Блок моделирования полей (БМП)

БМП служит для моделирования плоскопараллельных электрических и магнитных полей полем постоянного тока в поводящем листе. Общий вид блока с установленным на нём планшетом показан на рис.1.2.

Рис.1.2

На гнёзда +Uпит и –Uпит подаётся питание от регулируемого источника напряжения 0…15 В, которое подводится проводами с нижней стороны планшета к медным электродам. Поверхность планшета покрыта проводящей краской и в ней возникает ток. Эквипотенциальные линии поля постоянного тока снимаются по точкам с помощью вольтметра и переносятся на бумагу. Они аналогичны эквипотенциальным линиям электростатического поля, создаваемого заряженными протяжёнными проводниками, также как и силовым линиям магнитного поля, создаваемого проводниками с током.

БМП содержит пять сменных планшетов с различной конфигурацией электродов. Один из них показан на рис. 1.2, а четыре других на рис. 1.3. Планшеты №№ 1, 2, 3, 4 используются для моделирования электростатических полей заряженных длинных проводов соответствующих сечений. Планшеты №1и №3 пригодны также и для моделирования магнитного поля прдвухпроводной линии с током, планшет №5 моделирует магнитное поле между полюсами и в зазоре явнополюсной электрической машины

Рис.1.3

Набор миниблоков

Миниблоки представляют собой отдельные элементы электрических цепей или функциональные блоки, из которых непосредственно в ходе лабораторной работы собирается исследуемая электрофизическая установка на наборном поле блока генераторов напряжений.

Все миниблоки хранятся в контейнере, общий вид которого представлен на рис. 1.4. На этикетках миниблоков изображены упрощённые электрические схемы соединения основных элементов, показано расположение выводов и приведены основные технические параметры.

Рис. 1.4

Ниже приводится описание каждого миниблока.

1. Миниблок «Интегратор» предназначен для интегрирования входного сигнала u_вх(t) или i_вх по времени:

Параметры R_вх и С указаны на упрощенной принципиальной схеме интегратора (рис.1.5).

Интегратор имеет два режима работы. При разомкнутом состоянии выключателя «Сброс» (нижнее положение тумблера на миниблоке) происходит интегрирование входного сигнала. Напряжение на выходе в этом режиме медленно изменяется даже при отсутствии входного сигнала, поскольку всегда есть внутренние утечки схемы и помехи. Этот режим используется для интегрирования кратковременных одиночных импульсов тока или напряжения, например, для измерения заряда при включении конденсатора на постоянное напряжение или для измерения потоксцепления при включении и отключении катушки индуктивности. Перед началом интегрирования необходимо «обнулить» интегратор включив на 2…3 с выключатель «Сброс».

При включённом выключателе «Сброс» (верхнее положение тумблера на миниблоке) медленно изменяющаяся составляющая входного сигнала не интегрируется. Этот режим используется для возвращения интегратора в нулевое положение и для интегрирования периодических быстро протекающих процессов, например, при снятии петли гистерезиса.

Напряжение на выходе интегратора не может быть больше напряжения питания, поэтому, когда оно приближается к напряжению питания +15 В или –15 В, включается светодиод «Перегрузка».

Для удобства подключения интегратора к источникам питания, к входным и выходным цепям, он устанавливается на наборном поле всегда в отведённом для него месте (см. рис. 1.1). При этом к нему подводится напряжение питания + 15В относительно средней точки, обозначенной на наборном поле символом ^.

2. Миниблок «Точка Кюри» предназначен для исследования магнитных свойств ферромагнетика. На кольцевой сердечник из феррита марки М6000НМ размещены две обмотки по 250 витков. Размеры сердечника: наружный диаметр – 16 мм, внутренний – 10 мм, толщина – 4,5 мм. На этикетке миниблока указаны сечение сердечника и длина средней линии. Сердечник с обмотками помещён в миниатюрную печь, вместе с термопарой и сигнальной лампочкой.

