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

29 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

60175. Внеклассное мероприятие для начальной школы. Хлеб - всему голова 536.84 KB
  Цель: показать значимость и ценность хлеба в жизни человека; познакомить детей с тем, как выращивают хлеб; воспитывать у детей уважение к хлеборобам, бережное отношение к хлебу.
60176. ПОДОРОЖ У ЧАРІВНИЙ СВІТ ХІМІЇ 691.54 KB
  Мета: закріпити й узагальнити знання з хімії та біології за курс основної школи; розвивати уміння і навики проведення хімічного досліду з дотриманням правил техніки безпеки; стимулювати пізнавальну діяльність, активізувати творчі можливості студентів; розвивати логічне мислення
60177. Вверх по лестнице-чудеснице 165 KB
  Оборудование: карточки с заданиями для работы в парах таблицы с ребусами геометрические фигуры для работы в парах картинка Буратино таблички с названиями ступенек ступеньками расположены на доске.
60178. Школа виживання. Спортивно-інтелектуальна розвага 315.5 KB
  Форма проведення: змагання Хід змагання І Етап орієнтації Добрий день дорогі друзі Сьогодні ми запросили вас взяти участь у грі назва якої Школа виживання ІІ. Етап проектування А зараз послухайте про етапи змагань.
60179. Відкриймо серце для любові. Виховний захід 71 KB
  Мета: формувати у школярів найвищі людські цінності: любов доброту милосердя; показати красу взаємної любові й пошани до рідних та близьких; плекати духовність засобами християнської педагогіки привернути їх до першооснов Добра і Любові...
60180. Сценарий праздника «Посвящение в первоклассники» 100 KB
  Вас можно назвать настоящими учениками. 1ый ученик: Поступил я осенью в школу в 1ый класс Я считаюсь школьником с первого числа 2ой ученик: Пришли мы в нашу школу в просторный светлый дом Где много дней веселых вместе проведем.
60181. Традиції святкування Масляної в Україні 497 KB
  Зима’’ Чайковського Ведуча: Масляна - час ігор і розваг. З’являється Цариця Зима з наказом ЦЗ: Я - цариця Зима. Цариця Зима. Ведуча: Так ось воно що отже зима не хоче поступатися своїм місцем Весні.
60182. Японія – далека і близька. Інтегрований позакласний захід 98.5 KB
  Давня назва Японії Ніппон що означає джерело Сонця. Звязок Японії з іншими країнами світу здійснюється морським шляхом. Державний герб Японії і особиста емблема імператора жовта хризантема...