11296

Изучение автоколебаний (на примере лампового генератора)

Лабораторная работа

Физика

Изучение автоколебаний на примере лампового генератора Указания содержат краткое описание метода и экспериментальной установки для изучения автоколебаний в простейшем ламповом генераторе с индуктивной обратной связью определение частоты электромагнитны...

Русский

2013-04-05

471 KB

30 чел.

Изучение автоколебаний

(на примере лампового генератора)

Указания содержат краткое описание метода и экспериментальной  установки для изучения автоколебаний в простейшем ламповом генераторе с индуктивной обратной связью, определение частоты электромагнитных колебаний в генераторе  и  индуктивности колебательного контура.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения при выполнении лабораторного практикума по физике (раздел «Электричество»).

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор доцент, к.ф.-м.н. Н.В. Пруцакова

© Издательский центр ДГТУ, 2010

Цель работы:  Изучение автоколебаний в простейшем ламповом генераторе с индуктивной обратной связью, определение частоты электромагнитных колебаний в генераторе  и  индуктивности колебательного контура.

Оборудование: Генератор электромагнитных колебаний, мультиметр, источник питания,  RC - цепочки.

1.Теоретическая часть.

Автоколебания - это незатухающие колебания, возникающие в колебательной системе вследствие наличия положительной обратной связи.

При этом потери энергии восполняются за счет постоянного источника энергии, а этот источник включается самой системой в фазе с основным колебанием (положительная обратная связь), обычно в начале каждого периода колебаний.

 Прежде чем рассмотреть работу генератора незатухающих электрических колебаний, познакомимся с устройством и принципом действия его основных узлов.

Электронная лампа триод состоит из вакуумированного баллона, внутри которого соосно укреплены три металлических электрода (рис.1): катод К (нить накала), анод А (тонкостенный цилиндр) и расположенная между ними управляющая сетка С в виде спирали. Принятое изображение триода на схемах показано на рис.3. При нагревании катода, вследствие прохождения электрического тока, из его поверхности выходят электроны, образуя вокруг катода электронное облако.1 

В пространстве между катодом и анодом создается ускоряющее электрическое поле (анод подключается к положительной клемме анодной батареи, а катод – к отрицательной), под действием которого электроны

1Явление выхода электронов из поверхности нагретых металлов называется термоэлектронной эмиссией.

упорядоченно движутся к аноду.

Положительное сеточное напряжение (потенциал сетки больше потенциала катода) увеличивает силу анодного тока, так как помогает «отсасывать» электронное облако. Отрицательное сеточное напряжение задерживает электроны, сила анодного тока уменьшается и при определенном напряжении равна нулю. Таким образом, триод можно использовать в качестве электронного ключа: «+» на сетке - лампа открыта; «-» - лампа закрыта.

Колебательный контур состоит из параллельно соединенных катушки индуктивности L и конденсатора C0 (рис.2). Если сообщить  конденсатору заряд, то он начнет разряжаться через катушку индуктивности возбуждая в ней ЭДС самоиндукции (εs=-LdI/dt), препятствующую возрастанию тока (dI/dt>0). После разряда конденсатора ток начинает убывать  (dI/dt<0), ЭДС самоиндукции меняет знак (εs >0) и  поддерживает ток в прежнем направлении, что приводит к перезарядке конденсатора. В следующие полпериода процесс повторится в обратном направлении. Из-за потерь энергии (нагревание проводников, переполяризация диэлектрика, излучение электромагнитных волн) в реальном контуре колебания затухающие.

Генератор незатухающих электрических колебаний состоит из колебательного контура, лампового триода, источников питания катода 1 и анода 2. Колебательный контур индуктивно связан с триодом при помощи катушки связи Lсв, что обеспечивает при определенном ее подключении положительную  обратную связь (рис.3).   

При подключении источника питания анода 2 конденсатор контура С0 практически мгновенно заряжается, так как сопротивление соединительных проводов ничтожно мало (время заряда зависит от постоянной =RC). Разряд конденсатора, как было отмечено выше, осуществляется через катушку индуктивности L. Переменный ток разряда создает вокруг катушки индуктивности переменное магнитное поле, которое наводит в катушке связи Lсв ЭДС индукции. В первый полупериод ток разряда в контуре направлен по часовой стрелке, а к управляющей сетке приложен «+» потенциал и лампа открыта. Через контур протекает, дополнительно к току разряда, ток по следующей цепи: «+» источника 2 , катушка индуктивности, анод, катод, «-» источника. Во второй полупериод ток разряда меняет направление на противоположное и на управляющую сетку поступает «-» потенциал. Лампа заперта до тех пор пока не перезарядится конденсатор С0.   

