Кафедра физики твердого тела

Им. В. И. Вернадского

 

Кафедра физики твердого тела

 

 

Сапига А. В.

 

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ

 

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

И МАГНЕТИЗМ

 

Часть ІІ

Электромагнетизм, переменный ток

 

 

Учебное пособие для студентов ІІ курса

физического факультета

 

 

 

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

 

 

ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКА ХОЛЛА

 

Цель работы. Изучение магнитного поля в соленоиде конечной длины. Определение постоянной Холла полупроводниковых материалов.

 

Приборы и оборудование. Кассета ФПЭ-04, источник питания, цифровой вольтметр.

 

 

Теория

1. Индукция магнитного поля

Магнитное поле заряда. Электрический заряд, покоящийся в данной системе координат образует вокруг себя электрическое поле с напряженностью Е. При переходе в другую инерциальную систему координат, движущуюся со скоростью v относительно первой, заряд будет уже двигаться со скорость v. В результате релятивистских эффектов кроме электрического поля в этой системе координат электрический заряд будет создавать магнитное поле, индукцию В которого можно определить из следующего выражения:

, (9.1)

где q – заряд частицы; r – радиус-вектор, соединяющий заряд с данной точкой пространства; m₀ = 4p×10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума.

Индукция В - это силовая характеристика магнитного поля, являющаяся аналогом вектора напряженности Е электрического поля. Определить модуль и направление вектора В можно, измерив силы, действующие на движущиеся заряды в магнитном поле или проводники с током. Модуль вектора В равен

,

где a — угол между векторами v и В.

Поле проводника с током. Рассмотрим элемент проводника d l с током I и концентрацией п₀ заряженных частиц. Все заряды движутся вдоль проводника со средней скоростью

, (9.2)

где S = const — площадь поперечного сечения проводника. Тогда на расстоянии r от элемента d l вся совокупность движущихся зарядов образует магнитное поле с индукцией

. (9.3)

Модуль вектора d B равен

где a - угол между векторами d l и r. Формула (9.3) представляет собой математическую запись закона Био — Савара — Лапласа [1]. Ее используют для расчета индукции магнитного поля в данной точке пространства от любой системы проводников с током. Для этого проводники нужно разбить на элементы d l, вычислить по формуле (9.3) элементарное поле d B от каждого элемента d l с соответствующим током I и затем провести интегрирование по всем имеющимся проводникам с токами:

(9.4)

Поле витка с током. Наиболее просто интеграл (9.4) вычисляется, если все векторы d B коллинеарные (индукция магнитного поля от бесконечного прямолинейного проводника или на оси кругового проводника с током).

Вычислим индукцию магнитного поля на оси витка с током и бесконечного соленоида. По закону Био — Савара — Лапласа вектор d B перпендикулярен векторам d l и r (рис. 9.1). Если разложить вектор d B на составляющие d B ₁ вдоль оси витка и d B ₂ перпендикулярно ей, то последние от симметрично расположенных элементов витка d l взаимно скомпенсируют друг друга. Поэтому результирующая индукция магнитного поля в точке А направлена вдоль оси кругового тока и равна по модулю

, (9.5)

dB ₁ = dBsina = . (9.6)

В (9.6) учтено, что векторы d l и r взаимно перпендикулярны. Подставляя (9.6) в (9.5) и учитывая, что R и r постоянны, для поля на оси витка с током получим:

. (9.7)

 

 

2. Индукция магнитного поля соленоида

Соленоидом называется катушка с проволокой, у которой длина больше диаметра. Обычно соленоид предназначен для получения магнитного поля.

Пусть на единицу длины соленоида приходится п витков (рис. 9.2), тогда участок dz содержит ndz витков, которые, согласно (9.7), в точке на оси соленоида создадут индукцию

. (9.8)

 

Рис. 9.2. К расчету магнитного поля внутри соленоида.

