Практикум. Г. А. Зверев Л. К. Митрюхин
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
Контрольные вопросы и задания Что называется электроемкостью уединенного проводника, взаимной электроемкостью двух проводников и от чего они зависят? Каков физический смысл баллистической постоянной? Что является характерным для параллельного и последовательного соединений конденсаторов? Объясните, почему при наличии диэлектрика, заполняющего полностью объем между обкладками конденсатора, емкость увеличивается? Почему на конденсаторах помимо номинального значения емкости указывается рабочее напряжение конденсатора? Объясните методику расчета емкости конденсатора заданной конфигурации (плоской, цилиндрической, сферической). Плоский воздушный конденсатор присоединен к клеммам батареи. Не отключая источника, между обкладками конденсатора вставляют пластинку из диэлектрика. Как при этом изменяется емкость конденсатора (С), напряженность поля (Е), разность потенциалов (U) и заряд (q) на обкладках конденсатора? Плоский воздушный конденсатор заряжается от источников постоянного тока и затем отключается. Между обкладками конденсатора вставляется пластина из диэлектрика. Как при этом меняется С, Е, U и q? Плоский воздушный конденсатор подключен к источнику постоянного тока. При подключенном источнике расстояние между пластинами конденсатора увеличили в два раза. Как при этом меняется С, Е, U и q, W, ? Плоский воздушный конденсатор заряжается от источника постоянного тока, а затем отключается. После чего пластины конденсатора раздвигаются до расстояния, превышающего первоначальное в два раза. Как при этом меняется С, Е, U и q, W, ? В п. 9 и 10 W – энергия заряженного конденсатора, – объемная плотность энергии электрического поля. Литература 1. Гл.11. §94. С.170-173. 2. Гл.16. §16.1-16.3. С.219-228. 7. Гл.5. §5.1-5.5. С.109-114. 11. Ч. III. §84. С.105. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ОСЦИЛЛОГРАФА Приборы и принадлежности: электронный осциллограф С1–73, низкочастотный генератор Г3–109, источник питания В–24м. Цель работы: изучение устройства и принципа действия электронного осциллографа; измерение параметров электрических сигналов и приобретение навыков работы с осциллографом. Устройство и работа электронного осциллографа Отклонение пучка электронов электрическим или магнитным полем используется в электронно-лучевых трубках, которые применяются в осциллографах – приборах, позволяющих наблюдать и фотографировать быстропротекающие процессы длительностью 10-6 - 10-7 с. Электронно-лучевой осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки, генератора развертки, двух усилителей и блока питания. Для ознакомления с работой осциллографа разберем назначение каждой его части. 1. Электронно-лучевая трубка. Важнейшим элементом катодного осциллографа является электронно-лучевая трубка, которая внешне представляет собой стеклянную колбу специальной формы с высоким вакуумом. Электронно-лучевые трубки могут быть двух типов: электростатические и магнитные. В трубках первого типа фокусировка и отклонение луча осуществляются электрическим полем, в трубках второго типа – магнитным. В данной работе применяется осциллограф с электростатической электронно-лучевой трубкой. Электронно-лучевая трубка (рис. 3.1) состоит из электронной пушки – электронного прожектора (на рисунке выделена пунктиром), дающего пучок электронов; двух пар отклоняющихся пластин Пх и Пу, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях; флуоресцирующего экрана ФЭ.  Электронная пушка позволяет получить узкий сфокусированный поток электронов. Она состоит из накаливаемого катода К, управляющего электрода УЭ и двух анодов А1 и А2 (А1 – фокусирующий анод, А2 – ускоряющий анод).В электронно-лучевых трубках применяется накаливаемый катод с оксидным покрытием для увеличения термоэлектронной эмиссии. Для испускания электронов только в одном направлении катод делается в виде маленького металлического цилиндра. Металлический цилиндр надет на тонкую фарфоровую трубочку, внутри которой помещается нить подогрева, свернутая в двойную спираль. Благодаря этому магнитное поле, создаваемое одной половиной нити, компенсируется полем второй половины и не влияет на электронный поток. Катод электронно-лучевой трубки окружен металлическим цилиндром (сеткой) с отверстием (диафрагмой) в торце, через которое могут проходить электроны. Этот цилиндр называется управляющим электродом. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода. Действие управляющего электрода на электроны состоит в следующем. Электрон, вылетая из катода в направлении к точке А или В (рис. 3.2), попадает в электростатическое поле. На рис. 3.2 показано направление сил F, действующих на электрон со стороны электрического поля управляющего электрода. Вследствие отрицательного заряда электрона эти силы направлены противоположно вектору напряженности электрического поля управляющего электрода, т.е. от минуса к плюсу.  Под действием сил электростатического поля электрон отклонится от первоначального направления своего движения к центру торца управляющего электрода (точка Б).