ВЫНУЖДЕННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

После изучения свободных электрических колебаний и автоколебаний школьников знакомят с вынужденными электрическими колебаниями. Начинают знакомство с колебаний низкой частоты, основной областью применения которых является электротехника.

Важно, чтобы учащиеся воспринимали переменный ток именно как процесс вынужденных электрических колебаний в цепи. При этом можно проверить справедливость тех закономерностей, которые были уже установлены, для механических вынужденных колебаний (соотношения между частотой источника и частотой собственных колебаний цепи, явление резонанса и т. д.), и тем самым более прочно усвоить их. В то же время должны быть усвоены понятия, специфичные именно для цепей переменного тока: действующие значения тока и напряжения, их отличие от мгновенных, максимальных и средних значений этих же величин, физическая сущность активных и реактивных сопротивлений и способы их вычисления и экспериментального определения, принципиальное устройство генераторов переменного тока, преобразование переменного тока с помощью трансформатора и др.

В начале изучения переменного тока целесообразно повторить условия возникновения свободных колебаний в контуре, обратив особое внимание на затухающий характер этих колебаний. С помощью осциллографа учащиеся наблюдают незатухающие колебания напряжения в осветительной сети и делают вывод о синусоидальном характере его изменения. Записывают выражения для мгновенного значения напряжения в любой момент времени:

U=Umcos(ωt+φ₀).

Сообщают, что далее будем изучать переменный ток — электрические колебания, возникающие в цепи под действием гармонически изменяющегося напряжения.

Если, не изменяя приложенного к участку цепи напряжения, изменить переключателем его полярность, то изменившееся направление напряженности вызовет ток противоположного направления той же величины (в опыте участком цепи должен быть элемент с линейным сопротивлением). Таким образом, учащихся подводят к пониманию того, что если на концах цепи напряжение меняется по знаку и модулю (в частности, по гармоническому закону), то в этой цепи меняется напряженность электрического поля внутри проводника и по такому же закону, с той же частотой изменяется сила тока в цепи.

Далее рассматривают активные и реактивные сопротивления в цепи переменного тока. Активное сопротивление в цепи переменного тока вызывает необратимые потери энергии (на нагревание, излучение, перемагничивание сердечника и др.). В изучаемых цепях переменного тока низких частот потери мощности на активном сопротивлении связаны в основном с нагреванием, а другими дополнительными потерями можно пренебречь.

Изучение цепей переменного тока с активным, емкостным и индуктивным сопротивлениями происходит в следующей логической последовательности: сначала дается понятие о том или ином виде сопротивлений в цепи переменного тока (сравнение с его поведением в цепи постоянного тока), затем фазовые соотношения, формула соответствующего сопротивления, преобразования энергии в цепи, содержащей только активное, емкостное или индуктивное сопротивление.

Последовательность изучения сопротивлений в цепи переменного тока может быть и несколько иной.

Понятие действующего значения силы тока и напряжения можно ввести так: вначале выводят выражение для расчета мгновенных значений мощности на активном сопротивлении, отсюда находят среднее значение мощности за период и выясняют, что есть среднее значение квадрата силы тока за период. Вводят определение: корень квадратный из этой величины называют действующим значением переменного тока. Название связано с тем, что при прохождении такого тока по участку с активным сопротивлением выделяется мощность

Такая же мощность выделяется в цепи постоянного тока, величина которого равна действующему значению переменного тока. Итак, действующим значением переменного тока является такое значение постоянного тока, которое в резисторе R выделяет такое же количество теплоты, что и переменный ток.

Очень важно отметить, что шкалы электроизмерительных приборов, для измерения переменных силы тока и напряжения градуируют именно в действующих значениях этих величин.

Рассмотрение цепи переменного тока со смешанным сопротивлением начинают с эксперимента — измеряют напряжение на каждом из последовательно включенных элементов цепи (лампе, катушке и батарее конденсаторов), подключенных к источнику переменного напряжения. Обращают внимание на следующие опытные факты:

1. Общее напряжение не равно сумме напряжений на отдельных участках, как это имело место для цепей постоянного тока.