 

Из рис. 9.2 видно, что , . (9.9)

Подставляя (9.9) в (9.8) и интегрируя полученное выражение от q ₁ до q ₂, имеем

(cosq ₁ - cosq ₂). (9.10)

В случае бесконечного соленоида

q ₁ ® 0, q ₂ ® p, В _z = m ₀ In. (9.11)

С тем чтобы для расчетов магнитного поля в этой работе можно было воспользоваться геометрическими размерами соленоида, выразим значения косинусов входящие в выражение (9.10). Учтем, что cosq₂ = cos (180 - q₃) = - cosq₃ (рис. 9.2), тогда

. (9.12)

Начало координат поместим в центр соленоида и обозначим

, , (9.13)

получим:

и . (9.14)

с учетом этих выражений можно воспользоваться выражением (9.12) для расчета поля соленоида как функции расстояния z от центра соленоида. Для этого необходимо знать длину соленоида L, радиус R, ток I, число витков на единицу длины n и надо задать расстояние z от центра соленоида. Надо учитывать, что выражения (9.10, 9.12) строго применимы только для однослойного соленоида.

 

3. Эффект Холла

Для экспериментального исследования индукции магнитного поля на оси соленоида используют метод, основанный на явлении Холла[2]. Эффект Холла состоит в возникновении разности потенциалов на поперечных сторонах проводника с током помещенном в магнитное поле. Поскольку разность потенциалов иначе ЭДС Холла пропорциональна магнитному полю, то эффект Холла широко используется для измерения индукции магнитного поля.

Датчик Холла. Практически датчик Холла устроен очень просто (рис. 9.3). На диэлектрической подложке 1 находится тонкая (~ 0.1 мм) пластинка из полупроводника 4. К пластике подведены печатные электроды. Два электрода с узкими контактами предназначены для измерения ЭДС Холла 2. По двум широким контактам 3 пропускают ток. Размер датчика обычно не превышает 2х2 мм.

Датчики Холла широко применяются для измерения магнитных полей или для разного рода датчиков срабатывающих при наличии магнитного поля.

При отсутствии поля ЭДС Холла равна нулю в том случае, если измерительные электроды присоединены строго на одной эквипотенциальной поверхности, что часто затруднительно реализовать на практике. Поэтому для разных образцах датчиков может иметь место небольшая остаточная разность потенциалов, которую надо учитывать при точных измерениях. Кроме того, концентрация носителей в полупроводниках сильно зависит от температуры. Соответственно от температуры будет зависеть и ЭДС Холла, что тоже является одним из недостатков этого метода. Однако подбором полупроводникового материала эту погрешность можно свести к минимуму.

Следует учесть, что величина ЭДС Холла сильно зависит от ориентации датчика относительно силовых линий поля. Максимальная ЭДС будет при строго перпендикулярной ориентации датчика относительно силовых линий поля.

В данной работе датчик Холла используется для измерения ЭДС Холла в соленоиде. Так как линии индукции магнитного поля на оси соленоида направлены вдоль оси, то датчик Холла располагается на торце специального штока, который можно вдвигать в соленоид.

Теория эффекта Холла. Рассмотрим проводящую пластину с поперечным сечением a·h и плотностью тока j, поместив ее в поперечное магнитное поле с индукцией В (рис. 9.4). Явление Холла состоит в том, что в проводящей пластинке в магнитном поле, по которой протекает ток, перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы В и j, образуется электрическое поле с напряженностью Е. В результате между боковыми гранями возникает разность потенциалов, равная Dj_х= Еа, которая и называется ЭДС Холла. Если движение частицы происходит как в магнитном поле с индукцией В, так и в электрическом поле с напряженностью Е, то на нее действует сила которую называют силой Лоренца:

F = q [ v, B ]+ q E.

Поэтому физическая природа явления Холла может быть сведена к действию силы Лоренца, а точнее, ее магнитной составляющей q [ v, В ] на носители заряда в проводнике.

Под действием силы Лоренца носители тока смещаются к боковой грани пластинки, создавая там избыток отрицательного заряда (рис. 9.4). У противоположной грани образуется избыточный заряд противоположного знака, связанный с решеткой.

Рис. 9.4. Возникновение разности потенциалов на торцах пластинки с током в магнитном поле. Условно показан поток электронов в пластинке.

Между положительным и отрицательным зарядами, т. е. между боковыми гранями пластины возникает разность потенциалов Dj_х иначе называемая ЭДС Холла. Ее значение можно найти из условия равновесия между силой Лоренца и возникающей электрической силой: F_Л = F_E,или q·v·В=q·Е, откуда

E = v·B, Dj_х = aE = a·v·B.

