3938

Вивчення затухаючих і вимушених коливань в коливальному контурі

Лабораторная работа

Физика

Вивчення затухаючих і вимушених коливаньв коливальному контурі Мета роботи. Вивчити затухаючі коливання в коливальному контурі, визначити логарифмічний декремент і добротність досліджуваного контура. Теоретичні відомості. Електромагні...

Украинкский

2012-11-10

184 KB

64 чел.

Вивчення затухаючих і вимушених коливань в коливальному контурі

1. Мета роботи.

1. Вивчити затухаючі коливання в коливальному контурі, визначити логарифмічний декремент і добротність досліджуваного контура.

2. Теоретичні відомості.

Електромагнітні коливання відіграють дуже важливу роль в техніці і, зокрема, в техніці зв'язку. Електромагнітні коливання виникають в коливальному контурі, що складається з конденсатора С, котушки індуктивності і активного опору R. Якщо зарядити конденсатор С, замкнути ключ К, то конденсатор стане розряджатися. В колі потече струм, який повільно наростатиме через виникаючий струм самоіндукції. При цьому енергія електричного поля конденсатора С буде переходити в енергію магнітного поля котушки.

Наростання струму до деякого максимального значення відбувається за  періоду. Протягом наступного  періоду відбувається повільне, через виникнення струмів самоіндукції спадання струму, яке закінчується перезарядкою конденсатора. Протягом наступного півперіоду процес відбувається у зворотному напрямку. Таким чином, в колі відбувається періодичне перетворення енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного поля струму в котушці. Повна енергія коливального контуру рівна сумі електричної і магнітної енергії :

Коливання, які з’явилися в контурі – гармонічні, проте в зв’язку з тим, що існує активний опір R, в якому виділяється тепло, амплітуда коливань зменшуватиметься. Тобто електромагнітні коливання в реальному коливальному контурі завжди є затухаючими. Встановимо закон і визначимо основні характеристики затухаючого коливального процесу.

Згідно другого закону Кірхгофа алгебраїчна сума спадів напруг дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС, працюючих в контурі:

,                                                   (1)

де  - напруга на конденсаторі;  - ЕРС самоіндукції.

Запишемо (1) у вигляді:

або, враховуючи, що :

                                           (2)

Позначимо

                                                     (3)

                                                       (4)

Тоді вираз (2) можна записати:

Розв’язком цього рівняння буде гармонічна функція:

,                                                 (5)

де  – максимальний заряд на обкладинках конденсатора в початковий момент.

За аналогічним законом відбуваються і коливання напруги на конденсаторі:

.                (6)

Величина

                                                   (7)

є амплітудою даного гармонійного коливання, проте ця амплітуда експоненціально зменшується з часом. Такі коливання називаються затухаючими.

Вони відбуваються з частотою

,                                                    (8)

де відповідно до (3), (4)

,                                                        (9)

де - частота власних коливань, тобто в ідеалізованому контурі, коли його активний опір R=0, а

,                                                      (10)

де - коефіцієнт затухання.

З (8) випливає, що при затухаючих коливаннях частота ω менша за частоту ω0 власних коливань.

На графіку незатухаючі і затухаючі коливання можна показати наступним чином (див. рис. 2).

Пунктирною лінією показано зменшення амплітуди з часом. Згідно (7) і (10), чим більше β (тобто ніж більше R), тим швидше відбувається затухання. Порівняємо значення амплітуди двох сусідніх моментів часу, розділених періодом Т:

Співвідношення

                                                    (11)

називається декрементом затухання.

Рис. 2.

В радіотехніці коливальні контури прийнято характеризувати добротністю. Добротність визначається відношенням повної енергії коливань в контурі до втрат енергії за період:

.                                                 (13)

Повна енергія коливального контуру може бути виражена через амплітуду

Оскільки , то , де  - повна енергія коливань в початковий момент. Знайдемо швидкість зміни енергії:

.

