Опыт 2. Спад тока в соленоиде

1. Выберите в списке работ программы «Практикум для ВУЗов», (кнопка ) сценарий «Измерение индуктивности соленоида. Спад тока через соленоид». Это загрузит инструментарий для обработки результатов опыта.

2. Не меняя схемы электрической цепи (рис. 6), верните в цепь соленоид с индуктивностью L₁. Измените настройки осциллографического датчика напряжения (кнопка ). Выберите однократный режим регистрации. Для регистрации заднего фронта сигнала при размыкании кнопочного выключателя требуется осуществлять запуск на заднем (спадающем) фронте напряжения. Поэтому в строке «характер сигнала» следует выбрать «убывание», а «уровень запуска» установить равным 1В, поскольку пока кнопка нажата напряжения на резисторе R₂ (канал №1) составляет не менее 3В. На самом деле в момент размыкании цепи питания напряжение на резисторе R₂ не только падает до нуля, но и меняет знак в силу того, что ток в катушке продолжает течь в том же направлении и замыкается через резистор R₂. Поскольку через резисторы R₂ и R течет одинаковый ток, напряжение на резисторе R₂ должно быть по модулю в R₂/R=10 раз больше, чем напряжение на резисторе R. Поэтому рекомендуется установить чувствительность Канала №1 равной 5 В/дел (это позволит регистрировать напряжение до 25В при той и другой полярности), а чувствительность канала №2 оставить прежней или повысить до 0,4 В/дел. После пробной регистрации эти параметры можно скорректировать. Начало регистрации (пункт «положение на экране») рекомендуется оставить на 1 делении от левого края экрана.

3. Включите источник тока, запустите регистрацию сигнала на компьютере, плавно нажмите на кнопочный выключатель и резко отпустите его. Зарегистрировав спадающие до нуля сигналы напряжения на обоих каналах, переходите к их обработке. Сигналы, регистрируемые обоими каналами после размыкания цепи питания и завершения выхода напряжения на резисторе R₂ на максимальный (по модулю) уровень отличаются лишь знаком и численным коэффициентом, поскольку являются напряжениями на последовательно соединенных резисторах разного номинала. Таким образом, они имеют одно и то же характерное время спада силы тока t. Выделите двумя маркерами участок для обработки и нажмите на рабочем поле кнопку «+» синего цвета, поскольку алгоритм обработки рассчитан на положительные значения напряжения (канал №2). При этом данные переносятся с выбранного участка в соответствующие ячейки вкладки «Таблица» (рис. 12).

Внимание! Для получения более достоверных значений характерного времени t убывания напряжения следует выделять маркерами интервал времени, соответствующий спаду напряжения на 90% от начального значения!

 

Рис.12

 

После помещения данных в Таблицу, перейдите на вкладку «График U(t)» и аппроксимируйте полученную экспериментальную зависимость теоретической , при этом программа подбирает (по методу наименьших квадратов) такой коэффициент В, при котором теоретическая кривая максимально точно описывает экспериментальные точки. Если подобранная кривая удовлетворительно описывает эксперимент, то можно считать, что В=t. По полученному значению t и измеренному в Опыте 1 значению R_L рассчитайте индуктивность соленоида L₁ и внесите ее в Отчет наряду с содержимым вкладки «График U(t)» (см. 3.Теоретическая часть. Второй способ).

4. Повторите измерения индуктивности L₂ (п.3) для второй катушки. Занесите исходную кривую с датчика и содержимое вкладок «Таблица» и «График U(t), а также вычисленное значения L₂ в Отчет.

5. Сравните значения индуктивностей, полученных для каждого из соленоидов в Опыте 1 и Опыте 2, в случае сильных расхождений найдите причину ошибки в измерениях или вычислениях.

Опыт 3. Соленоид в цепи переменного тока.

1. Соберите электрическую цепь, представленную на рис. 13. Для этого уберите из электрической цепи резистор 1 Ом и на его место установите резистор R =10 Ом. Подключите цепь к генератору синусоидального сигнала. Присоедините измерительные кабели осциллографического датчика напряжения так, чтобы на Канале №1 регистрировалось напряжение на катушке, а на Канале №2 – напряжение на резисторе. Для получения сигналов с правильным соотношением фаз необходимо, чтобы полярность подключения измерительных кабелей соответствовала «обходу контура», а именно, красный штекер канала №1 подключается к выводу соленоида, соединенного с генератором, синий штекер канала №1 и красный штекер канала №2 подключаются к общей точке соленоида и резистора, а синий штекер канала №2 – к выводу резистора, соединенного с генератором.

 

Рис. 13

 

2. Убедитесь, что ручка-регулятор выходного напряжения генератора («амплитуда») находится в крайнем левом положении (амплитуда выходного сигнала равна нулю) и включите генератор. Установите синусоидальную форму сигнала и множитель диапазона частот «100».

