III. Порядок проведения экспериментальных измерений.

Для проведения лабораторной работы предстоит собрать электрическую цепь по схеме, представленной на рис.5.

Рис 5. Схема электрической цепи экспериментальной установки

1. Внешние витки; 2- соленоид; 3- внутренние витки; 4- генератор сигналов; 5- осциллограф; 6- коммутатор витков; b- магнитный поток.

Внимание: первые 4 положения ручки коммутатора (если отсчёт вести по часовой стрелке) соответствуют подключению внутренних витков а остальные 4- внешних витков; кроме того, необходимо иметь в виду что для облегчения ориентирования в схеме и витки и соответствующие им коммутирующие проводники окрашены в различные цвета- чёрный, жёлтый, коричневый, красный (отсчёт вести в той же последовательности).

Рис. 6 Лабораторная установка в собранном виде

1- осциллограф, 2- генератор сигналов, 3- монтажный проводник (генератор- коммутатор витков), 4- туба с внутренними витками, 5- коммутатор витков, 6- подводка к осциллографу, 6-монтажный проводник (коммутатор витков- осциллограф), 7- пластина с внешними витками, 8- соленоид.

Для монтажа цепи и проведения лабораторных исследований используются следующие приборы и устройства.

1. Осциллограф универсальный С1-77 (рис.7).

Рис.7 Внешний вид осциллографа С1-77

Осциллограф универсальный С1-77 предназначен для исследования формы электрических сигналов в диапазоне частот 0 - 10 Мгц, измерения размахов в диапазоне от 0,01 до 200 В и временных интервалов от 0,1 * 10^-6 до 0,4 с.

Наличие двух каналов вертикального отклонения обеспечивает одновременное исследование двух сигналов на одной развертке.

2. Генератор сигналов низкочастотный Г3-112/1 (рис. 8).

Рис.8 Внешний вид генератора сигналов Г3-112/1

1. переключатель сетевого питания; 2- входное гнездо для внешнего синхронизирующего сигнала; 3- индикатор плавной перестройки частоты сигнала; 4- привод перестройки частоты сигнала; 5- переключатель поддиапазонов частот; 6- тумблер переключения режимов работы генератора (синусоидальный или прямоугольный сигнал); 7-аттенюатор (ослабитель) с положениями дискретного ослабления выходного уровня сигнала; 8- выходное гнездо синусоидального или прямоугольного сигналов; 9- привод плавной регулировки выходного уровня синусоидального или прямоугольного сигналов.

Генератор сигналов низкочастотный Г3-112/1 представляет собой источник синусоидального и прямоугольного сигнала и предназначен для исследования, настройки и испытаний систем и приборов, используемых в радиоэлектронике, связи, автоматике, вычислительной и измерительной технике а также приборостроении.

3. Цилиндрический тубус с внутренними витками (расположены на торце), рис. 8-а.

Рис.8-а. Внешний вид тубуса с витками

5. Пластина с внешними витками, рис.8-б.

Рис.8-б. Внешний вид пластины с витками

5) Штангенциркуль (рис.8-в).

Рис.8-в. Внешний вид штангенциркуля

6) Набор монтажных проводов.

Схема экспериментальной установки позволяет с помощью коммутатора 6 подключить попеременно один из четырех витков 3, находящихся на торцевой поверхности тубуса, помещаемого внутрь соленоида 2 или один из четырех внешних витков 1, смонтированных на пластинке, надетой на соленоид. Генератор 4 вырабатывает синусоидальное напряжение, поэтому через соленоид протекает синусоидальный ток. Возникает переменное магнитное поле, создающее переменный поток через виток. В витке возникает переменный ток индукции, который создает переменное напряжение на реисторе В. Это напряжение (равное ЭДС индукции) подается на вход «Y» осциллографа 5 (см. рис.5,). Таким образом, можно исследовать поле внутри и вне соленоида.

