11917

Изучение свободных электромагнитных колебаний в LCR контуре

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа № 14 Изучение свободных электромагнитных колебаний в LCR контуре. Цель работы: Цель работы: Изучение характеристик свободного колебательного процесса возбуждаемого импульсным воздействием в простом LCR контуре. Приборы и оборудование: ...

Русский

2013-04-14

278 KB

98 чел.

Лабораторная работа № 14

Изучение свободных электромагнитных колебаний в LCR – контуре.

Цель работы:

  Цель работы: Изучение характеристик свободного колебательного процесса, возбуждаемого импульсным воздействием в простом LCR контуре.

Приборы и оборудование:

1. Модули «ФПЭ-10/11», «ПИ» и два магазина сопротивления «МС».

2. Постоянное оборудование: источник питания «ИП», генератор ГЗ-112, осциллограф

   С1-93 (С1-83), два цифровых вольтметра, комплект соединительных кабелей.

Теоретическая часть

Описание свободного колебательного процесса

Уравнение процесса. Характеристики затухания.

  Простой колебательный контур состоит из последовательно соединенных индуктивности L, емкости С, и активного сопротивления R. Если предварительно

запасти энергию, например, зарядив конденсатор от внешнего источника

тока (рис.14.1), а затем подключить конденсатор к катушке индуктивности, то в образовавшемся изолированном контуре возникнут свободные электромагнитные колебания.

Действительно, при разряде конденсатора появляются изменяющиеся во времени ток и пропорциональное ему магнитное поле. Меняющееся магнитное поле порождает в контуре ЭДС самоиндукции E, которая по закону Ленца сначала замедляет скорость разряда конденсатора, а после того, как конденсатор полностью разрядится, продолжает поддерживать ток в прежнем направлении. В результате происходит перезарядка конденсатора.

Затем процесс разряда конденсатора продолжается, но в обратном направлении и т.д. Возникающие свободные колебания заряда q, тока и напряжений (7 на элементах контура совершаются с циклической частотой w, а колебания электрической и магнитной энергий с удвоенной частотой (максимумы энергий появляются дважды за период Т).

  Вследствие джоулевых потерь в активном сопротивлении контура R часть энергии колебаний превращается в теплоту, что приводит к затуханию колебаний. При больших величинах R колебания могут вообще не возникнуть - наблюдается апериодический разряд конденсатора.

  Найдем уравнение, описывающее свободные затухающие колебания в контуре.

  По закону Кирхгофа для полной цепи имеем

С учетом соотношений (14.1) уравнение (14.2) для переменной U приобретает вид

Легко показать, что точно такой же вид имеют уравнения для заряда конденсатора q и тока I.  

  Затухание нарушает периодичность колебаний и строгое применение понятия периода и частоты к ним не применимо. Однако при малом затухании условно пользуются понятием периода как промежутка времени между последующими максимумами (или минимумами) колеблющейся величины. С учетом этой оговорки период свободных затухающих колебаний в контуре равен

С увеличением затухания период колебаний растет, обращаясь в бесконечность т.е. движение перестает быть периодическим. В данном случае напряжение на конденсаторе асимптотически приближается к нулю при t-> 0 и уже будет описываться функцией, отличной от вида (14.4).  Такой процесс называется апериодическим. Переход к нему происходит при величине сопротивления контура


Фазовая плоскость

   В ряде случаев удобно изучать колебательные и нелинейные процессы в системе координат (1Д) - «ток-напряжение». В механике аналогичными координатами являются скорость и перемещение. Плоскость таких координат носит название плоскости состояний

или фазовой плоскости, а кривая, изображающая зависимость этих координат называется фазовой кривой.

   Рассмотрим фазовую кривую для процессов в LCR-контуре. Для нахождения силы тока продифференцируем функцию U(t) (14.4) по времени

   Фазовая кривая I(U) описывается в параметрической форме системой из двух уравнений

  При R = 0 (о = 0) опережение тока по фазе составляет П/2 и фазовая кривая будет представлять собой эллипс, как в случае сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний с постоянными амплитудами, сдвинутых по фазе на четверть периода.

В реальной ситуации при наличии затухания (R > 0) амплитуды напряжения и тока в контуре непрерывно убывают, не повторяясь через период Т, и фазовая кривая получается       незамкнутой (рис.14.4).                     


Методика измерений

Для наблюдения зависимости напряжения на конденсаторе контура от времени U(t) используется электрическая схема, изображенная на рис.14.5. Колебания в контуре возбуждаются короткими импульсами напряжения от преобразователя «ПИ»,

периодически повторяющимися с частотой V задающего генератора «PQ».

