Определение мощности источника тока. Гудилов_Физ_практ_Ч_2_2008(1). Физический практикум

• Название: Физический практикум
• Анкор: Определение мощности источника тока
• Дата: 10.05.2022
• Размер: 1.62 Mb.
• Имя файла: Гудилов_Физ_практ_Ч_2_2008(1).pdf
• Тип: Практикум; #521277
• страница: 12 из 21

12.3. Описание лабораторной установки

Принципиальная схема установки показана на рис. 12.12.
Рис. 12.12. Принципиальная схема экспериментальной установки
Первичная обмотка имеет N1 витков. На ней сделаны отводы от витков
N1/4 и N1/2. Вторичная обмотка имеет N2 витков. С помощью тумблера Т переменное сопротивление нагрузки R
н
можно отключить от вторичной обмотки.
12.4. Методика проведения эксперимента
Измерить значение переменного сопротивления нагрузки можно с помощью омметра, подключенного между точками F и G, в положении тумблера Т таком, что сопротивление нагрузки подключается к точке F (рис.
12.12).
Для снятия частотной зависимости коэффициента трансформации между точкой D и одним из отводов первичной обмотки (А, В, С) подключается звуковой генератор так, что общий провод подключается к точке D. Общий провод прибора, измеряющего напряжение, подключается к
Н, а его вход – к точке Е при измерении напряжения на вторичной обмотке или параллельно звуковому генератору (точки А, В, С) при измерении напряжения на первичной обмотке. Изменяя частоту звукового генератора и измеряя напряжение на первичной и вторичной обмотках, определяем коэффициент трансформации по отношению напряжения на вторичной к напряжению на первичной обмотках для разных частот.
12.5. Порядок выполнения работы
12.5.1. Подключить омметр к точкам F и G.
12.5.2. Переключить тумблер Т в такое положение, чтобы сопротивление нагрузки подключилось к точке F.
12.5.3. Изменяя сопротивление нагрузки, определите его максимальное значение и запишите в табл. 12.1. Измерения проведите три раза.

12.5.4. Контролируя величину сопротивления нагрузки омметром, установите его равным 0,25 от своего максимального значения.
12.5.5. Переключите тумблер Т в такое положение, чтобы сопротивление нагрузки подключилось к точке Е.
12.5.6. Подключите общий провод прибора, измеряющего напряжение, к точке G.
12.5.7. Общий привод звукового генератора подключить к точке D.
Выходное напряжение с генератора (второй провод) подайте к точке А.
12.5.8. Изменяя частоту генератора (пределы изменения частоты см. на установке) и поддерживая постоянное напряжение на первичной обмотке
(контролируя приборы, измеряющим напряжение в точке А), измерьте этим же прибором напряжение на вторичной обмотке (в точке Е) трансформатора в зависимости от частоты. Результаты измерений запишите в табл. 12.2.
Примечание: интервалы изменения частоты генератора в начале и в конце предела изменения частоты должны быть малыми, а в середине могут быть довольно значительными.
12.5.9. Проделайте аналогичные измерения для других значений числа витков первичной обмотки, подавая выходное напряжение с генератора на точки В и С.
12.5.10. По указанию преподавателя подайте выходное напряжение с генератора на точку А, В или С.
12.5.11. Выполните пункт 8 для значений сопротивления нагрузки 0,5 от максимального значения и равным максимальному значению (выполнив пункты 1, 2, 4 (с учетом новых значений)).
12.6. Обработка результатов эксперимента
12.6.1. Для каждой серии измерений вычислите коэффициенты трансформации по формуле (12.10) и постройте графики зависимости коэффициента трансформации от частоты.
12.6.2. По каждому графику определите значения нижней и верхней граничных частот по достижению коэффициента трансформации 0,7 своего максимального значения.
Таблица 12.1
Результаты измерения величины сопротивления нагрузки
Rн(max), Ом
0,5Rн(max), Ом
0,25Rн(max), Ом
Таблица 12.2
Частотная характеристика трансформатора
Выходное напряжение генератора подано к точке R
н
= …..Ом, U
1
= …..В
, Гц
U2, В
k

