Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский государственный технический университет

Лысьвенский филиал

Кафедра естественнонаучных дисциплин

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Методические указания по выполнению лабораторных работ

для всех специальностей и направлений обучения

Лысьва – 2006г.

Составил: А.Н.Селиванов. Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Физика. Электричество магнетизм», 69 с.

Утверждено на заседании кафедры ЕН

« » 2006г.

Зав. кафедры ЕН доцент А.В. Волков

Практикум включает в себя 11 лабораторных работ. В начале каждой работы даны краткие теоретические сведения, а в конце – вопросы для самоконтроля. Приведен порядок выполнения работ.

Практикум предназначен для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения. Студенты всех форм обучения выполняют лабораторные работы в пределах учебной нагрузки.

Лысьвенский филиал

Пермский государственный

технический университет,

2006г

Содержание

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 Изучение электронного осциллографа 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 Моделирование электрических полей 17

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 Измерение диэлектрической проницаемости 25

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Изучение петли гистерезиса сегнетоэлектрика 29

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 Исследование кривых гистерезиса ферромагнетиков с помощью осциллографа 33

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 Скин – эффект в переменном магнитном поле 41

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7 Вихревое электрическое поле 49

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 Магнитные поля земли и постоянного магнита 56

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9 Определение работы выхода электронов 60

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 Магнитное поле токовых систем 67

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11 Измерение магнитной проницаемости 74

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12 Изучение работы гальванометра в режиме амперметра и вольтметра 78

Лабораторная работа №1 Изучение электронного осциллографа

Цель работы: ознакомиться с принципом действия и эксплуатацией электронного осциллографа и генератора ГСФ-2, научиться производить измерения с помощью осциллографа.

Приборы и принадлежности: лабораторный комплекс ЛКЭ–2(6): электронный осциллограф С1-112А, генератор синусоидальных сигналов ГСФ–2, блок «Поле в веществе», соединительные провода.

Устройство и принцип действия осциллографа

Электронный осциллограф (ЭО)- прибор, предназначенный для изучения разнообразных переменных электрических процессов. Помимо качественной оценки исследуемых процессов осциллографы дают возможность оценить ряд величин (напряжение сигнала, фазу, частоту и др.) количественно.

Достоинствами электронного осциллографа являются его высокая чувствительность, малая инерционность и большое входное сопротивление. Последнее достоинство исключает влияние прибора на режим работы цепей, к которым он подключается. Питается осциллограф, как правило, от сети переменного тока (~220 В).

ЭО состоит из следующих узлов и блоков (функциональная схема ЭО представлена на рис. 1.1): электронно-лучевой трубки (ЭЛТ); блока питания; усилителей сигналов каналов Х и У и аттенюатора (делителя напряжения); генератора развертки (пилообразного напряжения); блока синхронизации; калибратора.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) - основная часть прибора (на экране трубки наблюдается исследуемый сигнал). ЭЛТ представляет собой (рис. 1.2) вакуумную колбу 10, внутри которой впаяны электроды различного назначения.

Одна группа электродов образует так называемую электронную пушку, создающую электронный луч, направленный вдоль оси ЭЛТ. К этим электродам относятся следующие:

• катод 2, нагреваемый с помощью нити накала 1. Эмиссия электронов происходит с торцевой поверхности катода, покрытого слоем окисла с малой работой выхода электронов;

• управляющий электрод (модулятор) 3, на который подается отрицательный относительно катода потенциал. Величина этого потенциала с помощью потенциометра R₁ может изменяться, что приводит к изменению яркости пятна на экране 8 (чем меньше по абсолютной величине потенциал, тем больше пройдет через модулятор в единицу времени электронов и тем ярче будет пятно);

• первый анод 4. выполненный в виде цилиндра, внутри которого расположено несколько диафрагм с отверстиями в центре;

• второй анод 5 - более короткий цилиндр с отверстием в центре.

На оба анода подаются положительные относительно катода потенциалы (на анод 4  500 В. на анод 5  3000 В), а потому они являются ускоряющими элементами (сообщают электронам ускорение и большую скорость). Кроме того, они совместно с модулятором 3 формируют здесь электрическое поле. Результирующее электрическое поле электродов 3, 4 и 5 оказывается таким, что электроны, двигаясь вдоль силовых линий, фокусируются на экране. Регулировка фокусирующего действия осуществляется потенциометром R_3.