  Контур соединен с генератором импульсов через разделительный конденсатор С (емкостью значительно меньшей емкости контура С). Для уменьшения влияния генератора на параметры контура.

  Затухание контура определяется его полным эквивалентным сопротивлением R, которое включает в себя, в основном, сопротивление обмотки катушки, сопротивление потерь на

гистерезис в сердечнике катушки, внешнее сопротивление магазина Rm, а также сопротивление, вносимое в контур генератором импульсов. Сопротивление R заранее неизвестно и определяется из измерений характеристик затухания реального контура.

Порядок выполнения работы

Задание 1. 

Измерение периода колебаний, логарифмического декремента и параметров контура.

  1. Соберите электрическую схему согласно рис.14.5. Для получения возбуждающих импульсов на модуль «ПИ» подайте от генератора ГЗ-112 синусоидальное напряжение » 3,5 В. Установите частоту генератора V т 40... 70 Гц, задающую периодичность вырабатываемых импульсов. Длительность импульсов установите равную примерно 1...2 мс.

  2. Включите приборы.

  3. Получите устойчивую осциллограмму затухающих колебаний, в которой укладывается примерно 10-20 периодов. Режим синхронизации - внутренняя.

  4. Измерьте период колебаний Т при минимальном внешнем сопротивлении R = 0 (гнезда магазина МС замкните проводом).

  5. Измерьте амплитуды колебаний, отстоящих друг от друга на n = 5...15 периодов и вычислите логарифмический декремент по формуле (14.7а). Рассчитайте коэффициент затухания, добротность и время релаксации.

  6. Повторите измерения по пп. 4 и 5 при других значениях вешнего сопротивления R в интервале от 1 до 10 Ом. (Для расширения пределов регулирования сопротивления при

возможности включите последовательно два магазина сопроивлений). Данные

измерений и вычислений занесите в таблицу 14.1.

  7- Постройте график зависимости λ(RM). Поскольку период Т при малых затуханиях практически постоянен, то зависимость λ(RM) можно аппроксимировать линейной функцией.

  8. Используя формулу

вычислите индуктивность L.

  9. Модифицировав формулу (14.5), определите емкость контура

С. Данные занесите в таблицу 14.1.

  10. Подберите сопротивление магазина R (качественно) при котором происходит переход к апериодическому режиму. Сравните полученное значение с рассчитанным по формуле

Результаты измерений

Rм, Ом

T, с

Ui, дел

Ui+n, дел

0

0,60

2,4

0,90

3

0,60

2,4

0,85

6

0,58

2,4

0,75

9

0,59

2,3

0,65

12

0,60

2,3

0,55

15

0,60

2,3

0,50

18

0,60

2,25

0,30

20

0,60

2,2

0,28

Константы:

C=0,09 мкФ;

L=90 мГн;

n=10.

Расчеты

Rм, Ом

T, с

Ui, дел

Ui+n, дел

n

lambda

delta

Q

tau

L

C

R, Ом

0

0,60

2,4

0,90

10

0,098

0,163

32,0

6,1

47,1

0,000194

15,4

3

0,60

2,4

0,85

10

0,104

0,173

30,3

5,8

53,2

0,000172

18,4

6

0,58

2,4

0,75

10

0,116

0,201

27,0

5,0

53,3

0,000160

21,4

9

0,59

2,3

0,65

10

0,126

0,214

24,9

4,7

56,9

0,000155

24,4

12

0,60

2,3

0,55

10

0,143

0,238

22,0

4,2

57,4

0,000159

27,4

15

0,60

2,3

0,50

10

0,153

0,254

20,6

3,9

59,7

0,000153

30,4

18

0,60

2,25

0,30

10

0,201

0,336

15,6

3,0

49,7

0,000183

33,4

20

0,60

2,2

0,28

10

0,206

0,344

15,2

2,9

51,5

0,000177

35,4

Строим график зависимости логарифмического декремента от сопротивления магазина:

По графику определяем эквивалентное сопротивление контура RK=15,4 Ом.

Расчет погрешностей

Найдём погрешность вычисления индуктивности и ёмкости.

Вычисление погрешности ΔL.

Lср=53,6.

