Опыт 1. Нарастание тока через соленоид

1. Соберите цепь по схеме (рис. 7), соединив на установке проводами следующие элементы:

· Источник тока

· Кнопочный выключатель K

· Резистор R=1 Ом,

· Соленоид L

· Резистор R₂=10 Ом

К резисторам R₂ и R подключите измерительные кабели осциллографического датчика напряжения: Канал №1 (красная метка на кабеле) к резистору 10 Ом и Канал №2 (синяя метка на кабеле) к резистору, соединенному последовательно с соленоидом. Датчик соедините с USB-портом компьютера. Обратите внимание, что для фиксации положительного сигнала, следует соблюдать полярность подключения измерительных кабелей (красный штекер - к точке с большим потенциалом) на обоих каналах. Включите источник напряжения и установите на нем выходное напряжение 3-5В, а рукоятку регулирования тока поставьте в положение максимального тока.

Рис. 7

 

2. Запустите программу «Практикум для ВУЗов», сценарий «Измерение индуктивности соленоида. Нарастание тока через соленоид». Проведите пробную регистрацию, нажав в меню программы кнопку «Пуск». Плавно нажав на кнопку выключателя, зафиксируйте его конечное положение. Рост напряжения должен наблюдаться на первой половине осциллограммы, в конце осциллограммы кривая напряжения должна выходить на стационарное значение. Если зарегистрировать сигнал правильным образом не удается (регистрация не запускается, кривая нарастания напряжения на резисторе R не достигает на экране постоянного уровня, или сигнал не соответствует размеру экрана по вертикали), то проверьте (и в случае необходимости измените) настройки, нажав на экранную кнопку , и открыв тем самым окно настроек осциллографического датчика. Основные исходные настройки осциллографического датчика приведены на рис. 8. Указанные значения параметров означают, что регистрация данных начнется, как только уровень сигнала в канале №1, возрастая, превысит значение 0.3В. При этом момент запуска на экране будет смещен вправо на одно деление вправо от начала развертки.

 

Режим работы – однократный Развертка – 1мс/дел. Канал для запуска – Канал №1 Уровень запуска – 0.3В Характер сигнала - возрастание Положение на экране – 1 (деление) Чувствительность канала – 1 В/дел (для обоих каналов)

Рис. 8

 

Помимо плавного роста напряжения на резисторе R, показывающего изменение силы тока через катушку, на экране должно быть записано очень резкое изменение напряжения на резисторе R₂.

4. Используя желтый вертикальный маркер (устанавливается в месте, обозначенном указателем мыши при нажатии левой клавиши мыши), измерьте по осциллограмме максимальное значение напряжение U_{R макс} на резисторе R и U_{R2 макс} на резисторе R₂. Занесите значение U_{R макс} в таблицу «Исходные данные» Окна обработки (вызывается кнопкой , рис. 9).

 

Рис. 9

U_{R2 макс} используйте для вычисления омического сопротивления соленоида R_L. Поскольку резистор R₂ соединен параллельно с участком, содержащим соленоид и резистор R, выполнены уравнения:

U_{R2 макс}= U_{R макс}+ U_{L макс}

U_{R макс}= I₀R,

или:

U_{R2 макс} = I₀ R+ I₀ R_L = U_{R макс} + I₀ R_L

Исключая из последнего уравнения значение максимального тока, получите расчетную формулу для омического сопротивления соленоида в виде:

R_L = R (U_{R2 макс} - U_{R макс})/ U_{R макс}

5. Рассчитанное значение R_L внесите в Отчет. Оно понадобится для дальнейших расчетов. Для открывания окна формирования Отчета воспользуйтесь кнопкой .

 

Рис. 10

В нужном месте файла «Отчет», установите курсор мыши, вызовите меню формирования отчета правой кнопкой мыши и, далее, выбирайте в выпавшем меню опции «Данные» или «График U(t)» (рис. 10)

6. Выделите маркерами растущий участок осциллограммы на резисторе R. Для этого установите желтый вертикальный маркер на правую границу выбранного участка, а зеленый маркер – на левую границу (зеленый маркер устанавливается при нажатии правой клавиши мыши). Нажмите кнопку в правом верхнем углу поля графика, тем самым Вы перенесете его на вкладку «Таблица» Окна обработки. После этого, перейдя на вкладку «График U(t)» Окна обработки (рис. 9), убедитесь, что график соответствует исходной кривой нарастания напряжения.

 

Внимание! Для получения более достоверных значений характерного времени t нарастания напряжения следует выделять маркерами интервал времени, соответствующий значениям напряжений от U_R=0 до U_R=0,9U_{R макс}!

 

Проведите аппроксимацию экспериментальной зависимости графиком функции вида U(t)=U_макс(1- exp(-t/t)) (кнопка на вкладке «График U(t)»)

7. Из уравнения подобранного компьютером графика, отражающего ход экспериментальной кривой, определите значение t и занесите его в Отчет. На основе полученного значения t рассчитайте индуктивность соленоида L₁. Полученное значение так же внесите в Отчет.

8. Вернувшись в окно регистрации данных и воспользовавшись вертикальными зеленым и желтым маркерами, оцените значение t _1/2 (При установке на осциллограмме двух вертикальных маркеров в верхней части экрана появляется значение времени t между ними). Внесите его в Отчет, вычислите с его помощью значение t и сравните его со значением на основе обработки графика U(t). Отметьте в Отчете, какой из способов дает более точное значение t.

Перенесите в отчет исходную осциллограмму и содержание вкладки «График U(t)» и полученные значения индуктивности.

9. Измерьте аналогичным образом (п.2-8) значение индуктивности L₂ второго соленоида, подключив его в схеме (рис. 6) вместо исходного соленоида, и внесите значение L₂ в Отчет вместе с полученным второй раз содержанием вкладки «График U(t)». При повторном пуске компьютер запросит разрешение на стирание данных из заполненной таблицы (рис.11). Если Вы перенесли все данные вкладок в Отчет, следует нажать кнопку «Да».

Рис.11