2015-05-30
288
ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»
В связи с тем, что одной из целей курса «Электромагнетизм» является обучение студента измерениям электромагнитных величин или их экспериментальной оценки, было бы полезным провести проверку такого рода способностей на реальных объектах. Задача измерения электромагнитных параметров таких объектов может оказаться нетривиальной хотя бы из-за проблемы выбора подходящего метода измерения. Так например, индуктивность катушки можно измерить с разной степенью точности и трудоёмкости (в зависимости от её величины и сопутствующего ей активного сопротивления) методами резонансным, мостовым, с помощью вольтметра и образцового резистора (на сетевой частоте 50 Гц); результаты, скорее всего, будут заметно различаться. Надо уметь объяснить причины различия: связаны ли они с точностью того или иного метода или со свойствами самой катушки при разных воздействиях на неё, например, с частотной зависимостью её параметров. Для некоторых оценок надо уметь найти какой-то косвенный приём, т.е. проявить определённое экспериментальное искусство, сообразительность.
|
|
|
В процессе решения поставленной задачи студент может пользоваться любым прибором и инструментом, которыми располагает данная лаборатория (с разрешения преподавателя, разумеется), кроме специализированных промышленных измерителей целевых электромагнитных величин (R, L, C, поле 
, АЧХ и т.д.), решающих задачу тривиальным образом. Студент должен дать разумную оценку точности проведённого измерения.
При проведении такого экспериментального экзамена у преподавателя будут две главные заботы: 1) чтобы студент не загубил тот или иной прибор; 2) чтобы студент не попал под напряжение сам, ибо решение задачи может потребовать сетевого напряжения. Однако эти трудности и некоторый риск должны оправдаться значением такого экзамена: он позволит выявить, способен ли студент сделать что-то практическое с полученными навыками и знаниями (в экспериментальном плане, конечно), или же он может работать только на компьютере и с книжками, т.е., в лучшем случае, он – «теоретик».
Ниже предлагаются несколько заданий такого экспериментального экзамена и примерные условия их выполнения. Метод решения поставленной задачи студент выбирает сам. Если он может предложить два метода, пусть решает обоими, или же объяснит выбор лучшего. Если студент не знает, как даже подступиться к задаче, можно ему подсказать какой-либо вариант решения, но это ему уже «минус». Если он предложит нечто оригинальное (но не вздорное, разумеется), пусть попробует: неудача – тоже урок, а успех вызовет некоторый восторг творчества.
|
|
|
| № | Задание | Время выпол- нения | Основные принадлежности | Возможный метод решения задачи |
| 1. | Определить проводимость λ материала короткого куска провода. | 1 час | 12-см отрезок провода из нихрома, амперметр, вольтметр, генератор 12 В, 1 А, штангенциркуль. | По закону Ома. |
| 2. | Определить взаимную индуктивность катушек. | 1 час | Пара обмоток на едином каркасе (пустом или с ферритом), амперметр, вольтметр, эталонный резистор, генератор 12 В, 1 А. | Трансформаторный или с помощью БГ. |
| 3. | Определить взаимную индуктивность катушек. | 1 час | Пара кольцеобразных катушек, разнесённых на 30-50 см, осциллограф, ГНЧ, амперметр. | Метод магнитной антенны. |
| 4. | Оценить температуру нити лампы при её нормальном накале. | 1 час | Амперметр, вольтметр, справочник для определения α Т вольфрама, лампочка 220 в, 60 Вт. | Найти R хол и R гор нити лампочки по закону Ома. |
| 5. | Оценить поле Вмежду полюсами подковообразного магнита. | 1 час | БГ со всеми сопутствующими приборами. | С помощью БГ. |
| 6. | Оценить вертикальную составляющую магнитного поля Земли. | 1 час | БГ, катушка с тясячами витков, т.е захватывающая достаточно большой магнитный поток. | Быстрый поворот катушки в поле Земли. |
| 7. | Измерить r внутр амперметра. Изготовить шунт, увеличивающий предел измрения в 10 раз. | 2 часа | Головка микроамперметра, образцовый амперметр, генератор 12 В, восокоомный реостат или магазин сопротивлений. | |
| 8. | Измерить С и rC у конденсатора с утечкой. | 2 часа | Варианты конденсаторов: С 1=10 нФ, С 2=1000 мкФ (электролитич.), С 3=20 мкФ (КБГ). | Мостовой. Резонансный. |
| 9. | Измерить L и rL катушки без железа. | 2 часа | L ≈10 мГн, rL ~10…100 Ом. Осциллограф, импульсный генератор. | Резонансный. Мостовой. |
| 10. | Измерить L и rL катушки с железным сердечником (дросселя). | 2 часа | L ~10…100 Гн, rL ~10…100 Ом. | |
| 11. | Оценить Нс, В нас и μmax железа сердечника трансформатора. | 4 часа | Тр-р с известными витками на обмотках, штангенциркуль, осциллограф и др. изм. приборы. | Получение петли на экране осциллографа. |
| 12. | Определить внутреннее активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора. | 1 час | Трансформатор, реостат, амперметр, вольтметр. | Замечание. Активное сопр. не путать с омическим. |
| 13. | Определить число витков обмоток трансформатора. | 2 часа | Школьный стержневой трансформатор, вольтметр. | Намотать измерит. обмотку в 20-30 витков. |
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА 1 ЧАС
Из предложенной головки микроамперметра на 100 мкА изготовить вольтметр на постоянное напряжение 100 В.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА 2 ЧАСА
Из предложенной головки микроамперметра на 100 мкА изготовить амперметр на 10 мА.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА 3 ЧАСА
В «черном ящике» с тремя выводами находится цепь из трёх элементов, соединённых звездой. Два из них – это линейные резисторы, а третий – нелинейный элемент (рис. 1). С помощью методов, изложенных в работе № Ф 307,
определить:
1) номер вывода нелинейного элемента;
2) сопротивления линейных резисторов;
3) ВАХ нелинейного элемента.
Оборудование:
1) «чёрный ящик» с тремя элементами;
2) генератор постоянного напряжения 0…20 В;
3) миллиамперметр 0…20 мА (в варианте 2 – до 250 мА);
4) миллиметровая бумага.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА 4 ЧАСА
На основе идеи, изложенной в работе Ф 321, рассчитать, изготовить и проверить определитель порядка чередования фаз (рис. 2).
Исходные данные:
1) две одинаковые лампочки «U =3,5 В, I =0,25 А»;
2) конденсаторы любые от 0 до 20 мкФ;
3) резисторы любые, мощностью до 2 Вт;
4) фазные напряжения U ф=14 В, частота 50 Гц;
Полагать, что в ветвях лампочек будут напряжения: U 2≈16…20 В, U 3≈7…10 В.
Перед практической проверкой должны быть представлены следующие результаты расчётов: 1) С =… мкФ; 2) R =…Ом; 3) токи в ветвях 2 и 3 и тепловые мощности, выделяемые на резисторах при работе схемы.
|
|
|
Замечание 1. Возможно, допустимо некоторое отличие сопротивления плеча 1 от плеч 2 и 3, скажем, до 50%, однако, это проверяется только экспериментально: лампочки при работе в схеме должны иметь заметно разный накал.
Замечание 2. Двухваттный резистор может выдержать мощность и до 3-5 Вт, но это − только на 3-5 секунд.