12.7. Контрольные вопросы
1. Что такое трансформатор с энергетической точки зрения?
2. На каком явлении основан принцип работы трансформатора?
3. Перечислите причины,
которые затрудняют расчет трансформатора.
4. Выполните расчет упрощенной модели трансформатора.
5. Что называется коэффициентом трансформации?
6. Выполните расчет трансформатора с учетом индуктивностей рассеяния и активных сопротивлений обмоток.
7. Что понимается под нижней в верхней граничными частотами? Чем обусловлено их наличие?
8. Что можно сказать о коэффициенте трансформации между нижней и верхней граничными частотами ?
9. Назовите условия, при которых начинает проявляться частотная зависимость коэффициента трансформации в области высоких частот.
10. Почему при стремлении сопротивления нагрузки к бесконечности верхняя граничная частота остается конечной ?
Рекомендуемая литература
39.
Савельев, И. В. Курс общей физики. В 3 т.: учеб. пособие для вузов / И. В. Савельев. – М.: Наука, 1982. – Т. 2. § 51, 52, 55–59.
40.
Детлаф, А. А. Курс физики: учеб. пособие для вузов / А. А.
Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высш. шк., 1989. – § 24.1–24.5.
41.
Трофимова, Т. И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т. И.
Трофимова. – М.: Высш. шк., 1990, – § 131–136.
42.
Калашников, С. Г. Электричество: учеб. пособие для вузов / С. Г.
Калашников. – М.: Наука, 1970. – § 109–111.
13. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 212
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА
С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ
13.1. Цель работы
Определение удельного заряда электрона методом магнитной фокусировки.
13.2. Теоретические сведения
На электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Для случая движения электрона она равна v,
F
e
B


 


r r
r
,
(13.1) где e – величина заряда электрона; v
r
– скорость его движения;
B
r
– индукция магнитного поля.

В соответствии с правилом векторного произведения сила Лоренца направлена перпендикулярно к плоскости, в которой лежат векторы v
r и
B
r
Если заряд положителен, направление силы
F
r совпадает с направлением вектора v, B




r r
(рис. 13.1). В случае отрицательного заряда направления векторов
F
r и v, B




r r
противоположны.
Рис. 13.1. Направление действия силы при движении зарядов с различными знаками
Модуль силы Лоренца равен v sin
F
e B


,
(13.2) где

– угол между векторами v
r и
B
r
Из формулы (13.2) следует, что значение силы Лоренца определяется скоростью электрона и углом

между направлением векторов v
r и
B
r
. Если заряд покоится относительно постоянного магнитного поля или движется вдоль линии магнитной индукции (v || )
B
r r
, то есть
0
 
, то значение силы
Лоренца равна нулю.
При движении электрона перпендикулярно к линиям магнитной индукции сила Лоренца достигает максимального значения: v
F
e B

(13.3)
Сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно скорости движения электрона, поэтому работы она не совершает, и кинетическая энергия электрона в постоянном магнитном поле не изменяется. Под действием силы
Лоренца происходит изменение вектора скорости только по направлению.
Это значит, что ее можно приравнять к центробежной силе
2
v v
m
e B
R

,
(13.4) где m – масса электрона; R – радиус кривизны траектории.
Из равенства (13.4) получаем v
m
R
e B


,
(13.5) откуда следует, что электрон будет двигаться по окружности, радиус которой пропорционален скорости электрона и обратно пропорционален произведению его удельного заряда
/
e m
на индукцию поля B.

Если скорость электрона направлена под произвольным углом  к вектору
B
r
(рис. 13.2), то вектор скорости v r
можно разложить на две составляющие, одна из которых перпендикулярна, а другая – параллельна линиям магнитной индукции
||
v vsin , v v cos




 .
Значение силы Лоренца в этом случае равно: v
F
eB


(13.6)
Рис. 13.2. Траектория движения электрона в однородном магнитном поле
Вектор этой силы лежит в плоскости, перпендикулярной к вектору магнитной индукции
B
uv
. Составляющая силы Лоренца в направлении
B
uv равна нулю, поэтому скорость v
P
в магнитном поле не изменяется. Благодаря скорости v

частица будет двигаться по окружности, радиус которой в соответствии с (13.5) и (13.6) равен: v
m
R
e
B



. (13.7)
Таким образом, электрон одновременно участвует в двух движениях: он равномерно вращается со скоростью v