На нагревательный элемент подаётся напряжение от источников постоянного напряжения. Оно регулируется от 15 до 30 В. При напряжении 30 В нагрев до точки Кюри (паспортное значение 110^оС) происходит примерно за 20 – 25 минут.

3. Миниблок «Трансформатор тороидальный» предназначен для повышения или понижения переменного напряжения, и также может быть использован для исследования магнитных свойств ферромагнитных сердечников (без нагрева). Он выполнен на двух сердечниках М2000НМ диаметром 20 мм и имеет три обмотки – 100, 100 и 200 витков. На миниблоке имеется двухполюсный переключатель, при переключении которого изменяется направление тока в первичной обмотке.

4. Миниблок «Кольцевые катушки» предназначен для исследования магнитного поля на оси катушек и явления взаимной индукции. Одна из двух одинаковых катушек неподвижна, другая может перемещаться вдоль оси с помощью специального поводка. Минимальное расстояние между центрами катушек 5 мм. На этикетке имеется шкала, по которой можно определить текущее расстояние между катушками, указаны одноимённые зажимы, числа витков и средний диаметр катушек, а также показано расположение выводов. Для измерения магнитной индукции на оси катушек используется миниблок «Тесламетр», в котором имеется щуп с датчиком Холла. Максимальный допустимый ток катушек 200 мА.

5. Миниблок «Температурная зависимость» предназначен для исследования зависимости от температуры сопротивления медного проводника и полупроводникового сопротивления. В нём имеется миниатюрная печка, в которую встроены катушка с тонким медным проводом (допустимый ток 50 мА), полупроводниковый терморезистор типа ММТ - 13, КМТ – 17, СТ1 – 2 или подобный (максимальная мощность рассеивания 0,6 Вт), термопара, и сигнальная лампочка. На нагревательный элемент печки подаётся напряжение, а сопротивление исследуемых резисторов измеряется омметром. Для увеличения точности эксперимента на время измерений необходимо отключать нагрев, так как цепь нагрева и цепь измерений имеют общее переходное сопротивление контакта.

6. Миниблок «Удельное сопротивление» предназначен для определения удельного сопротивления проводника при известных длине и сечении. Проводник представляет собой переменный резистор открытого типа. .Длину проводника можно изменять вращением вала с помощью отвёртки. Установленное значение длины видно по шкале на этикетке миниблока, а сечение определяется по указанному на ней диаметру провода.

7. Миниблок «Переключатель» представляет собой тумблер, служащий для включения или переключения электрических цепей.

8. Миниблок «Цилиндрическая катушка» служит для исследования магнитного поля на её оси с помощью датчика Холла(миниблок «Тесламетр»). На этикетке указаны число витков, средний диаметр и длина катушки.

9. Миниблок «Магнетрон» предназначен для определения удельного заряда электрона по отклонению движущихся электронов магнитным полем. Он представляет собой электронный вакуумный диод 3Ц18П, помещённый в цилиндрическую катушку. Диод имеет нитевидный катод, диаметр, которого равен 1 мм и коаксиальный цилиндрический анод, диаметр которого равен 10 мм.

Для усиления магнитного поля катушка охвачена стальным экраном (внешним магнитопроводом) как показано на рис.1.6. Поэтому, напряжённость магнитного поля вблизи центра катушки можно вычислить по следующей приближённой формуле:

,

где I – ток в катушке;

w – число витков;

l – длина катушки (точнее расстояние между верхней и нижней поверхностями экрана).

Значения l и w указаны на этикетке миниблока.

При расчёте магнитной индукции в магнетроне следует учитывать, что цилиндрический анод выполнен из ферромагнитного материала. Он действует как экран и, как показали специальные эксперименты, ослабляет поле неравномерно по высоте анода. В средине анода ослабление поля происходит примерно в 2 раза. Поэтому фактическое значение магнитной индукции можно рассчитать по приближённой формуле:

Магнетрон устанавливается строго в отведённом для него месте наборного поля. При этом анод лампы подключается к напряжению питания +15 В, катод – к напряжению –15 В и подаётся переменное напряжение 3 В на нить накала.

