Набор виртуальных приборов

1.6.1. Общие сведения

Виртуальный прибор представляет собой прикладную программу, созданную в среде LabVIEW и предназначенную для использования в компьютере, который оснащен специальной платой ввода-вывода данных PCI 6023(Е) фирмы National Instruments. Удобство связи с компьютером обеспечивается с помощью коннектора, который соединен с компьютером плоским кабелем.

Программное обеспечение комплекса «Электричество и магнетизм» установлено на жестком диске компьютера, входящего в состав поставляемого комплекса и дублируется на прилагаемом компакт-диске. Оно представляет собой набор виртуальных приборов «ВП_Физика», «подключаемых» к исследуемой установке с помощью описанного коннектора типа 334.1.

Если у Вас возникнет необходимость самим установить программное обеспечение с компакт-диска, то запустите программу установки “Setap Физика.exe”, имеющуюся на компакт-диске и следуйте указаниям этой программы. Далее создайте на рабочем столе ярлык «ВП_Физика». Для этого откройте проводник Windows и найдите в нём папку установки программы «ВП ТОЭ» (по умолчанию это каталог C:\Program Files\Stend Fz). Щёлкните правой кнопкой мыши на файле “Stend Fz”/exe” и выберите пункт меню «Создать ярлык». Созданный ярлык перенесите на рабочий стол Windows и измените его название на «ВП_Физика».

1.6.2. Порядок работы с виртуальными амперметрами и вольтметрами

При работе с виртуальными приборами придерживайтесь следующего порядка.

· Соберите цепь согласно схеме опыта, включив в нее вместо реальных амперметров и вольтметров виртуальные приборы, изображенные на лицевой панели коннектора.

· Включите виртуальные приборы двойным щелчком левой кнопки мыши на ярлыке «ВП_Физика». В результате откроется блок «Приборы I» (рис. 1.9), в котором содержатся вольтметры и амперметры. Часть из них активизирована по умолчанию (т. е. включены пределы измерения).

Рис. 1.9

· Расположение приборов в окне этого блока можно изменить, щелкнув левой кнопкой мыши на обозначении прибора и выбрав в открывшемся перечне нужный прибор. К одному и тому же каналу коннектора, таким образом, можно подключить несколько виртуальных приборов для одновременного измерения, например, действующего, амплитудного, среднего и др. значений одного и того же напряжения (тока).

· Активизируйте нужные виртуальные приборы, щелкнув в соответствующих окнах на кнопках «Откл». Для отключения прибора щелкните в окне предела измерения. Чем больше каналов задействовано в виртуальных измерениях тока и напряжения, тем ниже частота сканирования и меньше значений вводится в компьютер за период измерения. Период измерения, в течение которого производится ввод данных в компьютер, по умолчанию равен 0,1 с. Его можно изменить, открыв меню, как показано на рис. 1.9 и выбрав мышью строку «Период измерения».

· При выполнении измерений переменных напряжений и токов необходимо обращать внимание на число отсчётов в секунду, которое указано в верхней части панели «Приборы I». Необходимо, чтобы число отсчётов, приходящихся на один период измеряемого сигнала (не путать с периодом измерения!), было не менее десяти. При меньшем числе отсчётов резко возрастает погрешность измперений.

· Выберите род измеряемой величины, щелкнув в окне «Действующее» и выбрав из открывшегося списка нужное значение. В этом окне опция «Действ. перем.» означает действующее значение сигнала, из которого исключена постоянная составляющая.

· Выберите пределы измерения амперметров и вольтметров, нажав соответствующие кнопки на коннекторе (см. рис. 1.8). Выбранные пределы отображаются автоматически в соответствующих окнах виртуальных приборов. Когда измеряемый сигнал превышает допустимый для данного канала уровень, окно с показанием виртуального прибора начинает мигать красным цветом, а в верхней части панели включается надпись «Перегрузка! Перейдите на больший предел». Она гаснет, как только предел измерения становится больше измеряемой величины.

· При снижении измеряемой величины ниже значения следующего (более низкого) предела измерения включается надпись «Перейдите на меньший предел». Через некоторое время она гаснет самостоятельно, но окно данного виртуального прибора продолжает мигать, предупреждая о том, что данное измерение можно сделать точнее.