по окружности радиусом R в плоскости, перпендикулярной к
B
r
, и движется поступательно вдоль направления
B
r с постоянной скоростью v
P
. В результате сложения обоих движений траектория электрона представляет винтовую линию, ось которой совпадает с направлением
B
r
. Период обращения (время одного оборота) электрона равен:
2
v
R
T



(13.8)
Из формул (13.7) и (13.8) найдем
2
m
T
B
e



,
(13.9)

то есть период вращения электрона по окружности не зависит от его скорости, а определяется величиной магнитной индукции поля и удельным зарядом электрона.
За время одного оборота электрон сместится вдоль магнитного поля на расстояние, равное шагу винтовой линии
2
v v cos
m
h
T
B
e





P
(13.10)
Когда углы

невелики, cos
1
 
, и формулу (13.10) можно упростить:
2
v
m
h
B
e



(13.11)
Таким образом, шаг h винтовой траектории электрона в магнитном поле не зависит от угла  (для малых углов). Из этого следует, что все электроны с равными кинетическими энергиями, вышедшие из одной точки под небольшими, но равными углами к вектору индукции магнитного поля, после одного оборота вновь соберутся в одной точке. В этом заключается принцип магнитной фокусировки электронов.
Явления электронной эмиссии и газовых разрядов позволяют получить поток электронов и ионов, движущихся практически без соударения.
Попадая в электрические и магнитные поля, эти частицы оказываются под воздействием определенных сил и изменяют свое первоначальное движение.
Изучая движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях, можно получить ценные сведения о природе этих частиц и о тех процессах, в результате которых они возникают. В частности в этой работе определяется удельный заряд электрона
/
e m
Соотношение (13.11) используется в работе для определения удельного заряда электрона:
2 v
e
m
Bh


(13.12)
Для осуществления эксперимента электроны разгоняются в электрическом поле с разностью потенциалов
U
и приобретают кинетическую энергию
2
v
2
m
eU

(13.13)
Из соотношений (13.12) и (13.13) получаем
2 2 2 8
e
U
m
B h


(13.14)
13.3. Описание лабораторной установки
Для получения электронов, сообщения им скорости и фокусировки используется электронно-лучевая трубка с малым диаметром экрана. Схема установки представлена на рис. 13.3.

Рис.13.3. Электрическая схема лабораторной установки
Установка собрана на базе осциллографической схемы, при этом электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) расположена внутри соленоида L1, который создает магнитное поле. Концы соленоида L1выведены на переднюю панель блока ЭЛТ к клеммам с обозначением «

». Питание соленоида L1 осуществляется от стабилизированного выпрямителя (СВ) с регулировкой выходного напряжения от 0 до 20 В.
Питание (ЭЛТ) осуществляется от блока питания (БП). Регулировка яркости и фокусировка осуществляется посредством потенциометров, ручки, управления которых выведены на переднюю панель блока питания.
Дополнительно на панели (БП) расположены клеммы (А и К), для подключения конденсаторного вольтметра V1, измеряющего ускоряющее напряжение, тумблер S1, для включения переменного напряжения на вертикально отклоняющих пластинах ЭЛТ и потенциометр "

", для регулировки этого напряжения. Горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ заземлены.
Внутри соленоида L1 находится катушка L2, которая имеет небольшое и заранее известное число витков N
2
и называется измерительной катушкой.
К клеммам измерительной катушки, находящимся на передней панели блока
ЭЛТ и обозначенных значком *, подключается баллистический гальванометр
G.
Блок коммутации (БК) имеет три тумблера S2, S3, S4 и конденсатор С.
Блок коммутации позволяет использовать СВ как источник тока для соленоида и как источник напряжения для зарядки конденсатора С при

определении баллистической постоянной гальванометра. Вольтметр V2 позволяет определить величину напряжения на обкладках конденсатора.
13.4. Методика проведения эксперимента
Для определения удельного заряда электрона необходимо знать величину индукции магнитного поля соленоида. В работе используется методика, основанная на явлении электромагнитной индукции.
При пропускании тока I, через катушку L1 внутри нее образуется магнитное поле с индукцией В. Магнитный поток, пронизывающий площадь поперечного сечения S катушки L2, равен
Ф
BS

