Зертханалық Р¶ұмыстарды орындауғР°

Коммерциялық емес акционерлік қоғам

ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ТҰРАҚТЫ ТОҚ

Зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулықтар

Алматы 2016

АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ

Физика кафедрасы

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Байпақпаев Т.С., Кенжебекова А.И., Мамырбаева Г. А. Электростатика. Тұрақты тоқ. Зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулықтар. - Алматы: АЭжБУ, 2016. – 34 б.

Әдістемелік нұсқаулықта зертханалық жұмыстарды орындаудағы әрбір зертханалық жұмыстың, эксперименталды қондырғылардың сипаттамасы келтірілген, тәжірибелі мәліметтерді ӛңдеу және жұмысты орындау әдістемесі, ұсынылған әдебиеттер тізімі мен бақылау сұрақтары берілген.

Әдістемелік нұсқаулық барлық мамандық студенттеріне арналған.

Кесте - 9, ил. - 18, әдеб. кӛрсеткіші - 4 атау.

Пікір беруші: хим.ғыл.канд., АЭжБУ профессоры Аршидинов М. М.

«Алматы энергетика және байланыс университеті» коммерциялық емес акционерлік қоғамының 2016 ж. баспа жоспары бойынша басылады.

 «Алматы энергетика және байланыс университеті» КЕАҚ, 2016 ж.

Кіріспе

Әдістемелік нұсқаулықта «Электростатика. Тұрақты тоқ» бӛлімінде орындалатын зертханалық жұмыстары берілген.

Жұмысты саналы түрде және терең ойланып жасау, тәжірибе мәліметтерін дұрыс ӛңдеу үшін қажет:

- зертханалық жұмысты және ұсынылған әдебиетті мұқият оқу;

- зертханалық жұмыс жүргізу үшін қажет құралдар мен жабдықтармен танысып, рұқсат алғаннан кейін жұмысқа кірісу;

- бақылаулар мен ӛлшеулер жүргізу. Жұмыстың бұл бӛлігі аса маңызды болып табылады, сондықтан оны әрбір зертханалық жұмыста берілген нұсқау- ларға сәйкес ӛте мұқият әрі дұрыс жүргізу керек. Ӛлшеулер нәтижелері әр жұмыстың соңында кӛрсетілген кестелерге жазылады;

- ӛлшеулер нәтижелерін ӛңдеу. Ӛлшеулердің қателіктерін анықтау үшін мәліметтерді ӛңдеудің санақнамалық тәсілін немесе әрбір тәжірибеде қол- данған құрал қателігін анықтауға болады;

- әр жұмыстың нәтижелері бойынша қорытынды тұжырымдау керек.

1 ЭМТ №1 зертханалық жұмыс. Электр тізбектерінің негізгі элементтері. Электр ӛлшегіш құралдар

Жұмыстың мақсаты: электромагнетизм зертханасында электр тізбектерін реттеуге және электрлік шамаларды ӛлшеуге қолданылатын құралдармен танысу.

1.1 Электр тізбектерінде ӛлшеулерді реттеуге арналған құралдар Зертханалық жұмыстар жүргізу барысында электр тізбегінің жұмысын реттеп отыру ( ӛзгерістер енгізу) қажет болады. Бұл мақсатта реостаттар және потенциометрлер ретінде ӛзгермелі кедергілер (резисторлар) қолда- нылады. Реостаттар тізбектің кедергісін біртіндеп ӛзгерту үшін қолданылады. Сырғымалы контакты бар реостат изоляцияланған заттан жасалған цилиндрге оралған, меншікті кедергісі үлкен сымнан тұрады.

Ӛткізгіш пен тізбекке ораманың белгілі бір бӛлігін немесе оны толықтай қоса алатын сырғымалы А контакты (1.1-сурет ) қозғала алады. Реостат тізбек- ке А ершігіне қосылған 3 клеммасы және 1 немесе 2 клеммалары (қайсысы ыңғайлы) арқылы қосылады. Реостаттың қабында оның толық кедергісі және рұқсат етілген максимал токтың мәні кӛрсетіледі.

1.1 сурет

Реостаттарды қолданғанда кӛбінесе, кернеуді бөлу үшін пайдаланады. Бұл жағдайда реостаттың үш клеммасы бір мезгілде қолданылып, тізбекке 1.2- суретте кӛрсетілген потенциометр схемасы бойынша қосылады.

1.2 сурет

Бұл жағдайда 1 және 3 клеммалары арқылы реостат орамасынан алынатын U₂ кернеуі ток кӛзінен реостат орамасына берілген толық U₁ кернеуімен мына ӛрнекпен байланысқан

R , U R

U₂  ₁ ¹³ (1.1) 3

1 A 2

2

U2 R_ж

3

1

U1 R

R

мұндағы R₁₃ – потенциометрдің 1 және 3 клеммалары арасындағы орама кедергісі;

R – ораманың толық кедергісі.

Реостат потенциометр ретінде қолданылуы мүмкін, егер мына шарт орындалатын болса

R_ж>>R>>r, (1.2) мұндағы R – реостат кедергісі;

Rж – тізбек жүктемесінің кедергісі;

r – ток кӛзінің ішкі кедергісі.

Кедергілер магазиндері – бұл дәлдігі жоғары және кең аймақты ӛзгермелі кедергілер. Кедергілер магазині ӛзара тізбектеліп қосылған, бір омның жүзден бір бӛлігінен бірнеше омға дейінгі эталондық кедергілер жиынынан тұрады. Кӛбінесе айырып-қосқышының сырғымалы контакты арқы- лы қажет кедергіні алуға болатын кедергілер магазиндері қолданылады.