Припустимо, що енергія не дуже сильно змінюється за період. Тоді можна прийняти  і для швидкості зміни енергії можемо записати (по абсолютній величині):

.

Звідси маємо

Підставимо це значення в (13). Тоді отримаємо

.                                        (14)

Таким чином, знаючи коефіцієнт загасання β або логарифмічний декремент δ, можна визначити добротність коливальної системи (коливального контуру). Добротність коливальних контурів досягає значень ~102 і вище.

3. Опис установки.

Для вивчення затухаючих коливань потрібно зібрати схему з генератором затухаючих коливань, яке зручно розглядати на екрані осцилографа. Така схема представлена на рис. 3.

Рис. 3.

На коливальний контур, що складається з конденсатора С, індуктивності L, і опору R, від генератора через подільчий конденсатор  подаються періодичні П- подібні імпульси напруг. Кожен імпульс збуджує в коливальному контурі затухаючі коливання. Ці коливання накладаються одне на одне і на екрані осцилографа можна отримати стійку картинку затухаючих коливань.

Вмикаючи в коливальний контур різні активні опори, можна вивчити їх вплив на характер затухання коливань.

4. Прилади та обладнання.

  1.  Установка для вивчення затухаючих коливань.
  2.  Генератор П-подібних імпульсів.
  3.  Осцилограф.
  4.  З’єднувальні провідники.

5. Порядок виконання роботи.

1. Зібрати схему згідно рис. 2.

2. Ввімкнути осцилограф.

З. Добитися чіткого зображення розгорненого променя на екрані.

4. Ввімкнути генератор П- подібних імпульсів. Подати напругу на осцилограф і добитися стійкого зображення коливань на екрані осцилографа.

5. Заміряти (в відносних одиницях) два сусідніх значення амплітуди для трьох значень активного опору .

6. Розрахувати логарифмічний декремент і добротність коливальної системи для цих значень R.

7. Дані вимірювань і розрахунків занести в таблицю:

R, Ом

Аn

An-1

δ

Q

ΔQ

1

2

3

7. У висновках дати оцінку отриманому результату.

Завдання 2.

1. Мета роботи.

Вивчити вимушені коливання в коливальному контурі. Визначити залежність амплітуди струму в коливальному контурі від частоти і залежність резонансної частоти від активного опору R, індуктивності L і ємності С.

2. Теоретичні відомості.

В техніці дуже часто потрібні незгасаючі коливання. Наприклад, в коливальних контурах радіопередавачів. Незгасаючі – це вимушені коливання, коливання, що виникають під дією додаткової змінної зовнішньої сили, яка поповнює зменшення енергії в коливальному контурі.

Нехай в коливальному контурі діє змінна ЕРС .

Рис. 4

За другим законом Кірхгофа:

Звідси маємо:

або

,                                          (15)

де

                                                    (16)

.                                                     (17)

Розв’язком диференціального рівняння (15) є гармонічна функція:

.                                           (18)

Амплітуда  і початкова фаза Ψ визначаються із співвідношень:

                                     (19)

                                                     (20)

Напруга на конденсаторі змінюється так само, як і заряд:

                                      (21)

.                            (22)

Амплітуда напруги (і заряду) залежить від частоти.

Знайдемо вираз для сили струму. Використовуючи (18), маємо:

,

де

.                                                    (23)

Підставимо в (23) вираз для  (19):

.                                     (24)

Враховуючи, що  та  рівняння (24) можемо записати у вигляді:

.                                 (25)

Тут  - повний електричний опір, який складається із активного опору R, індуктивного  та ємнісного .

При  матимемо максимум амплітуди струму – резонанс струму. Звідси , тобто резонанс струму реалізується при резонансній частоті, яка дорівнює частоті власних коливань контуру. Збільшення ємності С чи індуктивності L зменшує резонансну частоту, що якісно зображено на рис. 5, а та б.

Рис. 5.

При резонансі амплітуда струму  стає максимальною і залежить від активного опору:

На графіку залежність амплітуди струму від частоти зображується наступним чином:

Рис. 6.

