50068

Вынужденные колебания в последовательном колебательном контуре

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучение явления резонанса в RLC- контуре, определение резонансной частоты и добротности контура. Приборы и принадлежности: генератор АНР-1002, вольтметр АВ1, стенд СЗ-ЭМ01, соединительные провода.

Русский

2014-01-15

101.5 KB

11 чел.

Лабораторная работа № 6.21*

Вынужденные колебания в последовательном колебательном контуре

Цель работы: изучение явления резонанса в RLC- контуре, определение резонансной частоты и добротности контура.

Приборы и принадлежности: генератор АНР-1002, вольтметр АВ1, стенд СЗ-ЭМ01, соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Последовательный колебательный контур состоит из конденсатора ёмкостью C, соленоида индуктивностью L, омического сопротивления R и источника переменной ЭДС e, включенных последовательно (рис. 1).

По закону Ома для неоднородного участка цепи сила тока:

I=(e + es Dj)/R,               (1)

 где e - ЭДС источника переменного напряжения, которая изменяется по синусоидальному закону e=e0sin(Wt), es - ЭДС самоиндукции, возникающая в соленоиде, Dj - разность потенциалов на обкладках конденсатора, которую в дальнейшем будем обозначать через U.

Преобразуя (1), составим дифференциальное уравнение, описывающее колебательный процесс в рассматриваемом контуре

IR = e LdI/dtU,                                             (2)

где es = – LdI/dt, Dj = U.

Силу тока в цепи I и напряжение на конденсаторе U можно связать, рассматривая процесс изменения заряда конденсатора:

                                    I = dq/dt, U = q/C, I = CdU/dt                              (3)

Подставив (3) в (2), получим:

                                 (4)

Введём обозначения: R/2L=b, 1/CL=w02 и e0/CL=E0 (w0 - частота собственных колебаний контура, b - коэффициент затухания, W - частота внешней ЭДС). После их подстановки в (4) имеем неоднородное дифференциальное уравнение вынужденных колебаний:

                                (5)

Решением его является сумма частного решения неоднородного уравнения и общего решения соответствующего однородного уравнения, которым в установившемся режиме колебаний можно пренебречь. Частное решение неоднородного уравнения (5) имеет вид:

 U=U0(W)sin(Wt+j),                                     (6)

где амплитуда напряжения на конденсаторе U0 может быть найдена подстановкой (6) в (5). Параметр j, представляющий собой сдвиг фаз колебаний напряжения на конденсаторе по отношению к колебаниям вынуждающей ЭДС, в лабораторной работе не определяется.

График вынужденных колебаний напряжения на конденсаторе (уравнение (6)) представлен на рис. 2. Вынужденные колебания происходят с частотой вынуждающей ЭДС Ω.

При приближении частоты внешнего вынуждающего воздействия Ω к собственной частоте колебаний ω0 в контуре резко возрастает амплитуда колебаний напряжения на конденсаторе – происходит явление резонанса. В работе исследуется зависимость амплитуды колебаний напряжения на конденсаторе U0 от Ω при разных сопротивления контура R.

Амплитуда вынужденных колебаний:

                            (7)

Из формулы (7) видно, что величина U0 зависит прямо пропорционально от амплитуды вынуждающей ЭДС ε0 и сложным образом от параметров колебательного контура w0 и b. Исследование зависимости U0(W) показывает:

1) при W ® 0 напряжение на конденсаторе U0 ® e0;

2) функция U0(W) обладает максимумом при частоте генератора:

                   (8);

3) напряжение на конденсаторе U0 стремится к нулю при W ® ∞.

Графики зависимости U0(W) для различных коэффициентов затухания b приведены на рис. 3. Данные графики отражают явление резонанса напряжений. Частота вынуждающей ЭДС, при которой U0=U0max, называется резонансной. Она зависит от параметров колебательного контура (формула (8)).

Следует отметить, что резонанс для силы тока наблюдается при частоте w0, не зависящей от b.

Для колебательного контура вводится понятие добротности:

   Qi = Uoi max/eo                       (9)

или:                                                     ,                                                            (10)

где 2Dn- ширина резонансной кривой при   .