Әлбетте, мұндай магазиндердің секциялары (декадалары) болады. Әр секцияда тоғыз түрлі кедергі бар, ал кӛршілес секция кедергілері бір-бірінен он есе ӛзгеше болады. Бұлар декадалық магазиндер деп аталады. Кедергілер магазині тізбекке қосылатын кедергінің дәл мәнін білу қажет жағдайларда қолданылады, олар арқылы үлкен токтар жүргізуге болмайды.

1.2 Электрӛлшегіш құралдары

Әсіресе ӛте жиі қолданылатын электр ӛлшегіш құралдарға амперметрлер, вольтметрлер және гальванометрлер жатады. Зертханалық стендтарда тілшелік (магнитоэлектрлік, электромагниттік және басқа да жүйелер) және цифрлық құ- ралдар қолданылады. Тілшелік құралдармен жұмыс істегенде ӛлшенетін шаманың жоғарғы шегіне, тұрақты немесе айнымалы токты ӛлшеу мүмкіндігіне, сезгіштігіне, құралдың бӛлік құнына және оның жіберетін қателігіне кӛңіл аударудың маңызы зор.

Ӛлшегіш құралдың С бӛлік құны дегеніміз ӛлшенетін шаманың тілшені шкаланың бір бӛлігіне бұратын сан мәні. Құралдың S сезгіштігі деп бӛлік құнына кері шаманы айтады. Құралдың ӛлшеу шегі мен шкаласының бӛлік санын біле отырып, оның сезгіштігі мен бӛлік құнын анықтауға болады

x , S 

 

C  S1, (1.3) мұндағы - құрал кӛрсеткішінің бұрыштық немесе сызықтық орын ауыстыруы;

x- ӛлшенетін шаманың осы орын ауыстыру жасатқан мәні.

Электр ӛлшегіш құралдардың дәлдігін сипаттау үшін γ келтірілген қателік қолданылады. Ол құралдың абсолют қателігінің ӛлшенетін физикалық шаманың максимал мәніне қатынасымен анықталады. Келтірілген қателік сол құрал үшін тұрақты болады. Пайызбен алынған келтірілген қателік мәндері құралдың дәлдік класының кӛрсеткіші болып табылады, ол шкала бетінде кӛрсетілген (0,05; 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0)

%.

100

max

 

 х

 х (1.4)

Зертханалық практикумде тұрақты және айнымалы кернеуді 0,1 В-тан 1000 В-қа дейін, ал тұрақты және айнымалы токты 20 мкА-ден10 А-ге дейін аралықта ӛлшеуге мүмкіндік беретін мультиметрлер қолданылады. Бұл құрал- дардың салыстырмалы қателігі (ӛлшеу шегі мен құралдың типіне қарай)

% 5 ,

0 -дан 2% -ға дейін. Цифрлық мультиметрлердің кӛмегімен, сондай-ақ кедергіні, температураны, электр сыйымдылығын ӛлшеуге болады. DT типті құралдардың кіре беріс кедергісі 10 МОм, жиілік диапазоны 40400 Гц.

Электр және магнетизм бӛлімінен физикалық практикум ӛткенде электр тербелістерін және басқа да тез ӛзгеретін процестерді оқып үйренуге кең кӛңіл бӛлінеді, оларды алу үшін электр тербелістерінің генераторлары, ал зерттеу үшін электрондық осциллографтар қолданылады.

1.3 Электрондық осциллограф

Электрондық осциллограф деген электрондық-сәулелік түтікшенің экра- нындағы жылдам ӛтетін электр процестерін сырттай бақылауға арналған әмбе- бап электрӛлшегіш құрал. Ӛте жоғары сезгіштігі, аз инерттілігі мен ӛлшеуінің дәлдігі арқасында электрондық-сәулелік осциллограф ғылыми-зерттеу істерінде және ӛндірістерде кең қолдану тапты.

Электрондық осциллограф электрондық-сәулелік түтікшеден, жаймалау генераторынан, екі күшейткіштен және қоректендіру блогынан тұрады.

Электронды-сәулелік түтікше осциллографтың ең маңызды бӛлігі, ол ішіндегі ауасы жоғарғы вакуумге дейін сорылған, арнайы пішінді шыны колба болып табылады. Түтікше ішінде: К катоды, фокустаушы ФА және үдетуші ҮА анодтары бар электрондық зеңбірек (пунктирмен кӛрсетілген) ӛзара перпендикуляр жазықтықтарда орналасқан П_х және П_у екі жұп бұрушы пластиналар және флуоренциялаушы Э экран орналасқан (1.3-сурет).

Экранға барар жолда электрондық сәуле екі жұп П_х және П_у пластиналары арасынан ӛтеді.Егер пластиналарға кернеу берілмеген болса, онда жарық дақ экранның ортасында пайда болады. Егер пластиналар әр аттас болып заряд- талған болса, онда электрондар шоғы олардың арасымен ӛтіп бара жатып оң зарядталған пластина жаққа қарай бұрылады. Бұрылу мӛлшері пластинаға бе- рілген кернеу мәніне байланысты, оны реттеу арқылы сәуленің бұрылу шама- сын ӛзгертуге болады.

Горизонталь орналасқан П_у пластиналары электрон шоғын жоғары немесе тӛмен бұрады (яғни У осі бойымен). Олар вертикаль бұрушылар деп аталады.

Вертикаль орналасқан Пх пластиналары сәулені солға немесе оңға бұрады (Х осі бойымен), олар горизонталь бұрушылар деп аталады.

1.3 сурет

Электрондық сәуленің Х немесе У осі бойымен (жарық дағының түтікше экранындағы ығысуы) ауытқу шамасы бұрушы кернеуге тура пропорционал, яғни:

х=S_хU, y=SyU,

мұндағы х және у – сәуленің сәйкес осьтердегі ауытқуы (шкала бӛлігімен);

Sx және Sy – түтікшенің сәйкес горизонталь мен вертикаль бойымен сезгіштігі;

U – пластиналардағы кернеу.