Аналогичное явление произойдет с электроном, вылетающим в направлении к точке В. В точке Б пути всех электронов пересекутся и, следовательно, все электроны будут собраны в узкий пучок. Если увеличить отрицательный потенциал управляющего электрода, то электростатическое поле будет сильнее отклонять электроны, и часть их уже не сможет пройти через отверстие О управляющего электрода. При удалении от точки Б электронный луч снова расходится, так как напряженность поля внутри первого анода близка к нулю. По выходе из второго анода сфокусированный электронный луч проходит две пары отклоняющихся пластин (конденсаторов) Пу и Пх, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Горизонтально расположенные пластины Пу служат для отклонения луча в вертикальном направлении и называются вертикально отклоняющими пластинами. Вторая пара пластин Пх служит для отклонения луча в горизонтальном направлении и называется горизонтально отклоняющими пластинами. При подведении к двум параллельным пластинам (конденсаторам) постоянного напряжения между пластинами возникает однородное электростатическое поле. Электронный луч, проходя через электростатическое поле между двумя конденсаторами, меняет направление своего первоначального движения. Он как бы «притягивается» к пластине с большим потенциалом. Это свойство электростатического поля позволяет перемещать электронный луч по экрану под действием напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки. Величина отклонения электронного луча зависит от скорости движения электронов и от величины напряжения, приложенного к пластинам. В каждой данной трубке скорость потока электронов и расстояние между пластинами и экраном постоянны, поэтому величина отклонения пятна на экране будет зависеть только от напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам. Если одновременно подводятся постоянные напряжения к соответствующим отклоняющим пластинам, то пятно окажется в вершине прямоугольника, построенного на перемещениях пятна в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Если же одновременно к обоим конденсаторам Пу и Пх подвести переменные синусоидальные напряжения разных частот, то на экране будут получаться так называемые фигуры Лиссажу. Таким образом, одновременное действие обеих пар отклоняющих пластин на электронный луч позволяет наблюдать на экране изменение исследуемого напряжения во времени. Пройдя отклоняющие пластины, электронный луч попадает на экран. Экран электронно-лучевой трубки представляет собой слой флуоресцирующего вещества, нанесенного на внутреннюю сторону трубки. При ударе об экран энергия электрона частично расходуется на выбивание электронов с поверхности, на которую он падает, частично на разогрев этой поверхности, и частично превращается в световую энергию. Электрон, попадая на поверхность, покрытую флуоресцирующим слоем, приводит в возбужденное состояние атомы и молекулы этого слоя. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы и молекулы испускают свет. Это явление носит название люминесценции. Яркость свечения пятна на экране электронно-лучевой трубки зависит от скорости и числа электронов, падающих на элемент площади экрана за некоторый промежуток времени. Регулировать яркость пятна на экране можно либо изменяя количество электронов в электронном пучке, либо меняя скорость электронов. 2. Генератор развертки. Вторым важным элементом электронно-лучевого осциллографа является генератор развертки. Генератор развертки представляет собой радиотехническое устройство, позволяющее получить напряжение развертки. Генератор развертки позволяет перемещать электронный луч вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью. 3. Блок синхронизации. Перемещение изображения по экрану нежелательно, так как при этом затрудняется наблюдение за изображением. Для устранения этого недостатка применяется синхронизация частоты генератора с частотой какого-либо постороннего стабильного источника напряжения. Благодаря синхронизации генератор развертки вынужден будет работать точно с такой же частотой, как и исследуемый сигнал, что вызовет устойчивость изображения на экране. Синхронизировать генератор развертки можно либо частотой исследуемого напряжения, либо частотой переменного напряжения, взятого от сети, либо частотой какого-нибудь внешнего напряжения. Для этой цели осциллограф снабжен переключателем рода синхронизации (переключатель «Синхронизация») и зажимами для подключения внешнего источника напряжения синхронизирующей частоты («Внешн. синхр.»). 4. Блок питания. Блок питания включает ряд устройств, которые обеспечивают питание энергией электронно-лучевой трубки, генератора развертки, вертикального и горизонтального усилителей и других частей прибора. Панель управления электронного осциллографа. Электронный осциллограф С1-73 смонтирован в отдельном металлическом футляре, в котором размещены все части прибора.  1. Яркость свечения пятна на экране определяется количеством электронов, ударяющихся об экран в единицу времени. Меняя отрицательный потенциал управляющего электрода, можно регулировать яркость пятна на экране. Это достигается вращением ручки «Яркость» на передней панели осциллографа (рис. 3.3).2. Фокусировка электронов в одну точку на экране осуществляется изменением разности потенциалов между первым и вторым анодами. Фокусировка луча производится при помощи ручки «Фокус» на передней панели осциллографа. 3. Смещение изображения в вертикальном направлении производится при помощи ручки В (↨). 