Внимание! Запрещается проводить какие-либо изменения в электрической цепи при отличной от нуля амплитуде выходного сигнала генератора. Перед выключением генератора необходимо плавно вывести на «0» амплитуду сигнала. Все это необходимо для предотвращения выхода из строя генератора за счет резкого повышения напряжения на катушке при отключении питания (см. Опыт 2).

 

3. В списке работ программы «Практикум для ВУЗов», (кнопка ) выберите «Измерение индуктивности соленоида. Соленоид в цепи переменного тока». Внесите на вкладку «Исходные данные» Окна обработки (кнопка ) значение сопротивления резистора R=10 Ом.

3. Настройте параметры регистрации сигналов осциллографом, выбрав однократный режим регистрации. Поскольку в Опыте 3 предстоит провести несколько экспериментов при частоте синусоидального напряжения от 500 до 5000 Гц, то для минимальной частоты можно выбрать развертку 1 мс/дел. Режим запуска по Каналу №1 должен соответствовать возрастанию сигнала и уровню 0,1 В. Положение начала регистрации на экране - 1 деление. Установив чувствительность каналов 1В/дел, поверните ручку изменения амплитуды сигнала на генераторе на 3-5 делений, и, нажав кнопку «Пуск» верхнего меню программы, зарегистрируйте пробную кривую. Для опытов достаточно амплитудного значения входного напряжения 5 В. Однако, если амплитуда сигнала по одному из каналов мала, то можно увеличить чувствительность канала до 0,3 В/дел, а выходное напряжение на генераторе до 10 В. При этом, возможно, придется уменьшить чувствительность по второму каналу до 5 В/дел.

При увеличении частоты в следующих опытах потребуются новые корректировки настроек осциллографа, в частности, необходимо будет уменьшать развертку вплоть до 0,1 мс/дел при 5000 Гц.

4. Зарегистрируйте сигналы по обоим каналам при частоте выходного сигнала генератора около 500 Гц. Установите два вертикальных маркера так, чтобы между ними оказалось целое (и возможно большее) число периодов колебаний (n). Для того, чтобы ввести в таблицу значение интервала времени t между маркерами, нажмите кнопку со знаком «+» красного цвета в правом верхнем углу поля осциллограммы. Количество колебаний n вводится в соответствующий столбец таблицы с клавиатуры, после чего автоматически рассчитывается циклическая частота w и заполняется соответствующая ячейка.

5. Нажмите кнопку . Этим действием Вы зафиксируете положение вертикальных маркеров и включите горизонтальные маркеры. Нажимая теперь правую (верхний маркер) и левую (нижний маркер) кнопки мыши, установите горизонтальные маркеры так (рис. 15), чтобы они отмечали максимальное и минимальное значение синусоидального сигнала на соленоиде (канал №1, красный цвет). Используя кнопку «+» красного цвета, соответствующую Каналу №1, перенесите амплитуду напряжения на соленоиде в соответствующую ячейку таблицы (U_L, В).

 

Рис. 14

 

6. Вернувшись в окно регистрации, переставьте горизонтальные маркеры так, чтобы отметить минимальное и максимальное значение напряжения на резисторе. Нажатие синей кнопки «+» приведет к заполнению ячейки «U_R» таблицы и автоматическому вычислению значения «U_L/U_R» в последней ячейке.

 

Рис. 15

7. Изменяя частоту колебаний напряжения на генераторе и повторяя процедуры п.п.4,5, заполните несколько строк таблиц, при 5-7 значениях частоты в диапазоне 500-5000 Гц.

8. Перейдя на вкладку F(w)=U_L/U_R (рис. 14), аппроксимируйте полученную зависимость прямой линией, соответствующей теоретической зависимости U_L/U_R=F(w) (см. Теоретическая часть. Третий способ). На основе подобранного компьютером углового коэффициента А в уравнении прямой рассчитайте индуктивность соленоида L₁. Занесите в Отчет одну из исходных осциллограмм, содержимое вкладок «Исходные данные», «Таблица» и «F(w)=U_L/U_R», а также полученное значение L₁.

9. Аналогично проведите определение индуктивности L₂ (пп. 4 - 7) для второго соленоида и занесите ее значение в Отчет.

10. Сведите вместе отчеты по трем способам определения индуктивностей и сравните данные полученные тремя способами. Измерьте длину намотки соленоидов и подсчитайте число витков медного провода (диаметр d =1 мм) в них, учитывая, что один соленоид содержит 3, а другой – 5 слоев намотки. Диаметр цилиндра, на который намотаны катушки, составляет 50мм. Рассчитайте индуктивность соленоидов по формуле бесконечно длинного соленоида. Сравните их с экспериментом и укажите возможные причины расхождений. Рассчитайте отношение индуктивностей соленоидов, полученных на основе данных эксперимента, и сравните его с отношением индуктивностей, рассчитанных на основе формулы для бесконечно длинного соленоида.

11. Найдите в интернете формулы для индуктивности реальных соленоидов, проведите по ним расчеты и сравните результаты с данными эксперимента.