Егер пластиналарға айнымалы кернеу берілсе, онда электрондар айны- малы күштің әсерінде болады да, электрондық шоқ экранда сызық сызады. 1.4- суретте айнымалы синусоидалы кернеу тек П_у пластинасына (а), тек Пх пласти- насына (б), бір мезгілде П_х және Пу пластиналарына (в) берілген жағдайлардағы экрандағы сызық орындары кӛрсетілген. Соңғы жағдайда периодтары мен фаза- лары бірдей ӛзара перпендикуляр екі тербелістің қосылуы орын алады.

Экрандағы вертикаль және горизонталь жолақтардың шамасына қарап айныма- лы кернеудің Х және У осьтеріне берілген аплитудалық мәндерін анықтауға болады.

Алайда, электр процестерін оқып үйрену үшін тек кернеуді ӛлшеу жеткіліксіз. Кейде, зерттеліп отырған кернеудің қандай заң бойынша ӛзгеретінін білу қажет, яғни оның уақыттық жаймасын алу керек. Ол үшін зерттелетін кернеу вертикаль бұрушы Пу пластинасына, ал горизонталь ауытқытушы пластинаға жаймалау генераторынан уақыттық жаймалау кернеуін беру керек.

Жаймалау генераторы периодты түрде және тұрақты жылдамдықпен сәулені экран бетінде горизонталь бағытта белгілі бір нүктеге апарып алып, лезде қайтадан бастапқы орынға әкелетін кернеу жасауға арналған. Егер бұл қозғалыстар жеткілікті жылдамдықпен қайталанатын болса, онда экранда, сызықтық мәні белгілі бір уақыт аралығына сәйкес келетін түзу сызық пайда болады. Сонымен уақыт аралығы Х осіндегі түзу кесінді болып жаймаланады.

Жаймалау генераторының шығаратын кернеуі ара жүзі пішінді (1.5-сурет) болады. Уақыттың (0 – t₁) аралығында ол бірқалыпты ӛседі де, сонан кейін (t₁ – t₂) аралығында күрт нӛлге түседі.

Пх Пy

К ФА УА Э

1.4 сурет

Жаймалау жиілігін ӛзгертуге болады. Әдетте жаймалау генераторының жиілікті реттеуінің екі түрі: сатылы және үзіліссіз.

Егер жаймалау периоды зерттелетін кернеу периодының бүтін санына тең болса, онда экранда қозғалмайтын қисық пайда болады. Зерттелетін тәуелділікті бақылау ыңғайлы болуы үшін жаймалау Т_ж периоды мен зерттеле- тін процестің Т периодын дәл келтіру керек, яғни жаймалауды синхрондау (Т_ж=nТ, n – бүтін сан) керек.

t1 t2 t T_ж

Uж

1.5 сурет t Uy

U_x Ux

Uy

t

Uy

t

а)

б)

в)

Осциллографтың күшейткіштері. Электронды-сәулелік түтікшелердің сезгіштігі ӛте нашар болады. Сондықтан пластиналардың әр жұбын кернеу кү- шейткіштерімен жабдықтайды, олар сигналды пластинаға түсер алдында күшейтеді.

Егер осциллографтың кірісіне берілген кернеу кӛп болса, онда оны азайту қажет. Ол үшін вертикаль күшейткіштің кірісіне кернеуді мына 1:100, 1:10, 1:1 қатынастарда азайтатын жоғары омдық сатылы кернеу бӛлгіші орналасады.

Қоректендіру блогы әр электрондық осциллографтың қажетті элементі болып табылады. Қоректендіру блогына екі күшейткіш: жоғары вольттық, ол электронды-сәулелік түтікшені, ал тӛменгі вольттық – осциллографтың барлық блоктарының радиоэлектрондық тізбектерін қоректендіреді.

2 ЭМТ №2 зертханалық жұмыс. Электр ӛрістерін модельдеу тәсілі бойынша зерттеу

Жұмыстың мақсаты: электростатикалық ӛрістерді оқып үйренудің модельдеумен негізделген тәсілдерінің бірін меңгеру; электр ӛрісі конфигурациясын (пішіні түрлерін) зерттеу.

Тапсырмалар:

- зерттеліп отырған электр ӛрісінің эквипотенциал беттері мен күш сызықтарын салу;

- ӛріс кернеулігін анықтау.

2.1 Жұмыс әдістемесі

Бұл берілген жұмыстың негізінде математикалық модельдеуді қолдану мүмкіндігі жатыр.

Күрделі физикалық процестерді зерттеу барысында модельдеу арқылы жүргізілетін тәжірибелер кең қолданыс тапты. Егер модель мен нақты құбылыс- тың физикалық табиғаты бірдей болса, онда бұл құбылыстың сипаты сақта- лып қалады да, модель мен құбылыстың ӛлшемдері ӛзгеше болады, бұл физикалық модельдеуге (мысалы, ұшатын аппараттың моделін аэродина- микалық түтік арқылы сынау) жатады. Алайда, табиғаттары әртүрлі физика- лық құбылыстардың заңдылықтары бірдей дифференциалдық теңдеулермен және шекаралық шарттармен сипатталатын болса, онда математикалық теңдеу- лердің бірдейлігі бір құбылыстың күрделі зерттелуін екінші құбылыстың қара- пайым зерттелу тәсілімен ауыстыруға болады, бұл математикалық модельдеу деп аталады.

Электр тогын нашар ӛткізетін сұйық немесе қатты ортадағы стационар токтың электр ӛрісі потенциалды болатындықтан, оны зарядталған бӛлшектер- дің электр ӛрісін модельдеуге қолдануға болады.