Учитывая (9.2), где I = j·S = j·a·h, находим

Dj_{х =} . (9.15)

Здесь R_x постоянная Холла, которая зависит только от величины заряда и концентрации носителей в проводнике:

R_x = 1/(q·n₀) (9.16)

Типичные значения концентрации носителей тока в металлах порядка 10²³, в полуметаллах 10²⁰, а в полупроводниках 10¹⁵. Как можно оценить из выражения 9.15 величина ЭДС Холла будет очень малой в чистых металлах. Зато в полупроводниках ЭДС Холла относительно велика. Поэтому использование полупроводниковых материалов существенно облегчает измерения.

Эффект Холла часто используется для определения концентрации носителей тока при изучении новых материалов. Кроме того, можно легко определять знак носителей тока и соответственно определять имеет ли данный материал электронную или дырочную проводимость.

 

 

5. Измерения

Методика проведения измерений. Установка (рис. 9.5) включает в себя следующие блоки: источник питания соленоида, кассету ФПЭ-04 с соленоидом и датчиком Холла на штоке, цифровой вольтметр В7-40. Для измерения положения датчика внутри соленоида на боковой грани штока нанесена шкала. Датчик Холла установлен на торце штока.

Рис. 9.5. Экспериментальная установка.

Ток соленоида I _с (А) измеряется по прибору на источнике питания, координата z указывающая положение датчика Холла устанавливается по шкале на штоке датчика.

При подготовке установки к работе включить источник питания и цифровой вольтметр в сеть 220 В. Шток с датчиком установить в центр соленоида. Центру соответствует нулевое деление на шкале штока.

При расчете поля соленоида по формулам 9.12 - 9.14 следует воспользоваться следующими значениями: радиус соленоида R = 2.3 см. Длина L = 16.8 см. Полное число витков N = 1700, соответственно n=N/L = 10120 м^-1, m₀ =1.257 10^-6 Гн/м.

 

 

Задание 1

Определение зависимости магнитной индукции в центре соленоида от силы тока

1. Поместить датчик Холла центр соленоида. Установить с помощью источника питания ток в соленоиде ток 0.5 А и измерить ЭДС Холла.

2. Увеличивая силу тока в соленоиде с шагом 0.5 А до максимального значения, провести 5 измерений ЭДС Холла Dj_х. Данные занести в таблицу 1.

3. По данным таблицы 1 построить график зависимости ЭДС Холла от тока в соленоиде: Dj_х = f(I_c). Исходя из того, что согласно теории (9.12) поле В пропорционально току I в соленоиде сделать вывод о зависимости ЭДС Холла от магнитного поля. Сформулированный вывод записать в тетрадь.

4. По формуле 9.12 с учетом 9.13 и 9.14 для каждого значения тока вычислить теоретическое значение поля В в центре соленоида (z = 0). Результаты занести в таблицу 1.

5. Пользуясь расчетными величинами В и экспериментальными значениями ЭДС Холла вычислить постоянную R _х. Полученные значения записать в таблицу 1 и вычислить среднее значение.

6. Предполагая, что носителями тока являются электроны q = 1.6 10^-19 Кл вычислить их концентрацию n ₀ в данном материале (9.16). Сравнить с типичным значением концентрации носителей для полупроводников.

Таблица 1

Ic, А	Djх, мВ	В, мТ	R х
0.5
	Среднее:

 

 

Задание 2

Исследование зависимости индукции магнитного поля от координаты z

(z – координата на оси соленоида отсчитываемая от центра).

1. Установите произвольную силу тока в соленоиде в диапазоне 0.5 - 1 А.

2. Перемещая щуп с датчиком вдоль оси соленоида измерить зависимость ЭДС в соленоиде с интервалом D z = 1 см. Результаты измерения занести в таблицу 2.

3. Повторить измерения при другом значении тока около максимальной величины, например 2 А.

4. Используя среднее значение постоянной Холла R _х полученное в предыдущем задании, и воспользовавшись выражением 9.15 вычислить величину поля в каждой точке z на оси соленоида.

5. Построить теоретические и экспериментальные графики зависимости магнитного поля от координаты z.

Таблица 2

Ток Ic, A	Положение датчика z, см
	ЭДС Djх
	Индукция мТл

 

Контрольные вопросы

1. Пользуясь законом Био-Савара-Лапласа, дайте вывод формулы для индукции магнитного поля на оси кругового витка с током и соленоида.

2. Эффект Холла и способ измерения магнитного поля на его основе.

3. Докажите, что индукция магнитного поля на торце полубесконечного соленоида вдвое меньше, чем в бесконечном соленоиде.

