| - | + | ||
| - | 4. \textit{Князев Б. А., Костюрина А. Г.} Лаборатория электричества и магнетизма. Введение в практикум. Новосибирск: | + | |
| + | Назад к [[lab5: | ||