Определение радиуса кривизны линзы

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

к лабораторным работам по дисциплине «Физика»

(для студентов всех специальностей вуза)

 

 

Волновая оптика

Квантовая оптика

Физика полупроводников

 

 

Утверждено на заседании

кафедры физики

Протокол №4 от 26.10.04

 

 

Краматорск 2004

УДК 535

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физика» (для студентов всех специальностей вуза). Волновая оптика. Квантовая оптика. Физика полупроводников. / Сост. Ф.М.Зайцев, В.М.Костенко, Ж.Н.Огнетова, Т.Н.Тарасенко, В.Н.Тулупенко, А.В.Тышкевич – Краматорск: ДГМА, 2004.-72 с.

 

 

Приведены краткие теоретические сведения, описания установок, порядок выполнения работ, рекомендации по обработке результатов измерений. Для самоконтроля в конце каждой работы даны контрольные вопросы.

 

Составители:

Ф.М.Зайцев, ст.преп. В.М.Костенко, доц. Ж.Н.Огнетова, доц. Т.Н.Тарасенко, ст.преп. В.Н.Тулупенко, проф. А.В.Тышкевич доц.,

 

Отв. за выпуск: А.В.Тышкевич доц.,

 

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Лабораторный практикум играет большую роль в изучении курса общей физики. Можно выделить три основных его цели:

1) Ознакомление с приборами и методами измерения различных физических величин.

2) Экспериментальное изучение физических законов и явлений.

3) Ознакомление с методами обработки результатов измерений.

Для выполнения конкретной лабораторной работы студент обязан заранее внимательно ознакомиться с содержанием методических указаний к ней; выучить надлежащий теоретический материал и проконтролировать себя с помощью контрольных вопросов. Наибольшее внимание, по крайней мере, во время подготовки к выполнению, необходимо обратить на исследовательский прием, его суть, математическую обработку и его экспериментальную реализацию, то есть на ход выполнения работы.

Студент считается подготовленным к выполнению лабораторной работы, если он:

1) имеет экземпляр протокола исследования (см. ниже);

2) знает цель работы, может раскрыть содержание понятий, которые воссоздают цель работы;

3) проявит понимание того, как можно достичь цели этой работы, то есть знает суть экспериментального исследовательского приема, принцип действия экспериментальной установки и ход выполнения работы.

После получения разрешения на выполнение работы студент выполняет ее, занося соответствующие результаты в протокол исследования, проводит соответствующие вычисления и после получения итогового результата сдает протокол исследования преподавателю.

В протокол исследования заносятся:

1) Номер и название лабораторной работы, фамилия, имя и отчество исполнителя, шифр академической группы, дата выполнения (эти данные приводятся на титульной странице протокола).

2) Цель работы.

3) Схематическое изображение экспериментальной установки или рабочие схемы.

4) Основные расчетные формулы.

5) Таблицы для результатов измерений и расчетов.

6) Формулы для вычисления погрешностей и оценки результатов.

Оставляют место для необходимых расчетов и записи окончательного результата исследования. Конечный результат записывается в стандартной форме (см. ниже). Если необходимо представить результаты измерений в виде графической зависимости, то оставляют место для графиков. Построение графиков выполняется на миллиметровой бумаге.

Отчет должен быть написан в хорошем стиле, аккуратным разборчивым почерком. При его оформлении не следует также пренебрегать и эстетической стороной вопроса. Схемы и графики чертятся карандашом под линейку, заголовки, выводы и формулы целесообразно выделять пастой другого цвета, подчеркнуть и т. п. Это облегчает чтение отчета.

Для получения зачета по текущей лабораторной работе студент должен также изложить теорию экспериментального метода и теорию изученного явления или соответствующего раздела физики (давая ответы на контрольные вопросы).

 

 

Лабораторная работа № 62

С помощью колец Ньютона

Цель работы: ознакомиться с явлением интерференции на примере колец Ньютона, опытным путем определить радиус кривизны линзы.