Ӛрістердің ұқсастығы олардың қасиеттерін салыстырудан шығады, яғни:

- электростатикалық ӛріс потенциалды, электростатикалық ӛріс кернеулігі векторының тұйық контур арқылы циркуляциясы



тогын ӛткізетін біртекті ортадағы ӛріс те (бӛгде күштердің кӛзі жоқ) потенциалды және



, l d



j 

 мұндағы j

- ток күші тығыздығы;

 - ортаның электр ӛткізгіштігі;

, E E_{n1 2 n2}

1 

 

Е

- ӛріс кернеулігі;

- шекаралық шарттар да ұқсас. Екі диэлектриктің шекаралық бӛлігінде электр ӛрісі кернеулігі векторының тангенциал және нормаль құраушылары үшін мына E_1 E_2, ₁E_n1 ₂E_n2. шарттар орындалады.

Электр тогын ӛткізетін ортада тангенциал құраушыларының үздіксіздігі ток ӛрісінің потенциалдығынан, ал ток тығыздығы векторының нормаль құрау- шылары үшін орындалатын шекаралық шарттар ₁E_n1 ₂E_n2 үздіксіздік теңдеуінен j_n1  j_n2. шығады.

Сондықтан, зарядталған денелердің ӛрісін оқып үйрену үшін токты на- шар ӛткізетін ортадағы (электр ӛткізгіш қағаз, электролит ерітіндісі) токтың ӛрісін пайдалануға болады. Мұны модельдеу барысында электр ӛрісінің күш сызықтарына ток сызықтары, ал потенциалы бірдей беттерге кернеулері бірдей беттер сәйкес келеді. Модельдің әр нүктесіндегі кернеу кӛпір немесе басқа тәсіл арқылы вольтметрмен ӛлшенеді. Токтың стационар ӛрістеріндегі потенциалдың бӛлінуін зерттеу үшін ӛріске енгізілген зондтар қолданылады.

Зонд деген ұшынан басқа бүкіл ұзындығы жақсы изоляцияланған жіңішке металл сым таяқша болып табылады.

Модельдеу барысында пішіндері сол денелермен бірдей, бірақ ӛлшемдері берілген масштабта алынған (кӛбінесе үлкейтілген) электродтар қолданылады.

2.2 Тәжірибе қондырғысының сипаттамасы

Модельде ӛткізгіш орта ретінде токты нашар ӛткізетін қағаз алынды.

2.1 сурет

Потенциалы мен кернеулігі тек екі координатқа байланысты болатын жазық ӛріс модельденеді. Қондырғының электр схемасы 2.1-суретте кӛрсетілген

Ӛткізгіш қағазға бекітілген электродтарға ток кӛзінен тұрақты кернеу бе- ріледі де, қағаз бетінде стационар электр ӛрісі пайда болады. Ӛткізгіш қағаз бе- тіндегі әр нүктенің потенциалы қозғалмалы түйіспелі R потенциометрі бар гальванометр (микроамперметр) PG арқылы қосылған z зондымен ӛлшенеді.

Тізбектің тӛрт бӛлігі – екеуі потенциометрдің тиегі мен оның ұштарындағы түйіспелер, ал қалған екеуі қағаз бетіндегі электродтар мен зонд арасында – тұ- рақты ток кӛпірін жасайды. Зондты потенциалы потенциометр тиегінің потенциалымен бірдей нүктеде ұстағанда, микроамперметрмен жүретін ток нӛлге тең болады. Потенциометрдің тӛменгі контакты мен оның тиегі арасын- дағы потенциалдар айырмасын PV вольтметрімен ӛлшейді.

Ӛлшеулер нәтижесінде берілген  адымы болатын эквипотенциал сы- зықтар картасы алынады. Кернеулік пен потенциалдың арасындағы байланысты пайдаланып

,

E L



 

мұндағы L - эквипотенциалдар арасындағы ең қысқа қашықтық, ӛріс кернеулігі анықталып, бірдей потенциал сызықтарына ортогональ болатын кернеулік (күш) сызықтары жүргізіледі.

2.3 Жұмыстың орындалу реті мен ӛлшеу нәтижелерін ӛңдеу

2.3.1 Дәптерге, масштабты сақтай отырып, электродтарды (пішіні мен дәл орнын) және кеңістік торын салу.

2.3.2 Ӛлшеу схемасын жинап алып оны іске қосу (2.1-сурет).

2.3.3 Электродтар арасына максимал потенциалдар айырмасын қою.

2.3.4 Зонд потенциалын электродқа қатысты 1 - 2 В-қа қойып, зондты ӛріс бетімен қозғай отырып, микроамперметрдің кӛрсетуі нӛлге тең болатын нүктені табу. Бұл нүктелерді (барлығы 10-12 нүкте) дәптердегі масштабтық торға белгілеу. Нүктелерді қисықпен қосып, эквипотенциалдар алу (олардың мәндері жазылуы керек).

2.3.5 Вольтметрдің кӛрсетуін ӛзгерте отырып, келесі эквипотенциал сызықтарды құру.

2.3.6 Алынған қартаға электр ӛрісі кернеулігінің бес-алты сызығын құру.

2.3.7 Симметрия осьтерін бойлай, оқытушы кӛрсеткен нүктелердегі ӛріс кернеулігі мәндерін есептеу.

2.3.8 Ӛрісті бұзатын себептерді, зондтың ӛлшемінің және тізбек кедергісі ролін жан-жақты талдау.

2.4 Бақылау сұрақтары

2.4.1 Электростатикалық ӛрістердің кернеулігі мен потенциалы деген не?

Олардың физикалық мағынасы қалай?

