Elektromagnetický oscilátor

Transkript

1 125 Pomůcky: Sytém ISES, moduly: ampérmetr, capacity-meter, kondenzátor na detičce, dvě cívky na uzavřeném jádře, zdroj elektrického napětí (např. PS 302A), ada rezitorů, přepínač, 7 pojovacích vodičů, oubor: ocila.imc. Úkoly: 1) Capacity-metrem určit kapacitu kondenzátoru 2) Pozorovat tlumené kmity elektromagnetického ocilátoru. Určit periodu, frekvenci a kontantu útlumu. 3) Vypočítat indukčnot, odpor a frekvenci netlumených kmitů, ztráty energie. 4) Pozorovat kmity při zvětšeném tlumení. Určit potřebné veličiny. 5) Najít nejmenší odpor, při kterém kmity již nenatávají. Teorie: Měření budeme provádět podle obr. 1. A X C L - Obr. 1 Cívka 2x400 závitů Při přepnutí do pravé polohy e kondenzátor odpojí od zdroje a vybíjí e pře připojenou cívku. Elektrotatická energie kondenzátoru e přeměňuje na energii magnetického pole cívky a přírůtek vnitřní energie zařazených odporů (Jouleovo teplo). V obvodu vznikají tlumené elektromagnetické kmity. Proud závií na čae podle rovnice: i = δt I0 e inωt 1 2 kde δ = e nazývá kontanta útlumu, ω = δ je úhlová frekvence kmitů, L je 2L LC indukčnot cívky, je celkový odpor v obvodu. Frekvence netlumených kmitů by byla dána Thomonovým vztahem: f0 =, energie magnetického pole cívky je rovna Em = LI. 2π LC 2 Natavení: ocila.imc: ča 0,1, 1000 Hz, trigger -5 ma až +5 ma náběžnou hranou na hladině 0,5, panel č.1 graf I=f(t) proud I od -5 ma do +5 ma.

2 126 Provedení: 1. úkol: Učitelký počítač muí být puštěný Poklepáním na Software G i zpřítupníme potřebný oubor a putíme ISES. Capacity metrem určíme kapacitu kondenzátoru jako průměr z deeti odečtených hodnot. 2., 3. úkol: Založíme nový experiment a načteme do konfigurace ocila. Na ampérmetru natavíme 10 ma nulou uprotřed a zauneme do kanálu A. Obvod zapojíme podle obr. 1. Zdroj napětí zatím nezapínáme!. Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení! Napětí zdroje natavíme 1 V až 1,5 V a putíme měření. Bezprotředně po puštění měření e nic neděje, protože je nataven tzv. TIGGE. To znamená že počítač čeká na překročení určité úrovně proudu, aby začal měřit. Přepínač dáme do levé polohy (viz obr. 1), čímž e nabije kondenzátor. Po přepnutí do pravé polohy vzniknou elektromagnetické kmity, v obvodu naměříme třídavý proud kleající amplitudou. Měli bychom zíkat podobný průběh: Tlumené kmity aproximovanou exponenciální funkcí Z grafu odečteme čay (periody), po kterých e opakují maxima proudu a zapíšeme do tabulky č. 1 Nátrojem pro odečet frekvence určíme z pěti prvních kmitů frekvenci a zapíšeme ji do tabulky č. 2. Označíme křížkem prvních pět maxim, aproximujeme exponenciální funkcí a určíme kontantu útlumu δ pro tabulku č. 2. Znovu nabijeme kondenzátor a vybijeme pře cívku. Celkově měříme pět zdařilých experimentů a provedeme výpočty pro vyplnění tabulky č úkol: Do míta označeného v obrázku 1 jako X zařadíme ériově rezitor o odporu 50 Ω. Tím e zvýší v obvodu tlumení. Provedeme pět nových zdařilých experimentů a vyplníme tab. č. 3. V čem e tabulky hodují a v čem liší? 5. úkol: Do míta X zařazujeme různé rezitory až e nám podaří najít nejmenší odpor krit, při kterém již kmity nenatávají:

3 127 Hodnotu takového odporu e pokuíme také vypočítat. Doplňující (dobrovolné) úkoly: A) O kolik e v průběhu jednoho experimentu zvýšila vnitřní energie rezitorů? B) Ze vztahu δ = odvoďte rozměr kontanty útlumu. 2L C) Po kolika kmitech klene maximum proudu na 5 % původní hodnoty?

4 128 Protokol Název: Vypracování: 1) Kapacita kondenzátoru určená capacity-metrem: C =.,.. µf Tabulka č. 1: Měření periody T m = ( 14,2 ± 0,6) m T = 4% T δ 2) 3) Tabulka č. 2: Kmity bez přídavného tlumení Experiment č f Hz δ ω L H Ω = (.. ±.) Hz f =.,.% f δ..,...,...,...,...,. = (..,. ±.,.) =.,.% δ = (... ±.) =.,.% ω.,.,.,.,., = (.,... ±.,...) H L =.,.% δδ δω L δ = (.. ±.) Ω =.,.% δ Frekvence netlumených kmitů: f 0 =.. Hz Během 1 kmitu e na vnitřní energii přeměňuje:.. % 4) Tabulka č. 3: Kmity při zvýšeném tlumení (odpor 50 Ω Experiment č f Hz δ ω L H Ω = (.. ±.) Hz f =.,.% f δ..,...,...,...,...,. = (..,. ±.,.) =.,.% δ = (... ±.) =.,.% ω.,.,.,.,., = (.,... ±.,...) H L =.,.% δδ δω L δ = (... ±.) Ω =.,.% δ

5 Frekvence netlumených kmitů k tabulce č. 3: f 0 =.. Hz Během 1 kmitu e na vnitřní energii přeměňuje:.. % 5. úkol: Odvození krit : Vypočtená hodnota krit = Ω 129 Doplňující (dobrovolné) úkoly: A) Během jednoho experimentu e na vnitřní energii (Jouleovo teplo) přemění.. % B) Odvození rozměru kontanty útlumu: C) Maximální proud klene na 5% původní hodnoty po. kmitech. Závěr: Dikutujeme proměnlivot periody tlumených kmitů, frekvenci tlumených a netlumených kmitů při nižším a vyšším tlumení, kontantu útlumu při nižším a vyšším tlumení. Porovnáme indukčnot cívky a odpor při nižším a vyšším tlumení. Porovnáme krit určený experimentálně a teoreticky. Zapíšeme, kolik procent energie e změní na Jouleovo teplo během jednoho experimentu, po kolika kmitech klene maximum proudu na 5% původní hodnoty.

6 130