1.1 Краткие теоретические сведения

Распространение света в пространстве, а также часть явлений, связанных с взаимодействием света и вещества, объясняются волновой теорией. В соответствии с ней свет есть электромагнитные волны, и отличается от других электромагнитных волн только длиной. В световой волне происходят колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей. Эти вектора перпендикулярны друг другу, и оба они перпендикулярны направлению распространения света. Как правило, рассматриваются колебания только напряженности электрического поля, ее называют световым вектором. Напряженность магнитного поля отбрасывается, поскольку магнитное поле практически не взаимодействует с веществом.

Явление интерференции света возникает при наложении двух или большего числа световых волн и заключается в том, что интенсивность результирующей волны не равняется сумме интенсивностей волн, которые накладываются. В одних точках пространства интенсивность оказывается большей, чем сумма, в других – меньшей, т.е. возникает система максимумов и минимумов интенсивности, которая называется интерференционной картиной. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность. Необходимо также, чтобы колебания светового вектора происходили в одном направлении, или в близких направлениях.

Когерентными называются волны, которые в каждой точке пространства создают колебания с постоянной разностью фаз. Пусть колебания светового вектора первой волны описываются формулой E₁=A₁cos(wt+j₁), а второй волны - E₂=A₂cos(wt+j₂). В соответствии с принципом суперпозиции для электрического поля световой вектор результирующей волны по величине будет равен сумме Е₁ и Е₂, он будет колебаться по гармоническому закону, квадрат амплитуды его колебаний

(1.1)

Интенсивность световой волны пропорциональна среднему квадрату амплитуды колебаний светового вектора. Для когерентных волн все величины в правой части формулы (1.1) постоянны, тогда интенсивность результирующей волны

. (1.2)

В зависимости от разности фаз колебаний третье слагаемое формулы (1.2) может принимать значения от (при j₂-j₁=(2k+1)p, k=0, 1, 2, …) до (при j₂-j₁=2kp, k=0, 1, 2, …). В первом случае наблюдается минимум интенсивности результирующей волны, во втором – максимум.

Начальные фазы колебаний j₁ и j₂ в каждой точке определяются расстояниями, которые проходят волны l₁ и l₂, т.е. расстояниями от этой точки до источников когерентных световых волн.

; ;

где λ – длина волны. Тогда разность фаз колебаний

.

Тут - разность хода волн, которые накладываются в данной точке. Эта величина полностью определяет результат интерференции, то есть возникновение в точке максимума или минимума интенсивности света. Условие возникновения максимума

, (1.3)

условие возникновения минимума

. (1.4)

Наблюдение показывает, что при наложении света от двух независимых источников интерференция не происходит, интенсивность света во всех точках равняется сумме интенсивностей. Причина этого заключается в том, что свет от любого источника, кроме лазера, состоит из цугов волн, которые независимо излучаются отдельными атомами. Время излучения одного атома имеет порядок величины 10^-8 с. В результате этого в световой волне происходят через краткие промежутки времени случайные изменения начальной фазы колебаний светового вектора, изменяется также случайным образом направление колебаний. Время, в течение которого начальная фаза колебаний остается неизменной, называется временем когерентности и обозначается τ_ког. Очевидно, что τ_ког<<10^-8 с. Лишь в течение этого времени сохраняется неизменной интерференционная картина при наложении света от двух независимых источников, наблюдать ее невозможно.

В лазерах излучение отдельных атомов вынужденное, по своим свойствам оно приближается к монохроматической волне. Но полная монохроматичность не достигается, частоты излучения принимают различные значения внутри интервала Dw. Различия в частотах приводят к появлению разности фаз, которая увеличивается со временем. Такие волны могут оставаться когерентными только на протяжении времени когерентности τ_ког=2p/Dw. Для лазеров эта величина не превышает 10^-5 с, наблюдение интерференции при наложении излучения двух лазеров также невозможно.

