Контрольные вопросы

1. Как ведет себя контур с током в магнитном поле?

2. Каковы свойства парамагнетиков, диамагнетиков, ферромагнетиков?

3. Какова причина спонтанной намагниченности доменов в ферромагнетиках?

4. Как ведут себя домены при увеличении напряженности внешнего магнитного поля? Что означает насыщение ферромагнетика?

5. В чем заключается явление магнитного гистерезиса?

Литература: [I], гл.7; [2], гл.11, с. 575; [6].

1. Подготовка к работе

1. Проверьте заземление источника питания. Соедините специальным кабелем разъем источника на задней стенке прибора с разъемом модуля лабораторной установки.

2. Установите регуляторы напряжения в «2-5В», «5-25В», «12-120В» в крайнее левое напряжение.

3. Нажмите левую кнопку переключателя амперметра, если необходимо измерить ток в цепи, подключенной к напряжению «2-5В», и правую, если измерение тока проводится в цепи с напряжением «5-25В».

2. Работа с источником питания

Подключите шнур к сети питания источника «~220В» и нажмите кнопку «СЕТЬ». После прогрева источника питания в течение 2-3 минут установите необходимые напряжения и токи.

Имейте в виду, что источник питания снабжен блокировкой. Если токи в цепи превысят максимально возможные значения, то блокирующее устройство отключает эту цепь. При отключении цепи нужно включить источник питания, проверить правильность собранной электрической схемы и снова нажать клавишу «СЕТЬ».

Литература: [7,8].

Работа ФПЭ-08. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАРЯДА И РАЗРЯДА КОНДЕНСАТОРА

Цель работы: Изучение кривых заряда и разряда конденсатора при различных параметрах RC электрической цепи и вычисление времени релаксации.

ВВЕДЕНИЕ

Рассмотрим процесс заряда конденсатора в электрической цепи, содержащей последовательно соединённый конденсатор , сопротивление и источник ЭДС . Первоначально конденсатор не заряжен. Пусть , , - мгновенные значения тока, заряда и разности потенциалов между обкладками конденсатора. Полагаем, что токи и напряжения удовлетворяют условиям квазистационарности, т.е. мгновенное значение тока во всех сечениях провода и элементах цели одно и то же, а соотношение между мгновенными значениями , и такое же, как и в цепях постоянного тока. В момент времени =0 ключ K замкнули и в цепи пошёл ток, заряжающий конденсатор , где - заряд конденсатора. Применим закон Ома к цепи:

, (8.1)

где - полное сопротивление цепи, включающее внутреннее сопротивление источника ЭДС. Учитывая, что разность потенциалов на пластинах конденсатора , запишем предыдущее выражение в виде:

(8.2)

Разделим переменные и проинтегрируем это уравнение с учётом начального условия: при , :

;

.

Откуда (8.3)

где - предельное значение заряда на конденсаторе.

Рис 8.1 рис. 8.2

Напряжение на конденсаторе изменяется по закону

,

закон изменения тока в цепи получим дифференцированием

,

где . Графики зависимостей и представлены на рис. 8.2.

Рассмотрим процесс разряда конденсатора ёмкостью , пластины которого замкнуты сопротивлением . Пусть - уменьшение заряда конденсатора за время . При разряде конденсатора в цепи (рис 8.3) протекает ток . Известно, что , где - разность потенциалов на конденсаторе, а, следовательно, и на сопротивлении . По закону Ома имеем , тогда

. (8.5)

Уравнение 8.5 показывает, что скорость уменьшения заряда конденсатора пропорциональна величине этого заряда. Интегрируя выражение 8.5 при условии, что в момент времени , получим

;

Рис.8.3 Рис 8.4

, (8.6)

откуда:

(8.7)

Функция называется экспоненциальной. График зависимости приведён на рис. 8.4. Закон изменения напряжения на конденсаторе в процессе разряда аналогичен (8.7):

, (8.8)

где, .

Произведение имеет размерность времени и называется постоянной времени или временем релаксации . За время заряд конденсатора уменьшается в раз. Для определения часто удобно измерять время, за которое величина заряда падает до половины первоначального значения, так называемое «половинное время» . «Половинное время» определяется из выражения

(8.9)

Взяв натуральный логарифм от обеих частей уравнения (8.9), получаем или (8.10)

Способ измерения постоянной времени состоит в определении и умножении полученной величины на 1,44. Так как экспонента асимптотически приближается к оси абсцисс, то точно установить окончание процесса разряда конденсатора (так же как и процесса заряда) не представляется возможным. Поэтому нецелесообразно измерять время уменьшения величины заряда в 2 раза, т.е. «половинное время». За каждый интервал времени заряд на ёмкости уменьшается в 2 раза. (рис. 8.5).

Рис. 8.5

Если обкладки конденсатора попеременно подключать к источнику тока и к сопротивлению (рис 8.6), то график процесса заряд-разряд конденсатора будет иметь вид, показанный на рис. 8.7. Процесс заряда-разряда можно наблюдать с помощью осциллографа, подавая на вход Y напряжение с конденсатора .

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Блок-схема установки приведена на рис. 8.8.

1. ИП – источник питания

2. PQ – звуковой генератор

3. ПИ – преобразователь синусоидных импульсов (модуль ФПЭ-08)

4. МС – магазин сопротивлений (R₁)

5. МС – магазин сопротивлений (R₂)

6. МЕ – магазин ёмкостей (C)

7. PO – электронный осциллограф.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема состоит из источника постоянного тока ИП, генератора низкочастотных синусоидальных импульсов (звукового генератора), преобразователя ПИ синусоидальных импульсов в прямоугольные положительной полярности (преобразователь импульсов позволяет получить прямоугольные импульсы, скважность которых меняется регулятором на лицевой панели), двух магазинов сопротивлений R₁ и R₂, магазина ёмкостей и электронного осциллографа.

Подаваемый с выхода генератора синусоидальный импульс преобразуется в прямоугольный и через магазин сопротивлений R₂ подаётся на магазин ёмкостей . Конденсатор заряжается. Время заряда конденсатора можно изменять сопротивлением R₂. В момент паузы происходит разряд конденсатора по цепи . Время разряда определяется параметрами этой цепи.

Визуально процесс заряда-разряда конденсатора можно наблюдать на экране осциллографа. Наиболее устойчивый режим работы данной схемы обеспечивается при изменении номинальных величин элементов - цепи в следующих пределах:

мкФ; Ом;

кГц; кОм.

Пр

При этом относительно полно происходит процесс заряда-разряда конденсатора. При увеличении сопротивлений и ёмкости больше определённых значений конденсатор не успевает полностью зарядиться и разрядиться за один период цикла. Наблюдаемые при этом кривые заряда и разряда изображены на рис. 8.9 штрихпунктирной линией.