В последующие периоды процессы повторяются. Таким образом, в каждый период колебательный контур получает от источника анодного питания порцию энергии, равную потерянной энергии, и в контуре возникают незатухающие электромагнитные колебания (автоколебания).

Метод  определения частоты электромагнитных колебаний в  генераторе. Для оценки параметров колебательного контура используют RC-цепочку, которую подсоединяют параллельно к конденсатору контура С0 (см. рис.3). С целью минимизации влияния RC-цепочки на частоту электромагнитных колебаний в контуре, ее сопротивление по переменному току должно во много раз превышать сопротивление контура.  

Известно (см. например [1] стр. 369 либо  [5] стр.42), что конденсатор оказывает сопротивление переменному току , зависящее от электроемкости конденсатора С и частоты тока ,  которое определяется по формуле:

                                                             (1)

из формулы (1) частота колебаний в контуре

                                                           (2)

Для определения сопротивления экспериментально определяют напряжение на конденсаторе C  и резисторе R. Так как они включены между собой последовательно, то ток в них одинаков, следовательно

,                             (3)

где Uc – напряжение на конденсаторе;

 UR-   – напряжение на  резисторе.

Из формулы (3)

  .                              (4)

после подстановки из формулы (4) значение сопротивления в формулу (2) получим значение частоты колебаний в генераторе

.                                 (5)

где  R - сопротивление  резистора, C- электроемкость конденсатора измерительной  RC -цепочки.

Для определения индуктивности  катушки колебательного контура используют формулу Томсона

.

Отсюда                                                           (6)

где      - частота колебаний генератора;   C0 – электроемкость конденсатора включенного в колебательный контур.

  1.  Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рис. 4) состоит из панели, на которой собран генератор незатухающих электромагнитных колебаний. На панели расположены:

триод 6Н8С;

колебательный контур, состоящий из катушки   индуктивности  L  и   конденсаторов С 01   и  С 02;

катушка обратной связи  Lсв .

цепочки из конденсаторов С3 и С4 и резисторов R1 и R2 (с известными номиналами);

тумблеры для переключения емкостей и резисторов;

мультиметр для измерения напряжения;

источник питания (~ 6,3 В; = 250 В).

  1.  Порядок выполнения лабораторной работы:

    1.   Собрать цепь по схеме (см.рис.4).

2.     Записать в таблицу 1  значение емкостей: С01 , С02 , С3  и С4  

и сопротивлений: R1 и R2 .

3. После проверки собранной схемы преподавателем или лаборантом подключить её к источникам  и .

4. Переключателем П1 подключить к контуру электроемкость С01.

5. Произвести измерения напряжений на резисторе UR и емкости  UС   RC-цепи для следующих комбинаций: R1C3; R1C4; R2C3; R2C4.

Выбор RC-цепочки осуществляется переключатели П2 и П3, а мультиметр подключают при измерении напряжения на резисторе  к клеммам ао, а на конденсаторе – к клеммам во (см. рис.4).

Показания мультиметра занести в таблицу 2.

6. Для каждой комбинации RC-цепочки вычислите частоту колебаний генератора по формуле 5 и её среднее значение. Вычислите среднее значения абсолютной и относительной погрешности.

7. По среднему значениюопределите индуктивность контура, используя формулу 6, и оцените погрешности по формуле:

.

8. Результаты измерений представить в виде:

 

.

9. Переключателем П1 подключить к контуру электроемкость С02 и повторить пункты .

Таблица 1

С01

С02

С3

С4

R1

R2

Ф

Ф

Ф

Ф

Ом

Ом

Таблица 2

С

R C

Ф

-

В

В

Гц

Гц

%

Гн

Гн

%

С01

R1C3

R1C4

R2C3

R2C4

сред

С02

R1C3

R1C4

R2C3

R2C4

сред

Контрольные вопросы

1. Из чего состоит колебательный контур?

2. Как возникают электромагнитные колебания в колебательном контуре?

3. Объяснить принцип работы триода.

4. Что такое автоколебания?

5. Объяснить принцип работы лампового генератора.

6.  Чему равна частота и период автоколебаний?

7.  Вывести расчетные формулы для определения частоты электромагнитных колебаний в  генераторе.

8. Как определяется индуктивность L катушки колебательного контура?

9. При каких условиях измерительная цепочка (RC) не будет оказывать заметное влияние на значение частоты (периода) колебаний в генераторе?

