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

28800. Как происходило образование Древнерусского государства? Какие точки зрения по этому вопросу вам известны 21.64 KB
  Образование государства у восточных славян длительный процесс растянутый во времени благодаря чему сохранились пережитки племенной демократии. ОБРАЗОВАНИЕ ДРЕВНЕРУССКОГО ГОСУДАРСТВА 1. К политическим факторам образования государства у восточных славян следует отнести усложнение внутриплеменных отношений и межплеменные столкновения которые ускоряли становление княжеской власти повышали роль князей и дружины как обороняющих племя от внешних врагов так и выступающих в качестве арбитра при различного рода спорах.
28801. Государство Киевская Русь и его цивилизационные особенности (социально-политический строй, экономика, законодательство, культура) 16.04 KB
  на Руси распространялись славянские азбуки – кириллица и глаголица созданные Кириллом и Мефодием. На Руси широкое распространение получила грамотность также ставшая результатом принятия христианства и появления литературы на славянском языке. Было принято христианство означавшее включение Руси в христианский мир. Для Киевской Руси характерно было слабое юридическое развитие недостаточность развития государственных начал отсутствие единства приведшее к последующему распаду.
28802. Почему Русь приняла христианство? Какое значение имело принятие христианства для развития страны 13.83 KB
  Культурные связи с более развитыми странами и прежде всего с Византией содействовали принятию христианства. Принятие христианства имело колоссальное политическое и культурное значение в русской истории: 1. Влияние христианства на развитие культуры проявилось в распространении на Русь славянской письменности развитии иконописи.
28803. Каковы причины политической раздробленности на Руси? Дайте характеристику русских княжеств и земель в условиях децентрализации Киевской Руси 15.29 KB
  Причины: борьба за власть рост городов набеги кочевников Киев теряет свое значение 1ВладимироСуздальскаяЮрий Долгоруковвласть принадлежала князю 2Галецко Волынская князь Даниил Романович власть принадлежала боярем князю 3Новгород власть вече народное собрание Последствие раздробленности: новые торговли развитие новых город развитие культур ослабление междоусобных войск и дробление княжеств ослабление центральной власти.
28804. Русь и Золотая Орда. Какие оценки монгольского фактора в истории России существуют в исторической литературе 15.88 KB
  Карамзина состояли в следующем: согласие с татарами позволившее провести 40 мирных лет; большая заслуга перед своей малой Родиной Московским княжеством: обогатил усилил расширил; ЛН Гумилев считал что монголотатарского ига на Руси не было Нашествия Батыя были лишь военным рейдом и последующие события не имеют к нему непосредственного отношения Он утверждал что Великое княжество Владимирское в лице Александра Невского добилось выгодного союза с Золотой Ордой В 1237 г. Батый вторгся в земли Руси. ×Ярлык на княжение зависимые...
28805. Каковы причины возвышения Москвы? Какие еще альтернативы объединения Руси вы могли бы назвать 14.07 KB
  – свержение монголотатарского ига Иван III происшедшее мирным путем после отказа платить дань Орде и последующего стояния на Угре русского и татарского войск друг против друга когда хан так и не решился вступить в битву. первый свод законов нового объединенного Русского государства – Судебник Ивана III. – завершение процесса объединения при сыне Ивана III Василии III.
28806. Образование централизованного Московского государства в 15-16вв. Чем данный процесс в России отличается от западноевропейского 13.91 KB
  Особенностями политической системы Московского царства были: а внутренней: 1 авторитарный характер государственной власти 2 превращения Руси с XV в и единственное в мире независимое православное государство; 3 закрепление политической и культурной изоляции и отставания от Европы; б внешней: 1 огромная территория государства 2 превращение Руси в многонациональное государство Завершающий этап централизации Русского государства связан с именем и царствованием внука Ивана III Ивана Грозного впервые принявшего в 1547 г. Тем самым...
28807. Внешняя политика Советского государства в 20-30-х гг. Почему в данный период не удалось создать систему международной безопасности 15.85 KB
  Почему в данный период не удалось создать систему международной безопасности Внешняя политика СССР в 2030 гг. СССР добился снятия экономической блокады. 1924-1933 годы постепенного признания СССР.В конце 20х годов произошло резкое ухудшение международного положения СССР.
28808. Истоки и причины Второй Мировой войны. Причины поражения СССР на первом этапе ВОВ. Формирование антигитлеровской коалиции 15.85 KB
  Причины поражения СССР на первом этапе ВОВ. Ослабление СССР репрессиями Сталина только в армии было арестовано и убито около 4 млн человек. Пассивность Франции и Великобритании с целью натравить Гитлера на СССР. Стремление каждой страны Европы достичь своих целей участвуя в войне например Польша мечтала напасть на СССР Италия мечтала захватить соседние земли.