10. Миниблок «Потенциометр» является просто регулируемым сопротивлением, который также используется для деления напряжения в заданном соотношении. Шкала на этикетке приблизительно примерно соответствует сопротивлению между нижним и правым выводами, тогда как сопротивление между нижним и верхним выводами не изменяется и составляет примерно 1 кОм.

11. Миниблок «Электронный ключ» предназначен для включения и выключения цепи по управляющему сигналу от компьютера. Он подключается к коннектору специальным кабелем. К контактам 1 и 7 разъёма на миниблоке от компьютера поступает напряжение питания 5 В а к 4-му относительно 7-го контактаа –управляющее напряжение (тоже примерно 5 В). При отсутствии сигнала управления ключ разомкнут, при его наличии – замкнут.

12. Миниблок «Тесламетр» предназначен для измерения магнитной индукции. Он имеет зонд с датчиком Холла (типа KSY или KSY13 GEG) на конце, который можно вводить внутрь катушек. Вдоль оси зонда наненесены риски через 5 мм. Они позволяют определять расстояние, на которое перемещается датчик внутри катушки. Датчик расположен перпендикулярно оси зонда, т.е. он измеряет аксиальную составляющую магнитной индукции.

ЭДС Холла поступает в миниблок на вход усилителя напряжения, а к выходу усилителя подключается мультиметр или любой другой прибор для измерения напряжения.

Миниблок устанавливается в наборное поле на том же месте, что и интегратор. При этом к нему подводится напряжение питания + 15В относительно средней точки (^).

Для компенсации несимметрии датчика Холла и дрейфа «нуля» усилителя на миниблоке имеется ручка управления «Установка нуля». Для подготовки тесламетра к работе необходимо установить его на указанное место наборного поля, подключить к выходу мультиметр для измерения напряжения, включить блок генераторов напряжений и, поворачивая ручку «Установка нуля», добиться как можно меньшего значения напряжения на выходе (обычно это меньше 20 мВ). Чувствительность тесламетра отрегулирована изготовителем и составляет 0,1 В/мТл. Контроль установки «нуля» и её корректировку необходимо проводить время от времени в течение всего опыта.

На этикетке указано также максимально возможное значение измеряемой индукции 0,13 Тл. При большем значении индукции напряжение на выходе усилителя приближается к напряжению питания и его дальнейшее увеличение невозможно. Сигнализации перегрузки (как в интеграторе) здесь нет.

13. Миниблок «Сегнетоэлектрик» предназначен для снятия поляризационной кривой сегнетоэлектрика и изучения её зависимости от температуры. Он устроен аналогично миниблоку «Температурная зависимость». Внутрь печки помещён конденсатор 1 мкФ типа Y5V. Поляризация сегнетоэлектрика в нём достигает насыщения при напряжении 25…30 В. Максимальная амплитуда, которую может дать генератор напряжений специальной формы составляет 10 В. Поэтому, при снятии поляризационной кривой необходимо использовать повышающий трансформатор. При повышении температуры нелинейность поляризационной кривой уменьшается и становится незаметной при температуре 70…80^оС. Петля гистерезиса используемого в конденсаторе сегнетоэлектрика весьма узкая – на осциллографе наблюдается только одна линия.

14. Миниблок «Датчик Холла» используется для изучения эффекта Холла. В разрез кольцевого стального сердечника с катушкой встроен датчик Холла типа KSY10, KSY13GEG, KSY14 или ДХК-0,5. Паспортная чувствительность датчиков KSY при рабочем токе 5 мА лежит в пределах 85…145 мВ/0,1Т, сопротивление 900…1200 Ом, толщина пластины полупроводника ориентировочно равна 0,1 мм. У датчика ДХК эти параметры соответственно равны 3мА, 28мВ/0,1Т, 1,8…3 кОм.

Для расчёта магнитной индукции на боковой этикетке миниблока указаны величина воздушного зазора и число витков катушки.

