Лабораторные работы по электротехнике Изучение метода компенсации Изучение работы полупроводниковых выпрямителей Изучение кенотронного выпрямителя Изучение колебательного контура Изучение цепи переменного тока

Постоянный ток Лабораторные работы

Выполнение любой лабораторной работы по электротехнике сопровождается измерением тока, напряжения и других электрических величин, что позволяет постигнуть сущность исследуемого физического процесса и выявить характеристики того или иного электротехнического устройства

Описание экспериментальной установки

Приборы и принадлежности

Кассета ФПЭ-02, источник питания ИП, электронный осциллограф С1-117/1, цифровой универсальный вольтметр В7-40, кабели и соединительные провода.

В настоящей работе в качестве диэлектрика исследуется вариконд – сегнетоэлектри-ческий конденсатор с резко выраженными нелинейными свойствами, обладающий большой емкостью, малыми размерами, ограниченным диапазоном рабочих частот и температур, а также высоким значением диэлектрических потерь. Вариконд - сегнетоэлектрический конденсатор находится в составе кассеты ФПЭ-02.

Описание установки и метода измерений

Исследование процесса поляризации сегнетоэлектрика производится с помощью схемы, представленной на рис.7 . От источника питания ИП на вход кассеты ФПЭ-02 с помощью специального кабеля поступает постоянное и переменное напряжение. С выходных клемм кассеты «PV» переменное напряжение через соединительные провода подается на цифровой вольтметр (вход U – O). С выходных клемм кассеты «PQ» переменное напряжение подается с помощью соединительных кабелей на выход осциллографа. С клеммы «X» напряжение подводится на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа (канал А). С клеммы «Y» напряжение поступает на вертикально отклоняющие пластины осциллографа (канал Б).

 


Рис.7. Общая электрическая схема лабораторной установки

Принципиальная схема кассеты ФПЭ-02 приведена на рис.8.

 


Рис.8. Принципиальная схема кассеты ФПЭ-02

Переменное напряжение частотой 50 Гц от источника питания подается на делитель напряжения кассеты, состоящий из двух сопротивлений R1 и R2 (рис.8). Это напряжение измеряется цифровым вольтметром на выходных клеммах кассеты «PV». Параллельно делителю включены две последовательно соединенные емкости: исследуемый сегнетоэлектрический конденсатор C1 и эталонный конденсатор C2. Величина подаваемого напряжения регулируется переменным резистором R3. Подача переменного напряжения в электрическую цепь дает возможность наблюдения поляризованности сегнетоэлектрического конденсатора - диэлектрического гистерезиса.

Для получения симметричной петли гистерезиса в исследуемую электрическую цепь подается постоянная составляющая напряжения более 40 В, величину которой можно регулировать с помощью ручки плавной регулировки, расположенной на панели источника питания (ручка «12В-120В»). Для наблюдения поляризации сегнетоэлектрического конденсатора C1 при подаче на него переменного напряжения служит электронный осциллограф.

На вертикально отклоняющие пластины осциллографа (канал Б) подается напряжение U2 с эталонного конденсатора C2 :

 (9)

где Q - заряд на конденсаторе, C2 - емкость эталонного конденсатора.

Поскольку конденсаторы C1 и C2 соединены последовательно, то они имеют на обкладках одинаковый заряд Q, величину которого можно выразить через поляризованность P исследуемого конденсатора следующим образом

 (10)

где s ¢ -поверхностная плотность заряда на обкладках исследуемого

сегнетоэлектрического конденсатора C1 , 

 S - площадь обкладок этого конденсатора.

С учетом (10) напряжение U2 будет равно

. (11)

Следовательно, подаваемое на вертикально отклоняющие пластины осциллографа напряжение U2 пропорционально поляризованности P в сегнетоэлектрике.

Учитывая формулу (11), получим выражение для поляризованности P:

 (12)

На горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается переменное напряжение U1 , приложенное к сегнетоконденсатору.

Из электрической схемы рис 8. видно, что

, (13)

где U - переменное напряжение в цепи питания кассеты ФПЭ-02.