· Для того, чтобы закрыть окно виртуальных приборов, необходимо щелкнуть по клавише «Выкл».

1.6.3. Измерение сопротивлений, мощностей и углов сдвига фаз с помощью виртуальных приборов

Сначала включите блок «Приборы I». Затем для «включения» виртуальных ваттметров, омметров, фазометра и т.д. выберите из меню блока «Прибры I» позицию «Приборы II». При этом откроется блок с тремя приборами (рис. 1.10), которые вычисляют сопротивления, углы сдвига фаз мощности и т. д. по мгновенным значениям токов и напряжений, введенным в компьютер через коннектор.

Первые два прибора этого блока имеют свое меню, из которого выбираются измеряемые величины (см. рис. 1.10).

Для активизации прибора достаточно выбрать в соответствующих окнах две величины, через которые определяется искомая величина. Например, если на входе цепи включен вольтметр V0 и амперметр А4, то для измерения входных мощностей (P, Q, S), входных сопротивлений (R, X, Z), а также угла сдвига фаз между напряжением и током (j=j_U-j_I), необходимо в верхнем окне прибора выбрать V0, а в нижнем А4. Для измерения угла сдвига фаз между токами I₁и I₄ (j=j_I1-j_I4) в верхнем окне должно быть А1, а в нижнем А4 (но не наоборот, иначе будет j_I4-j_I1). Для измерения частоты или периода необходимо указать только одну величину (в верхнем окне).

Третий (нижний) прибор в этом блоке производит вычисления по формуле, вводимой самим пользователем. Аргументами этой формулы могут быть 4 из 8 величин х1…х8 (не более!), измеряемых приборами первого и второго блоков. Обозначения х1…х8 имеются на рис. 1.9 и 1.10. Например, если измеряются две активные мощности – в верхнем окне мощность источника, а в нижнем нагрузки, то третий прибор можно запрограммировать на определение КПД. Для этого нужно ввести аргументы х7 и х8, напечатать формулу y=х8/х7 и щелкнуть на клавише «Начать счет».

В случае синтаксической ошибки во ведённой формуле окно формулы начинает мигать и счёт не производится.

Рис. 1.10

1.6.4. Виртуальный осциллограф

Виртуальный осциллограф позволяет наблюдать временные диаграммы сигналов, подаваемых на вход коннектора (двух напряжений и двух токов) в режиме «Развертка» или зависимость одного входного сигнала от любого другого в режиме «XY».

Для его включения необходимо подать на вход коннектора исследуемые сигналы, включить и настроить, как описано выше, блок «Приборы I» и выбрать в меню этого блока строку «Осциллограф». После этого на дисплее появится изображение виртуального прибора «Осциллограф» (рис. 1.11). Назначение всех его окон показано на рисунке.

Рис 1.11

Один из пяти блоков входов и вертикального отклонения луча с пояснениями показан на рис. 1.12.

На любой из пяти входов осциллографа можно подать сигнал с любого входа

коннектора. При этом в окне входа осциллографа появляется соответствующее обозначение входа коннектора (виртуального прибора) и появляется луч на экране, цвет которого соответствует цвету фона переключателя исследуемого сигнала.

Масштаб изображения по вертикали устанавливается автоматически и изменяется ступенчато при изменении амплитуды сигнала, но его можно зафиксировать, нажав на кнопку фиксации масштаба (см. рис.1.12). После этого он меняться не будет. Предусмотрено и ручное плавное изменение масштаба внутри ступени.

Рис. 1.12

Органы управления горизонтальным перемещением луча показаны на рис.1.13.

Рис.1.13

В правом верхнем углу осциллографа (см. рис. 1.11) имеется движок управления степенью сглаживания фильтра (появляется только при его включении), а также меню изменения характеристик графика: непрерывный, ступенчатый, гистограмма, точечный, размер и форма точек, толщина линий и т.п. Меню открывается при щелчке на любом из изображенных там пяти лучей.