2.4.2 Электр ӛрісінің берілген нүктесінде кернеулік пен потенциалдың арасында қандай байланыс бар?

2.4.3 Қандай ӛріс потенциалдық ӛріс деп аталады?

2.4.4 Электростатикалық ӛрістерді нашар ӛткізгіш орта арқылы модель- деу тәсілінің мәні неде?

2.4.5 Кернеулік сызықтары эквипотенциал беттерге ортогональды екенін қалай дәлелдеуге болады?

2.4.6 Модельдеу тәсілін пайдалана отырып, біртексіз электр ӛрісі кернеулігінің локалды мәндерін қалай анықтауға болады?

2.4.7 Тәжірибе қондырғысының жұмысын сипаттау.

3 ЭМК №3 зертханалық жұмыс. Конденсаторлардың сыйымдылық- тарын анықтау

Жұмыстың мақсаты: қарапайым конденсаторлардың электр сыйымдылығын есептеудің теориялық тәсілдерін оқып-үйрену; электр сыйымдылығын тәжірибе арқылы анықтау әдістемесін меңгеру.

Тапсырмалар:

- бірнеше конденсатордың сыйымдылығын тәжірибе жүзінде анықтау;

- зерттеліп отырған конденсатор батареяларының сыйымдылығын тәжірибе арқылы анықтап, тәжірибе нәтижелерін теориямен салыстыру.

3.1 Ӛлшеу әдістемесі және тәжірибе қондырғысының сипаттамасы Бұл жұмыста конденсатордың сыйымдылығын анықтау әдістемесі негізіне конденсатордың q заряды, оның С сыйымдылығы және U потенциалдар айырмасы арасындағы байланыс алынған

С q/U. (3.1)

Потенциалдар айырмасы конденсаторды зарядтаған кезде вольтметрмен оңай ӛлшеуге болады.

Конденсатор заряды баллистикалық режиммен істейтін айналық гальва- нометр кӛмегімен ӛлшенеді. Баллистикалық гальванометрдің бас бӛлігі вертикаль қылға ілініп, тұрақты магнит ӛрісіне орналасқан бірнеше сым орамнан тұратын рамка болып табылады. Рамкаға жұмсақ темірден жасалған қуыс цилиндр бекітілген, ол осы қозғалмалы жүйенің инерция моментін артты- рады, демек оның Т тербеліс периоды да кӛбейеді. Қылдың бұралу бұрышын байқау үшін оған кішкентай айна бекітілген. Жарық кӛзінен шыққан сәуле ай- наға түсіп, одан шағылғаннан кейін құралдан белгілі бір қашықтықта орналас- қан мӛлдір шкалаға барып түседі. Айна бұрылғанда жарық «сағымы», шкалада- ғы сәйкес бӛлік санына орын ауыстырады (3.1-сурет).

Егер осы құралдың рамкасына токтың азғана импульсін (tТ) жіберсе, онда ток күшіне пропорционал айналдырушы күш моменті (МI) пайда болады.

Осы түрткінің әсерімен рамка кинетикалық энергия алады да, қылды энергия түгелдей қылдың деформациялануының потенциалдық энергиясына ӛткенше,  бұрышына бұрайды. Нәтижесінде, гальванометрдің «сағымының» максимал ауытқуы рамка тізбегі арқылы ӛткен толық зарядқа пропорционал екені шығады

q A_бn_max, (3.2)

мұндағы А_б – гальванометрдің баллистикалық тұрақтысы.

3.1 сурет

Гальванометр тұрақтысының мәнін сыйымдылығы белгілі кенденсаторды гальванометр арқылы разрядтау арқылы анықтауға болады.

Конденсатор сыйымдылығын анықтау үшін 3.2-суретте кӛрсетілген схема құрастырылады

3.2 сурет

П айырып-қосқышты 1 күйге қосқанда, конденсатор потенциометрдің тиегінің орнына сәйкес кернеумен зарядталып, PV вольтметрімен ӛлшенеді. Ал П айырып-қосқышты 2 күйге қосқанда, конденсатор PG гальванометрі арқылы разрядталады. Гальванометрдің «сағымының» максимал ауытқуын ӛлшеп алып және А_б тұрақтысын біле отырып, (3.2) формуласымен конденсатордың заря- дын, ал (3.1) формуласымен оның электр сыйымдылығын есептеуге болады.

S N

*

3.2 Жұмыстың орындалу реті және ӛлшеулер нәтижесін ӛңдеу 3.2.1 Баллистикалық гальванометрді бӛліктеу (градуирлеу).

Қондырғы схемасына сыйымдылығы С0 белгілі конденсатор қосылады.

Оны белгілі бір U кернеуге дейін зарядтап алып, артынан баллистикалық галь- ванометр арқылы разрядтап, тілшенің максимал n ауытқуын ӛлшейді.

Мәндері әр түрлі U кернеу бере отырып, соған сәйкес ауытқуды ӛлшеу арқылы гальванометр бүкіл шкала бойынша (8 - 10 нүктеден кем болмауы керек) бӛліктенеді. Ӛлшеу нәтижелерін 1 кестеге жазып, ордината осіне q зарядты, ал абсцисса осіне n ауытқуларды қойып, бӛліктену қисығын салады.

3.2.2 Белгісіз конденсаторлардың С1 және С2 сыйымдылықтарын анықтау.

С₀ конденсатордың орнына С₁ конденсаторын қосады. 3.2.1 баптарын- дағыдай ӛлшеулерді (үш рет) С₁ конденсаторына бірінші тәжірибеде алынған n ауытқулар мәнінен асып кетпейтіндей кернеу бере отырып жүргізеді. Нәти- желер 2 кестеге жазылады. Бӛліктену қисығын пайдалана отырып q1 зарядын анықтап, С1 сыйымдылық мәнін есептейді. Үш тәжірибенің берілгендері бойынша С тауып, сенімділік интервалы (қателік) анықталады. Екінші С2

конденсатордың сыйымдылығы да осыған ұқсас ӛлшенеді.