2. Напряжение на участке, включающем в себя катушку и конденсатор, равно не сумме, а разности напряжений на каждом из них в отдельности. Объяснить этот результат можно предложить самим учащимся; им известно, что на индуктивности напряжение опережает ток на π/2, а на электроемкости отстает от него на ту же величину. Так как мгновенное значение силы тока в цепи всюду одно и то же, то ясно, что колебания напряжения на индуктивности и электроемкости происходят со сдвигом фаз, равным π, т. е. их фазы противоположны.

3. Полное сопротивление цепи меньше суммы всех включенных в нее сопротивлений (активного, индуктивного и емкостного). Учащихся нужно убедить, что чем меньше сдвиг фаз между током и напряжением, тем большую часть мощности, подводимой к цепи, используют полезно, необратимо превращая в другие виды энергии.

Далее рассматривают устройство и работу трансформатора. На примере однофазного трансформатора показывают его действие (повышение и понижение напряжения) и устройство. Вначале рассматривают режим холостого хода, а затем нагруженного трансформатора. В качестве нагрузки целесообразно использовать реостат, так как им проще изменять нагрузку. Показывают, что при увеличении нагрузки возрастает сила тока как во вторичной, так и в первичной обмотке трансформатора. Учащимся предлагают самим с энергетических позиций объяснить возрастание силы тока в первичной цепи (увеличение потребления энергии на нагрузке естественно должно сопровождаться увеличением потребления энергии первичной обмоткой от генератора).

Для изучения электромагнитных колебаний широко используется школьный прибор- звуковой генератор школьный ГЗШ. Он перекрывает диапазон генерируемых частот синусоидальных колебаний от 20 до 20000 Гц с диапазонами: «X1» (от 20 до 200 Гц), «X10» (от 200 до 2000 Гц), «X100» (от 2000 до 20000 Гц), питается от сети переменного тока напряжением 220 В. На лицевую панель генератора выведены тумблёр включения генератора в сеть, сигнальная лампочка, переключатель поддиапазонов на три фиксированных положения, отмеченных «X1», «X10», «X100», диск с неравномерной шкалой деления (от 20 до 200) ручка переменного резистора, позволяющая менять амплитуду выходного сигнала, выходные зажимы, рассчитанные на подключение цепей с разным сопротивлением (5, 600, 5000 Ом). Если для опытов необходимы частоты 20 – 200 Гц, то переключатель устанавливают в положение «X1» если 200 – 2000 Гц – в положение «X10», а для частот 2000 – 20000 Гц используют положение «X100». Плавную регулировку частоты осуществляют поворотом диска.

Так же широко используются выпрямители ВУП-1 и ВУП-2

ВУП-2 предназначен для обеспечения питанием демонстрационных установок в опытах по электричеству.

Технические данные: Прибор позволяет получить на выходных зажимах: выпрямленное напряжение 350В при максимальной силе тока 220мА;

постоянное отфильтрованное напряжение 250В при максимальной нагрузке 50мА; регулируемое напряжение от 0 до 250В постоянного тока до 50мА; регулируемое напряжение от 0 до +100В и от 0 до-100В постоянного тока до 10мА; напряжение 6.3В переменного тока до 3А.

Еще один источник питания без которого практически невозможно осуществлять многие опыты по электричеству РНШ.

Регулятор напряжения школьный предназначен для плавного регулирования напряжения однофазного переменного тока с частотой 50 Гц, при проведении лабораторных и демонстрационных опытов в физических кабинетах школ. Прибор присоединяется к сети выводным шнуром. Прибор можно включить в сеть напряжением 127 и 220В. Рабочее напряжение снимается с зажимов, обозначенных «Выходное напряжение».

В целях правильной эксплуатации регулятора напряжения в паспорте прибора приведена таблица допустимых значений электрической мощности нагрузки регулятора при разных напряжениях, подаваемых на нагрузку, и при сетевых напряжениях 127 и 220В.

