Lab_prakt_Elektrichestvo (1)

Лабораторный практикум по физике

5..Объясните влияние внешнего электрического поля на свойства р - n -перехода.

6.Как токи основных и неосновных зарядоносителей зависят от напряжения на выпрямителе?

7.Как вычисляется коэффициент выпрямления?

8.Почему при больших обратных напряжениях на диоде величина его обратного тока резко возрастает?

Лабораторная работа № 17

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Цель работы: измерение чувствительности осциллографа, наблюдение осциллограмм переменного тока, получение фигур Лиссажу.

Приборы и оборудование: генератор звуковых частот, осциллограф, вольтметр.

Основы теории

Назначение электронного осциллографа

Осциллографы предназначены для исследования переменных электрических процессов длительностью от 10-1 до 10-9 с. С помощью осциллографа можно измерять силу тока и напряжение, исследовать их зависимость от времени, измерять сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при использовании соответствующих преобразователей позволяет исследовать быстро протекающие неэлектрические процессы.

К достоинствам электронного осциллографа, как измерительного прибора, следует отнести его высокую чувствительность, малую инерционность действия, возможность визуального наблюдения и фотографирования кривых, отражающих развитие процессов во времени.

Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка.

Устройство электронно-лучевой трубки

Электронно-лучевая трубка изготавливается в виде колбы, давление остаточных газов в которой приблизительно равно 10-6 мм рт. ст. Внутри трубки находятся устройства для получения электронного луча и управления его движением, а также экран, на котором электронный луч оставляет светящийся след. Различают трубки с электромагнитным и электростатическим отклонением электронного луча. Принципиальная схема электронно-лучевой трубки с электростатическим отклонением приведена на рис.1. Она используется в осциллографах.

54	СГАСУ кафедра физики 2005

Электричество и магнетизм

Рис. 1 Система электродов (1-5), расположенных в вакуумной колбе 6, позволяет получить узкий

пучок электронов, источником которых служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Пройдя через систему управляющих электродов (3 – регулирует яркость, 4, 5 – является первым и вторым анодом), электронный пучок попадает в пространство горизонтально (ХХ) и вертикально (YY) отклоняющих пластин, после чего – на экран 7 осциллографа оставляя на нем светящийся след. Основу покрытия экрана составляет ZnS c малыми добавками Ag или Mn.

Между катодом 2 и первым анодом 4 приложено напряжение до нескольких тысяч вольт. На этом участке движения электроны ускоряются до больших скоростей. Управляющий электрод 3 выполнен в виде цилиндра с небольшим отверстием в донышке. На электрод 3 от потенциометра «яркость», выведенного на панель осциллографа, подается отрицательное, относительно катода, напряжение (см. рис. 1) величиной в несколько десятков вольт, что приводит к уменьшению количества электронов, проходящих через отверстие, а следовательно, и к уменьшению яркости на экране трубки. Система двух анодов (электроды 4 и 5) служит для фокусировки электронного луча. Изменяя разность потенциалов между первым (4) и вторым (5) анодами, можно сфокусировать электронный луч на экране трубки в ярко светящуюся точку.

Для выяснения фокусирующего действия системы двух анодов рассмотрим рис 2, на котором изображена только одна силовая линия, образованная этими анодами. Система силовых линий будет располагаться симметрично относительно оси трубки. Силовые линии выходят из второго анода, так как его потенциал выше потенциала первого анода (см. схему включения анодов на рис.1).

	F2	F
Силовая		Траектория
		электрона
линия
M	F1 N	F1
F2	F	ЭКРАН

Рис.2Рис. 2

Рассмотрим влияние электрического поля анодов на траекторию движущихся электронов. Электроны подлетают к первому аноду расходящимся пучком. На электрон, попадающий в

электрическое поле анодов, действует сила F E , касательная к силовой линии (e–заряд

электрона, E – напряженность электрического поля).