При установке миниблока на отведённое для него место в наборном поле датчик автоматически подключается к источнику постоянного напряжения 15 В и в нём устанавливается рабочий ток примерно 5 мА, а катушка, создающая магнитное поле одним выводом подключается к общей точке источников постоянного напряжения. Второй вывод катушки необходимо подключить с помощью проводников через амперметр к выходу генератора 0…15 В и регулятором напряжения установить нужное значение тока. Направление тока в катушке можно изменять с помощью двухполюсного переключателя, встроенного в миниблок.

15. Миниблок «Трансформатор с разъёмным сердечником» может использоваться как собственно трансформатор для повышения или понижения напряжения, как регулируемая индуктивность, если между подковами разъёмного сердечника вставлять неферромагнитные прокладки различной толщины (полоски бумаги или картона), как установка для изучения явления взаимной индукции (коэффициент связи можно изменять удаляя из катушек половинку или весь сердечник), как установку для изучения закона электромагнитной индукции (если при питании постоянным током из катушки быстро удалить сердечник, то с помощью интегратора можно зафиксировать изменение потокосцепления и возникновение ЭДС). Возможны и другие применения этого миниблока.

16…26. Одноэлементные миниблоки. Каждый из этих миниблоков содержит один простейший элемент электрической цепи – резистор, конденсатор, или индуктивность. На этикетках указаны номинальные параметры элементов.

Блок мультиметров

Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, температуры, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока представлен на рис. 1.7. В нём использованы серийно выпускаемые мультиметры двух типов MY60 (установлен с левой стороны блока) и MY62 (установлен с правой стороны). Подробная техническая информация о них и правила применения приводится в руководстве по эксплуатации изготовителя. Здесь отметим лишь, что прибор MY60 по сравнению с MY62 имеет больше пределов измерения тока и, что особенно важно, - большую перегрузочную способность по току. Поэтому для измерения токов предпочтительно использовать именно прибор МY60! В свою очередь, мультиметр МY62, в отличие от MY60 имеет вход для подключения термопары и функцию измерения ёмкости конденсаторов. Остальные характеристики этих двух приборов одинаковые. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителя защиты токовых цепей мультиметров.

Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров соблюдайте следующие правила:

· Не превышайте допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого рода работы

· Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливайте переключатель пределов измерения на наибольшую величину.

· Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы (не для изменения предела измерения!), отключайте щупы от проверяемой цепи.

· Не измеряйте сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение.

· Не измеряйте ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они разряжены.

· По возможности избегайте проводить измерение тока мультиметром МY62. Предохранитель 0,2 А этого мультиметра может перегореть от источников напряжения имеющихся в данном стенде. Предпочитайте измерять ток мультиметром МY60.

Коннектор

Коннектор (тип 334.1) предназначен для ввода токов и напряжений в компьютер на плату PCI-6023(Е) для измерений с помощью программы прикладной «ВП_Физика». Общий вид его лицевой панели показан на рис.1.8.

Коннектор содержит делители напряжений для ввода напряжений, шунты для ввода токов, блоки гальванической развязки измеряемых сигналов, разъём для подключения термопары и усилитель термо-ЭДС, разъем для вывода из компьютера сигналов управления электронным ключом и разъем для подключения плоского кабеля связи коннектора с компьютером.

Изображенные на лицевой панели виртуальные измерительные приборы V0, V1, A1…A4 включаются в цепь как обычные вольтметры и амперметры. Коннектор имеет два канала для ввода напряжений в компьютер и два канала для ввода токов. Однако, в цепь можно включить четыре амперметра и кнопками переключения измеряемого тока выбирать вводимое в компьютер значение I₁ или I₂, I₃ или I₄. О выбранном токе сигнализирует светодиод на лицевой панели коннектора и надпись на виртуальном амперметре на экране дисплея.

Кнопки переключения делителей напряжения и шунтов предназначены для выбора пределов измерения как в обычных измерительных приборах.

Рис.1.8