Автоколебания - это незатухающие колебания, возникающие в колебательной системе вследствие наличия положительной обратной связи

ИЗУЧЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ

(НА ПРИМЕРЕ ЛАМПОВОГО ГЕНЕРАТОРА)

Методические указания к лабораторной работе № 27 по физике

(Раздел «Электричество»)

Ростов-на-Дону

Составители: Т.П. Жданова, В.В. Илясов, А.П. Кудря, В.С. Кунаков

УДК 530.1

ИЗУЧЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ЛАМПОВОГО ГЕНЕРАТОРА): Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010. - 11 с.

Указания содержат краткое описание метода и экспериментальной установки для изучения автоколебаний в простейшем ламповом генераторе с индуктивной обратной связью, определение частоты электромагнитных колебаний в генераторе и индуктивности колебательного контура.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения при выполнении лабораторного практикума по физике (раздел «Электричество»).

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор доцент, к.ф.-м.н. Н.В. Пруцакова

© Издательский центр ДГТУ, 2010

Цель работы: Изучение автоколебаний в простейшем ламповом генераторе с индуктивной обратной связью, определение частоты электромагнитных колебаний в генераторе и индуктивности колебательного контура.

Оборудование:Генератор электромагнитных колебаний, мультиметр, источник питания, RC - цепочки.

Теоретическая часть.

Автоколебания - это незатухающие колебания, возникающие в колебательной системе вследствие наличия положительной обратной связи.

При этом потери энергии восполняются за счет постоянного источника энергии, а этот источник включается самой системой в фазе с основным колебанием (положительная обратная связь), обычно в начале каждого периода колебаний.

Прежде чем рассмотреть работу генератора незатухающих электрических колебаний, познакомимся с устройством и принципом действия его основных узлов.

☻ Электронная лампа триод состоит из вакуумированного баллона, внутри которого соосно укреплены три металлических электрода (рис.1): катод К (нить накала), анод А (тонкостенный цилиндр) и расположенная между ними управляющая сетка С в виде спирали. Принятое изображение триода на схемах показано на рис.3. При нагревании катода, вследствие прохождения электрического тока, из его поверхности выходят электроны, образуя вокруг катода электронное облако.¹

В пространстве между катодом и анодом создается ускоряющее электрическое поле (анод подключается к положительной клемме анодной батареи, а катод – к отрицательной), под действием которого электроны

¹Явление выхода электронов из поверхности нагретых металлов называется термоэлектронной эмиссией.

упорядоченно движутся к аноду.

Положительное сеточное напряжение (потенциал сетки больше потенциала катода) увеличивает силу анодного тока, так как помогает «отсасывать» электронное облако. Отрицательное сеточное напряжение задерживает электроны, сила анодного тока уменьшается и при определенном напряжении равна нулю. Таким образом, триод можно использовать в качестве электронного ключа: «+» на сетке - лампа открыта; «-» - лампа закрыта.

εs

εs

εs

☻ Колебательный контур состоит из параллельно соединенных катушки индуктивности L и конденсатора C₀ (рис.2). Если сообщить конденсатору заряд, то он начнет разряжаться через катушку индуктивности возбуждая в ней ЭДС самоиндукции (ε_s=-LdI/dt), препятствующую возрастанию тока (dI/dt>0). После разряда конденсатора ток начинает убывать (dI/dt<0), ЭДС самоиндукции меняет знак (ε_s >0) и поддерживает ток в прежнем направлении, что приводит к перезарядке конденсатора. В следующие полпериода процесс повторится в обратном направлении. Из-за потерь энергии (нагревание проводников, переполяризация диэлектрика, излучение электромагнитных волн) в реальном контуре колебания затухающие.

☻ Генератор незатухающих электрических колебаний состоит из колебательного контура, лампового триода, источников питания катода e­₁ и анода e₂. Колебательный контур индуктивно связан с триодом при помощи катушки связи L_св, что обеспечивает при определенном ее подключении положительную обратную связь (рис.3).

При подключении источника питания анода e₂ конденсатор контура С₀ практически мгновенно заряжается, так как сопротивление соединительных проводов ничтожно мало (время заряда зависит от постоянной t=RC). Разряд конденсатора, как было отмечено выше, осуществляется через катушку индуктивности L. Переменный ток разряда создает вокруг катушки индуктивности переменное магнитное поле, которое наводит в катушке связи L_св ЭДС индукции. В первый полупериод ток разряда в контуре направлен по часовой стрелке, а к управляющей сетке приложен «+» потенциал и лампа открыта. Через контур протекает, дополнительно к току разряда, ток по следующей цепи: «+» источника e₂ , катушка индуктивности, анод, катод, «-» источника. Во второй полупериод ток разряда меняет направление на противоположное и на управляющую сетку поступает «-» потенциал. Лампа заперта до тех пор пока не перезарядится конденсатор С₀.

В последующие периоды процессы повторяются. Таким образом, в каждый период колебательный контур получает от источника анодного питания порцию энергии, равную потерянной энергии, и в контуре возникают незатухающие электромагнитные колебания (автоколебания).