4. Смещение изображения по горизонтали производится при помощи ручки Г (↔). Ручки В и Г позволяют установить изображение в нужном месте на экране трубки. 5. Переключатель V/дел дает возможность ослабить или усилить входное напряжение на ось ОY. 6. Переключатель Д служит для изменения частоты генератора развертки. 7. Ручка  Y позволяет выбрать род тока.8. При помощи ручки «Синхр» изменяется полярность синхронизирующего сигнала. На правой боковой панели осциллографа имеется кнопка включения и выключения генератора развертки, а также клеммы входа сигнала на ось ОX. Там же имеется вход внешнего синхронизирующего напряжения. На левой панели осциллографа находится ввод сигнала на ось ОY. Остальные вводы на боковых панелях осциллографа в данной работе не используются. Измерения и обработка результатов измерений Перед включением осциллографа в сеть переменного тока необходимо: Проверить соответствие переключателя напряжения осциллографа с имеющимся напряжением в сети. Поставить выключатель сети в положение «Выкл», ручки с указателями «Фокус» и «Яркость» поставить в крайнее левое положение. Подготовка осциллографа к работе Выполнив указанные операции, осциллограф можно включить в сеть, для чего переключатель сети следует перевести в положение «Вкл», при этом загорается сигнальная лампочка. Через 1-2 мин, когда прогреются лампы прибора, на экране появится зеленая точка. Вращая ручки В и Г, установить святящуюся точку в центре экрана. Поворачивая регулятор «Яркость», установить необходимую яркость светящейся точки. Поворачивая регулятор «Фокус», добиться четкого изображения светящейся точки. Примечание. Яркую неподвижную точку не рекомендуется держать на экране долго, так как попадание электронов в одно и то же место экрана вызывает его выгорание. I. Наблюдение на экране осциллографа синусоидально меняющегося напряжения Ручку ввода (V/дел) поставить в положение (1:1). На вертикально отклоняющие пластины через клеммы вертикального усилителя подать переменное синусоидальное напряжение с выхода низкочастотного генератора Г3–109 не более 1 В. Включить генератор развертки. Ручкой «Плавно» добиться стабильности изображения сигнала на экране, а ручкой «Синхр» проскальзывания изображения, т.е. полностью сделать его неподвижным. Меняя напряжение и частоту, подаваемых на вертикально отклоняющие пластины, проследить за изменением кривых на экране. II. Определение максимальной чувствительности осциллографа Отклонение луча в миллиметрах от оси трубки, получающееся при изменении напряжения на отклоняющие пластины на 1 В, называется чувствительностью трубки. Это величина является одним из параметров трубки. Для определения чувствительности осциллографа необходимо выключить генератор развертки. Подать переменное напряжение на ось ОY как и в п.1. Подаваемое напряжение контролируется вольтметром переменного тока, который находится на передней панели низкочастотного генератора Г3-109. При этом на экране появится вертикальная линия. По шкале укрепленной на экране осциллографа измеряют длину светящейся линии. Так как обычно вольтметры переменного тока измеряют эффективные значения напряжения, а осциллограф измеряет амплитудные значения тех же величин, причем длина линии пропорциональна удвоенному значению амплитуды, то чувствительность осциллографа  (мм/В), (1)где l – длина линии на экране (в мм), Uэфф – напряжение на вольтметре. Измерения повторить 5-7 раз. При различных напряжениях на пластинах Y по формуле (1) рассчитать чувствительность электронно-лучевой трубки. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 3.1). Таблица 3.1
По данным измерениям построить градуировочную таблицу или график. На графике по горизонтали откладывается 0,5 длины линии на экране осциллографа в миллиметрах, по вертикали – амплитудные значения напряжений, приложенных к отклоняющим пластинам Y. Если на вертикально отклоняющие пластины подать неизвестное переменное напряжение, то по длине вертикальной линии на экране согласно графику можно определить величину этого напряжения. Таким образом, осциллограф можно использовать как вольтметр, измеряющий амплитудные (максимальные) значения напряжений. III. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Наблюдение фигур Лиссажу. Определение частоты исследуемого сигнала Выключить генератор развертки осциллографа. Подать на «Вход Х» осциллографа переменное напряжение с источника питания В-24м. Вращая ручку «Ось Х», добиться горизонтальной полоски на экране. Подать на «Вход Y» исследуемое напряжение с низкочастотного генератора Г3-109. Вращая регулятор частоты генератора, добиться появления на экране устойчивой фигуры Лиссажу. Изменяя частоту подаваемого напряжения с низкочастотного генератора Г3-109, добиться новой устойчивой фигуры Лиссажу. Зарисовать устойчивые фигуры Лиссажу для соотношения частот 1:1, 1:2, 1:3, 1:4. Определить частоту исследуемого сигнала. Частота определяется следующим образом. За каждый период колебаний, поданного на y, луч дважды пересекает ось Х (для х ось У), следовательно, отношение числа пересечений фигуры Лиссажу с осью Х (nx) и осью У (ny) равно отношению частот, поданных на X и Y, т.е.  и  .Оси Х и У мысленно выбирают так, чтобы они не проходили через точки пересечения самих фигур. |