К другой группе электродов относятся:

• вертикально отклоняющие пластины 6. Именно на них подается, как правило, после усиления исследуемое напряжение;

• горизонтально отклоняющие пластины 7. На них обычно подается напряжение с генератора развертки (см. ниже);

• третий анод 9, соединенный с электродом 5 и играющий вспомогательную роль.

Для понимания принципа действия осциллографа очень важно понять действие вертикально-отклоняющих пластин (ВОП). Как уже сказано, именно на них подается исследуемое напряжение U.

Следовательно, между пластинами имеет место электрическое поле (рис. 1.3), напряженность которого в любой момент времени определяется равенством

,

где d - расстояние между пластинами.

Пусть электрон со скоростью ₀ влетает в это поле вдоль оси Z. Очевидно, что координата Z связана с временем соотношением:

Z = ₀ t. (1.1)

Вдоль оси Y электрон будет двигаться с ускорением:

(1.2)

где e и т - заряд и масса электрона соответственно. Следовательно,

(1.3)

Исключая из (1.1) и (1.3) время, найдем

(1.4)

Это означает, что электрон между пластинами движется по параболе.

При выходе из поля ВОП электрон будет двигаться вдоль прямой MN (касательной к параболе), давая в точке N экрана вспышку. Можно показать, что отклонение h электрона на экране трубки пропорционально подаваемому напряжению U (см. формулы (1.4) и (1.1)), т.е. , где с  постоянная для данной трубки величина, называемая чувствительностью трубки - отклонение луча при подаче на ВОП напряжения, равного 1В ().

Так как напряжение, подаваемое на ВОП, чаще всего является переменным, то, естественно, под влиянием поля электронный луч отклоняется вертикально на величину 2h.

Целью настоящей лабораторной работы является получение навыков проведения измерений с помощью электронного осциллографа С1–112А, который используется для проведения различных измерений в нескольких лабораторных работах. Кроме того, в лабораторных работах применяется генератор сигналов ГСФ–2 в качестве источника сигналов различной частоты и формы и частотомера. Поэтому ознакомимся детально с органами управления и их назначением этих приборов.

Органы управления и подключения осциллографа С1–112А

На рис. 1.4 показано расположение органов управления на передней панели осциллографа С1–112А.

Назначение органов управления, настройки и подключения осциллографа (используемых в лабораторных работах) с указанием исходного положения приведено в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Органы управления, настройки и подключения	Назначение	Исходное положение
Кнопка «POWER» или «MAINS»	Включение прибора	не нажата
Переключатель «OSCILLOSCOPE/ MULTIMETER»	Переключение режимов работы прибора- «осциллограф/мультиметр»	нажата
Ручка «  »	Регулирование фокусировки	среднее
Ручка « ☼ »	Регулирование яркости	Крайнее левое
Переключатель « ≂/»	Установка открытого и закрытого входов КВО	≂ нажата
Переключатель «V/DIV»	Установка коэффициентов отклонения по вертикали	«1»
Переключатель «TIME/DIV»	Установка коэффициентов развёртки по горизонтали	«2»
Переключатель «ms/s»	Грубое переключение коэффициентов развёртки	«ms» не нажата
Переключатель «»	Переключение полярности запускающего сигнала	не нажата
Переключатель «INT/EXT»	Переключение режима синхронизации	«INT» нажата
Переключатель TV/NORM	Переключатель режима запуска развёртки	«NORM» не нажата
Ручка LEVEL	Установка уровня запуска развёртки	среднее
Гнездо « »	Вход Y осциллографа
Гнездо « » Находится в правом нижнем углу передней панели под ручкой LEVEL	Вход X осциллографа
Гнездо «  »	Шасси прибора

Органы управления и подключения генератора ГСФ–2

Генератор ГСФ–2 содержит 4 функциональных блока:

• частотомер-таймер Ч–Т;

• задающий генератор ГЕН;

• усилитель низкой частоты УНЧ;

• источник постоянного напряжения ИПН.

Эти блоки могут работать совместно или независимо. Органы управления блоками сгруппированы на передней панели ГСФ. Вид на переднюю панель прибора приведен на рис. 1.5.