Две когерентные световые волны для наблюдения интерференции можно получить раздели каким-либо образом одну световую волну. Если две части одной световой волны снова наложить друг на друга, возникает интерференционная картина. При этом разность хода волн от точки разделения до точки наложения не должна превышать расстояние, которое проходит свет за время когерентности l _ког= с τ_ког. Величина l _ког называется длиной когерентности. За время τ_ког излучение перестает быть когерентным самому себе, а значит части излучения одного источника, разделенные расстоянием большим, чем l _ког, не когерентны.

Существует много способов разделения излучения одного источника света на две части. В опыте Юнга используется прохождение света через два малых отверстия в непрозрачном экране. Зеркала Френеля – два плоских зеркала, расположенных под углом, немногим меньшим, чем 180°. Они отражают свет от одного источника на экран, создавая в каждой точке экрана наложение двух когерентных волн. Эта же цель достигается с помощью бипризмы Френеля, две когерентные волны возникают вследствие преломления света двойной призмой. При наблюдении интерференции всегда стремятся уменьшить интервал частот Dw, в котором находятся частоты интерферирующих волн. Для этого свет пропускают через светофильтр.

Простейшим опытом, при котором наблюдается интерференция, является отражение света от тонкой пленки (см. рисунок 1.1). Свет, который прошел через светофильтр, направляется на верхнюю поверхность пленки, угол падения его α. Этот свет частично отражается от поверхности пленки, частично преломляется и проходит внутрь вещества. Угол преломления его β, n – показатель преломления вещества пленки. Преломленный свет вновь частично отражается от нижней поверхности пленки и выходит через верхнюю поверхность, накладываясь на свет, отраженный от верхней поверхности. Таким образом, происходит разделение одной волны на две с дальнейшим наложением их. Оптическая разность хода двух волн

(1.5)

Оптическая разность хода получается из геометрической разности путем умножения последней на показатель преломления n. Необходимость этого связана с отличием длины световой волны в веществе λ от длины волны в воздухе λ₀. Длина волны равняется произведению периода колебаний и скорости распространения волны, отсюда λ₀/λ=(c T)/(v T)= c / v = n, то есть λ в n раз больше, чем λ₀. Разность хода волн сравнивается с длиной волны, этих длин на путь в середине пленки приходится в n раз больше. Вычитание λ₀/2 обусловлено изменением фазы колебаний в световой волне при отражении от границы более плотной среды. В точке отражения фаза колебаний отраженной волны отличается от фазы падающей волны на p, что соответствует дополнительному изменению оптической разности хода на λ₀/2. Данное явление носит название «потеря полуволны». При отражении волны от границы менее плотной среды, то есть на нижней поверхности пленки такое изменение фазы колебаний не происходит.

При неизменной толщине пленки разность хода интерферирующих волн может отличаться для различных мест пленки из-за отличия углов падения α. Точки, для которых угол α принимает близкие значения соответствующие условиям возникновения максимума (1.3) и минимума (1.4) образуют полосы. Визуально они наблюдаются как темные и светлые полосы на поверхности пленки, называется такая интерференционная картина полосами равного наклона. При падении на тонкую пленку плоской волны угол падения во всех точках одинаковый, интерференция в этом случае приводит к зависимости интенсивности отраженной волны от толщины пленки h. Если толщина пленки в разных местах не одинакова, точки, для которых выполняются условия возникновения максимума (1.3) и минимума (1.4) образуют линии. Вдоль этих линий наблюдаются темные и светлые полосы, которые называются полосами равной толщины.