При  струм в коливальному контурі відсутній (через конденсатор постійний струм не протікає).

3. Опис установки.

Дослідити залежність амплітуди струму від частоти, а також залежність резонансної частоти від індуктивності та ємності можна за допомогою наступної установки.

Рис. 7.

В коливальному контурі, який складається із активного опору R, індуктивності L і ємності С діє вимушуюча ЕРС. Міняючи її частоту, можна добитися резонансу струму в коливальному контурі (при ).

Про величину струму судимо по напрузі на деякому невеликому опорі , яка подається на осцилограф.

4. Прилади та обладнання.

  1.  Установка для вивчення вимушених коливань.
  2.  Генератор синусоїдальних коливань.
  3.  Осцилограф.
  4.  З’єднувальні провідники.

5. Порядок виконання роботи.

  1.  Зібрати схему згідно рис. 7.
  2.  Ввімкнути осцилограф і генератор синусоїдальних коливань. Добитися на екрані осцилографа картинки синусоїдального сигналу.
  3.  При деяких постійних значеннях L і С зняти залежність амплітуди струму (напругу на  від частоти напруги, яка подається від генератора) при трьох значеннях активного опору :.

Примітка: При зміні частоти ω підтримувати постійну амплітуду напруги, яке подається від генератора.

  1.  При деяких постійних значеннях R і С зняти залежність амплітуди струму від частоти при трьох значеннях індуктивності : .
  2.  При деяких постійних значеннях L і R зняти залежність амплітуди струму від частоти при трьох значеннях ємності :.
  3.  Дані вимірювань занести в таблицю 2:

R=const, L=const

R=const, C=const

R=const, C=const

C1

C2

C3

L1

L2

L3

L1

L2

L3

Im

ω

Im

ω

Im

ω

Im

ω

Im

ω

Im

ω

Im

ω

Im

ω

Im

ω

  1.  Побудувати графіки залежностей ,,.
  2.  Дати оцінку отриманим результатам.

6. Контрольні запитання.

1. Які коливання називаються гармонічними?

2. Дати визначення амплітуди, фази, періоду, частоти і циклічної частоти гармонічного коливання.

3. Коливання яких величин відбуваються в електричному коливальному контурі?

4. Написати диференціальне рівняння затухаючих коливань і його розв’язок.

5. Зобразити графік затухаючого коливання.

6. Що таке коефіцієнт затухання, логарифмічний декремент затухання?

7. Дати визначення добротності коливального контуру.

8. Записати рівняння, яке пов’язує коефіцієнт затухання і логарифмічний декремент затухання.

9. Який зв’язок між добротністю і коефіцієнтом затухання?

10. Зобразити і пояснити схему для дослідження затухаючих коливань.

11. Які коливання називаються вимушеними?

12. Записати диференційне рівняння вимушених коливань і його розв’язок.

13. За яким законом змінюється заряд і напруга на обмотках конденсатора при вимушених коливаннях?

14. За яким законом змінюється струм в коливальному контурі при вимушених коливаннях.

15. Як змінюється амплітуда струму при вимушених коливаннях в залежності від частоти? Що таке резонанс?