Разложим силу F (см. рис.2), действующую на электрон в точке M, на две составляющие:

продольную силу F1 , которая ускоряет движение электрона в трубке, и поперечную			F2 ,
		СГАСУ кафедра физики 2005	55

Лабораторный практикум по физике

отклоняющую электрон к оси. Аналогичные силы действуют на электрон в точке N, но здесь поперечная сила F2 ' уже отталкивает электроны от оси. После второго анода электронный луч

проходит между двумя парами металлических пластин ХХ и YY (см. рис.1). Но если на любую пару пластин подать напряжение, то электронный луч под действием электрического поля, созданного этими пластинами, отклонится от своего первоначального положения. Пластины XX, отклоняющие луч по горизонтали, называются горизонтальными отклоняющими, а пластины YY, отклоняющие луч по вертикали, – вертикальными отклоняющими электродами. Обычно исследуемый сигнал подается на вертикально отклоняющие пластины YY.

Форма электронного луча в поле отклоняющих пластин

Если напряжение на отклоняющих пластинах отсутствует, то электронный луч не претерпевает отклонения и попадает в точку C экрана (рис.3). Напряжение, поданное на отклоняющие

	пластины, создает между ними электрическое поле с напряженностью E	U	, где U–напряжение
		d

на пластинах, d–расстояние между ними. Электрическое поле изменяет траекторию движения электронов.

	+ + +		+ Vy V
d		F	A	Vx
	o
		V
		x
		b

РисРис. 3 .3

	B
	Y2	Y
Y1	C
	Экран

Пусть электроны влетают с постоянной скоростью Vx , направленной вдоль оси электронно-

лучевой трубки, посередине отклоняющих пластин, имеющих длину b. На электроны пучка действует сила F. Она заставит электроны двигаться равноускоренно вдоль оси Y (в нашем случае вверх, см. рис.3) с ускорением

			a	F		eU	,	(17.1)
				m		md
	где F eE	U	. От точки O до точки A электроны будут двигаться по параболе, так как вдоль
		d

оси X никакие силы на электроны не действуют, и они движутся равномерно со скоростью Vx , а вдоль оси Y - равноускоренно. Смещение электронов относительно оси OC до точки A, в которой на электроны отклоняющая сила уже перестает действовать, равно:

			at	2
		Y	1		,	(17.2)
	1		2
где t1	b	– время пролета электрона мимо пластин. Из соотношений (17.1) и (17.2) получим
	Vx

Y1	eUb2
			(17.3)
	2mdV	2
	x

От точки А электроны движутся по касательной к параболе ОА равномерно со скоростью V (см. рис. 3), при этом они еще дальше удаляются от оси ОС. Дополнительное смещение электронного пучка равно

56	СГАСУ кафедра физики 2005

							Электричество и магнетизм
						Y2	Y t2 ,	(17.4)
		t			L
	где		2			– время, за которое электроны пролетают расстояние L от отклоняющих пластин до
				V X
	экрана, VY					at1 – максимальная поперечная скорость движения электронов,		которую они

набирают, пролетая между пластинами. Подставляя соотношения (17.1) и (17.3) в формулу (17.4), найдѐм:

VY	eUb
			.	(17.5)
	mdV	2
		X

Тогда дополнительное смещение электронного пучка, найденное из соотношения (17.4), будет равно

eUbL Y2 mdVX2 .

Полное отклонение луча от точки С, равное сумме Y 1 2 , окончательно запишем в виде равенства:

eUb

Y (b L) . 2mdVX2

Для данного типа электронно-лучевой трубки входящие в формулу величины постоянны, кроме напряжения U на отклоняющих пластинах. Тогда смещение луча будет пропорционально напряжению U. Для выведения электронного луча в любую точку экрана, например в начало координат, на панели осциллографа имеются ручки ―ось X‖ и ―ось Y‖, вращая которые можно осуществить смещение луча соответственно вдоль горизонтальной оси X и вертикальной оси Y. На рис.4 приведена схема, позволяющая перемещать луч вдоль оси X.

