физика, лабы

8.Миниблок «Цилиндрическая катушка» служит для исследования маг-

нитного поля на ее оси с помощью датчика Холла (миниблок «Тесламетр»). На этикетке указаны число витков, среднийдиаметр и длинакатушки.

9.Миниблок «Магнетрон» предназначен для определения удельного заряда электрона по отклонению движущихся электронов магнитным полем. Он представляет собой электронный вакуумный диод ЗЦ18П, помещенный в цилиндрическую катушку. Диод имеет нитевидный катод с диаметром 1 мм и коаксиальный цилиндрический анод сдиаметром10 мм.

Для усиления магнитного поля катушка охвачена стальным экраном, (внешним магнитопроводом) как показано на рис. 6. Поэтому напряженность магнитного полявблизицентракатушкиможновычислитьпоследующейприближеннойформуле

Рис. 6. Полевминиблоке «Магнетрон»

H = Iwl ,

гдеI - токвкатушке, w - число витков, l - длинакатушки (точнее расстояние между верхней и нижней поверхностями экрана). Значения l и w указаны наэтикетке миниблока.

При расчете магнитной индукции в магнетроне следует учитывать, что цилиндрический анод выполнен из ферромагнитного материала. Он действует как экран и, как показали специальные эксперименты, ослабляет поле неравномерно по высоте анода. В середине анода ослабление поля происходит примерно в 2 раза. Поэтому фактическое значение магнитной индукции можно рассчитать по приближенной формуле

B μ0 Iw2l .

Магнетрон устанавливается только в отведенном для него месте наборного поля. При этом анод лампы подключается к напряжению питания +15 В, катод - к напряжению -15Виподается переменное напряжение 3Внанитьнакала.

11

10. Миниблок «Потенциометр» является регулируемым сопротивлением, который используется для деления напряжения в заданном соотношении. Шкала на этикетке приблизительно соответствует сопротивлению между нижним и правым выводами, тогда как сопротивление между нижним и верхним выводами неизменяется и составляет примерно 1 кОм.

11.Миниблок «Электронный ключ» предназначен для включения и выключения цепи по управляющему сигналу от компьютера. Он подключается к коннектору специальным кабелем. К контактам 1 и 7 разъема на миниблоке от компьютера поступает напряжение питания 5В, а к 4-му относительно 7-го контакта - управляющее напряжение (тоже примерно 5В). При отсутствии сигнала управления ключразомкнут, при его наличии - замкнут.

12.Миниблок «Тесламетр» предназначен для измерения магнитной индукции. Он имеет зонд с датчиком Холла (типа KSY или KSY13 GEG) на конце, который можно вводить внутрь катушек. Вдоль оси зонда нанесены риски через 5 мм.

Они позволяют определять расстояние, на которое перемещается датчик внутри катушки. Датчик расположен перпендикулярно оси зонда, т.е. он измеряет аксиальную составляющую магнитнойиндукции.

ЭДС Холла поступает в миниблок на вход усилителя напряжения, а к выходу усилителя подключается мультиметр или любой другой прибор для измерения напряжения.

Миниблок устанавливается в наборное поле на том же месте, что и интегратор. При этом к нему подводится напряжение питания + 15В относительно средней точки (┴).

Для компенсации несимметрии датчика Холла и дрейфа «нуля» усилителя на миниблоке имеется ручка управления «Установка нуля». При подготовке тесламетра к работе необходимо установить его на указанное место наборного поля, подключить к выходу мультиметр для измерения напряжения, включить блок генераторов напряжений и, поворачивая ручку «Установка нуля», добиться как можно меньшего значения напряжения на выходе (обычно это меньше 20 мВ). Чувствительность тесламетра отрегулирована изготовителем и составляет 0,1 В/мТл. Контроль установки «нуля» и ее корректировку необходимо проводить время от времени втечениевсего опыта.

На этикетке указано максимально возможное значение измеряемой индукции 0,13 Тл. При большем значении индукции напряжение на выходе усилителя приближается к напряжению питания и его дальнейшее увеличение невозможно. Сигнализации перегрузки (как винтеграторе) здесь нет.

