Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 218.

ИЗУЧЕНИЕ КЕНОТРОННОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Принцип выпрямления и сглаживания тока.

В основе работы всякого выпрямительного устройства лежит использование свойства проводящего элемента электрической схемы, в котором сила тока зависит не только от величины, но и от направле­ния приложенного к нему напряжения. Сила тока в таких проводниках не подчиняется закону Ома (нелинейный проводник).

Основной частью кенотронного выпрямителя является КЕНОТРОН-электронный прибор с накаливаемым катодом и холодным анодом (двух­электродная лампа-диод). Кенотроны обладают односторонней (унипо­лярной) проводимостью: ток в лампе возможен только в том случае, когда потенциал анода  выше потенциала катода , т.е. ко­гда анодное напряжение Ua=->0. В обратном направлении ток через кенотрон идти не может, ибо способностью испускать электроны обладает лишь катод: анод будучи холодным, электронов не испускает.

Схема простейшего однополупериодного кенотронного выпрямите­ля приведена на рис.1.

 


  Рис.1.


 

Первичная I обмотка трансформа­тора Тр соединена с источником переменного тока. Одна из вто­ричных обмоток III служит для питания нити накала кенотрона. Концы другой вторичной обмотки II присоединены к аноду и като­ду кенотрона. В эту цепь вклю­чен потребитель выпрямленного тока, сопротивление которого R.

  Электрический ток I в лампе и сопротивление К может иметь только одно направление, показанное на чертеже стрелками. Численное значение этого тока периодически из­меняется. Такой ток называется пуль­сирующим. Если выпрямленный перемен­ный ток изменяется по гармоническому закону, то в течение первой половины периода, когда анодное  напряжение на лампе 

 отрицательно, ток 1=0, а в течении

второй  половины периода постепенно возрастает до максималь­ного значения и затем снова уменьшает­ся до нуля./рис.2/.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока  I параллельно потребителю R включают специальные устройства, называемые ФИЛЬТРА­МИ. Простейшим фильтром служит конденсатор С, показанный на черте­же

 Рис.2

/рис.1/ пунктиром. В процессе возрастания тока I и напряжения UR на сопротивлении R конденсатор заряжается, а затем при уменьше­нии I и UR разряжается, сглаживая пульсации тока. Более совершенен фильтр, изображенный на рис.4. Он состоит из катушки с железным сердечником, называемой ДРОССЕЛЕМ, двух конденсаторов С1 и С2. Сглаживающее действие дросселя на пульсирующий ток основано на яв­лении самоиндукции. Так как по катушке течет переменный по величине ток, то вокруг нее возникает переменное магнитное поле, за счет которого в катушке будет возникать ЭДС и ток самоиндукции. Ток самоиндукции, согласно закону Ленца, всегда противодействует изменению основного тока. Поэтому ток самоиндукции будет уменьшать растущий ток и под­держивать /увеличивать/ уменьшающийся,  способствуя уменьшению пульсации выпрямленного тока.

 Используя два диода  или диод с двумя анодами /сдвоенный диод/, можно осуществить двухполупериодное выпрямление тока. Схема двухполупериодного кенотронного выпрямителя показана на рис.З. По­требитель тока R присоединен к катоду сдвоенного диода и к средней точке 0 вторичной обмотки трансформатора Тр. Направление выпрямле­нного тока I показано стрелкой. Аноды А1 и А2 работают поочередно. Пусть в течение первого полупериода ЭДС вторичной обмотке трансфо­рматора Тр имеет такой знак, что напряжение U1 между анодом А1 и катодом положительно, а напряжение U2 между анодом А2 и катодом отрицательно. В этом случае ток в лампе идет от анода А1 к катоду /I=I1/. Во втором полупериоде знак ЭДС во вторичной обмотке трансфор­матора изменяется на противоположный так, что U1<0,а U2 >0 . Поэтому ток в лампе идет уже от анода зависимости выпрямленного I от времени представлен на рис.5.


Сглаживание такого пульсирующего тока проще, чем в случае однополупериодного выпрямителя.

2. ПАРАМЕТРЫ КЕНОТРОНА.

Теоретическое рассмотрение зависимости силы тока от напря­жения в двухэлектродной лампе приводит к так называемому закону "трех вторых", выведенного Богуславским, Ia=В Ua 3/2, где В- константа. Этот закон справедлив только до тех пор, пока кено­трон работает вдали от тока насыщения. При приближении к насыще­нию, т.е. к такому состоянию, когда все электроны, испускаемые катодом достигают анода, рост тока Iа при увеличении Ua замедляется. 