Кнопка «Записать в файл» позволяет записать в файл таблицу мгновенных значений всех подключенных сигналов за один период измерения. Затем их можно прочитать и обработать в программах MathCAD, Excel, Origin и др. После щелчка на этой кнопке появляется окно диалога (рис. 1.14), в котором нужно выбрать диск, папку и имя файла, в который Вы хотите записать данные. Выбрав файл, нажмите клавишу «Сохранить»

Рис.1.14

1.6.5. Виртуальный псевдоаналоговый прибор

Для наблюдения тенденции изменения измеряемой величины более удобным является стрелочный прибор. Поэтому в комплексе «ВП_Физика» имеется псевдоаналоговый стрелочный прибор, который может дублировать показания любого из рассмотренных выше цифровых приборов (рис.1.15).

Рис.1.15

Он открывается щелчком мыши на строке «Аналоговый прибор» в меню блока «Приборы I» и подключается к любому из восьми приборов х1…х8. На нем имеется также окно выбора типа шкалы и клавиша «Инерционный - Безинерционный», с помощью которой можно замедлить или ускорить движение стрелки. Шкала прибора перенастраивается автоматически при выходе стрелки за ее пределы. Показание стрелки дублируется в цифровом виде в специальном окне прибора.

1.6.6. Виртуальный прибор «Ключ»

Виртуальный прибор «Ключ» предназначен для управления электронными ключами, транзисторами, тиристорами и другими приборами, работающими в ключевом режиме.

Он открывается щелчком на строке «Ключ» в меню блока «Приборы I». Его вид показан на рис. 1.16.

Рис. 1.16

После включения прибора необходимо установить исходное состояние ключей в окнах «Ключ 1» и «Ключ 2». Значение 1 в окне первого ключа соответствует наличию сигнала управления +5В на контакте 4 относительно общего контакта 7 разъема «Управление ключом» на коннекторе, значение 0 – отсутствию сигнала. Значение 1 в окне второго ключа соответствует наличию сигнала +5В на контакте 8 разъема, 0 – отсутствию сигнала.

После того, как исходные состояния установлены, они переключаются каждый раз при нажатии клавиши «Переключить».

1.6.7. Виртуальный прибор «Термометр/термостат»

Этот виртуальный прибор предназначен для. измерения температуры с помощью термопар типа К (алюмель – хромель), которые установлены внутри миниблоков «Температурная зависимость», «Сегнетоэлектрик» и «Точка Кюри». Термопара подключается к контактам 1 и 3 разъёма коннектора специальным кабелем. В коннекторе имеется усилитель сигнала термопары с компенсацией температуры окружающей среды. Усиленный сигнал подаётся в компьютер на плату ввода – вывода данных по плоскому кабелю.

Прибор открывается на дисплее щелчком на строке «Термометр/термостат» в меню блока «Приборы I» (см. рис. 1.9). Его вид показан на рис.!.17.

Он имеет два режима работы. В первом режиме (показан на рис. слева) прибор показывает температуру в ^ОС. Её изменение также иллюстрируется бегущей линией на экране внизу прибора и столбиком со шкалой в правой части прибора. Второй режим предназначен для поддержания заданной температуры в миниблоке путём включения и отключения нагревательного элемента по сигналу от компьютера. Для включения и выключения нагревательного элемента используется миниблок «Электронный ключ», который должен быть подключён к коннектору специальным кабелем. Чтобы перейти к этому режиму, необходимо нажать клавишу «Включить термостат», после чего на приборе появляется окно «Заданное значение температуры». Заданное значение нужно напечатать в окошке или установить с помощью имеющихся там стрелок «вверх – вниз». Заданное значение дублируется стрелкой на столбике и горизонтальной линией на экране. Когда температура в миниблоек достигает заданного значения, подаётся сигнал на разъём коннектора «Управление ключём», ключ размыкается и нагрев прекращается. При снижении температуры ниже заданной происходит включение нагревательного элемента.

Рис. 1.17

В работе «термостата» задействован виртуальный прибор «Ключ». Поэтому использование «ключа» при включённом «термостате» невозможно.

2. Указания по выполнению базовых экспериментов

2.1. Моделирование плоскопараллельного электростатического поля током в проводящем листе

Задание

Построить картину силовых линий моделируемого электростатического поля, определить его напряжённость в отдельных точках.

Порядок выполнения эксперимента

· Установите на блок моделирования полей один из вариантов конфигурации проводящего листа (планшет 1, 2, 3 или 4) и подключите питание и мультиметр в режиме вольтметра как показано на рис. 2.1.1.