3.1 к е с т е- Баллистикалық гальванометрді бӛліктеу

U, B n, бӛл. q₀, Кл

3 . 2 к е с т е Зерттелетін конденсатор

U, B n, бӛл. q, Кл С, мкФ С,мкФ С, мкФ С₁

С₂

С1, С2 тізбектеп С1,С2 параллель

3.2.3 Мына С1 және С2 конденсаторларын параллель және тізбектеп қосқанда пайда болатын батареялардың сыйымдылығын тауып, С= С₁+ С₂ және

С 1 =

1

1 С +

2

1

С формулалардың дұрыстығын тексеру.

Конденсаторларды (С₁ және С2) ӛзара параллель және тізбектеп қосады.

Бұл екі жағдайда да батарея сыйымдылықтарын 3.2.2 баптағыға ұқсас ӛлшеп, нәтижелерді 2 кестеге жазады. Содан кейін батарея сыйымдылықтары сәйкес формулалармен есептелініп, ол тәжірибеде берілгендерімен салыстырылады.

3.3 Бақылау сұрақтары

3.3.1 Ӛткізгіштің, конденсатордың электр сыйымдылығы дегеніміз не? Ол шама неге байланысты?

3.3.2 Қарапайым конденсаторлардың сыйымдылығын теориялық есептеу тәсілі неге негізделген?

3.3.3 Берілген жұмыстағы сыйымдылық ӛлшеу әдістемесінің мәні неде?

4 ЭМТ №4 зертханалық жұмыс. Сегнетоэлектриктердің электрлік қасиеттерін оқып үйрену

Жұмыстың мақсаты: сегнетоэлектриктердің полярлануының электр ӛрісі кернеулігіне байланысын зерттеу және диэлектрлік гистерезисті оқып үйрену.

Тапсырмалар:

- гистерезистің максимал тұзағын алу;

- коэрцитивтік Е_с күшін, қалдық Dr ығысуды анықтау;

- сегнетоэлектриктің  диэлектрлік ӛтімділігінің ӛрістің Е кернеулігіне тәуелділігін   f E алу.

4.1 Ӛлшеулер әдістемесі және тәжірибе қондырғысының сипаттамасы

Сегнетоэлектриктер деген, температураның белгілі бір аралығында (ин- тервалда) ӛз бетінше полярлана алатын полярлы диэлектриктер, яғни олардың полярланғыштығы электр ӛрісі жоқ жағдайда да болады. Осы температура ара- лығының шекараларында фазалық ауысу нәтижесінде сегнетоэлектрик по- лярлы диэлектрикке айналады. Сегнетоэлектриктердің диэлектрлік ӛтімді- ліктері ӛте кӛп (10⁴) және ӛріс кернеулігіне тәуелді;   f

 

Е

D₀ кернеулікпен сызықты емес байланыста болады. Сегнетоэлектриктер- дің электрлік қасиеттерін зерттеу, принциптік электр схемасы 4.1-суретте кӛрсетілген қондырғыда орындалады.

4.1 сурет

Қоректену кӛзінен схемаға желілік кернеу  220 В, 50 Гц және 120 В тұрақты ток кернеуі беріледі. Тӛмендеткіш Т(220/100) трансформатордың екінші орамасынан R3 потенциометрі арқылы алынған реттелуші кернеу R1 жә- не R2 кедергілерден тұратын кернеу бӛліп берушіге беріледі.

T

120 В PV R3

R1

R₂

C1

C2

Y

220 В U X

Кернеу бӛлгіштің R₁, R2 кедергілеріне параллель, ӛзара тізбектеліп, екі конденсатор қосылған, оның біреуі зерттелетін керамикалық С1, ал екіншісі эта- лондық С2 конденсаторы, олар сыйымдылықтық бӛлгіш болып табылады. Со- нымен R1, R2 және С1 мен С2 бӛлгіштеріне берілетін кернеуді PV вольтметрімен ӛлшейді.

Осциллограф (схемада кӛрсетілмеген) сегнетоэлектриктің поляризацияла- нуын бақылауға және оқып үйренуге арналған.

Гистерезистің симметриялы тұзағын алу үшін зерттеліп отырған тізбекке кернеудің тұрақты құраушысы беріледі, оның шамасын қоректену кӛзінің алдыңғы жағында орналасқан «12 В – 120 В» кернеуді жайлап реттегіш арқылы ӛзгертуге болады.

4.1-суретте кӛрсетілген схема ФПЭ – 02/07 кассетіне жинақталған, олар - қоректену кӛзі, осциллографты қоса есептегенде құрылғының негізгі элементі болып табылады. Сандық вольтметр PV бӛлек блокта орналасқан.

ФПЭ – 02/07 кассетінің алдыңғы бӛлігінде қоректену кӛзін қосуға ар- налған ұя, ИП, R3 потенциометрінің реттегіш «Per.U» тұтқасы, осциллографты қосуға арналған «РО» («У», «Х», «») ұялары орналасқан.

Эталон С2 конденсатордан осциллографтың вертикаль ауытқытушы пла- стиналарына Uу кернеуі беріледі

U_y q/C₂, (4.1)

конденсаторлар С1 және С2 тізбектеп қосылғандықтан, олардың астарла- рындағы зарядтар бірдей, яғни q₁=q2=q, демек заряд мәнін зерттелетін С1 кон- денсатордағы ӛрістің D электр ығысымен ӛрнектеуге болады

D  q/S,

бұдан qDS, (4.2)

мұндағы  - конденсатор астарларындағы зарядтың беттік тығыздығы;

4 d2

S 

 - зерттелетін конденсатор астарларының ауданы;

d - астарларының диаметрі . Егер (4.2) ескерсек

.