☻ Метод определения частоты электромагнитных колебаний в генераторе. Для оценки параметров колебательного контура используют RC-цепочку, которую подсоединяют параллельно к конденсатору контура С₀ (см. рис.3). С целью минимизации влияния RC-цепочки на частоту электромагнитных колебаний в контуре, ее сопротивление по переменному току должно во много раз превышать сопротивление контура.

Известно (см. например [1] стр. 369 либо [5] стр.42), что конденсатор оказывает сопротивление переменному току , зависящее от электроемкости конденсатора С и частоты тока n,которое определяется по формуле:

(1)

из формулы (1) частота колебаний в контуре

(2)

Для определения сопротивленияэкспериментально определяют напряжение на конденсатореC и резистореR. Так как они включены между собой последовательно, то ток в них одинаков, следовательно

, (3)

где U_c – напряжение на конденсаторе;

U_R- – напряжение на резисторе.

Из формулы (3)

. (4)

после подстановки из формулы (4) значение сопротивления в формулу (2) получим значение частоты колебаний в генераторе

. (5)

где R - сопротивление резистора, C- электроемкость конденсатора измерительной RC -цепочки.

Для определения индуктивности катушки колебательного контура используют формулу Томсона

.

Отсюда (6)

где - частота колебаний генератора; C₀– электроемкость конденсатора включенного в колебательный контур.

2. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рис. 4) состоит из панели, на которой собран генератор незатухающих электромагнитных колебаний. На панели расположены:

· триод 6Н8С;

· колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L и конденсаторов С ₀₁ и С ₀₂;

· катушка обратной связи L_св .

· цепочки из конденсаторов С₃ и С₄ и резисторов R₁ и R₂ (с известными номиналами);

· тумблеры для переключения емкостей и резисторов;

· мультиметр для измерения напряжения;

· источник питания (~ 6,3 В; = 250 В).

3. Порядок выполнения лабораторной работы:

1. Собрать цепь по схеме (см.рис.4).

2. Записать в таблицу 1 значение емкостей: С₀₁ , С₀₂ , С₃ и С₄

и сопротивлений: R₁ и R₂ .

3. После проверки собранной схемы преподавателем или лаборантом подключить её к источникам и .

4.Переключателем П₁ подключить к контуру электроемкость С_01.

5. Произвести измерения напряжений на резисторе U_R и емкости U_СRC-цепи для следующихкомбинаций: R₁C₃; R₁C₄; R₂C₃; R₂C₄.

Выбор RC-цепочки осуществляется переключатели П₂ и П₃, а мультиметр подключают при измерении напряжения на резисторе к клеммам ао, а на конденсаторе – к клеммам во (см. рис.4).

Показания мультиметра занести в таблицу 2.

6. Для каждой комбинации RC-цепочки вычислите частоту колебаний генератора по формуле 5 и её среднее значение. Вычислите среднее значения абсолютной и относительной погрешности.

7. По среднему значению определите индуктивность контура , используя формулу 6, и оцените погрешности по формуле:

.

8. Результаты измерений представить в виде:

.

9.Переключателем П₁ подключить к контуру электроемкость С₀₂ и повторить пункты .

Таблица 1

С01	С02	С3	С4	R1	R2
Ф	Ф	Ф	Ф	Ом	Ом

Таблица 2

С	R C
Ф	-	В	В	Гц	Гц	%	Гн	Гн	%
С01	R1C3
R1C4
R2C3
R2C4
сред
С02	R1C3
R1C4
R2C3
R2C4
сред

Контрольные вопросы

1. Из чего состоит колебательный контур?

2. Как возникают электромагнитные колебания в колебательном контуре?

3. Объяснить принцип работы триода.

4. Что такое автоколебания?

5. Объяснить принцип работы лампового генератора.

6. Чему равна частота и период автоколебаний?

7. Вывести расчетные формулы для определения частоты электромагнитных колебаний в генераторе.

8. Как определяется индуктивность L катушки колебательного контура?

9. При каких условиях измерительная цепочка(RC)не будет оказывать заметное влияние на значение частоты (периода) колебаний в генераторе?

Рекомендуемая литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики (т.1). М.: Наука, СПб.: Лань, 2006. стр.369-371.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Шк., 2004. стр 231-232.

3. Федосеев В.Б. Физика. Ростов н/Д: Феникс, 2009.

4. Справочное руководство по физике. Ч.1. Механика, молекулярная физика, электричество, магнетизм: Учеб.-метод. пособие. -Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008.

5. Колебания и волны: Учебное пособие. -Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2009.

Составители: Т.П. Жданова, В.В. Илясов, А.П. Кудря, В.С. Кунаков

ИЗУЧЕНИЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ

(НА ПРИМЕРЕ ЛАМПОВОГО ГЕНЕРАТОРА)

Методические указания к лабораторной работе №27 по физике

(Раздел «Электричество»)

Редактор А.А.Литвинова

В печать

Объём 0,7 усл.п.л. Офсет. Формат 60х84/16.

Бумага тип №3. Заказ № . Тираж . Цена

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,1.