Общие органы управления и подключения

"СЕТЬ" -тумблер включения питания. Сетевые предохранители на 0,5А установлены на задней панели прибора.

ЧАСТОТОМЕР-ТАЙМЕР

Таймер измеряет параметры сигнала произвольной формы амплитудой от 0,1 В до 20 В в диапазоне частот от 0,1 Гц до 100 кГц.

"ВХ1"-"ОБЩ" - гнезда входного сигнала таймера.

H1 - 4-разрядный индикатор Ч-Т.

"мс-Гц-кГц" - переключатель режима работы и диапазонов Ч-Т.

В режиме "мс" Ч-Т измеряет период сигнала с разрешением 1 мс. Цена единицы младшего разряда индикатора равна 1мс.

В режиме "Гц" Ч-Т измеряет частоту сигнала с разрешением 1 Гц. Цена единицы младшего разряда индикатора равна 1 Гц.

В режиме "кГц" Ч-Т измеряет частоту сигнала с разрешением 1 Гц. Цена единицы младшего разряда индикатора равна 10 Гц (0,01 кГц).

"ГЕН-ВНЕШ" - выбор источника сигнала: задающий генератор ГСФ или внешний источник, подключенный к гнездам "ВХ1-0БЩ".

ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР

- переключатель формы вырабатываемого сигнала.

"ЧАСТОТА" - группа органов управления частотой сигнала:

"1-Гц-4" - установка номинальной частоты;

"-5-%-+5" - подстройка частоты в пределах ±5%;

"МНОЖИТЕЛЬ" - тумблеры переключения диапазонов частоты. Левый и средний тумблеры - на два положения, правый на три положения. Номинальная частота сигнала равна произведению показаний ручки установки частоты на множители, соответствующие установленным состояниям тумблеров.

Минимальная частота 1Гц×1×1×1 = 1 Гц.

Максимальная частота 4Гц×З×10×Ю⁴ = 1200 кГц

"ШИМ" – «Широтно-импульсная модуляция» – вход управления скважностью прямоугольного сигнала. Входное напряжение в пределах ±10В изменяет отношение длительности положительного импульса к периоду в пределах от 0,2 до 0,8.

Входное сопротивление 30 кОм.

"ЧМ" – «Частотная модуляция» – вход управления частотой сигнала. Входное напряжение в пределах ±10 В изменяет частоту в пределах ±65% от номинальной. Входное сопротивление 30 кОм.

"ГЕН" – гнездо выхода задающего генератора. Амплитуда 1В, выходное сопротивление 50 Ом.

Напряжения "ШИМ", "ЧМ" и "ГЕН" задаются относительно гнезд "ОБЩ". Все гнезда "ОБЩ" соединены между собой.

Усилитель

«  – 0 – = » - переключатель входного сигнала. В режиме «  » к основному входу усилителя подключен задающий генератор. В режиме « = » к основному входу усилителя подключен ИПН. В режиме « 0 » к основному входу усилителя ничего не подключено.

"20В - 1А" - переключатель вида выходного сигнала. В режиме "20В" усилитель является источником напряжения с максимальной амплитудой 20В. В режиме "1А" усилитель является источником тока с максимальной амплитудой 1А.

"АМПЛИТУДА 0-1" регулятор усиления. При работе от задающего генератора амплитуда на гнезде "ВЫХ" равна показанием ручки "АМПЛИТУДА", умноженным на 20В или 1А, в зависимости от вида выходного сигнала.

"ВХ2" - дополнительный вход усилителя. В режиме "20В" коэффициент усиления с этого входа равен 2, в режиме "1А" коэффициент преобразования сигнала равен 1А/1В и не регулируется. Входное сопротивление 50 кОм. Сигнал, поданный на "ВХ2", складывается с сигналом, поступающим на основной вход.

"ВЫХ" - выход усилителя (относительно гнезд "ОБЩ").

"ТОК" - выход датчика тока - сигнал с резистора номиналом 1,0 Ом, включенного последовательно с нагрузкой.

"ИПН" "-10-В-10" - регулировка выходного напряжения ИПН в пределах от -10В до +10В.

"ИПН-ОБЩ" - гнезда выхода ИПН. Максимальный ток нагрузки 40 мА.