Физика на экране осциллографа.

Главная Введение Новости Магазин Блог

Физика на экране осциллографа.

Не правда ли, намного интересней "взглянуть" на физические процессы, происходящие в том или ином устройстве, чем просто изучать их по учебникам или популярной литературе? Теперь, когда ваша домашняя лаборатория пополнилась осциллографом, подобное нетрудно осуществить. Нужно знать лишь методику тех или иных исследований и, конечно, уметь пользоваться органами управления осциллографом. Как вы поняли из темы нашей сегодняшней встречи, разговор пойдет о "просмотре" на экране осциллографа физических явлений. Познакомившись с методикой измерений в предлагаемых экспериментах, вы, несомненно, обогатите свои познания возможностей осциллографа и сможете использовать их в других аналогичных случаях. Итак, рассмотрим несколько экспериментов. Что такое самоиндукция! Если подать постоянное напряжение в цепь с катушкой индуктивности, то номинальной ток в цепи появится не мгновенно, а с некоторым запаздыванием, продолжительность которого зависит от индуктивности катушки. С таким же запаздыванием будет падать ток после выключения питания, словно энергия была запасена оксидным конденсатором.

Наглядно убедиться сказанном поможет электрическая цепь, собранная в соответствии с рис. 87. В ней две параллельные ветви: в первой последовательно включены резисторы R1, R2, а во второй - катушка индуктивности L1 и резистор R3, к нему и подключается вначале осциллограф.

Питание на цепь поступает с источника постоянного тока GB1 через кнопочный выключатель SB1. Через конденсатор С1 с цепи снимают сигнал

Осциллограф ОМЛ-2М

Осциллограф ОМЛ-2М

включения питания и используют его в качестве сигнала внешней синхронизации осциллографа. Сам осциллограф должен работать в режиме ждущей развертки (кнопка "АВТ. - ЖДУЩ." нажата) с внешней синхронизацией (кнопка "ВНУТР. - ВНЕШН." нажата), с открытым входом.

Но в начале нужно установить на осциллографе автоматический режим работы развертки, сместить линию на нижнее деление масштабной сетки, затем, нажав кнопку SB1), установить входным аттенюатором такую чувствительность осциллографа, чтобы линии развертки оказалась отклоненной от первоначального положения на 3-4 деления. Конечно, при переключении кнопок аттенюатора будет изменяться положение исходной линии, поэтому не забывайте корректировать его ручкой смещения луча по вертикали. Но начало развертки должно быть в нижнем левом углу (конечно, при отключенном питании цепи).

Катушку L1 желательно использовать с возможно большей индуктивностью. Хорошие результаты получаются, например, с первичной обмоткой трансформатора ТВК-110ЛМ, который участвовал в наших предыдущих экспериментах. Тогда с батареей питания напряжением 4,5 В удастся получить отклонение линии развертки на три деления при чувствительности осциллографа 0,05 В/дел.

Такого же результата по отклонению линии развертки нужно добиться при подключении входного щупа ("земляной" остается на месте) осциллографа к точке соединений резисторов R1 и R2. Но в этом случае пользуются лишь подстроечным резистором R1, регулирующим ток в ветви, а значит, падение напряжения на резисторе R2.

Вот теперь кнопку SB1 отпускают, устанавливают ждущий режим и подбирают уровень синхронизации и полярность сигнала (ручке "СИНХР.") такими, чтобы при нажатии кнопки запускалась развертка осциллографа, т. е. луч "пробегал"по экрану один (!) раз. Длительность развертки устанавливают равной 50мс/дел. (если индуктивность катушки небольшая, можно ставить 20 мс/дел.и даже 10 мс/дел.).

Подключив входной щуп осциллографа к резистору R3, нажмите кнопку и просмотрите на экране кривую нарастания напряжения - она будет похожа на приведенную на рис. 88, а. Как только экран погаснет (генератор развертки будет "ждать" очередного запускающего сигнала), отпустите кнопку - теперь луч осциллографа очертит линию, показанную на рис. 88,б.

Для сравнения подключите осциллограф к ветви, в которой нет индуктивности, - к резистору R2 и вновь нажмите, а затем отпустите кнопку.

На экране увидите практически мгновенно нарастающее (рис.88. в) или спадающее (рис. 88, г) напряжение. Как видите, характер изменения одинакового напряжения на одинаковых нагрузочных резисторах R2 и R3 различен - в ветви с индуктивностью из-за явления самоиндукции он более пологий.

Конечно, по длительности нарастаний или спада напряжения можно судить об индуктивности испытываемой катушки, но этот вопрос не входит в планы сегодняшнего рассказа.

Как выглядит петля гистерезиса! Надеемся, что многие из вас встречали ее изображение в популярной литературе, характеризующее зависимость индукции (В) в сердечнике от напряженности (Н) магнитного поля. Знание такой зависимости позволяет судить, скажем, о максимально возможном токе через первичную обмотку выходного или сетевого трансформатора, при котором не будет искажаться форма передаваемого (трансформируемого)сигнала или будет соблюдаться заданный коэффициент трансформации. Если же ток превысить, сердечник трансформатора (его магнитопровод) войдет в насыщение, коэффициент трансформации упадет, а форма синусоидального сигнала окажется весьма искаженной.