· Приготовьте рисунок расположения электродов с координатной сеткой (см. Приложение).

Рис.2.1.1

· Включите источник питания и убедитесь, что один из электродов имеет потенциал, равный нулю, а другой – потенциал, равный напряжению источника питания.

· Выберите такое напряжение питания и U = 10…15 В и шаг изменения потенциала (например 1; 2 или 2,5 В), чтобы на картине поля получилось 7…10 эквипотенциальных линий.

· Перемещая зонд от точки нулевого потенциала по оси симметрии к другому электроду, найдите точки с потенциалами , 2 , 3 … Найденные точки отмечайте на приготовленном рисунке с координатной сеткой.

· Перемещая зонд из точки с потенциалом вокруг электрода (слегка приближаясь или удаляясь от него), находите точки равного потенциала и отмечайте их на рисунке. Точки равного потенциала соедините плавной кривой. Аналогично постройте другие эквипотенциальные линии.

Примечание: В каждом варианте проводящего листа имеются одна или две оси симметрии, поэтому можно ограничиться исследованием половины или четверти проводящей области листа.

· Пользуясь известными правилами графического построения картины поля, по эквипотенциальным линиям электростатического поля постройте силовые линии напряжённости поля.

· Вычислите напряженность электрического поля в двух - трёх точках проводящего листа и покажите направление вектора напряженности в этих точках на рисунке ( ).

2.2. Моделирование плоскопараллельного магнитного поля током в проводящем листе

Задание

Построить картину силовых линий исследуемого магнитного поля, определить его магнитную индукцию в отдельных точках, приняв какое-нибудь конкретное значение намагничивающего тока

Порядок выполнения эксперимента

· Установите на блок моделирования полей один из вариантов конфигурации проводящего листа (планшет 1, 3 или 5) и подключите питание и мультиметр в режиме вольтметра как показано на рис. 2.2.1.

· Приготовьте рисунок расположения электродов с координатной сеткой (см. Приложение).

Рис.2.2.1

· Включите источник питания и убедитесь, что один из электродов имеет потенциал, равный нулю, а другой – потенциал, равный напряжению источника питания.

· Выберите такое напряжение питания и U = 10…15 В и шаг изменения потенциала (например 1; 2 или 2,5 В), чтобы на картине поля получилось 7…10 эквипотенциальных линий.

· Перемещая зонд от точки нулевого потенциала по оси симметрии к другому электроду, найдите точки с потенциалами , 2 , 3 … Найденные точки отмечайте на приготовленном рисунке с координатной сеткой.

· Перемещая зонд из точки с потенциалом вокруг электрода (слегка приближаясь или удаляясь от него), находите точки равного потенциала и отмечайте их на рисунке. Точки равного потенциала соедините плавной кривой. Аналогично постройте другие эквипотенциальные линии.

Примечание: В каждом варианте проводящего листа имеются одна или две оси симметрии, поэтому можно ограничиться исследованием половины или четверти проводящей области листа.

· Считая снятые эквипотенциальные линии электрического поля магнитными силовыми линиями, постройте линии равного магнитного потенциала, пользуясь известными правилами графического построения картины поля. Примите конкретное значение тока в шинах или МДС катушек и укажите для каждой эквипотенщиальной линии значение магнитного потенциала.

· Вычислите магнитную индукцию в двух – трёх точках поля и покажите направление вектора магнитной индукции в этих точках на рисунке ( ).

2.3. Исследование магнитного поля на оси цилиндрической
катушки

Задание

Измерить магнитную индукцию в различных точках на оси цилиндрической катушки и построить график её изменения вдоль оси. Проверить результаты измерения расчётом.

Порядок выполнения эксперимента

· Установите исследуемую катушку на наборную панель, как показано на рис. 2.3.1, и подведите к ней питание от регулируемого источника постоянного напряжения 0…15 В через амперметр.

·

Установите на наборную панель миниблок для измерения магнитной индукции («Тесламетр»).

Рис. 2.3.1

· Разомкните цепь питания катушки (выньте из гнезда наборной панели штырёк провода от амперметра) и включите блок генераторов.