Если ток в катушке равен I(t)=I_mcos(ωt), тогда поток через виток будет Ф = µ₀InS_витка = µ₀nπr_i²I_mcos(ωt) (здесь r_i —радиус витка, (ωt)- частота сигнала, вырабатываемого генератором). Следовательно, возникаю­щая в витке ЭДС индукции в любой момент времени имеет вид:

ε = -µ₀nπr_i² ωI_m sin(ωt), (3)

где ε = -µ₀nπr_i² ωI_m — амплитудное значение ЭДС индукции.

Из (3) видно, что амплитудное значение ЭДС индукции, возникающей во внутреннем витке прямо пропорциональна квадрату радиуса витка.

На экране осциллографа можно наблюдать, что амплитуда напряжения на сопротивлении R возрастает с пере­ходом на витки большего радиуса. Это является доказательством однород­ности магнитного поля внутри соленоида в любой момент времени.

Для внешних витков весь поток (так же, как и все его изменения) нахо­дится только внутри соленоида т. к. поле вне соленоида равно нулю. Поэто­му ЭДС индукции во внешнем витке не должна зависеть от радиуса. Это видно на экране осциллографа при коммутации внешних витков.

Для проведения лабораторного эксперимента необходимо выполнить следующие пункты:

1) собрать электрическую цепь в соответствии со схемой, изображённой на рис.5, рис.6 с включением в неё всех необходимых приборов;

2) с помощью штангенциркуля измерить и записать в таблицы №1-а, №1-б, №1-в, и №1-г диаметры 4-х внутренних витков (расположены на торцевой поверхности тубуса) d₁, d₂, d₃, d₄ в миллиметрах;

3) переключатель коммутатора установить в положение d₁;

4) на лицевой панели генератора переключатель «множитель» установить в положение «10» а переключатель «Вид сигнала» установить в положение «Синусоидальный» (знак ~ );

5) вращением рукоятки регулятора задать частоту электрического сигнала: f₁, f₂, …. f₉, f₁₀ (т.е. увеличивая частоту от 100 до 1000 Гц) а затем отключить генератор, снова включить его и продолжить эксперимент: f₁₀, f₉,… f₂, f₁ (т.е. уменьшая частоту от 1000 до 100 Гц); при этом требуется на каждом режиме определить амплитуду индуцированной ЭДС в витке (определяется по величине максимального отклонения луча на экране осциллографа в делениях);

6) повторить эксперименты по пункту 5 для диаметров витков d₂, d₃, d₄;

7) зафиксировать определённую частоту f сигнала генератора и снять величину ЭДС при включённом в схему витке диаметром d₁, d₂, d₃, d₄;

7) систематизировать полученные результаты в виде таблицы №1-№4 а затем обработать их на компьютере;

Таблица №1-а

Таблица для записи экспериментальных измерений

D1=
Увеличение частоты		Уменьшение частоты
f, Гц	ε,дел	f, Гц	ε,дел
100		1000
200		900
300		800
400		700
500		600
600		500
700		400
800		300
900		200
1000		100

Таблица №1-б

Таблица для записи экспериментальных измерений

d2=
Увеличение частоты		Уменьшение частоты
f, Гц	ε,дел	f, Гц	ε,дел
100		1000
200		900
300		800
400		700
500		600
600		500
700		400
800		300
900		200
1000		100

Таблица №1-в

Таблица для записи экспериментальных измерений

d3=
Увеличение частоты		Уменьшение частоты
f, Гц	ε,дел	f, Гц	ε,дел
100		1000
200		900
300		800
400		700
500		600
600		500
700		400
800		300
900		200
1000		100

Таблица №1-г

Таблица для записи экспериментальных измерений

d4=
Увеличение частоты		Уменьшение частоты
f, Гц	ε,дел	f, Гц	ε,дел
100		1000
200		900
300		800
400		700
500		600
600		500
700		400
800		300
900		200
1000		100