№ опыта

L

|DL|

(DL)

S(DL)

S/N(N-1)

s

1

47,1

6,5

42,25

 

 

 

2

53,2

0,4

0,16

 

 

 

3

53,3

0,3

0,09

 

 

 

4

56,9

3,3

10,89

124,66

2,226

1,49

5

57,4

3,8

14,44

 

 

 

6

59,7

6,1

37,21

 

 

 

7

49,7

3,9

15,21

 

 

 

8

51,5

2,1

4,41

 

 

 

Коэффициент Стьюдента для 8 опытов при доверительной вероятности 95% равен 2,2.

ΔL = 1,49 · 2,2 3,3.

L = 100% · ΔL / L ср   6,2%

Аналогично найдём ΔC.

Cср=169,1 · 10-6

№ опыта

С 10-6

|DС|

(DС)

S(DС)

S/N(N-1)

s 10-6

1

194

24,9

620,01

1527

27,27

5,22

2

172

2,9

8,41

3

160

9,1

82,81

4

155

14,1

198,81

5

159

10,1

102,01

6

153

16,1

259,21

7

183

13,9

193,21

8

177

7,9

62,41

Коэффициент Стьюдента для 8 опытов при доверительной вероятности 95% равен 2,2.

ΔL = 5,22 · 10-6 · 2,2 11,5 · 10-6

L = 100% · ΔL / L ср   6,8%

Вывод

В результате проведения опытов мы нашли значения основных характеристик свободного колебательного процесса. Высчитанные с их использованием значения величин индуктивности и ёмкости контура позволяют говорить о качественных измерениях, так как погрешность получившихся результатов составила менее 7%.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14439. Проведення першої примірки, виявлення дефектів, їх усунення 223.5 KB
  Тема: Проведення першої примірки виявлення дефектів їх усунення. Мета: Навчити проводити першу примірку виявляти дефекти та усувати їх. Виховувати любов до праці уважність під час трудових завдань. Розвивати просторову уяву вміння працювати самостійно використо...
14440. Обробка спідниці після примірки 128 KB
  Тема: 2.3.6 Обробка спідниці після примірки. Мета: Навчити обробляти виточки складки бічні зрізи. Виховувати любов до праці уважність під час трудових завдань. Розвивати точність вміння працювати самостійно використовуючи роздатковий матеріал. Інструменти...
14441. Обробка нижнього зрізу спідниці 654 KB
  Тема: 2.3.7. Обробка нижнього зрізу спідниці. Мета: Навчити обробляти низ спідниці відповідно до виду тканини. Виховувати любов до праці бережливе ставлення до інструменту уважність під час трудових завдань. Розвивати точність вміння працювати самості
14442. Кінцева обробка спідниці 98 KB
  Тема:2.3.8 Кінцева обробка спідниці. Мета: Навчити виконувати кінцеву обробку виробу. Виховувати любов до праці бережливе ставлення до інструменту уважність під час трудових завдань. Розвивати естетичний смак вміння працювати самостійно використовуючи роздатковий ...
14443. Остаточна обробка виробу. Волого - теплова обробка. Контроль якості готового виробу 133 KB
  Тема. Остаточна обробка виробу. Волого теплова обробка. Контроль якості готового виробу. Мета. Навчити виконувати остаточну обробку виробу. Виховувати любов до праці бережливе ставлення до інструменту уважність під час трудових завдань. Розвивати вміння пра...
14444. В’язання спицями 279 KB
  Тема. В’язання спицями Мета. Ознайомити учнів з одним із видів декоративноужиткового мистецтва в’язанням інструментами і матеріалами для вязання спицями. Організацією робочого місця. Правилами безпечної праці та санітарногігієнічні вимоги. Прийомами роботи спиця...
14445. Добавляння й убавлення петель 416 KB
  Тема. Добавляння й убавлення петель Мета. Ознайомити учнів з способами добавлення і убавлення петель. Основні поняття: спиця пряжа трафарет петля. Очікувані результати навчальної діяльності: проводити добавлення і убавлення петель. Інструменти і матеріали: с...
14446. Технологія вишивання мережок 85.5 KB
  Тема. Технологія вишивання мережок. Мета: ознайомити учнів із технологією виконання мережок навчити виконувати мережки одинарний прутик подвійний прутик; виховувати акуратність і точність під час виконання вишивальних робіт. Обладнання: зразки швів виробів
14447. Технологія вишивання мережок. Розробка композиції виробу 74.5 KB
  Тема. Технологія вишивання мережок. Розробка композиції виробу. Мета: розширити знання учнів про технологію виконання мережок навчити виконувати мережку роздільний прутик; формуй ти художній смак почуття стилю й кольору під час розробку композиції вишивки підбору ...