 

 

Лабораторная работа № 10

 

 

Таблица

№	x, дел	U x, B	H, А/м	у, дел	U y, B	B, Тл

 

 

Задание 2 ·

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ И ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ

1. Убедитесь, что при минимальном положении ручки «Ток» светящаяся точка находится в центре экрана осциллографа.

2. Получите на экране максимальную петлю гистерезиса. По максимальной петле гистерезиса найдите координату х_с, соответствующую коэрцитивной силе Н_с и координату у_ост, соответствующую В_ост (точки пересечения с осями С, D, см. рис. 10.3).

3. По формулам (10.16) и (10.25) определите Н_с и В_ост.

4. По полученному значению Н_с установите группу ферромагнетика (мягкий или жесткий).

 

 

Задание 3

ОЦЕНКА РАБОТЫ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ А _п ЗА ОДИН ЦИКЛ

1. Воспользуйтесь полученной в предыдущем задании максимальной петлей гистерезиса. К ранее измеренным значениям х и y в точках C, D, добавите значения координат в точках C ´, D ´, А, А ´, а также измерьте еще хотя бы по одной точке на петле гистерезиса в каждой четверти координатных осей, так чтобы по полученным 10 точкам можно было построить петлю гистерезиса. Обратите внимание, что при правильном положении петли относительно осей координаты на экране осциллографа А ´ = – А и т.д.

2. Нарисуйте петлю гистерезиса в координатах на милиметровой или клетчатой бумагеи измерьте ее площадь S_n по клеточкам.

3. По формуле (10.30) определите работу перемагничивания за один цикл.

 

Отчет о работе должен содержать: график кривой намагничевания, таблицу результатов, экспериментальные значения В_ос, Н _с, график с петлей гистерезиса, результаты расчета работы перемагничения, краткие выводы.

 

 

Контрольные вопросы

1. Что означает насыщение ферромагнетика?

2. Каковы основные свойства ферромагнетиков?

3. Как ведут себя домены при увеличении напряженности внешнего магнитного поля?

4. Как ведет себя контур с током в магнитном поле?

5. Что такое диамагнетики и парамагнетики?

 

 

Литература

1. Савельев И. В. Kypc общей физики: В 3-х т.— М.: Наука, -1988.. -Т.2, §55 - §59.

2. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высш. школа, 1983.- 463 с. §40 - §42.

 

 

Лабораторная работа № 11

 

 

Таблица 1

z, см	, В	М 21,Гн	z, см	,B	М 12,Гн

U _Д = n =

 

 

Задание 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ М ₂₁ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ НАПРЯЖЕНИИ ПИТАНИЯ

1. Поставьте катушку L ₁ в среднее положение относительно катушки L ₂.

2. Установите частоту звукового генератора (например, 10⁴ Гц).

3. Изменяя напряжение U _Д, в цепи катушки L ₁ снимите зависимость амплитуды ЭДС магнитной индукции от U _Д: = f (U _Д). Измерения провести в интервале 0 ¸ 5В через 0.5 В.

4. По формуле (11.13) рассчитайте М ₂₁. Данные измерений и вычислений занесите в табл. 2.

5. По данным табл. 2 найдите среднее значение М ₂₁.

Таблица 2

U 0, В
, В
М 21, Гн

 

R = 10⁴ Ом

 

 

Задание 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ М ₂₁ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТ ГЕНЕРАТОРА

1. Поставьте катушку L ₁ в среднее-положение относительно катушки L ₂.

2. Установите амплитуду напряжения звукового генератора по указанию преподавателя (например, 2В).

3. Изменяя частоту генератора ЗГ от 5 до 20 кГц (не менее 10 точек), снимите зависимость амплитуды ЭДС индукции от частоты подаваемого напряжения.

4. По формуле (2.33) рассчитайте М ₂₁. Данные измерений и вычислений занесите в табл. 3.

5. По данным табл. 3 найдите среднее значение M ₂₁.

6. Для одного из полученных значений M ₂₁ рассчитайте абсолютную и относительную погрешности и / M₂₁

 

Таблица 3

n, Гц
, В
М 21, Гн

U _Д = R = 10⁴ Ом

 

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон индукции и правило Ленца.

2. В чем состоит явление взаимной индукции? От чего зависит взаимная индуктивность?

3. На замкнутом железном сердечнике с магнитной проницаемостью m намотаны две катушки с числом витков N ₁ и N ₂. Вывести формулы для взаимной индуктивности, если длина сердечника l, а площадь поперечного сечения S.