а

 Рис.3

 Увеличение сверх напряжения насыщения почти не вли­яет на силу тока Ia, но зато резко увеличивает скорость, с которой электроны достигают анода. В последнем случае вен­тильное /выпрямляющее/ действие кенотро­на прекратится. При сильном нагреве /за счет ударов быстрых электронов/ анод раз­рушается.

График зависимости Ia = f(Ua), называется характеристикой кенотрона. Эта характеристика в некоторой области положительных мзначений напряжения на аноде близка к прямой линии /линейный учас­ток графика/. Она дает возможность судить о качествах кенотрона, выражаемых определенными параметрами. Основным параметром кенотрона служит крутизна характеристики S:

S = Ia /Ua

Крутизна характеристики имеет размерность проводимости, и чем

она больше, тем кенотрон лучше.

I ____L ___ I


  Рис.4 Рис.5

Величина Ri=Ua/Ia, обратная крутизне, представляет собой внутреннее сопротивление кенотрона. 

Если кенотрон включен последовательно с нагрузкой сопротивле­ния R, то коэффициент полезного действия схемы с кенотроном будет равен:

=

Отсюда и видно, что повышается при увеличении R. Однако мощность, отдаваемая выпрямителем, при увеличении R сверх R при постоянном питающем напряжении уменьшается, так как при этом силь­но падает сила тока в цепи. При R = R отдаваемая мощьность макси­мальна .

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Напряжение U на выходе выпрямителя представляет собой разность между напряжением, развиваемым трансформатором и напряжением на внутреннем сопротивлении выпрямителя. Внутреннее сопротивление выпрямителя определяется как сопротивление  самого кенотрона, так и сопротивлением фильтра. Выяснение зависимости напряжения на выходе выпрямителя от силы выпрямленного тока является одной из задач данной  работы. Построенный график зависимости

U= f(I) позволяет определить сопротивление выпрямителя вых.  R выпр.

по формуле:

 Rвыпр.=-

где  изменение напряжения на выходе выпрямителя, соответствующее изменению выпрямленного тока на величину

 Величину и следует брать для линейного /прямолинейного/ участка графика.

Лабораторная установка позволяет с помощью осциллографа наблю­дать различные стадии выпрямления  и сглаживания переменного тока.

Схема установки представлена на рис.6.

  П-2

  Pис. 6.

1. Л-1 - кенотрон 5Ц4М, 2. Др-1, Др-2 - дроссели фильтра выпрямителя, 3. Тр-трансформатор, 4.С1,С2,С3-конденсаторы фильтра выпрямителя, 5. К-выключатель  питания, 6. Пр. - предохранитель, 7. НН - напряжение в накале,

8.Л-2-сигнальная лампа, 9. R1-R10 - сопротивления нагрузки, 10. К1, К2 - ключи, 11. Кн- кнопка, 12. mА - миллиамперметр на 75 мА, измеряющий среднее значение тока Iвыпр. , проходящего по выпрямителю при определенной нагрузке выпрямителя, 13. V - вольтметр на 300 Вольт, измеряющий постоянную составляющую Uвых. выпрямленного напряжения в цепи кенотрона, 14. П-1 - переключатель для переключений осциллографа к трем различным точкам схемы выпрямителя, 15. П-2 -переключатель для включения десяти различных  сопротивлений нагрузки.

УПРАЖНЕНИЕ 1. Осциллографическое наблюдение различных стадий выпрямления и сглаживания переменного напряжения /тока/.

1. Соединить клеммы "Вход" и "Земля" осциллографа с соответ­ствующими клеммами выпрямителя.

2. Переключатели П-1 и П-2 поставить в положение 1.

3. Выключатели К1, и К2 поставить в положение "выключено" /противоположно направлению стрелки/.

4. Включить выпрямитель в сеть 220 вольт /должна при этом за­гореться сигнальная лампа Л-2/. Выждать 1-2 минуты.

5. Включить осциллограф в сеть 220 вольт. При этом на экране появится синусоида-график /развертка во времени/ напряжения, подаваемого на выход выпрямителя. Зарисовать ее.

6. Переключатель П-1 поставить в положение 2. На экране будет график напряжения при  однополупериодном выпрямлении. Зарисовать его.

7. Включить выключатель К1. На экране будет график напряжения при двухполупериодном выпрямлении. Зарисовать его.

8. Переключатель П-1 поставить в положение 3. Включить К2. На экране будет график напряжения при двухполупериодном выпрямлении сглаженного фильтром выпрямителя. Зарисовать и этот график.

Упражнение 2. Исследовать зависимость напряжения на выходе выпрямителя от силы выпрямленного тока.

1. Выключатели К1 и К2- в положение "включено".

2. Переключатель П-1 в положение 1.

3. Переключатель П-2 в положение 2. Нажав кнопку "КН", запи­сать показания миллиамперметра Iвыпр. и вольтметра Uвых.

Проделать то же самое для всех положений переключателя П-2 /кроме положения 1/. Значения сопротивлений нагрузки выпрямителя Рн, соответствующие различным положениям переключателя П-2, ур:азаны в таблице.

 По результатам измерений построить график зависимости Uвых.=f (Iвыпр. ) , откладывая по оси абсцисс значения Iвыпр., а по оси ординат Uвых.

Используя линейную часть графика, определить сопротивление выпрямителя Rвыпр. =.Его следует вычислить трижды для произвольно выбранных участков, лежащих на линейной части графика. За результат сопротивления выпрямителя взять среднее значение. Ре­зультаты измерений занести в, таблицу.

Таблица

  R ср.выпр.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Устройство и принцип действия кенотрона.

2. 06ьясните схему двухполупериодного кенотронного выпрямителя. 

3. Каков принцип действия сглаживающих фильтров?

4. Каковы параметры кенотрона? Что называется характеристикой кенотрона?

5. Как можно определить сопротивление выпрямителя?

6. Проанализируйте график зависимости Uвыпр.=f(Iвыпр.).

Большой  или малый ток выгоднее выпрямлять кенотронным . выпрямителем?

Лабораторная работа №2

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК

Цель работы:  изучение свободных колебаний маятника, определение ускорения свободного падения.

Оборудование: лабораторная установка, секундомер.

Основание к допуску

Иметь краткий конспект теоретической части и практического выполнения работы.

Знать порядок выполнения лабораторной работы.

Основание к зачету

Иметь оформленный отчет с расчетами в системе единиц «СИ» и заполненной таблицей.

Ответить на вопросы:

Что называется математическим маятником?

От чего зависит период колебаний математического маятника?

Что такое колебания?

Какие колебания называются гармоническими?

Записать дифференциальное уравнение гармонических колебаний. Каково его решение?

Краткая теория

Рассмотрим колеблющуюся механическую систему, положение которой может быть задано с помощью одной переменной, которую мы обозначим через «х». В этом случае потенциальная энергия системы будет функцией этой переменной, т.е. . Допустим, что эта система в процессе движения проходит положение устойчивого равновесия. В этом положении  имеет минимальное значение. Условимся величину «х» и потенциальную энергию отсчитывать от этого положения равновесия и тогда .

Разложим функцию  в ряд Тейлора по степеням «х»

.

Ограничиваясь малыми колебаниями, будем пренебрегать высшими степенями «х». Тогда учитывая, что ,  и обозначив , получим

.

Коэффициент  называется жесткостью. Эта величина является характеристикой системы в целом.

По определению, сила, действующая на систему,  и значит в нашем случае

.

Силы, определяемые по этой формуле, независимо от их природы, получили название квазиупругих сил.

Система, движущаяся под действием квазиупругой силы, называется одномерным гармоническим осциллятором.

По второму закону Ньютона, для одномерного гармонического осциллятора можно получить

.

Это выражение можно преобразовать к виду

,

где  - собственная частота колебаний системы.

Мы получили уравнение движения одномерного гармонического осциллятора. Его решение , где  - произвольные постоянные задаваемые начальными условиями.

Примером системы, совершающей гармонические колебания, является тело, подвешенное на длинной нити (маятник).

Период колебаний маятника определяется по приближенной формуле, пригодной только для малых амплитуд:

,                                                 (2.1)

где  I -  момент инерции маятника относительно оси колебаний,

       m  - масса маятника,

       d – расстояние от оси до центра масс маятника,

       g – ускорение свободного падения.

В настоящей работе проводится проверка соотношения (2.1) в случае, когда маятник можно приближенно считать математическим, т.к. масса маятника сосредоточена в области, размеры которой малы по сравнению с длиной маятника.

Исследуемый в данной работе маятник представляет собой стальной шарик радиусом R на бифилярном подвесе, тонкая нить проходит через центр масс шарика. Длина подвеса может регулироваться, период колебаний маятника с высокой точностью измеряется электронным секундомером (рис. 2).

Пренебрегая моментом инерции нити, ввиду его малости, запишем момент инерции маятника в виде

.                                   (2.2)

Соотношение (2.2) следует из теоремы Штейнера.

В первом приближении, с учетом того, что   d >> R   можно получить

.                                                         (2.3)

В этом приближении момент инерции определяется, очевидно, с небольшой относительной систематической погрешностью

                                                 (2.4)

которую в условиях опыта легко оценить. С учетом (2.3) период колебания маятника можно записать в виде

.                                                    (2.5)

Он, как и должно быть, совпадает с периодом колебаний математического маятника, длина которого равна d.

Из (2.5) можно найти выражение для ускорения свободного падения

. (2.6)


Изучение цепи переменного тока