· При выключенном питании катушки установите как можно точнее нулевое показание вольтметра ручкой установки нуля (обычно удаётся получить Uвых<20 мВ).

· Включите питание катушки и установите максимально допустимый ток 0.2 А регулятором напряжения источника. При меньшем токе погрешность измерения магнитной индукции возрастает из-за слишком слабого магнитного поля.

· Перемещая зонд с датчиком Холла вдоль оси катушек с шагом 5 мм, запишите координаты и соответствующие им значения магнитной индукции в табл. 2.3.1.Кооррдинату х = 0 удобно принять в центре катушки. Значение магнитной индукции В [мTл] = 10U_ВЫХ [B]. В ходе эксперимента время от времени отключайте питание катушки и корректируйте установку нуля тесламетра.

· Постройте график изменения В(х) для рассмотренного случая. Предварительно выберите удобные масштабы и нанесите шкалы по осям.

· Вычислите магнитную индукцию в некоторых характерных точках (в точке симметрии, на краю катушки и т. п.) по формуле для однослойной цилиндрической катушки:

,

где b₁ и b₂ определяются из рис. 2.3.2.

Рис. 2.3.2

· Нанесите расчётные точки на экспериментальном графике либо сделайте расчёт всего графика на компьютере, используя, например, программу MathCAD. Тогда удобнее экспериментальные точки нанести на расчётном графике.

·

Таблица 2.3.1

х, мм	-25	-20	-15	-10	-5
U, B
B, мТл

2.4. Исследование магнитного поля на оси кольцевых катушек

Задание

Измерить магнитную индукцию в различных точках на оси кольцевой катушки, или двух катушек, смещённых относительно друг друга, при их согласном или встречном включении. Построить график изменения магнитной индукции вдоль оси. Проверить результаты измерения расчётом.

Порядок выполнения эксперимента

·

Установите миниблок «Кольцевые катушки» на наборную панель, как показано на рис. 2.4.1. Если Вы исследуете поле двух катушек, то соедините катушки между собойсогласно или встречно. Подведите к катушкам питание от регулируемого источника постоянного напряжения 0…15 В через амперметр.

Рис. 2.4.1

· Установите на наборную панель миниблок для измерения магнитной индукции («Тесламетр»).

· Разомкните цепь питания катушек (выньте из гнезда наборной панели штырёк провода от амперметра) и включите блок генераторов.

· При выключенном питании катушек установите как можно точнее нулевое показание вольтметра ручкой установки нуля (обычно удаётся получить Uвых<20 мВ).

· Включите питание и установите максимально допустимый ток 0.2 А регулятором напряжения источника. При меньшем токе погрешность измерения магнитной индукции возрастает из-за слишком слабого магнитного поля.

· Перемещая зонд с датчиком Холла вдоль оси катушек с шагом 2,5 мм, запишите координаты и соответствующие им значения магнитной индукции в табл. 2.3.1. Кооррдинату х = 0 удобно принять в центре одной из кольцевых каьушек. Значение магнитной индукции В [мTл] = 10U_ВЫХ [B]. В ходе эксперимента время от времени отключайте питание катушки и корректируйте установку нуля тесламетра.

· Постройте график изменения В(х) для рассмотренного случая. Предварительно выберите удобные масштабы и нанесите шкалы по осям.

· Вычислите магнитную индукцию в некоторых характерных точках (в точке симметрии, в центре одной из катушек и т. п.) по формуле для тонкой кольцевой катушки:

.

Геометрические размеры, входящие в эту формулу показаны на рис.2.4.2

· Нанесите расчётные точки на экспериментальном графике либо сделайте расчёт всего графика на компьютере, используя, например, программу MathCAD. Тогда удобнее экспериментальные точки нанести на расчётном графике

Таблица 2.3.1

х, мм	-10	-7,5	-5	-2,5		2,5		7,5		12,5
U, B
B, мТл

2.5. Измерение сопротивлений и определение удельного сопротивления проводника

Задание

Произвести измерение сопротивления с помощью мультиметра, методом вольтметра и амперметра (рис. 2.5.1а и б) и с помощью виртуальных приборов, сравнить результаты, вычислить удельное сопротивление проводника.