Х

Х

+ -

Рис.4

Рис.4

Назначение блоков развертки и синхронизации

Пусть электронный луч находится в начале координат. Если подать на пластину YY постоянный сигнал, то луч сместится вдоль оси Y в сторону пластины, имеющей положительный потенциал. При наличии на пластине YY переменного сигнала, например синусоидального напряжения, светящаяся точка на экране будет перемещаться по экрану и мы увидим светящуюся вертикальную линию. Электронный луч будет колебаться между пластинами под действием переменного напряжения по гармоническому закону. Колебательного движения луча нельзя заметить, если частота колебаний больше 15 Гц, и, кроме того, экран обладает остаточным послесвечением. Как же пронаблюдать форму переменного сигнала с помощью осциллографа?

Для наблюдения формы электрических колебаний, происходящих относительно оси Y, нужно электронный луч равномерно сместить вдоль оси X. Это можно осуществить, например, плавно вращая ручку ―Ось X‖ на панели осциллографа (пронаблюдайте это на осциллографе). Равномерное перемещение луча вдоль оси X происходит под действием пилообразного напряжения, подаваемого на пластины XX (рис. 4). Пилообразное напряжение с зависимостью от времени, изображенной на рис. 5, вырабатывается в блоке развертки осциллографа. Выключение блока осуществляется ручкой ―Диапазон частоты‖. Равномерное смещение светящейся точки

СГАСУ кафедра физики 2005

57

Лабораторный практикум по физике

вдоль оси Х можно наблюдать, включив наименьшую частоту развертки луча и подобрав наиболее благоприятное положение ручки ―Частота плавно‖ осциллографа. Ручка ―Усиление X‖ должна стоять при этом в положении максимального усиления.

Uр
tр	t
	tВ
Рис.6
Рис.5

Луч равномерно смещается вдоль оси X в течение времени развертки tp, затем напряжение развертки Up резко падает за время возвращения tВ до нуля, и луч быстро возвращается в первоначальное положение, затем снова начинает перемещаться вдоль оси X и т.д.

При совпадении периода развертки Tр и периода исследуемого сигнала Tс на экране осциллографа увидим графические колебания, причем это изображение будет неподвижным. Устойчивое изображение возникает при условии кратности периодов Tp=nTc, где n–целое число. На экране в этом случае будет видно n полных колебаний.

Выполнение этого условия называется синхронизацией частоты напряжения развертки с частотой исследуемого сигнала. Эту операцию осуществляет блок синхронизации осциллографа. Манипулируя ручками ―Диапазон частот‖, ―Частота плавно‖ и ―Синхронизация‖ можно получить неподвижное изображение графика зависимости исследуемого периодического процесса от времени.

			Экспериментальная часть
	Упражнение №1. Определение чувствительности осциллографа.
	Одним из основных параметров электронно-лучевых трубок является чувствительность S,
показывающая на сколько миллиметров перемещается луч по экрану при изменении напряжения
между отклоняющими пластинами на один вольт:
			S	h	,	(17.6)
				U
где h– отклонение луча на экране трубки в мм., U– напряжение на отклоняющих пластинах в
вольтах. Эта формула справедлива для постоянного напряжения, при подключении которого,
например, на вход ―Y‖ светящаяся точка на экране переместится вдоль оси Y на величину h
(рис.7,а).					U
		а	б		в
					Uамп
					Uэф
		h	H
						t
			Рис. 7
		Рис.8 а	Рис.8 б		Рис.8 в
	При определении чувствительности трубки с использованием синусоидального напряжения
U	амп sin	на экране наблюдается светящаяся линия, длина которой H				2h (рис.7,б), так
58			СГАСУ кафедра физики		2005

Электричество и магнетизм

как переменное напряжение отклоняет луч в обе стороны от первоначального положения и, в отличие от осциллографа, вольтметр переменного тока показывает не амплитудное, а эффективное

напряжение U		U амп				. Чувствительность трубки в этом случае определяется по формуле:
	эф
		2

S

H

.

(17.7)

2

2Uэф

Чувствительности, вычисленные по формулам (17.6) и (17.7), равны, так как

S

H

2 2h

h

.

2 2U эф 2

2U эф

U эф

Измерения

1.Включить осциллограф, затем при включенном положении ручки ―Диапазон частот‖ получить в центре экрана чѐтко светящуюся точку.

2.Подключить к клеммам X и Y (по указанию преподавателя) на задней панели осциллографа автотрансформатор и вольтметр по схеме рис.8.

3.Подать напряжение непосредственно на отклоняющие пластины, минуя блок сигнала усиления.

4.Измерить для нескольких значений напряжений соответствующую им длину световой линии H на экране осциллографа и по формуле (17.7) определить чувствительность электронно-лучевой трубки. Полученные данные занести в табл.1.

ху

Усил.

Усил.

V

220

Рис.9

Рис.8

Таблица I.

Номер

U, В

H мм

S,

мм

S

S S

опыта

В

S

1

2

3

4

5

Упражнение №2. Наблюдение графика зависимости синусоидального напряжения от времени.

1.Получить в центре экрана светящуюся точку,

2.Подать на вход YY напряжение от звукового генератора.

3. С помощью ручек «Усиление по вертикали» и «Ослабление сигнала» получить

СГАСУ кафедра физики 2005

59

Лабораторный практикум по физике

вертикально расположенную линию.

4.Включить ручкой «Диапазон частот» генератор развѐртки. Ручкой «Частота плавно» достичь почти полного отсутствия перемещения изображения вдоль оси X.

5.Изменить частоту входного напряжения. Выполнить п. 4.

6.Проанализировать изменение графика сигнала. По изображению на экране осциллографа вычислить период напряжения звукового генератора.

7.Аналогичные наблюдения провести, меняя величину сигнала звукового генератора.

8.Начертить наблюдаемые графики и сделать соответствующие выводы.

Упражнении №3. Наблюдение фигур Лиссажу на экране осциллографа.

Фигурами Лиссажу называют кривые, получаемые при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний. Эти кривые можно наблюдать на экране осциллографа, подавая на вход XX и YY сигналы с автотрансформатора и звукового генератора соответственно. Ручка ―Диапазон частот‖ должна быть в положении ―Выключено‖. Размеры фигуры на экране устанавливаются ручкой ―Усиление‖. Плавно вращая регулятор частоты звукового генератора, можно получить различные фигуры Лиссажу.

Рассмотрим сложение взаимно перпендикулярных колебаний одинаковых частот. Пусть колебания светящейся точки на экране происходят вдоль осей X и Y по следующим законам:

X Asint;

Y Bsint .

Разделим эти уравнения друг на друга

Y		B	, т.е.	Y kX .
X		A

у

2В

х

2А

Рис.10

Рис.9

Точка будет колебаться по прямой линии, расположенной под некоторым углом к оси X и проходящей через начало координат (рис.9).

Если колебания описываются уравнениями, в которых разность фаз колебаний вдоль оси X и

оси Y составляет 2 рад :

Y Bsin t ;

X Acos t ,

то точка будет двигаться по эллипсу (рис.10). Докажем это. Возведем эти уравнения в квадрат и сложим:

	Y 2	sin2	t ;						у
	B2
	X 2	cos2	t .						2В
	A2								х
									2А
	Получим уравнение эллипса			X 2		Y 2		.
				A	2	B	2		Рис.11
	Эта траектория изображена на рис.10.								Рис.10

60	СГАСУ кафедра физики 2005

Электричество и магнетизм

Если частоты складываемых взаимно перпендикулярных колебаний не одинаковы, то траектория результирующего движения имеет сложную форму. На рис.11 показаны простейшие

	траектории, получающиеся при отношении частот			2	(а) и			3	(б).
		1				4
	а				б
	у				у

х

х

Рис.12аРис.11 Рис.12б

Можно показать, что отношение числа пересечений неподвижной фигуры Лиссажу с координатными осями равно отношению частот складываемых колебаний, то есть

	nY	(17.8)
	nX

где nx и ny - число пересечений фигуры с осями X и Y соответственно, ωХ – частота колебаний, подаваемых на вход XX, ωY – частота колебаний, подаваемых на вход YY. В том случае, когда ось координат проходит через точку пересечения линий фигуры Лиссажу, эту точку при подсчете n считают дважды.