13. Миниблок «Сегнетоэлектрик» предназначен для снятия поляризационной кривой сегнетоэлектрика и изучения ее зависимости от температуры. Он устроен аналогично миниблоку «Температурная зависимость». Внутрь печки помещен конденсатор 0,22 мкФ типа Y5V. Поляризация сегнетоэлектрика в нем достигает насыщения при напряжении 25...30 В. Максимальная амплитуда, которую может дать генератор напряжений специальной формы, составляет 10В. Поэтому, при снятии поляризационной кривой, необходимо использовать повышаю-

12

щий трансформатор. При повышении температуры нелинейность поляризационной кривой уменьшается и становится незаметной при температуре 70...80°С. Петля гистерезиса, используемого в конденсаторе сегнетоэлектрика, весьма узкая - на осциллографе наблюдается только одналиния.

14. Миниблок «Датчик Холла» используется для изучения эффекта Холла. В разрез кольцевого стального сердечника с катушкой встроен датчик Холла типа KSY10, KSY13GEG или KSY14. Паспортная чувствительность датчика при рабочем токе 5 мА лежит в пределах 85...145 мВ/0,1Т, сопротивление 900...1200 Ом, толщинапластины полупроводникаориентировочноравна0,1 мм.

Для расчета магнитной индукции на боковой этикетке миниблока указаны величинавоздушногозазораи число витковкатушки.

При установке миниблока на отведенное для него место в наборном поле датчик автоматически подключается к источнику постоянного напряжения 15 В и в немустанавливается рабочийтокпримерно5 мА, акатушка, создающая магнитное поле, одним выводом подключается к общей точке источников постоянного напряжения. Второй вывод катушки необходимо подключить с помощью проводников через амперметр к выходу генератора 0...15В и регулятором напряжения установить нужное значение тока. Направление тока в катушке можно изменять с помощьюдвухполюсногопереключателя, встроенного вминиблок.

15.Миниблок «Трансформатор с разъемным сердечником» может ис-

пользоваться как трансформатор для повышения или понижения напряжения, как регулируемая индуктивность, если между подковами разъемного сердечника вставлять неферромагнитные прокладки различной толщины (полоски бумаги или картона), как установка для изучения явления взаимной индукции (коэффициент связи можно изменять, удаляя из катушек половинку или весь сердечник), как установка для изучения закона электромагнитной индукции (если при питании

постоянным током из катушки быстро удалить			сердечник, то с	помощью ин-
тегратора	можно зафиксировать	изменение потокосцепления		и возникнове-
ние ЭДС).	Возможны и другие	применения	этого миниблока.

16...26. Одноэлементные миниблоки. Каждый из этих миниблоков содержит один простейший элемент электрической цепи - резистор, конденсатор, или индуктивность. Наэтикетках указаны номинальные параметры элементов.

2.4. Блок мультиметров

Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, температуры, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока представлен на рис. 7. В нем использованы серийно выпускаемые мультиметры двух типов MY60 (с левой стороны блока) и MY62 (с правой стороны). Подробная техническая информация о них и правила применения приводятся в руководстве по эксплуатации изготовителя. Здесь отметим лишь, что прибор MY60 по сравнению с MY62 имеет больше пределов измерения тока и, что особенно важно, -

большую перегрузочную способность по току. Поэтому для измерения токов предпочтительно использовать именно прибор MY60! В свою очередь, муль-

13

тиметр MY62, в отличие от MY60 имеет вход для подключения термопары и функцию измерения емкости конденсаторов. Остальные характеристики этих двух приборов одинаковые. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четырепредохранителязащиты токовых цепей мультиметров.

Рис.7. Блок мультиметров

Для обеспечения надежной длительной работы мультиметров соблюдайте следующиеправила.

•Не превышайте допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого родаработы.

•Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливайте переключа-

тель пределов измерения нанаибольшуювеличину.

•Перед тем как повернуть переключатель для смены рода работы (не для измененияпредела измерения!), отключайте щупы отпроверяемой цепи.

•	Не измеряйте сопротивление в цепи, ккоторойподведено напряжение.
• Неизмеряйте емкость конденсаторов, неубедившись, что они разряжены.
•	По возможности избегайте	проводить измерение		тока мультиметром
	MY62. Предохранитель 0,2 А этого мультиметра		может	перегореть от источ-
	ников напряжения, имеющихся в данном стенде.		Измеряйте ток мультиметром
	MY60.

14

2.5. Коннектор

Коннектор (тип 334.1) предназначен для ввода токов и напряжений в компьютер на плату РСI-6023(Е) для измерений с помощью программы прикладной «ВП_Физика». Общий вид еголицевой панели показан нарис.8.