2

C D

U_y  S (4.3)

Горизонталь ауытқытушы пластинаға R2 кедергісінен алынатын Uх

кернеуі беріледі

U_x R₂U /R₁ R₂, (4.4) мұндағы U – кернеу бӛлгіштерге (R₁,R₂ ), демек, сыйымдылық бӛлгіш- терге де берілетін кернеу. R3 потенциометрінен алынатын кернеу U түгелдей дерлік С₁ зерттелетін конденсаторына түсу үшін С1 және С2 мәндері С1С2

болатындай етіп таңдап алынған.

Конденсатор ішіндегі ӛріс біртекті болады десек, онда

U Eh, (4.5)

мұндағы h – сегнетоэлектрик пластинасының қалыңдығы; Е – электр ӛрісі кернеулігі.

Егер (4.5) ескерсек, онда

U_x EhR2^/R1R2^. (4.6) Сонымен, берілген электр схемасында осциллографтың вертикаль және горизонталь ауытқытушы пластиналарына бір мезгілде зерттелетін сегнето- электриктегі D электр ығысуына және Е электр ӛрісі кернеулігіне пропорцио- нал болатын периодты түрде ӛзгеретін кернеулер беріледі де, нәтижесінде ос- циллограф экранында гистерезис тұзағы пайда болады (4.2-сурет).

4.2 сурет

Қисыққа жүргізілген тілшелер ӛріс кернеулігі ӛзгерген кездегі нүктенің қозғалыс бағытын кӛрсетеді. ОА қисығы – полярланудың негізгі қисығы, ӛйткені, сегнетоэлектрик бастапқыда полярланбаған еді. Ӛріс кернеулігі кеміген сайын ығысудың кемуі кернеуліктің кемуінен қалып отырады да, Е = О кезде сегнетоэлектрик полярланған болады, яғни DD_r, мұндағы D_r қалдық ығысу деп аталады. Қалдық ығысуды жою үшін сегнетоэлектрикке кернеулігі – Е_с, бағыты қарама-қарсы электр ӛрісін беру керек, Е_с мәні коэрцитивтік күш деп аталады.

4.2-суретте кернеуліктің максимал мәні Е₀ болғанда, ӛздігінен полярлану D0 қанығу күйге жететін гистерезистің максимал тұзағы кӛрсетілген. Егер қанығуға жетпеген болса, онда максимал тұзақтың ішінде жататын дербес цикл тұзағы пайда болады.

Егер U_у, U_x және U шамаларының мәндері белгілі болса, онда (4.3), (4.5) және (4.6) ӛрнектері сегнетик ішіндегі D ығысуды және электр ӛрісінің Е кернеулігін табуға мүмкіндік береді. U кернеуі PV вольтметрінің кӛрсетуі бойынша анықталады. U_x және Uy кернеулері осциллограф кӛмегімен ӛлшенеді де мына формулалармен есептеледі

U_x K_xx, (4.7)

U_y  K_y y, (4.8)

мұндағы х, у – электрон шоғының осциллограф экранындағы сәйкес Х және У осьтеріндегі ауытқулары;

К_х, К_у – осциллографтың масштабтық торының сәйкес Х және У осьтеріндегі бӛлік құны.

Сӛйтіп, (4.7) мен (4.8) ескере отырып, (4.3) және (4.6) ӛрнектерінен

² y,

S K

DC ^y (4.9)

.

2 2

1 x

h K R

R

E R   ^x 

 (4.10)

Ал (4.5) ӛрнегінен

U,

h h

E U₀ 2

0   (4.11)

мұндағы U – кернеудің әсерлік мәні, ол PV вольтметрімен ӛлшенеді.

Сегнетоэлектрик ішіндегі ӛріс кернеулігінің лездік мәнін (4.10) формуласы, ал амплитудалық мәнін (4.11) формуласы арқылы анықталады.

Сегнетоэлектриктің  диэлектрлік ӛтімділігін есептеу үшін, қарастыры- лып отырған үлгінің ішіндегі ӛріс кернеулігінің әртүрлі Е₀ максимал мәндері үшін алынған қайта полярлану циклдарының тӛбелерінің геометриялық орны болып табылатын полярланудың негізгі қисығы (4.2-сурет, ОАВ қисығы) қолданылады. Оның әр нүктесі үшін мына ӛрнекті D₀ ₀ E₀ жаза аламыз, мұндағы D₀, E₀ -қайта полярлану циклдары тӛбелерінің координаттары. Бірне- ше циклдың тӛбелері мәндерінің D₀және E₀ (4.9) және (4.11) формулалары кӛмегімен әртүрлі E₀ мәндері үшін  мәнін мына ӛрнекке сәйкес табамыз

,

2

0 0 2 0 0

0

SU y h K C E

D y

 

   (4.12)

сондай-ақ   ^f

 

4.2 Жұмыстың орындалу реті

4.2.1 Қондырғыны жұмысқа дайындау

4.2.1.1 Кассеттің (ФПЭ – 0207) панеліндегі «Per U» тұтқаны ортаңғы күйге қою.

4.2.1.2 Осциллографтың (РО) панеліндегі басқару тетіктерін Лиссажу фигураларын бақылауға мүмкіндік беретін күйлерге қою.

4.2.1.3 4.1-суретке сәйкес схеманы құру.

4.2.1.4 Схеманың дұрыстығын оқытушы немесе лаборант тексергеннен кейін құралдарды  220 В, 50 Гц электр желісіне жалғап, құралдардардың панельдеріндегі «Сеть» тумблерін қосу. Осциллограф экранында гистерезис тұзағы шығуы керек.