Порядок выполнения эксперимента

· На миниблоке «Удельное сопротивление» установите с помощью отвёртки заданную длину проводника от 0,5 до 2,5 м.

· Установите миниблок на наборную панель, подключите к нему мультиметр в режиме измерения сопротивления (предел измерения 200 ом) и запишите значения длины проводника, диаметра и сопротивления:
l =……………….м; d = …………….мм; R = …………..Ом.

· Соберите цепь для измерения сопротивления методом вольтметра и амперметра как показано на рис. 2.5.2, используя правый мультиметр в качестве вольтметра, а левый - в качестве амперметра. Установите на них соответствующие режимы и пределы измерения 20 В и 200 мА. Сплошной линией на рис. 2.5.2 показано включение вольтметра по схеме рис. 2.5.1а, а пунктирной – по схеме рис. 2.5.1б.

· Включите блок генераторов напряжений и установите регулятором ток в цепи порядка 200 мА. Запишите в табл. 2.5.1 значения тока и напряжения и вычислите сопротивление. Опыт проделайте по двум схемам.

Таблица 2.5.1

Схема измерения	Измерения мультиметрами методом вольтметра и амперметра	Измерения врт. приб.
U, B	I, A	R, Ом	R, Ом
Рис.2.5.1а
Рис.2.5.1б

· Проделайте измерение сопротивления с помощью виртуального омметра также по двум схемам. Для этого замените мультиметры на виртуальный вольтметр V0 и виртуальный амперметр А1 (их зажимы находятся на коннекторе), включите компьютер и следуйте указаниям разделов 1.5 и 1.6.

Рис.2.5.2

· Вычислите среднее значение сопротивления по результатам пяти измерений и определите удельное сопротивление материала, из которого изготовлен проводник:

R_ср = ………………………….Ом;

2.6. Определение температурного коэффициента сопротивления проводника и ширины запрещённой зоны полупроводника

Задание

Снять зависимость сопротивлений проводника и полупроводника от температуры. Вычислить температурный коэффициент сопротивления проводника и ширину запрещённой зоны полупроводника.

Порядок выполнения эксперимента

·
Установите миниблоки «Температурная зависимость» и «Электронный ключ» на наборное поле, как показано на рис.2.6.1 и выполнитT показанные на рисунке соединения.

Рис.2.6.1

· Включите компьютер и вызовите на дисплей виртуальный прибор: «Термометр/термостат». Запишите в табл.2.6.1 значение температуры и сопротивления проводника и полупроводника в исходном состоянии (без подогрева). Параллельно компьютеру для измерения температуры можно подключить также мультиметр специальной вилкой, имеющейся на соединительном кабеле.

· Включите термостат, введите в окно «Заданное значение температуры» какое-нибудь значение, превышающее температуру окружающей среды, включите блок генераторов напряжений и выведите регулятор напряжения в крайнее правое положение (максимальный ток нагрева). При этом на термостате включится надпись «Нагрев», а в окне миниблока загорится сигнальная лампочка.

· Следите за изменением температуры по красному столбику термометра. Как только температура превысит заданное значение на 1..1,5⁰С, нагрев выключится. После снижения температуры до значения на 1…1,5⁰С меньше заданного нагрев включится снова.

· При отключенном нагреве измерьте сопротивления проводника (R_ПР) и полупроводника (R_ПП) и запишите их значения в табл.2.6.1. (При включённом нагреве в участок цепи, на котором измеряется сопротивление, входит отрезок провода и контактное соединение, обтекаемые током нагрева, поэтому показание прибора будет неточным).

· Шаг за шагом увеличивайте значение заданной температуры и, когда она достигается, измеряйте сопротивления проводника и полупроводника и записывайте их значения в таблицу.

Таблица 2.6.1

t, 0C
RПР, Ом
RПП, Ом

Предупреждения:

1. Для надёжной длительной работы миниблока не нагревайте его выше 90⁰С

Ток нагрева в крайнем правом положении регулятора несколько превышает номинальное значение тока генератора 200 мА, поэтому возможно отключение генератора защитой, особенно при высокой температуре окружающей среды. В этом случае нужно уменьшить ток нагрева.

· Выберите масштабы, нарисуйте координатную сетку, и постройте графики R_ПР(t) и R_ПП(t).