Коннектор содержит делители напряжений для ввода напряжений, шунты для ввода токов, блоки гальванической развязки измеряемых сигналов, разъем для подключения термопары и усилитель термо-ЭДС, разъем для вывода из компьютера сигналов управления электронным ключом и "разъем для подключения плоского кабеля связи коннектораскомпьютером.

Рис.8. Коннектор

Изображенные на лицевой панели виртуальные измерительные приборы V0, V1, Al ...A4 включаются вцепькак обычные вольтметры и амперметры. Коннектор имеет два канала для ввода напряжений в компьютер и два канала для ввода токов. Однако в цепь можно включить четыре амперметра и кнопками переключения измеряемого тока выбирать вводимое в компьютер значение I1 или I2, I3 или I4. О выбранном токе сигнализирует светодиод на лицевой панели коннектора и надпись навиртуальномамперметре наэкранедисплея.

Кнопки переключения делителей напряжения и шунтов предназначены для выборапределовизмерения, как вобычных измерительных приборах.

15

2.6. Набор виртуальных приборов. Общие сведения

Виртуальный прибор представляет собой прикладную программу, созданную в среде LabVIEW и предназначенную для использования в компьютере, который оснащен специальной платой ввода-вывода данных PCI 6023(Е) фирмы National Instruments. Удобство связи с компьютером обеспечивается с помощью коннектора, который соединен скомпьютеромплоскимкабелем.

Программное обеспечение комплекса «Электричество и магнетизм» установлено на жестком диске компьютера, входящего в состав поставляемого комплекса и дублируется на прилагаемом компакт-диске. Оно представляет собой набор виртуальных приборов «ВП_Физика», «подключаемых» к исследуемой установке с помощьюописанного коннектора типа334.1.

Если у Вас возникнет необходимость установить программное обеспечение с компакт-диска, то запустите программу установки "Setup Физика.ехе", имеющуюся на компакт-диске и следуйте указаниям программы. Далее создайте на рабочем столе ярлык «ВП_Физика». Для этого откройте проводник Windows и найдите в немпапкуустановкипрограммы«ВПТОЭ» (поумолчаниюэтокаталогC:\Program Files \ Stend Fz). Щелкните правой кнопкой мыши на файле “Stend Fz”/exe” и выберите пункт меню «Создать ярлык». Созданный ярлык перенесите на рабочий стол Windows и измените его названиена«ВП_Физика».

2.7.Порядокработыс виртуальными амперметрами

ивольтметрами

При работесвиртуальными приборами придерживайтесь следующегопорядка.

•Соберите цепь согласно схеме опыта, включив в нее вместо реальных амперметров и вольтметров виртуальные приборы, изображенные на лицевой панели коннектора.

Включите виртуальные приборы двойным щелчком левой кнопки мыши на ярлыке «ВП_Физика». В результате откроется блок «Приборы I» (рис. 9), в котором содержатся вольтметры и амперметры. Часть из них активизированапо умолчанию (т. е. включены пределы измерения).

•Расположение приборов в окне этого блока можно изменить, щелкнув левой кнопкой мыши на обозначении прибора и выбрав в открывшемся перечне нужный прибор. К одному и тому же каналу коннектора можно подключить несколько виртуальных приборов для одновременного измерения, например, действующего, амплитудного, среднего и др. значений одного и того женапряжения(тока).

16

Рис. 9. Вызов виртуальных приборов

•Активизируйте нужные виртуальные приборы, щелкнув мышкой в соответствующих окнах на кнопках «Откл». Для отключения прибора щелкните в окне предела измерения. Чем больше каналов задействовано в виртуальных измерениях тока и напряжения, тем ниже частота сканирования и меньше значений вводится в компьютер за период измерения. Период измерения, в течение которого производится ввод данных в компьютер, по умолчанию равен 0,1 с. Его можно изменить, открыв меню, как показано на рис. 9, и выбрав мышью строку «Период измерения».

•При выполнении измерений переменных напряжений и токов необходимо обращать внимание на число отсчетов в секунду, которое указано в верхней части панели «Приборы I». Необходимо, чтобы число отсчетов, приходящихся на один период измеряемого сигнала (не путать с периодом измерения!), было не менее десяти. При меньшем числе отсчетов резко возрастает погрешность измерений.

•Выберите род измеряемой величины, щелкнув в окне «Действующее» и выбрав из открывшегося списка нужное значение. В этом окне опция «Действ, перем.» означает действующее значение сигнала, из которого исключена постоянная составляющая.