4.2.1.5 Гистерезис тұзағын экранның орталық бӛлігіне орналастыру. ИП панеліндегі «12 В – 120 В» тұтқасының кӛмегімен кернеудің тұрақты құраушысының экрандағы гистерезис тұзағының бейнесі симметриялы болатындай мәнін таңдап алу.

4.2.2 Қалдық ығысуды Dr, коэрцитивтік Е_с күшті анықтау.

4.2.2.1 Кассета панеліндегі «Per U» тұтқасын оң жақ шеткі күйге бұрап апарып, гистерезистің максимал тұзағын алу. Тағы да Ку мәнін гистерезис тұзағы экранның вертикалының жартысынан аз болмайтындай және экранды толық толтыратындай етіп таңдап алу керек.

4.2.2.2 Гистерезистің максимал тұзағын( 1-б. бойынша алынған) У осіне қатысты симметриялы орналастыру. Тұзақтың х = 0 үшін жарты биіктігі болатын у_r мәнін ӛлшеу. Осы ӛлшеуге сәйкес К_у мәнін жазып алу.

4.2.2.3 Гистерезистің максимал тұзағын Х осіне қатысты симметриялы орналастыру. Тұзақтың у = 0 үшін жарты ені болатын хс мәнін ӛлшеу.

4.2.2.4 Dr және Е_с мәндерін (4.9) және (4.10) формулалары бойынша есептеу

4.2.2.5 Барлық мәліметтерді 4.1-кестеге жазу.

4 . 1 к е с т е

Уr Xc Dr Ec

4.2.3 Тәуелділікті   f E оқып үйрену.

4.2.3.1 Гистерезистің 4.2.2.1 тапсырмасы бойынша алынған максимал тұзағы үшін цикл тӛбелерінің х0max және у0max мәндерін (4.2-суреттегі В нүктесі). Ол үшін тұзақтың тӛбелерінің әрқайсысын (4.2-суреттегі А және С нүктелері) алдымен х осіне, сонан кейін у осіне (экран торының орталық, бӛліктенген сызықтарына) әкеліп, олардың + х₀ және – х₀, + у₀ және –у₀ координаттарын анықтап алып, ол мәндердің модульдерінің арифметикалық ортасын алу. у₀ мәнін ӛлшегенге сәйкес К_у жазып алу. Вольтметрдің PV кӛрсе- туі бойынша U кернеуін анықтау.

4.2.3.2 Кассета панеліндегі «Per U» реттегіш арқылы U кернеуді кемітіп, кернеуліктің, одан тӛмен мәндерінде шекті цикл жоғалып кететін (яғни тұзақ ауданы мен оның тӛбелерінің координаттары ӛзгере бастайтын) ӛрістің кернеулігінің Е₀ амплитудалық мәніне сәйкес, шекті цикл тұзағын алу. Осы тұзақ үшін PV бойынша U кернеуді анықтау; 4.2.3.1 бабынан х₀, у₀, К_у мәндерін алу.

4.2.3.3 Кернеуді «Per U» тұтқасымен кеміте отырып және әр гистерезис тұзағы вертикаль бойынша экранның жартысын алатындай етіп, осцилло- графтың К_у коэффициентін ӛзгерте отырып, бестен кем емес дербес цикл алу.

Әр дербес цикл үшін оның тӛбелерінің х₀ және у₀ координаттарын анықтап, у₀ ӛлшеуіне сәйкес К_у мәнін жазып алу; PV вольтметрінің U0 кӛрсе- туін алу.

4.2.3.4 Барлық ӛлшеулердің (4.2.3.1-4.2.3.3 б.) нәтижелерін 4.2-кестеге енгізу.

4.2.3.5 Полярланудың негізгі қисығын Х және У координаттарына салу.

4.2.3.6 Қайта полярланудың зерттелген циклдары үшін (4.11) және (4.12) формулалары бойынша Е0 және  мәндерін есептеу. Мәліметтерді 4.2-кестеге енгізу.

4.2.3.7 Мына   f

 

4.2.3.8 Нәтижелерді талдап, зерттеліп отырған сегнетоэлектрикті қолдану мүмкіндіктері туралы қорытынды жасау.

4 . 2 к е с т е

U, В Х0, бӛл У0, бӛл К_у, В/бӛл

U У

К_у ₀ Е0, 10⁴

В/м , 10³ 4.3 Бақылау сұрақтары

4.3.1 Сегнетоэлектриктер, олардың негізгі қасиеттері.

4.3.2 Полярлану түрлері.

4.3.3 Сегнетоэлектриктер үшін гистерезис құбылысының мәні неде?

4.3.4 Неге D  у, ал Е  х?

4.3.5 Эксперимент қондырғысын сипаттап, оның жұмыс істеуін түсіндіріңіз.

5 ЭМТ №5 зертханалық жұмыс. Конденсатордың сыйымдылығын айнымалы тоқ арқылы кӛпір схемасы кӛмегімен анықтау

Жұмыстың мақсаты: конденсатордың сыйымдылығын кӛпір схемасы- ның кӛмегімен тәжірибе жүзінде анықтау тәсілін меңгеру.

Тапсырмалар:

- кӛпір схемаларының жұмыс принципімен танысу;

- зерттелетін конденсаторлардың сыйымдылығын анықтау.

5.1 Жұмыс әдістемесі

Зертханалық практикумдарда кедергіні, сыйымдылықты және индуктивтікті ӛлшеудің кӛпірлік тәсілдері кең қолданылады.

Тӛртиінді кӛпірдің принциптік схемасы 5.1-суретте кӛрсетілген.

5.1 сурет