Рекомендуемая литература

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики (т.1). М.: Наука, СПб.: Лань, 2006. стр.369-371.
  2.  Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Шк., 2004. стр 231-232.
  3.  Федосеев В.Б. Физика. Ростов н/Д: Феникс, 2009.
  4.  Справочное руководство по физике. Ч.1. Механика, молекулярная физика, электричество, магнетизм: Учеб.-метод. пособие. -Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008.
  5.  Колебания и волны: Учебное пособие. -Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2009.

Составители: Т.П. Жданова, В.В. Илясов, А.П. Кудря,  В.С. Кунаков

ИЗУЧЕНИЕ  АВТОКОЛЕБАНИЙ

(НА ПРИМЕРЕ ЛАМПОВОГО  ГЕНЕРАТОРА)

Методические указания к лабораторной работе №27 по физике

(Раздел «Электричество»)

Редактор А.А.Литвинова

В печать

Объём 0,7 усл.п.л. Офсет. Формат 60х84/16.

Бумага тип №3. Заказ №       . Тираж          . Цена           

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,1.


EMBED PBrush  

εs

εs

εs

EMBED PBrush  

К

А

C

Рис.3

+

EMBED PBrush  

-

С0

L

Lсв

e

e22

R

С

1

2

в

а

о

К

6

.

3

 

В

~

А

С

Lсв

-250B

 

L

П

1

С01

С02

+250B

П

2

R

1

R2

C

3

C4

П

3

 

U

R

U

C

Рис.4

 

Генератор

RC-цепочки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53690. Рисование с натуры натюрморта «Дары осени» 69 KB
  Ознакомить с натюрмортом как жанром изобразительного искусства; научить выполнять изображение с натуры, различать оттенки красок; развить умение анализировать форму и цветовую окраску овощей.
53691. Рисование с натуры яблока 68.5 KB
  Цели урока: Образовательная: научиться рисовать яблоко с натуры. Воспитательные: воспитать интерес к рисункам с натуры; способствовать формированию положительного отношения к изобразительному искусству пробудить желание творить. Задачи: научить построению рисунка с натуры с применением пропорции; способствовать развитию чувства цвета; стимулировать учащихся к самоконтролю и дисциплине.
53692. Объемные изображения в скульптуре. Тобольская резная кость 62.5 KB
  Словарь: скульптура лепка рельеф План урока Организационный момент. Слово скульптура нам известно уже давно но вот какими возможностями обладает объёмное изображение какие виды скульптурных изображений существуют мы познакомимся сегодня на уроке. Скульптура древнейший вид искусства возникший на заре существования человечества. Что же представляет собой скульптура и чем она отличается от других видов искусства В живописи изображение создаётся красками на плоскости холста.
53693. Декоративное рисование «Кокошник» 38.5 KB
  Давайте проверим все ли пришли сегодня на урок или кто то решил в такую замечательную погоду пойти вместо школы погулять в парке отмечаются присутствующие У: А какое у нас сейчас время года ребята А какой месяц А число Не забываем что отвечать нужно полным ответом. Ответ детей если затрудняются оказать помощь У: Молодцы ребята У: сегодня на уроке мы будем рисовать красивый головной убор русских девушек кокошник. Подготовительная беседа:...
53694. Идет дождь 32.5 KB
  А какое у нас сейчас время года ребята А какой месяц А число Не забываем что отвечать нужно полным ответом. Ответ детей если затрудняются оказать помощь У: Молодцы ребята У: так как сегодня утром шел дождь темой нашего сегодняшнего урока будет идет дождь мы будем рисовать различные виды капелек дождя. Подготовительная беседа: У: ребята посмотрите за окно.
53695. Родная природа в стихотворениях поэтов XX века. Анна Андреевна Ахматова 74 KB
  Учитель: Перед тем как продолжить тему Родная природа в стихотворениях поэтов ХХ века мы с вами вспомним стихотворения которые уже прошли. Не торопитесь; и выделяйте фразовым ударением учитель пишет фразовое ударение на доске ключевые слова слова которые передают настроение лирического героя. Вначале кто вызвался сам читают на выбор стихотворение целиком; затем учитель вызывает тех кто не был на прошлом уроке читают указанное учителем стих. Учитель:...
53696. Евангельская легенда 50 KB
  Происхождение мать Иешуа женщина сомнительного поведения отец сириец родителей не помнит то есть Иешуа нищий бродячий философ низкого происхождения. Отсутствие популярности в народе Иешуа когда он вошёл в Ершалаим никто в городе не знал.
53697. Образ весны в лирических произведениях 82 KB
  Цель: Познакомить с приёмом олицетворения на примере стихотворения Ф.И. Тютчева «Зима недаром злится...» Тип урока: комбинированный урок.