R

C

L

K

I

+

-

t

t+T

t

Ut

U0

U

U0

T0

t

генератор

П- подібних імпульсів

R

C

L

~

R

C

L

ε

C1>C2>C3

ω

Im

L1>L2>L3

ω

Im

a

б

R1<R2<R3

ω

Im

L1

L2

L4

R0

C

до осцилографа

R

L3

K

генератор

П- подібних імпульсів


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34743. Древние календарные системы: Египет, Древняя Греция, Китай 18.83 KB
  Этот лунный календарь использовался на протяжении всей древнеегипетской истории как религиозный календарь фиксирующий время проведения праздников. Схематический гражданский календарь Новый календарь был построен по простой схеме. Поздний лунный календарь Хронологической единицей в нем как и в раннем лунном календаре служил лунный месяц начинавшийся в первый день невидимости Луны.
34744. Мусульманский календарь. Мусульманская система летоисчисления 13.08 KB
  Мусульманская система летоисчисления Мусульманский исламский календарь лунный календарь используемый в исламе для определения дат религиозных праздников а также как официальный календарь в некоторых мусульманских странах. Поэтому в мусульманских странах календарь называют календарём Хиджры. Такая система до сих пор используется в некоторых странах например в Пакистане и Бангладеш. В разных странах используются разные правила.
34745. Календарные системы в Древнем Риме. Реформа Юлия Цезаря 16.15 KB
  Последующие месяцы продолжали сохранять свои числовые обозначения: Квинтилис Quintilis пятый Секстилис Sextilis шестой Септембер September седьмой Октобер Oktober восьмой Новембер November девятый Децомбер December десятый Мартиус майус квинтилис и октобер имели по 31 дню а остальные месяцы состояли из 30 дней. Очень любопытна история распределения дней по месяцам. Первоначально год римского календаря как уже говорилось состоял из 304 дней. Чтобы...
34746. Григорианская реформа и григорианский календарь 14.62 KB
  Эта разница ежегодно накапливаясь привела через 128 лет к ошибке в одни сутки а через 1280 лет уже в 10 суток. Реформа должна была решить две основные задачи: вопервых ликвидировать накопившуюся разницу в 10 суток между календарным и тропическим годами вовторых максимально приблизить календарный год к тропическому чтобы в будущем разница между ними не была ощутимой. Григорианский календарь В григорианском календаре длительность года принимается равной 3652425 суток.
34747. Единицы счета времени: месяц, неделя, сутки 12.86 KB
  Переход к земледелию и скотоводству определил необходимость учета времени его фиксирования в определенных единицах. Все основные выработанные человечеством единицы счета времени сутки месяц и год определяются астрономическими факторами: сутки периодом обращения Земли вокруг своей оси месяц периодом обращения Луны вокруг Земли год периодом обращения Земли вокруг Солнца. Для облегчения исчисления времени введено фиктивное понятие среднее солнце т.
34748. Виды летоисчисления (эры) и точки отсчета 15.88 KB
  К первым например относится эра Кали в Индии. К политическим эрам относятся те исходной точкой которых служат даты основания городов вступления на престол различных правителей и т. Такова например эра постконсулата исходной точкой которой явилось избрание последнего римского консула Флавия Василия Меньшего в 541 г.В реальных эрах за точку отсчета времени принимается историческое событие в фиктивных легендарное.
34749. Эра от Рождества Христова Дионисия Малого 11.06 KB
  эры Диоклетиана монахом Дионисием Малым. от начала правления императора Диоклетиана около 243 313 гг. Римляне называли это эрой Диоклетиана. Дионисии Малый считал приличнее заменить эру язычника и противника христианства Диоклетиана другой эрой каклибо связанной с христианством.
34750. Обыденные представления человека Древней Руси о времени и хронологии 17.96 KB
  Таковы например масленица коляда от латинского календы; другое название этого праздника овсень от овесень которым отмечали поворот солнца на лето красная горка праздник встречи весны радуница и русалии весенний и летний поминальные праздники и другие.Пережиточные названия дней недели связанные с астральными культами сохранились в некоторых странах Европы до наших дней например: немецкие Montg день Луны понеденьник Sonntg день солнца воскресенье французское Vendredi день Венеры пятница...
34751. Реформа Летоисчисления Петра 1 11.17 KB
  Петр же хотел чтобы подобно остальным европейским государствам новый год считали от Рождества Христова с 1 января. С этой целью 20 декабря был издан указ чтобы Новый год по примеру всех остальных христианских держав считать с 1 января через 8 дней после Рождества Христова 25 декабря по старому стилю. Кроме того повсюду где место удобное от 1 до 7 января надобно зажигать костры и смоляные бочки .