Для просмотра кривой гистерезиса на экране осциллографа нужно собрать установку по схеме, приведенной на рис. 89. В качестве трансформатораТ1 использован известный вам ТВК-110ЛМ. Его вторичную обмотку включают как сетевую и подают на нее переменное напряжение с автотрансформатора, обеспечивающего в данном случае регулировку напряжения в пределах 15...60В.

В цепь первичной обмотки включают цепочку из параллельно соединенных постоянного резистора R1 и переменного R2 (правые по схеме выводы резисторов нужно соединить перемычкой) - падающее на ней переменное напряжение, характеризующее ток первичной обмотки, а значит,напряженность магнитного поля, подают на вход горизонтальной развертки осциллографа. Ко вторичной обмотке подключают интегрирующую цепочкуR3C1 (конденсатор обязательно бумажный с номинальным напряжением не менее 300 В), сигнал с которого поступает на вход вертикальной развертки осциллографа. Этот сигнал будет пропорционален величине магнитной индукции сердечнике.

В итоге на экране осциллографа можно наблюдать кривую взаимозависимости двух магнитных величии - магнитной индукции и напряженности магнитного поля. Но сначала подготовим для

Осциллограф ОМЛ-2М

Осциллограф ОМЛ-2М

таких наблюдений сам осциллограф.

Начнем с горизонтальной развертки. Кнопка "РАЗВ. - ВХ.Х" должна быть нажата (развертка от внешнего сигнала), остальные ручки управления разверткой могут находиться любом положении. Вход осциллографа закрытый, чувствительность минимальная (50 в/дел.), входной щуп пока не подключают.

С автотрансформатора подают напряжение около 15 В и переменным резистором устанавливают длину линии развертки, например, четыре деления (рис. 90, а). Если она не получается даже при крайнем левом по схеме положении движка переменного резистора, немного увеличивают напряжение.

Затем подключают к конденсатору С1 входной щуп осциллографа и изменением чувствительности добиваются длины появившейся вертикальной линии (входной сигнал с гнезда "ВХОД Хм снимают), тоже равной четырем делениям. Если она получается больше или меньше (ведь регулировка чувствительности в осциллографе скачкообразная), можно скорректировать под нее длину линии развертки переменным резистором R2.

После этого подают на осциллограф оба сигнала и наблюдают изображение в форме эллипса (рис. 90, б). Увеличивают напряжение, подаваемое с автотрансформатора на испытываемый трансформатор. Эллипс вытягивается и при определенном напряжении (около 30 В) на его концах можно наблюдать загибы (рис. 90, в), характерные для гистерезиса. При дальнейшем повышении напряжения (в данном случае максимум до 60 В, но на короткое время) концы эллипса исказятся (рис. 90, г), что будет свидетельствовать о чрезмерных искажениях сигнала в трансформаторе. В этом нетрудно убедиться, если проконтролировать осциллографом сигнал на вторичной обмотке при работе осциллографа в автоматическом или ждущем режимах (конечно, при минимальной чувствительности, поскольку напряжение на обмотке может быть сравнительно высоким).

Известно, что напряженность магнитного поля на сердечнике (магнитопроводе) трансформатора определятся числом ампер-витков, т. е. произведением тока через обмотку на число ее витков. Отсюда нетрудно сделать вывод о способе определения этого показателя - достаточно установить такое напряжение с автотрансформатора, при котором начинаются искажения эллипса, измерить (например, по падению напряжения на резисторе R1) ток через обмотку и умножить его на число витков обмотки.

А если нужно определить такое значение для неизвестного сердечника?Тогда нужно намотать на него две обмотки, как у трансформатора, расположив между ними электро-статический экран, чтобы напряжение на вторичной обмотке определялось только электромагнитной индукцией, и провести испытания по приведенной методике. В зависимости от напряжения на вторичной обмотке иногда приходится подбирать резистор R3, чтобы получить изображение эллипса.

Эффект Баркгаузена. Ровно 70 лет назад этот эффект был открыт немецким ученым в области электронной физики

Осциллограф ОМЛ-2М

Осциллограф ОМЛ-2М

радиотехники и магнетизма Г. Баркгаузеном. Заключается он том, что при плавном изменении магнитного поля, пронизывающего ферромагнетики, т. е. вещества с большой магнитной проницаемостью (например, железо, никель,кобальт), в последних наблюдается скачкообразное изменение намагниченности.

В свое время опыты с эффектом Баркгаузена имели большое значение для построения теории намагничения и гистерезиса ферромагнетиков.

Чтобы наглядно продемонстрировать этот эффект, понадобятся усилитель ЗЧ и катушка индуктивности с сердечником, например, от электромагнитного реле. Чем больше сопротивление катушки, тем заметнее проявляется эффект. Катушка, усилитель и осциллограф соединяют между собой в соответствии с рис. 91. Еще понадобится прямой постоянный магнит.