Установленный в регуляторе напряжения вольтметр имеет неравномерную шкалу. Достоверный отсчет можно вести только при 50В. В случае необходимости снимать с регулятора более низкие напряжения нужно параллельно выходным зажимам подключать дополнительный вольтметр с соответствующим пределом измерения.

Регулятор напряжения может быть использован как для повышения, так и для понижения напряжений переменного тока, при разных демонстрационных и лабораторных опытах

Для наглядного отображения электромагнитных колебаний применяют школьные осциллографы ОДШ-2 и ОЭШ-70.

Наиболее широко при­меняют осциллографы для исследования периодических процессов, а также для изучения вольтамперных характеристик диода и трио­да, петли гистерезиса и др. В простейшем случае осциллограф состоит из четырех блоков: блока электронно-лучевой трубки ЭЛТ, генератора развертки ГР, усилителя исследуемого сигнала УС и блока питания БП. Основным элементом первого блока является электронно-лучевая трубка, на экране которой формируется картина исследуемого сиг­нала (осциллограмма). Нить накала НН подогревает ка­тод К, с поверхности которого вылетают элект­роны. Электроны, пролетев через отверстия уп­равляющего электрода, фокусирующего ци­линдра ФЦ и анода А, а также между пласти­нами XX и УУ, попадают на экран и вызывают его свечение. Изменением разности потенциалов между катодом и управляющим электродом мож­но менять число электронов в пучке, а это по­зволяет регулировать яркость изображения на экране. Чем больше по модулю отрицательный потенциал на управляющем электроде относи­тельно катода, тем меньше электронов пройдет через управляющий электрод и достигнет анода. Осциллограф снабжен ручкой «яркость» для уп­равления потоком электронов в пучке.

Электрическое поле между фокусирующим цилиндром и анодом способно фокусировать рас­ходящийся электронный пучок. Обычно на передней стенке смонтированы выключатель сети, сигнальная лампочка, за­жимы «Вход У», «Вход X» и делитель входного сигнала. На боко­вую панель выведены ручки управления электронным пучком, «Синхронизация», «Внутр. — от сети — внешн.», «Уси­ление», ручки развертки, «Диапазоны 0, 30, 150, 500 Гц, 2, 8, 16 кГц», «Частота плавно», а также ручки усиления сигнала «Уси­ление У», «Усиление X». Осциллограф ОДШ-2 отличается от ОЭШ-70 конструктивно и внешним оформлением. На переднюю панель выведен не только экран электронно-лучевой трубки, но и основные ручки уп­равления. Верхний ряд ручек предназначен для управления элек­тронным пучком: «Яркость», «Фокус», «Вверх-вниз», «Влево-вправо». Во втором ряду сверху смонтированы ручки управления уси­лителем «Усиление У» и делитель напряжения 1:1, 1:10, 1:30, 1:1OO, 1:1000, а также выключатель сети с сигнальной лампоч­кой. В третьем ряду сверху расположены ручки и кнопки генера­тора развертки: «Частота плавно», «Вкл. 1, 2, 3, 4», «Усиление X». Кнопочный переключатель позволяет менять пилообразное напря­жение частотой от 20 Гц до 20 кГц. Генератор развертки рабо­тает только при нажатой кнопке «Вкл». В нижнем ряду располо­жены зажимы «Вход У», «Вход X», «Внешн. синхр», кнопки син­хронизации «Внешн.», «Внутр.» и ручка синхронизации.