Напряжение U подается также на емкостной делитель C1C2. В схеме C1 << C2 , поэтому можно считать, что практически все напряжение U приложено к сегнетоэлектрическому конденсатору C1 .

Напряжение U можно выразить через напряженность E внешнего электрического поля в сегнетоэлектрике и его толщину d :

 . (14)

Таким образом:

 (15)

Следовательно, на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается напряжение, пропорциональное напряженности E внешнего электрического поля.

Из соотношения (15) получаем формулу для напряженности внешнего электрического поля:

 (16)

 Порядок выполнения работы

3.1. Подготовка приборов к работе

Перед включением осциллографа органы управления, расположенные на его передней панели, установите в следующие положения:

Ручку С Е Т Ь нажмите (питание отключено)

Ручку Q - ЯРКОСТЬ переведите в среднее положение

Ручку - ФОКУС– в среднее положение

Ручку - в среднее положение

Ручки  каналов А, Б в среднее положение

Ручку НОРМ-ИЗМЕР  нажмите

Ручки плавной регулировки усиления V/ДЕЛ канала А и канала Б поверните вправо по часовой стрелке до щелчка.

Переключатель НОРМ-ТВ в положение НОРМ

Переключатель ОДНОКР-ЖДУЩ-АВТ в положение АВТ

Переключатель ВНУТР-ВНЕШ-СЕТЬ в положение ВНУТР

Переключатель СИНХР-РЕЖИМ в положение X - Y

Переключатель ВРЕМЯ\ДЕЛ в положение X - Y. В этом положении отключается генератор развертки осциллографа от горизонтально отклоняющих пластин.

Остальные органы управления могут быть в произвольном положении.

Подготовьте источник питания к работе. Для этого ручку «12 В-120 В» на панели источника установите в среднее положение.

Подготовьте кассету ФПЭ-02 к работе. Установите ручку «Рег U» кассеты в среднее положение.

Все вышеназванные приборы расположены на стойке. Стойка имеет собственный шнур питания.

После проверки преподавателем или лаборантом схемы включайте все приборы в сеть. Для этого подключите шнур питания стойки в сеть 220 В на основном электрощитке. Шнур питания находится в правом углу стойки; основной электрощиток находится рядом со стойкой.

Подключите шнуры питания осциллографа, вольтметра и источника питания к сетевым розеткам, расположенным на стойке. Розетка с занулением для осциллографа находится под стойкой слева, розетка с занулением для вольтметра – под стойкой справа. Розетка для источника питания находится на стойке слева.

Нажмите белую кнопку на основном электрощитке, затем включите тумблеры «СЕТЬ» на стойке слева и справа. При этом загорятся сигнальные светодиоды на стойке. Включите кнопку «СЕТЬ» осциллографа (вытянуть на себя), включите тумблер «СЕТЬ» источника питания, включите тумблер «СЕТЬ» вольтметра , нажмите клавишу U ~ (для переменного напряжения) на вольтметре.

После нагрева приборов на экране осциллографа должна появиться петля гистерезиса. Добейтесь четкого изображения петли на экране с помощью ручек «ЯРКОСТЬ» и «ФОКУС» осциллографа.

Установите петлю гистерезиса в центре экрана осциллографа используя ручку перемещения луча по вертикали канала Б и ручку перемещения луча по горизонтали канала А. На передней панели осциллографа эти ручки обозначены вертикальными и горизонтальными стрелками. С помощью переключателя V/ДЕЛ канала Б на осциллографе получите удобное для наблюдения и измерения изображение  петли на экране (по вертикали). Переключателем V/ДЕЛ канала А получите удобное для наблюдения и измерения изображение петли на экране (по горизонтали). С помощью  ручки «12 В-120 В» на панели источника питания подберите величину постоянной составляющей напряжения для получения симметричного изображения петли гистерезиса.

Монтаж должен проводиться в полном соответствии со схемой, приведенной в "Руководстве к лабораторным работам". При монтаже схемы соединительные провода располагать по схеме таким образом, чтобы они не переплетались между собой. Сначала следует собирать основную токовую цепь схемы
Электрические токи в металлах, вакууме и полупроводниках