•Выберите пределы измерения амперметров и вольтметров, нажав соответствующие кнопки на коннекторе (см. рис. 8). Выбранные пределы отображаются автоматически в соответствующих окнах виртуаль-

17

ных приборов. Когда измеряемый сигнал превышает допустимый для данного канала уровень, окно с показанием виртуального прибора начинает мигать красным цветом, а в верхней части панели включается надпись «Перегрузка! Перейдите на больший предел». Она гаснет, как только предел измерения становится больше измеряемой величины.

•При снижении измеряемой величины ниже значения следующего (более низкого) предела измерения включается надпись «Перейдите на меньший предел». Через некоторое время она гаснет самостоятельно, но окно данного виртуального прибора продолжает мигать, предупреждая о том, что данноеизмерение можно сделать точнее.

•Для того чтобы закрыть окно виртуальных приборов, необходимо щелкнутьпо клавише «Выкл».

2.8.Измерение сопротивлений, мощностей и углов сдвига фаз

спомощью виртуальных приборов

Сначала включите блок «Приборы I». Затем для «включения» виртуальных ваттметров, омметров, фазометра и т.д. выберите из меню блока «Приборы I» позицию «Приборы II». При этом откроется блок с тремя приборами (рис. 10), которые вычисляют сопротивления, углы сдвига фаз мощности и т. д. по мгновенным значениям токов и напряжений, введенным вкомпьютер через коннектор.

Первые два прибора этого блока имеют свое меню, из которого выбираются измеряемые величины (см. рис. 10). Для активизации прибора достаточно выбрать в соответствующих окнах две величины, через которые определяется искомая величина. Например, если на входе цепи включен вольтметр V0 и амперметр А4, то для измерения входных мощностей (Р, Q, S), входных сопротивлений (R, X, Z), а также

угла сдвига фаз между напряжением и током (φ = φU- φI) , необходимо в верхнем окне прибора выбрать V0, а в нижнем А4. Для измерения угла сдвига фаз между

токами I1и I4 (φ = φI1- φI4) в верхнем окне должно быть А1, а в нижнем А4 (но не наоборот, иначе будет φI4-φI1). Для измерения частоты или периода необходимо указать только однувеличину (вверхнемокне).

Третий (нижний) прибор в этом блоке производит вычисления по формуле, вводимой самим пользователем. Аргументами этой формулы могут быть 4 из 8 величин xl...x8 (не более!), измеряемых приборами первого и второго блоков. Обозначения xl...x8 имеются на рис. 9 и 10. Например, если измеряются две активные мощности - в верхнем окне мощность источника, а в нижнем нагрузки, то третий прибор можно запрограммировать на определение КПД. Для этого нужно ввести аргументы х7 и х8, напечатать формулу у=х8/х7 и щелкнуть на клавише «Начать счет».

В случае синтаксической ошибки во введенной формуле окно формулы начинает мигать, и счет не производится.

18

Рис.10. Вызов виртуальных приборов

2.9. Виртуальный осциллограф

Виртуальный осциллограф позволяет наблюдать временные диаграммы сигналов, подаваемых на вход коннектора (двух напряжений и двух токов) в режиме «Развертка» или зависимость одного входного сигнала от любого другого в режи-

ме«XY».

Для его включения необходимо подать на вход коннектора исследуемые сигналы, включить и настроить, как описано выше, блок «Приборы I» и выбрать в меню этого блока строку «Осциллограф». После этого на дисплее появится изображение виртуального прибора «Осциллограф» (рис. 11). Назначение всех его окон показано на рисунке. Один из пяти блоков входов и вертикального отклонения луча с пояснениями показан нарис. 12.

На любой из пяти входов осциллографа можно подать сигнал с любого входа коннектора. При этом в окне входа осциллографа появляется соответствующее обозначение входа коннектора (виртуального прибора) и появляется луч на экране, цвет которого соответствует цвету фонапереключателя, исследуется луч

19

Рис.11. Осциллограф

на экране, цвет которого соответствует цвету фона переключателя исследуемого сигнала.

Масштаб изображения по вертикали устанавливается автоматически и изменяется ступенчато при изменении амплитуды сигнала, но его можно зафиксировать, нажав на кнопку фиксации масштаба (см. рис 12). После этого он меняться не будет. Предусмотрено и ручноеплавноеизменение масштаба внутри ступени.

Рис.12. Управление осциллографом(1)

20