Лабораторная работа № 12

 

 

Измерения

Перед началом работы ознакомьтесь с расположением приборов, входящих в состав установки для изучения затухающих колебаний. Внешний вид установки представлен на рис. 12.8. Установка состоит из осциллографа С1-65, магазина сопротивлений, магазина емкостей, магазина индуктивностей, коммутатора, источника питания.

 

Рис. 12.8. Внешний вид установки. К – выводы коммутатора, L – выводы магазина индуктивностей, R – клеммы магазина сопротивлений, С – клеммы магазина емкостей, ± - выводы источника питания.

 

 

4. Порядок выполнения работы

 

1. Соедините приборы в соответствии с принципиальной схемой (рис. 11.4). Пример монтажа установки приведен на рис. 12.9. Включите осциллограф и коммутатор в сеть.

2. Установите на магазинах значение сопротивления R = 0, емкость С = 0.1 мкф., индуктивность L = 0.1 мГн. Настройте осциллограф и получите устойчивую картинку затухающих колебаний на экране осциллографа. При необходимости, изменяя величину индуктивности и емкости, добейтесь, чтобы на экране наблюдалось несколько периодов колебаний.

 

Рис. 12.9 Вариант соединения приборов для наблюдения затухающих колебаний.

 

 

Задание 1.

Изучение затухающих колебаний и измерение критического сопротивления.

1. Зарисуй полученную картинку затухающих колебаний. Используясь осциллографом, измерьте период колебаний. По формуле (12.13) рассчитайте теоретическое значение периода Т, используя значения емкости и индуктивности, выставленные на магазинах. Данные запишите в таблицу 1.

2. Измерьте критическое значение сопротивления. Для этого увеличивайте сопротивления R до тех пор, пока на экране будут отсутствовать затухающие колебания и процесс станет апериодическим. Для известных значений L и С по формуле (12.26) рассчитайте значение R _{кр рас}. Повторите измерения Т, R _кр. и расчеты для удвоенного (утроенного) значения L или С. Примечание: измерения периода производить при R = 0, а затем при тех же значениях C и L измерить R _кр. Данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1

С, мкф	L, мГн	T экс, мс.	T рас., мс.	R кр	R кр рас

 

 

Задание 2.

Изучение затухающих колебаний при различных сопротивлениях контура.

1. Установите любое значения сопротивления конура из диапазона 10 Ом < R << R _кр. Рекомендуется такое выбрать значение, чтобы количество колебаний было больше трех. Измерьте в делениях сетки осциллографа амплитуды А ₁, А ₂ и А ₃ затухающих колебаний (рис. 12.5), отстоящих на один период и запишите результаты измерений в таблицу. По формуле l = ln(A ₁/ A ₂) рассчитайте логарифмический декремент затухания l для каждой пары значений А. Найдите среднее значение l = ½(l ₁ + l ₂) и запишите в таблицу. Используя значение Т рассчитайте коэффициент затухания b.

2. Выполните измерения и расчеты при еще двух других значениях сопротивления контура.

3. Постройте график зависимости логарифмического декремента l от R и продлите график до пересечения с осью абсцисс (рис. 12.10). Отрезок R_L равен сопротивлению катушки колебательного контура, так как полное сопротивление контура R = R + R_L,

(12.29)

4. Используя данные таб. 2, рассчитайте по формуле (5.60) индуктивность L. Сопоставьте ранее найденное опытное значение критического сопротивления (таб. 1) с расчетным, учтя на этот раз сопротивление катушки R_L R _{кр. оп} = R _кр.рас+ R_L.

 

Таблица 2

R	T	A1	A2	A3	l	b	RL	L	R кр оп

 

 

 

Рис. 12.10. Графическое построение для определения R_L.

 

 

Задание 3.

Измерение логарифмического декремента затухания с помощью фазовой кривой.

1. Установите сопротивление R = 100 Ом.

2. Выключите развертку осциллографа и наблюдайте на экране фазовую кривую. Переместите фазовую кривую так, чтобы фокус находился в центре сетки экрана.

3. Измерьте по фазовой кривой величину напряжения и тока в делениях сетки экрана, разделенные периодом колебаний, т. е. расстояния от фокуса фазовой кривой до точки пересечения витков спирали с осью напряжений или силы тока. Измерения выполните по трем виткам фазовой кривой. Результаты занесите в таб. 3.