· Определите температурный коэффициент сопротивления проводника. Для этого аппроксимируйте опытную зависимость R_ПР(t) прямой линией: , определите из графика значение сопротивления R₀ при t=0 и коэффициент наклона прямой DR/Dt. Тогда:

· Определите ширину запрещённой зоны полупроводника из уравнения

,

где Т – абсолютная температура в ⁰К;

А – коэффициент почти не зависящий от температуры;

DW – ширина запрещённой зоны;

k=1,38 10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Это уравнение после логарифмирования преобразуется в уравнения прямой:

,

· Для определения DW прологарифмируйте опытные значения R_ПП, вычислите соответствующие им значения 1/T и сведите результаты вычислений в таблицу 2.6.2.

Таблица 2.6.2

t, 0C
lnRПП
1/T, K-1

· По данным таблицы постройте график R(1/T). График аппроксимируйте прямой линией, определите её коэффициент наклона:

.

Тогда ширина запрещённой зоны определяется по формуле:

.

2.7. Снятие основной кривой намагничивания ферромагнетика и определение магнитной проницаемости

Схема опыта и метод измерения

Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис. 2.7.1.

Исследуемый образец ферромагнетика представляет собой кольцевой сердечник из феррита, сечение и длина средней линии которого указаны на этикетке миниблока «Трансформатор тороидальный». На сердечнике имеются две катушки. Катушка w₁=100 витков подключается к источнику регулируемого постоянного напряжения и служит для создания магнитного поля в сердечнике. Направление тока можно изменять тумблером на миниблоке. К другой катушке (w2=300 витков) подключён интегратор для измерения магнитного потока.

При переключении тумблера магнитный поток изменяется от – Ф до + Ф и в процессе этого изменения во вторичной катушке наводится ЭДС

.

Выходное напряжение интегратора:

где R_вх и С – параметры интегратора, а u_вх(t) = e(t).

На интеграторе имеется переключатель «Сброс», с помощью которого перед началом интегрирования устанавливается u_вых(0)=0. Поэтому:

где S – сечение сердечника а В – магнитная индукция.

Отсюда магнитная индукция в сердечнике:

Напряжённость магнитного поля определяется по закону полного тока:

,

где l – длина средней линии сердечника.

Задание

Снять экспериментально основную кривую намагничивания ферромагнетиика, рассчитать и построить графики В(Н) и m(H).

Порядок выполнения эксперимента

·

Соберите лабораторную установку как показано на рис. 2.7.2. В качестве амперметра и вольтметра используйте мультиметры, либо виртуальные приборы.

· Включите блок генераторов и установите регулятором напряжения первое значение тока в намагничивающей катушке (например, 2 мА).

· Переведите переключатель «Сброс» интегратора в верхнее положение, убедитесь, что на его выходе установилось нулевое напряжение (+10…20 мВ), верните переключатель в нижнее положение и сразу же переключите переключатель на миниблоке «Трансформатор тороидальный». Занесите значение выходного напряжения в табл. 2.7.1.

Примечание: После завершения этих операций выходное напряжение интегратора будет медленно изменяться в ту или другую сторону вследствие утечек и неточной балансировки усилителя. Поэтому нужно зафиксировать значение выходного напряжения в течение первых двух – трёх секунд после переключения тока. Для большей достоверности повторите этот опыт несколько раз и запишите в табл. среднее, либо наиболее часто повторяющееся значение выходного напряжения.

· Постепенно увеличивайте ток намагничивания и повторяйте опыт при каждом его значении, записывая результаты в табл. 2.7.1. При необходимости замените токоограничивающий резистор 470 Ом на 100 Ом.

· Вычислите магнитную индукцию и напряжённость магнитного поля.

· Вычислите магнитную проницаемость по двум соседним в таблице значениям:

,

где m₀ = 4p10^-7 – магнитная проницаемость пустоты.

· Постройте графики В(Н) и m(Н), относя каждое вычисленное значение m_r к среднему значению напряжённости

.

Таблица 2.7.1

I, мА	Uвых мВ	Н, А/м	В, Тл	m	Нср, А/м

2.8. Снятие петли гистерезиса, определение точки Кюри и намагниченности насыщения

Схема опыта и метод измерения