В исходном состоянии в динамической головке ВА - нагрузке усилителя прослушивается негромкий шум, а на кране осциллографа, подключенного к головке и работающего в автоматическом режиме, наблюдается шумовая "дорожка" (рис. 92, а). Медленно проводите над сердечником катушки магнит, приближая его к катушке или удаляя oт нее. При этом будет изменяться намагниченность сердечника, а в катушке появляться ЭДС. В динамической головке послышатся более громкие шорохи, а размах "дорожки" на экране осциллографа увеличится (рис. 92, б).

А теперь попробуйте двигать магнит быстрее - в головке будут раздаваться щелчки, а на экране осциллографа проскакивать импульсы.

Как "увидеть" звук? Очень просто - нужно подключить ко входу усилителя ЗЧ динамическую , головку ВА (рис. 93) или абонентский громкоговоритель а к выходу - резистор нагрузки Rн (вместо динамической головки). Параллельно резистору включают входные щупы осциллографа, работающего, как и в предыдущем случае, в автоматическом режиме.

Осциллограф ОМЛ-2М

Осциллограф ОМЛ-2М

Осциллограф ОМЛ-2М

Осциллограф ОМЛ-2М

Разговаривая перед динамической головкой, будете наблюдать на экране осциллографа резкие всплески линии развертки (рис. 94, а) - это электрические колебания звуковой частоты, преобразованные динамической головкой из звуковых колебаний.

Если издавать какой-то протяжный звук постоянной громкости, можно ручками управления разверткой осциллографа засинхронизировать изображение (рис. 94, б) и даже измерить частоту звука.

Вместо динамической головки или громкоговорителя ко входу усилителя можно подключать микрофон, телефонный капсюль или другой преобразователь звуковых колебаний в электрические и сравнивать их по чувствительности.

Акустическая локация. Этот опыт является продолжением предыдущего, но куже имеющемуся усилителю добавляется метроном (рис. 95), который может быть собран по любой известной вам простой схеме.

Частоту ударов метронома устанавливают сравнительно небольшой - несколько герц. На расстоянии десятков сантиметров от динамической головки метронома и напротив нее устанавливают микрофон, соединенный с усилителем ЗЧ. На выходе усилителя вместо динамической головки включают резистор нагрузки. Сигналы с выхода метронома и усилителя поступают на вертикальный вход осциллографа через переменные резисторы- - они уравнивают амплитуды сигналов на входе осциллографа. Сам осциллограф должен работать в ждущем режиме с синхронизацией от внутреннего сигнала.

Какова идея эксперимента? Сигнал звуковой частоты в виде импульса напряжения поступает с динамической головки метронома непосредственно на осциллограф через резистор R1. Этот же сигнал - преобразуется динамической головкой звук, воспринимаемый микрофоном. В свою очередь микрофон преобразует звук в электрический сигнал звуковой частоты - он усиливается и также поступает на осциллограф (через резистор R2).

Развертка осциллографа запускается при появлении импульса на динамической головке. Импульс же на выходе усилителя появится либо почти сразу же после импульса метронома, либо с задержкой, обусловленной расстоянием между микрофоном и головкой - ведь звук распространяется в воздухе со скоростью 330 м/сек. Тогда на линии развертки будут два сигнала - основной и "эхо". Изменяя расстояние между головкой и микрофоном, можно "сдвигать по линии развертки "эхо-сигнал".

Перед началом эксперимента движок переменного резистора R2 устанавливают верхнее по схеме положение, а R1 - нижнее. На экране осциллографа, работающего пока в автоматическом режиме, наблюдают "дорожку", размах которой устанавливают равной двум-трем делениям подбором чувствительности осциллографа. Затем устанавливают ждущий режим работы, длительность развертки 10 мс/дел. или 20 мс/дел., и ручкой синхронизации добиваются появления появления импульса метронома(рис. 96, а) при каждом звуковом сигнале в динамической головке.

После этого движок переменного резистора R1 устанавливают верхнее по схеме положение, а резистора R2 - в нижнее и добиваются аналогичного изображения регулятором громкости усилителя.

Далее движки обоих переменных резисторов ставят примерно в среднее положение, увеличивают вдвое чувствительность осциллографа, чтобы получалось изображение прежнего размаха, и проводят эксперименты по акустической локации.

Динамическую головку метронома и микрофон направляют, скажем, на стену помещения, но отделяют их друг от друга акустическим экраном либо помещают микрофон в рупор, чтобы исключить попадание на него прямого звука от динамической головки. Если все выполнено безукоризненно, на экране осциллографа увидите "эхо-сигнал" (рис. 96, б), отстоящий от начала линии развертки на несколько миллисекунд. Направляя микрофон на другие стены, особенно на противоположную, и увеличивая таким образом путь звука от головки к микрофону, можно наблюдать перемещение "эхо-сигнала" по линии развертки. Амплитуду "эхо-сигнала" изменяют регулятором громкости усилителя или перераспределением положений движков переменных резисторов при соответствующем изменении чувствительности осциллографа.

Следует добавить, что успех экспериментов во многом зависит от чувствительности усилителя и полосы его пропускания, а также от акустической "экранировки" микрофона от головки. А чтобы исключить попадание помех от метронома на усилитель, питать их нужно от разных источников.