4. Проведите измерения (п. 3) при других сопротивлениях магазина (200, 500 Ом). Для каждого значения рассчитайте логарифмический декремент затухания, результаты расчета запишите в таб. 3.

5. Установите R > R _кр. Зарисуйте фазовую кривую апериодического процесса.

Таблица 3

R	U1	U2	U3	l	I1	I2	I3	l

 

Отчет о работе должен содержать: краткое изложение теории, три таблицы с результатами измерений и расчетами, график l от R, три рисунка (затухающие колебания, фазовая кривая для затухающих колебаний и при апериодическом разряде).

 

Контрольные вопросы

1. Опишите процессы, происходящие в колебательном контуре. Перечислите основные причины затухания колебаний.

2. Какой вид имеет кривая зависимости логарифмического декремента затухания l = f (R), где R сопротивление контура?

3. В колебательном контуре за 1 секунду совершается 100 колебаний. Амплитуда за это время уменьшилась в е = 2.72 раза. Найти логарифмический декремент затухания и добротность контура.

 

Литература

3. Савельев И. В. Курс общей физики: В 3-х т.— М.: Наука, - 1988. -Т.2, Глава XIII.

4. Парсел Э. Электричество и магнетизм. М.: Наука. - 1975. - Т.2. – Глава 8, §8.1.

5. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3-х т. М.: Наука. – 1972. Т.2, §51.

 

 

 

 

Лабораторная работа №13

 

Принцип работы мультметра

Конструкция мультиметра основана на использовании возможностей специализированного микроконтроллера фирмы AVR типа ATmega8. Микроконтроллеры AVR кроме собственно 8-разрядного микрокомпьютера имеют в своем составе многоканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), таймеры и другие устройства. Компьютер использует до 130 команд. В микросхеме ATmega8 используется 10-разрядный АЦП с быстродействием 65 мкс. Причем имеется возможность реализовать одновременное измерение электрических сигналов по нескольким входам. Работа микроконтроллера осуществляется под управлением специальной программы, которая предварительна записывается в память микроконтроллера.

Блок-схема компьютерного мультиметра приведена на рис. 13.1, схематический внешний вид на рис. 13.2.

 

 

Рис. 13.1. Блок-схема компьютерного мультиметра.

1. Входной делитель вольтметра.

2. Входные шунты амперметра.

3. Входной усилитель гальванометра.

4. Встроенный звуковой генератор.

Кроме того обозначено: f – вход частотомера, ФГ- выход функционального генератора. АЦП – аналого-цифровой преобразователь, Р1… - порты ввода-вывода микроконтроллера.

 

Основные технические характеристики:

Пределы измерения напряжения: 25мВ, 250 мВ, 2,5 мВ, 250 В;

Пределы измерения тока: 0.25мА, 2.5 мА, 25 мА, 250 мА, 1 А;

Диапазон измерения температуры определяется используемой термопарой;

Погрешность: ~ 1% на всех диапазонах;

Диапазон рабочих частот НЧ генератора: 120 – 3000 Гц;

Интерфейс: RS-232 или USB;

Напряжение питания: + 5 В (стаб.), +12 В (не стаб.);

Габаритные размеры: 18.5х14.5х4 см.

Рис. 13.2. Передняя панель мультиметра.

 

На передней панели компьютерного мультиметра расположены гнезда под винтовой зажим (клеммы) слева – вход вольтметра, справа – вход амперметра. Здесь же находятся ручки переключения пределов вольтметра и амперметра. В отличие от промышленных виртуальных приборов в данном случае пределы переключаются в ручную, но установленный предел отображается на экране компьютера. Так же на экране компьютера отображается результат измерения.

Мультиметр позволяет измерять как постоянные, так и переменные токи. Переключение осуществляет тумблером на передней панели. К компьютеру мультиметр подключается через СОМ-порт.

После включения компьютера и загрузки Windows необходимо запустить программу виртуального мультиметра ASD. На верхней панели открыть список измерительных приборов и в меню выбрать нужный прибор. Здесь приняты международные стандарты. DC – обозначает постоянный ток. АС – переменный ток.

В открывшемся окошке отображается цифровой индикатор и диск с указанием включенного в данный момент предела измерений. До начала измерений и подачи питания на схему необходимо на панели мультиметра установить нужный предел измерения. В остальном, процедура измерения не отличается от работы с обычным цифровым прибором.