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему, приведенную на рисунке 4. По указанию преподавателя подключить одну из емкостей С1 или С2.

2. Убедиться, что на генераторе АНР-1002 отжаты клавиши регулировки симметрии фронта 4 (SYMMETRY) и клавиша регулировки постоянной составляющей сигнала 5 (OFFSET). На блоке переключателей для управления режимом качания частоты 7 (SWEEP) зафиксируйте конечную частоту, нажав кнопку STOP  и отжав ON .

3. Подключить питание генератора АНР-1002 клавишей включения и выключения питания 1 (POWER) и блока амперметра-вольтметра АВ1 клавишей СЕТЬ на передней панели блока.

4. На генераторе АНР-1002 с помощью переключателей выбора формы выходного сигнала 14 установить синусоидальный сигнал .

5. На блоке амперметра-вольтметра АВ1 установить режим измерений переменного напряжения (нажать клавишу «»).

6. С помощью клавиш установки частотного диапазона 3 (клавиши  и  ) и регулятора частоты выходного сигнала 11 (FREQUENCY) установить частоту выходного сигнала генератора порядка 50 Гц .

7. На блоке амперметра-вольтметра АВ1 установить диапазон измерений 2 В.

8. С помощью  регулятора амплитуды выходного сигнала генератора (AMPLITUDE) установить амплитуду сигнала Uco в интервале 1 ÷ 2 В. Значение записать в таблицу 1.

9. Установить величину сопротивления R=0.

10. Переключить диапазон измерений блока амперметра-вольтметра АВ1 на 200 В.

11. Выявить диапазон частот, соответствующий резонансу. Для этого после каждого переключения интервала частот (с помощью клавиш установки частотного диапазона 3 (клавиши  и  )) регулятором частоты выходного сигнала 11 (FREQUENCY) очень плавно изменять частоту сигнала генератора (от минимума к максимуму или наоборот) и следить за показаниями вольтметра. В искомом диапазоне амплитуда сигнала должна увеличиться в несколько раз (порядка 10 и более).

12. Определить приблизительно резонансную частоту контура nр и максимальное значение напряжения на емкости Um. Значения записать в таблицу 1.

13. Выбрать интервал изучения резонансной кривой в пределах ±10 кГц от значения резонансной частоты nр. Плавно изменяя частоту генератора в выбранном интервале (от (nр – 10 кГц) до (nр + 10 кГц)), получить 20 пар значений (Uci, nI). Результаты занести в таблицу. При работе необходимо выбирать оптимальный диапазон измерений вольтметра (при помощи черной кнопки). Частоту генератора следует изменять с переменным шагом, уменьшая его в области резкого возрастания амплитуды напряжения на конденсаторе. Рекомендуемый шаг: (1,5÷2)кГц в области малых изменений амплитуды и (0,1÷0,5)кГц при резонансе.

14. Установить величину сопротивления R=200 Ом и повторить пункты 12-13 в том же диапазоне частот.

15. Изменить величину емкости и определить резонансную частоту nр2 при R=0. Результат занести в таблицу 1.

Таблица 1

Uco, В

Ci, мкФ

R=0

R=200 Ом

Cj, мкФ

nр2, кГц

nI, кГц

Uci, В

nI, кГц

Uci, В

1

2

21

16. По результатам измерений построить резонансные кривые (на миллиметровой бумаге или с использованием компьютерных программ) и определить добротности контура при каждом значении R по соотношению (10).

17. Сделать выводы по влиянию сопротивления на амплитуду напряжения и резонансную частоту.

18. Проверить справедливость соотношения:  . Сделать вывод о влиянии емкости на резонансную частоту.

Контрольные вопросы

  1.  Дифференциальное уравнение колебаний в последовательном RLC –контуре.
  2.  Вынужденные колебания в колебательном контуре. Амплитуда и частота вынужденных колебаний.
  3.  Собственная частота, коэффициент затухания и добротность колебательного контура.
  4.  Явление резонанса в последовательном RLC –контуре. Способы, какими можно вызвать резонанс напряжения на конденсаторе. Резонансная частота.
  5.  Влияние параметров RLC –контура на вид резонансной кривой.


Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29807. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЗВУКОВОГО РЕШЕНИЯ 19.65 KB
  ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЗВУКОВОГО РЕШЕНИЯ Условно звуковое решение можно представить в виде трех блоков: блок выбора параметров и характеристик звука физические энергетические психофизические блок выбора художественных приемов блок выбора конкретного звукового материала. Выбор параметров и характеристик звука: 1. Громкость звука. Выбор громкости звука любого материала в мероприятии должен быть во всех случаях мотивирован.
29808. Фонограммы и их сценарно-режиссерские функции в КДД 15.96 KB
  Все театральные шумы музыкальный материал и литературно-музыкальные разработки общего характера. В качестве средства художественной выразительности наиболее часто используются музыкальные и шумовые фонограммы в самых разнообразных комбинациях как между собой так и с другими звуковыми и зрелищными элементами. Музыкальные фонограммы Музыкальные фонограммы используются как отдельные музыкальные выступления завершающие части целых музыкальных программ музыкальные заставки музыка сопровождающая действие. Для создателей театрализованных...
29809. ЗВУКИ И ШУМЫ 15.02 KB
  ЗВУКИ И ШУМЫ Все звуки делятся на тоны звуки и шумы. Музыкальный звук беспредметен тогда как все остальные шумы и звуки связаны либо с явлениями природы либо с действиями человека или какихто предметов то есть они конкретны. В зрелищных программах все шумы и звуки в зависимости от метода включения в действие делятся на три группы: 1. В связи с тем что подобные шумы в настоящее время воспроизводятся преимущественно с помощью фонограммы следует особенно внимательно следить за расположением динамиков на игровой площадке.
29810. ЗВУКОВЫЕ ЭФФЕКТЫ И ИХ ВЫРАЗИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ В КДД 15.38 KB
  ЗВУКОВЫЕ ЭФФЕКТЫ И ИХ ВЫРАЗИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ В КДД Звуковые эффекты весьма разнообразны: здесь и перемещение звуковых образов в пространстве движение поездов самолетов демонстраций и т. Эффект панорамирования звука. Суть эффекта заключается в создании иллюзии перемещения звука или звуковой картины в пространстве. Технология получения эффекта панорамирования звука: акустические колонки устанавливают в задействованном пространстве в определенном порядке по планам сцены и зала фойе или другого помещения и вместе с соответствующими...
29811. Методика разработки звуковой партитуры досуговых мероприятий 16.84 KB
  Указывается также дата проведения мероприятия. Здесь же указывается схема коммутации источников звуковой программы магнитофоны микрофоны и пр. При использовании на спектакле ревербератора и панорамного микшера указывается режим их работы и схема подсоединения к каналам звукоусиления. Вначале указывается порядковый номер включения.
29812. Общие понятия о светотехническом обеспечении 15.57 KB
  Техническое обеспечение состоит из пяти условно выделенных групп: световые приборы светорегулирующая аппаратура силовое установочное электрооборудование цветомузыкальные установки приспособления. Световые приборы предназначены для освещения и получения световой проекции или световых эффектов в постановочном освещении КДУ. Здесь же отметим что в группе прожекторов можно выделить подгруппы: прожекторные приборы проекторные приборы и приборы для световых эффектов. На щите установлены аппараты защиты и управления линиями нерегулируемого...
29814. Световое решение мероприятия, световая среда и понятие о технологии их получения 17.47 KB
  Световое решение мероприятия световая среда и понятие о технологии их получения. Задачу создания постановочного света решает светотехническое обеспечение СТО которое представляет собой совокупность технических средств методов и способов их эксплуатации и использование в клубном мероприятии. Разработанное в результате поисков и проб световое решение в клубном мероприятии составляет его световую среду. Световая среда характеризуется интенсивностью контрастностью цветностью динамикой.
29815. Принцип теневого театра: технология получения и использования в КДД 34.51 KB
  Источник тени т. При использовании двух прожекторов получают две тени от одного объекта при трех три и т. А если во все три используемые прожектора поставить разного цвета светосфильтры то получим от одного объекта три тени разного цвета. Более того если два прожектора с разными цветами света установить на легкие тележки и начать их развозить друг от друга то на экране тень от одного объекта начнет раздваиваться на две разного цвета тени.