Лабораторна робота № 4.2. Дослідження резонансних характеристик коливального контура

Мета роботи – вивчити явище резонансу у коливальному контурі, побудувати резонансні криві, визначити смугу пропускання контуру і його добротність.

Вказівки до виконання роботи

Перед виконанням роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: Вимушені коливання. Резонанс. Вільні коливання у електричному коливальному контурі. Вимушені коливання в контурі. Автоколивальні системи, ламповий генератор.

[1, т.2, §§ 12.1–12.4; 2, §§ 143, 146, 148; 4, т.2, §§ 89–91]

Явище резонансу у послідовному коливальному контурі полягає у різкому зростанні амплітуди вимушених коливань струму у контурі і напруги на обкладинках конденсатора при наближенні частоти зовнішньої ЕРС до частоти власних коливань даного контуру. Найбільш просто такі коливання можна збудити завдяки індуктивному зв’язку котушки індуктивності контуру із зовнішньою котушкою, по якій протікає змінний струм. Якщо індукована у контурі ЕРС змінюється за законом , то диференціальне рівняння вимушених коливань буде мати вигляд:

, (4.2.1)

де L − індуктивність контуру, C − ємність, а R − активний (омічний) опір.

Розв’язки цього рівняння для амплітуди напруги U_m на конденсаторі і сили струму I_m у контурі мають вигляд:

; (4.2.2)

. (4.2.3)

Враховуючи, що частота власних (незгасаючих) коливань у контурі , а коефіцієнт згасання , приведемо рівняння (4.2.1) до канонічної форми:

. (4.2.2)

Розв’язки цього рівняння для амплітуд напруги на конденсаторі та сили струму у контурі мають вигляд:

; (4.2.3)

. (4.2.4)

Графіки відповідних функцій і зображені на рисунку 4.2.1 та 4.2.2.

Як видно з рисунків, амплітуди напруги і сили струму різко зростають при наближенні частоти до значення частоти власних коливань . Слід підкреслити, що резонансна частота (частота, при якій амплітуди напруги та струму максимальні) для сили струму співпадає з частотою власних коливань , а для напруги резонансна частота становить

, (4.2.5)

тобто спадає у разі збільшення коефіцієнта згасання.

Спільною особливістю обох графіків є те, що із збільшенням величини згасання ширина резонансної кривої зростає, а її висота спадає. Кількісною характеристикою форми резонансної кривої є добротність
– відношення амплітуди напруги при резонансі до амплітуди зовнішньої напруги :

. (4.2.6)

Добротність контуру характеризує гостроту резонансних кривих. Це видно з рисунку 4.2.2, де показано ширину резонансної кривої для сили струму по половині максимальної потужності. Із закону Джоуля-Ленца випливає, що потужність у колі пропорційна квадрату сили струму. Це означає, що коли сила струму у контурі зменшується у разів відносно максимального значення, потужність зменшується удвічі. На рисунку 4.2.2 показано, що потужність у контурі зменшується відносно максимального значення у два рази, коли частота зовнішньої ЕРС. відхиляється від на величину (при цьому амплітуда сили струму становить ). З виразу (4.2.4) випливає, що , де .

Таким чином, добротність контуру показує, у скільки разів амплітуда напруги при резонансі перевищує амплітуду напруги джерела з одного боку, або у скільки разів частота власних коливань більша ширини резонансної кривої на висоті з іншого боку.

Незгасаючі коливання виникають в автоколивальних системах, в яких відбуваються коливання з постійною частотою і амплітудою, значення яких не залежать від зовнішнього впливу і визначаються властивостями самої системи. Прикладом такої системи є ламповий генератор, схему якого подано на рисунку 4.2.3.

У цьому генераторі джерелом коливань є контур, утворений конденсатором С і котушкою L. У момент підключення анодної батареї анодний струм заряджає конденсатор і у контурі виникають згасаючі коливання. Завдяки індуктивному зв’язку котушок L і L_а потенціал сітки лампи також буде періодично змінюватись. При позитивному потенціалі сітки лампа струм проводить, а в разі негативного потенціалу − ні. Можна створити такі умови, коли лампа, відкриваючись на короткий проміжок часу, своїм анодним струмом буде заряджати конденсатор, компенсуючи тим самим омічні втрати у контурі. В результаті у контурі виникають незгасаючі коливання.

Слід підкреслити, що коливальний контур завдяки лампі сам визначає ті моменти, коли починається і припиняється підзарядка конденсатора. Одержані таким чином незгасаючі коливання не є строго гармонійними, але їх відміна від гармонійних настільки мала, що нею можна знехтувати.

У даній роботі використано ламповий генератор, який має індуктивний зв’язок з досліджуваним коливальним контуром. Частота коливань генератора регулюється у діапазоні 0,7...1,4 МГц, резонансна частота коливального контуру також може змінюватись завдяки зміні його ємності. Розташування ручок на панелях лабораторної установки схематично наведено на рисунку 4.2.4.

Хід роботи

1. Перед вмиканням приладу необхідно пересвідчитись, що ручка Р₃ перебуває у крайньому лівому положенні (індуктивний зв’язок генератора з контуром мінімальний), а тумблер Т − у положенні "Увімкнено".

2. Ручку Р₂ коливального контуру встановлюють в середнє положення, а ручку Р₁ генератора − у крайнє ліве положення.

3. Увімкнути прилад і зачекати 2 хвилини, поки нагріється катод лампи. Свідченням готовності приладу до роботи є те, що гальванометр почне показувати струм.

4. Ручку Р₂ коливального контуру встановити на початку шкали.

5. Обертаючи ручку Р₁ генератора за годинниковою стрілкою, фіксувати значення струму, що відповідають даному положенню ручки генератора Р₁. Серія експериментальних даних повинна мати не менш ніж сім пар значень. Значення частоти генератора і відповідні їм значення струму І занести до таблиці 4.2.1.

6. Ручку Р₂ встановити в середині шкали і повторити п.5. Потім ручку Р₂ встановити в кінці шкали і знову повторити п.5.

7. Користуючись отриманими даними, побудувати резонансні криві І=f( ), визначити смуги пропускання коливального контуру і обчислити його добротність за формулою .

Таблиця 4.7.1

, МГц
I, mA

Контрольні запитання

1. Чому у електричному коливальному контурі виникають коливання?

2. Описати процеси перетворення енергії у коливальному контурі.

3. Яке явище називають резонансом ?

4. Як залежить напруга на конденсаторі коливального контуру і струм у ньому від частоти зовнішньої ЕРС ?

5. Напишіть вираз резонансної частоти для амплітуди напруги на конденсаторі.

6. Яка система називається автоколивальною ?

7. Пояснити роботу лампового генератора незгасаючих коливань.

8. Як залежить півширина резонансної кривої коливального контуру від величини його опору ?

9. Що визначає ширина резонансної кривої ?