Компьютер предоставляет дополнительные возможности для обработки измерений. Данные измерений можно сразу записывать в виде текстового файла в Блокноте или в Word и сохранить на флешке для дальнейшей обработки. Запустив программу Excel или Origin можно непосредственно вводить данные в программу для построения графика или выполнения математической обработки результатов измерения.

В данной работе мультимер включается в режим измерения напряжений и токов. Изменяя напряжение на схеме, снимают зависимость тока в нелинейном элементе от приложенного напряжения. Полученные данные с помощью программ Excel или Origin представляют в виде графика.

С целью обучения студентов навыкам работы с паяльником часть измерительной схемы собирают в помощь пайки.

 

2. Сборка электрических схем способом пайки

 

2.1. Техника безопасности при работе с паяльником

Температура жала паяльника выше 200ºС, корпус нагрет выше 100ºС. Поэтому брать паяльник можно только за ручку, даже если вы думаете, что он холодный. Паяльник всегда должен находиться на специальной подставке. Провода от паяльника не должны находиться рядом с корпусом паяльника и тем более не должны касаться корпуса. Даже если вы думаете, что паяльник холодный. Поэтому следует на рабочем столе поддерживать порядок, а пальник на подставке расположить чуть в стороне от места монтажа.

При пайке на конце жала находится капелька расплавленного припоя. Поэтому нельзя размахивать паяльником, так как жидкий припой при резком движении может оторваться от жала и попасть на тело или одежду. Чтобы крупная капля припоя не сорвалась вам на ноги держать паяльник надо только над рабочим столом.

Не разрешается наклоняться близко к месту пайки. При неудачной пайке провода могут спружинить и отбросить капельку припоя в сторону и она может попасть в лицо.

 

2.2. Порядок работы с паяльником

Перед работой проверить подключение заземления корпуса паяльника. Жало паяльника должно быть зачищено от окалины и залужено оловом.

Включить паяльник в сеть и подождать примерно 5 минут пока паяльник нагреется. Степень готовности паяльника проверяют по его способности расплавлять припой и канифоль. Канифоль должна плавиться и только слегка дымить. Если канифоль сильно «горит» давая обильный белый дым, то паяльник перегревается. В таком случае у паяльника будет быстро окисляться жало, и он будет плохо паять. Нормально нагретый паяльник легко плавит припой.

При работе припаиваемый проводник прижимают к контакту, а другой рукой берут в руку паяльник. Жалом паяльника на секунду касаются канифоли. Затем жалом расплавляется край кусочка припоя. На жале собирается небольшая капелька расплавленного припоя. Снова на короткое время жалом касаются канифоли и плавно направляют жало паяльника к месту пайки. Прижимают жало к соединяемым проводникам и двигая паяльник по проводникам, переносят припой на соединяемые детали. Убедившись, что олово растеклось по месту пайки, отводят жало в сторону и, продолжая удерживать соединяемые проводники неподвижно две - три секунды ожидают, пока расплавленный припой затвердеет. После этого паяльник ставят на подставку.

Избегайте касания места пайки сразу после пайки – можно обжечь пальцы.

 

2.3. Техника пайки

Пайка это соединение металлических материалов путем нанесения на соединяемые детали расплавленного металла – припоя с последующем его застыванием. Температура плавления припоя находится ниже соответствующих температур плавления соединяемых металлов. Как правило, припой наносят вместе с флюсом для устранения окисной пленки, которая возникает при нагреве.

Припоем называется легкоплавкий металлический сплав, которым спаиваются провода и детали. Самый хороший припой - чистое олово. Температура плавления 270° С. При радиомонтаже обычно пользуются оловянно-свинцовыми припоями - сплав олова и свинца. Плавятся такие припои при температуре 180-200° С. Обозначаются они тремя буквами — ПОС (припой оловянно свинцовый), за которыми следует двузначная цифра, показывающая содержание олова в процентах. Например, ПОС-40, ПОС-60. Для радиомонтажных работ наиболее подходит припой ПОС-60.

Флюсы — это противоокислительные вещества. Они применяются для того, чтобы подготовленные к пайке места деталей или проводников не окислялись во время пайки. Без флюса припой может не прилипнуть к поверхности металла. В качестве флюса можно применять некоторые соединения содержащие кислоту. Для радиомонтажа надо применять флюсы, в которых нет кислоты. Одним из таких флюсов является канифоль - твердая смола природного происхождения.