На боковую панель осциллографа ОДШ-2 выведены ручки уп­равления двухканальным коммутатором с двумя входами. Комму­татор позволяет наблюдать на экране осциллографа одновремен­но сигналы от двух источников переменного тока. Если частоты источников одинаковы, то по полученным осциллограммам мож­но судить о сдвиге фаз поданных сигналов. Например, на один вход можно подать сигнал, пропорциональный напряжению на конденсаторе, а на другой — пропорциональный силе тока, текущего через конденсатор. Тогда на экране осциллографа можно наблю­дать две синусоиды, сдвинутые по фазе на 90°. Применяя комму­татор, можно сравнивать частоту исследуемого сигнала со стан­дартной частотой, если эти сигналы отличаются по частоте. На задней стенке осциллографов ОДШ-2 и ОЭШ-70 смонтиро­ваны гнезда, позволяющие подавать исследуемый сигнал непосред­ственно на пластины электронно-лучевой трубки. Возможность подавать исследуемый сигнал непосредственно на пластины позво­ляет применить осциллограф и для цепей постоянного тока. По­давая сигнал постоянного напряжения на пластины XX (или УУ) при отключенной развертке, можно наблюдать смещение светя­щейся точки по горизонтали (или вертикали), причем отклонение этой точки пропорционально приложенному напряжению. Следо­вательно, осциллограф можно применить как вольтметр с боль­шим внутренним сопротивлением.

Для усиления электромагнитных колебаний применяют усилители низкой частоты. Усилитель низкой частоты– электронный прибор. Предназначенный для усиления электрических колебаний звуковой частоты от 20 Гц до 20 кГц. Обычно усилитель состоит из нескольких блоков: предварительного усилителя напряжения, усилителя мощности, согласующего выходного трансформатора и блока питания. Для школ выпускаются усилители разной конструкции и отличающиеся по внешнему виду.

Усилитель УНЧ-3на лицевой панели имеет ручку регулятора громкости и сигнальную лампочку. Ручкой регулятора громкости производят также включение и выключение сети. В крайнем левом положении ручки при повороте против часовой стрелки прибор отключен. Включение осуществляют поворотом ручки по часовой стрелке после щелчка. Так как усилитель собран на электронных лампах, то он начинает работать после их прогрева.

На боковой стенке смонтированы три входных гнезда: для подключения М – микрофона, АД – адаптера, Л – линии. Нижние гнёзда соединены с корпусом прибора. На задней стенке имеются две пары гнёзд: Гр – для подключения громкоговорителя (низкоомный выход) и Л – высокоомный выход. Здесь же имеются вывод сетевого шнура с вилкой и октальная панель, в которую вставлена специальная вилка с предохранителем (на 0,5 А) для сети с напряжением 220 В. Вилку можно устанавливать в двух положениях: «220 В» и «127 В».

Усилитель УНЧ-5 собран на транзисторах. На лицевой панели усилителя смонтирован выключатель сети с индикаторной лампочкой, гнезда выхода, гнезда входа для микрофона и звукоснимателя, разъем для подключения микрофона, ручки регулировки тембра по низкой и высокой частоте, ручка регулировки уровня сигнала, индикатор перегрузки. На задней стенке имеются вывод сетевого шнура с вилкой и предохранитель (на 0,5 А).

На вход усилителя могут подаваться сигналы не только с микрофона и звукоснимателя, но и от других датчиков электрических колебаний напряжением от нескольких милливольт до вольт (сигналы с элементов цепи переменного тока, звукового генератора и т.д.). К выходу усилителя можно подключить не только громкоговоритель, но и другие приборы: осциллограф, измерительные приборы переменного тока, головные телефоны и пр. Потребляемая усилителем мощность не более 40 Вт, выходная – около 5 Вт.

Запрещается при эксплуатации усилителя менять предохранитель, разбирать и ремонтировать прибор, включенный в сеть.

Усилитель на вертикальной панели входит в комплект демонстрационных приборов по радиотехнике. Слева смонтированы универсальные зажимы входа усилителя. Первая лампа работает в режиме усиления напряжения, вторая – как усилитель мощности. В анодную цепь второй лампы включен согласующий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с зажимами низкого и высокого выходного напряжения. Три нижних зажима служат для подключения питания от ВУП –2, на два нижних зажима подаётся напряжение переменного тока 6,3 В для питания накала ламп, а на средний и третий снизу – напряжение постоянного тока 250 В для анодной цепи ламп, причём на третий снизу зажим подаётся положительный потенциал. Подключение блока питания и сборку установок с усилителем на панели запрещается выполнять при включённом в сеть выпрямителе ВУП-2.

В демонстрационных установках предпочтение следует отдавать усилителю УНЧ-5.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: