Электричество и магнетизм (стр. 23 из 24)

4. Каков сдвиг фаз между током и напряжением, если в цепи есть только активное сопротивление; покажите это с помощью векторной диаграммы.

5. Каков сдвиг фаз между током и напряжением, если в цепи есть только индуктивность или емкость; покажите это с помощью векторной диаграммы.

6. Как объяснить зависимость индуктивного и емкостного сопротивления от частоты переменного тока?

7. Как объяснить прохождение тока через конденсатор?

8. Ввести понятия эффективного значения тока и напряжения.

9. Вывести формулу закона Ома с помощью векторной диаграммы.

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

22. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

23. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.

24. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.

25. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

26. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

27. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. –М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001

28. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.

29. Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм – М.: Наука, 1971.

30. Физический пракимкум. Электричество. Под редакцией В.И. Ивероновой. – М.: Наука, 1968.

31. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965.

32. Руководство к лабораторным занятиям по физике. Под редакцией Л.Л. Гольдина, - М.: Наука, 1983.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

ИЗУЧЕНИЕ ЗАТУХАЮЩИХ КОЛЕБАНИЙ

Цель работы:

Получить и наблюдать с помощью осциллографа затухающие электромагнитные колебания, определить логарифмический декремент затухания и его зависимость от параметров колебательного контура.

Идея эксперимента

Для возбуждения колебаний в контуре используется метод электрического удара: в цепь колебательного контура на конденсатор подаётся короткий электрический импульс, он заряжает конденсатор, и в цепи возникают затухающие колебания. В качестве источника электрических импульсов используется пилообразное напряжение генератора развёртки осциллографа. Для получения на экране осциллографа кривой U(t), можно воспользоваться схемой на рис. 1. На пластины осциллографа подается сигнал U пропорциональный току в контуре. Реле К 1-2 попеременно подключает конденсатор то к источнику импульсов, то к колебательному контуру, поэтому на экране осциллографа видна устойчивая картина (рис. 2). При этом условие синхронизации двух процессов - развёртки и затухающего колебания - выполняется автоматически, так как частота следования импульсов связана с частотой развёртки.

Теоретическая часть

Реальный колебательный контур

Замкнутая цепь, состоящая из катушки индуктивности и ёмкости, образует колебательный контур. Реальный колебательный контур обладает сопротивлением. Колебания в контуре можно вызвать, сообщив обкладкам конденсатора некоторый начальный заряд, либо возбудив в индуктивности ток, например, путём выключения внешнего магнитного поля, пронизывающего витки катушки.

Рассмотрим цепь, изображённую на рис.1. Если зарядить конденсатор от источника тока ε (ключ К в положении I), а затем замкнуть конденсатор на

индуктивность (т.е. перебросить ключ в положение 2), то конденсатор начнёт разряжаться, по цепи пойдёт убывающий ток. В результате энергия

электрического поля будет убывать, но зато возникает всё возрастающая энергия магнитного поля, обусловленного током, текущим через индуктивность. В катушке возникает э.д.с. самоиндукции, направленная так, чтобы поддержать ток. Поэтому в момент, когда напряжение на конденсаторе обратится в нуль, ток достигнет наибольшего значения.

Далее ток течёт за счёт э.д.с. самоиндукции и перезаряжает конденсатор, но уже до меньшего напряжения, так как часть энергии выделяется в виде джоулева тепла на сопротивлении R Затем те же процессы протекают в обратном направлении, после чего система приходит в исходное состояние.

Таким образом, в колебательном контуре периодически изменяются (колеблются) заряд на обкладках конденсатора, напряжение на конденсаторе и сила тока, текущего через индуктивность. Колебания сопровождаются взаимными превращениями энергии электрического и магнитного полей.

На основании закона Ома

, (1)

где U - напряжение на конденсаторе, ε_i - э.д.с. самоиндукции.

;

, (2)

так как q=UC. Знак "минус" указывает, что положительным считается то направление тока, которое соответствует убыли заряда на конденсаторе. Из формул (2) находим:

. (3)

Из соотношений (I), (2) и (3) получается дифференциальное уравнение затухающих колебаний:

. (4)

Введём обозначения: ω₀= (1/LC)^1/2 - циклическая частота собственных колебаний контура без затухания, β= R/2L коэффициент затухания. Тогда уравнение (4) можно записать в виде:

. (5)

Решением этого уравнения будет выражение:

(б)

где

(7)

циклическая частота свободных колебаний контура. Из уравнения (6) следует, что напряжение на конденсаторе со временем изменяется по гармоническому закону. Амплитуда колебаний

убывает со временем по экспоненциальному закону. Вид затухающих колебаний представлен на рис. 2. Период колебаний выражается формулой:

. (8)

Если R достаточно мало по сравнению с L , то членом R²/4L² можно пренебречь, и (8) переходит в формулу Томсона:

. (9)

Для характеристики затухания колебаний служит логарифмический декремент затухания – натуральный логарифм отношения двух амплитуд, отстоящих друг от друга по времени на один период.

, (10)

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 3. Емкость С,

индуктивность L и сопротивление R образуют колебательный контур. Колебания в контуре наблюдаются с помощью осциллографа. Для возбуждения колебаний служит генератор импульсов, присоединенный к контуру через конденсатор C₁.

Конденсатор контура получает некоторый начальный заряд. В промежутках между импульсами в контуре совершаются свободные колебания, описываемые уравнением (5). Затухание колебаний определяется потерями энергии в катушке индуктивности L и сопротивлении R

Изучение зависимости логарифмического декремента затухания от ёмкости

1. Собрать цепь по схеме (рис. 3), включив конденсатор электроёмкостью С= 13600 пФ.

2. Установить на магазине индуктивностей L = 100мГн и на магазине сопротивлений R = 200 Ом.

3. После проверки цепи включить осциллограф в сеть, добиться, чтобы на экране осциллографа было устойчивое изображение одного цуга затухающих колебаний.

4. Измерить несколько амплитуд затухающих колебаний, отстоящих на один период друг от друга.

5. Найти отношения A₁/A₂, А₂/А₃, А₃/А₄, вычислить среднее значение этих отношений и найти среднее значение логарифмического декремента затухания для данного контура по формуле (10).

6. Выразить логарифмический декремент затухания (11) через параметры R , L , С и вычислить его. Сравнить полученный результат с экспериментальным.

7. Заменить в схеме конденсатор на С = 6800 пФ и повторить все измерения и вычисления.

8. Сравнить значения δ при разных С и сделать вывод.

Изучение зависимости логарифмического декремента затухания от индуктивности

1.Включить конденсатор С = 13600 пФ, магазин индуктивностей на 100 мГн, магазин сопротивлений на 200 Ом.

2.Произвести все измерения и вычисления, обозначенные в пунктах 3-6 предыдущего задания.

3.Включить магазин индуктивностей на 50 мГн, повторить все измерения и вычисления.

4.Сравнить логарифмические декременты при разных L, сделать вывод.

Изучение зависимости логарифмического декремента затухания от сопротивления контура

1. Включить конденсатор С= 13600 пФ, магазин индуктивности на 100 мГн.

2. Меняя сопротивление контура через каждые 100 Ом, получить затухающие колебания, измерить амплитуды колебаний, вычислить для каждого случая логарифмические коэффициенты затухания.