Формула (17.8) позволяет по форме наблюдаемых фигур Лиссажу определить частоту одного колебания по известной частоте другого.

Измерения

1.На вход осциллографа ХХ подать переменное напряжение от трансформатора частоты

50 Гц.

2.Вход YY соединить с выходом генератора частот звукового диапазона.

3.Плавно изменяя частоту генератора, получить устойчивые фигуры Лиссажу при отношении частот 1:2, 1:3, 2:1, 2:3 и др.

4.Нарисуйте в тетради наблюдаемые фигуры Лиссажу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Для каких целей применяют электронные осциллографы.

2.Опишите устройство электронно-лучевой трубки.

3.Объясните фокусирующее действие анодов.

4.Определите вертикальное отклонение электронного луча.

5.Назовите и объясните назначение блоков развертки и синхронизации.

6.Что такое чувствительность электронно-лучевой трубки? Докажите, что чувствительность трубки, определенная с помощью переменного и постоянного входных напряжений одинакова.

7.Как получить график переменного периодического процесса с помощью осциллографа?

8.В каком случае возникают фигуры Лиссажу?

СГАСУ кафедра физики 2005

61

Лабораторный практикум по физике

Библиографический список

1.Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа. 1985.

2.Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1,2,3. М: Наука. 1977-1979.

3.Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б. Курс физики. Т. 1,2,3. М.: Высшая школа. 19731979.

4. .Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. Т. 1,2,3. М. 1970.

5.Стрелков СП. Механика. М.: Наука. 1975.

6.Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука. 1976.

7.Берклеевский курс физики в 5-ти томах. Перевод с англ. М.: Наука. 1975.

8.Волькенштейн B.C. Сборник задач по общему курсу физики. М.: Наука. 1979.

9.Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. М.: Высшая школа. 1981.

10.Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики: Учебное пособие для студентов втузов. М.: Высшая школа. 1991.

11.Таблицы физических величин. Справочник/ Под, ред. акад. И.К.Кикоина. М.: Атомиздат. 1976.

12.Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. М.: Наука. 1977.

13.Суханов А.Д. Фундаментальный курс физики: В 4 т. М.: Агар. 1998.

14.Физический практикум/ Под ред. Ивероновой В.И. М.: Наука. 1968.

15.Руководство к лабораторным занятиям по физике/ Под ред. Гольдина Л.Л. М.: Наука. 1983.

16.Физические величины/ А.П.Бабичев и др. М.: Энергоиздат. 1991.

17.Физический энциклопедический словарь/Гл. ред. Прохоров А.М. М.: БРЭ. 1995.

18.Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. М.: Наука. 1983.

62	СГАСУ кафедра физики 2005

Электричество и магнетизм

Содержание Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

Лабораторная работа № 1. Определение сопротивления проводников с помощью моста постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Лабораторная работа № 2. Измерение электроемкости с помощью моста Сотти . . .		. 8
Лабораторная работа № 3.	Определение температурного коэффициента
сопротивления . . . . . . . . .	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .	11
Лабораторная работа № 4.	Проверка закона Ома для переменного тока .. . . . . . . . .	15
Лабораторная работа № 7.	Измерение горизонтальной составляющей
напряженности магнитного поля Земли . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		22

Лабораторная работа № 8. Измерение удельного заряда электрона при помощи магнетрона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 28

Лабораторная работа № 9. Градуировка термопары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Лабораторная работа № 10. Измерение частоты электромагнитных колебаний при помощи двухпроводной линии Лехера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Лабораторная работа № 13. Моделирование электростатического поля . . . . . . . . .. 42

Лабораторная работа № 16. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Лабораторная работа № 17. Изучение работы электронного осциллографа . . . . . .	54
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	62

СГАСУ кафедра физики 2005

63