(13.15)
При включении или выключении тумблера S2 происходит нарастание или уменьшение тока I , магнитный поток Ф также изменяется. В катушке L2 возникает ЭДС индукции, величина которой может быть определена по основному закону электромагнитной индукции
1 2
dФ
N
dt
E

(13.16)
В цепи катушки L2, замкнутой на гальванометр, потечет ток
1 2
E
I
R

,
(13.17) где R – сопротивление цепи гальванометра.
С учетом закона (13.16) формула (13.17) запишется в виде
2 2
N dФ
I
R dt

(13.18)
Учитывая что,
2
I dt
dq

есть заряд, который проходит через гальванометр за время dt, получим
2
N
dq
dФ
R

. (13.19)
Интегрируя это уравнение (левую часть от 0 до
q
, а правую от 0 до
Ф
), получим
2
N
q
Ф
R

(13.20)
Подставляя в формулу (13.20) значение
Ф
из (13.15), получаем следующее выражение
2
N
q
BS
R

,
(13.21) из которого следует, что
2
qR
B
N S

(13.22)
Величину
q
можно определить, зная баллистическую постоянную
б
C
гальванометра и число делений
n
максимального отклонения светового

зайчика на шкале гальванометра G, при включении или выключении тока в цепи соленоида
б
q
C n

(13.23)
Подставив значение
q
из формулы (13.23) в (13.22), можно определить величину магнитной индукции магнитного поля внутри соленоида
2
б
C nR
B
N S

,
(13.24) с учетом которой из (13.14) получаем расчетную формулу для определения удельного заряда электрона
2 2 2 2
2 2
2 8
б
e
UN S
m
h C n R


(13.25)
Баллистическая постоянная гальванометра определяется по следующей методике. Конденсатор известной емкости С заряжается до разности потенциалов U'. Заряд конденсатора в этом случае равен '
'
q
CU

(13.26)
Разряжая его затем на гальванометр, замечают число делений
n'
шкалы гальванометра, на которое отклоняется световой "зайчик". Баллистическая постоянная С
б
численно равна заряду, вызывающему отклонение светового
«зайчика» на одно деление, то есть:
'
'
'
'
б
q
CU
C
n
n


(13.27)
Шаг винтовой траектории h, определяемый по формуле (13.11), есть постоянная прибора, равная расстоянию от центра отклоняющих пластин до экрана ЭЛТ.
13.5. Порядок выполнения работы
13.5.1. Включите установку.
13.5.2. Включите тумблер "Сеть" блоков БП и СВ. Внимание!!! На
клеммах АК блока БП напряжение порядка 1000 В.
13.5.3. На блоке БП поставьте тумблер S2 в правое, а S3 и S4 – в левое положение.
13.5.4. Ручкой "Регулировка напряжения" блока СВ установите по вольтметру V2 напряжение U' на обкладках конденсатора С равным 10 В.
Значение U' запишите в табл. 13.1.
13.5.5. Тумблер S3переключите в правое положение. Запишите в табл.
13.1 величину максимального отклонения светового "зайчика" гальванометра
n'
13.5.6. Повторите измерения по пунктам 4 и 5 при напряжении U' равном 15 В.
13.5.7. Поверните ручку "Регулировка напряжения" блока СВ против часовой стрелки до упора, тумблер S2 переключите в левое, а S4 – в правое положение.

13.5.8. Ручками "Ярк" и "Фок" блока БП произведите фокусировку луча ЭЛТ. Запишите показания вольтметра V1 (ускоряющее напряжение между катодом и анодом ЭЛТ) в табл. 13.2.
13.5.9. Подайте переменное напряжение на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, включив тумблер S1 на БП, и ручкой "

"установите длину светящейся линии на экране равную 4 – 5 см.
13.5.10. Вращением ручки "Регулировка напряжения" блока СВ по часовой стрелке восстановите фокусировку луча, то есть сведите светящуюся линию в точку.
13.5.11. Разомкните цепь питания соленоида. Переключив тумблер S2 блока БК вправо, и сделайте отсчет максимального отклонения "зайчика" n
р
по шкале гальванометра.
13.5.12. Переключите тумблер
S2 влево и сделайте отсчет максимального отклонения "зайчика" n
з
. Полученные результаты n
р
и n
з
запишите в таблицу 13.2.
13.5.13. Значения параметров установки, приведенные в таблице на лабораторном столе, занесите в табл. 13.3.