1.2 Описание установки и метода исследования

1.2 Описание установки

 

Кольца Ньютона являются разновидностью полос равной толщины. Они возникают при отражении света от нижней выпуклой поверхности линзы и от плоской стеклянной поверхности, которой эта линза касается (см. рисунок 1.2). В этом случае роль тонкой пленки играет воздушная прослойка между поверхностями линзы и пластинки с плоской поверхностью. Свет на линзу направляется сверху, он проходит через светофильтр и по своим свойствам приближается к плоской монохроматической волне, которая распространяется вдоль оптической оси системы. Поскольку кольца наблюдаются при очень малых толщинах воздушной прослойки h_k и радиусы их r_k очень малы по сравнению с радиусом кривизны линзы R, угол падения на нижнюю поверхность линзы можно считать приблизительно равным нулю. Тогда разность хода волн, отраженных от нижней поверхности линзы и верхней поверхности пластины

(1.6)

поскольку для воздуха n =1. Условия максимума (1.3) и минимума (1.4) будут выполняться при определенных значениях h для всех точек окружностей с соответствующими радиусами r. Интерференционная картина будет иметь вид концентрических темных и светлых колец. В центре, в месте касания линзы и пластины будет наблюдаться темное пятно.

Обозначим h_k толщину воздушного зазора, при которой выполняется условие возникновения k-го интерференционного минимума. Тогда r_k будет равняться радиусу k-го темного кольца, в соответствии с теоремой Пифагора

Поскольку величина h_k очень мала, можем пренебречь членом в правой части. Из сравнения формул (1.4) и (1.6) следует, что Тогда имеем для радиуса k-го темного кольца

(1.7)

Наблюдение колец Ньютона и измерение их радиусов выполняется с помощью микроскопа (рисунок 1.3). Система из линзы и пластины устанавливается на столике С как препарат П, столик с помощью двух винтов может двигаться в любом горизонтальном направлении. Между тубусом Т и объективом Об микроскопа устанавливается полупрозрачное зеркало под углом 45° к оплической оси, на него направляется свет от осветителя S. Отраженный от зеркала свет распространяется вдоль оптической оси вниз, через объектив он достигает линзы и пластинки. Отраженный системой линза-пластинка свет возвращается вдоль оптической оси, проходя через объектив, полупрозрачное зеркало и окуляр Ок. Этот свет состоит из двух когерентных волн, которые интерферируют с образованием колец Ньютона. Полупрозрачное зеркало одновременно выполняет роль красного светофильтра, пропуская только свет с длиной волны λ=6,5· 10^-7 м.

Для измерения диаметров колец Ньютона в окуляр микроскопа помещена шкала, изображение которой накладывается на изображения колец. Цена деления этой шкалы а ₀=0,02 мм =2· 10^-5 м. Чтобы определить радиус кривизны линзы R, мы измеряем диаметры k-го и m-го колец Ньютона. В соответствии с формулой (1.7) эти диаметры связаны с радиусом кривизны соотношениями

Const появляется в формуле вследствие того, что линза может и не касаться поверхности пластинки из-за наличия в точке касания грязи. Это изменяет разность хода отраженных волн для всех точек на одну величину (сonst). Тогда

(1.8)

1.3 Порядок выполнения работы и

обработка результатов измерений

1. Включить осветитель, проверить, находятся ли кольца Ньютона в поле зрения микроскопа. При необходимости отрегулировать качество изображения с помощью винта вертикального перемещения тубуса и переместить кольца Ньютона в центр поля зрения с помощью винтов перемещения столика. Шкала должна пройти через центр системы колец.

2. Измерить по три раза диаметры четырех первых колец Ньютона (k=1, 2, 3, 4). Измерения проводить для различных напрвлений диаметра, поворачивая шкалу вместе с окуляром. Результаты измерений записать в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

N	d1, 10^-5м	d2, 10^-5м	d3, 10^-5м	d4, 10^-5м
Среднее

3. Вычислить и записать в таблицу 1.1 средние значения диаметров колец Ньютона.

4. Вписать в таблицу 1.2 средние диаметры колец Ньютона с номерами k и m, указанными в таблице.

5. По формуле (1.8) вычислить и записать в таблицу 1.2 пять значений радиуса кривизны линзы R.

Таблица 1.2

N	k	dk, 10^-5 м	m	dk, 10^-5 м	R, м	DR, м
Сред.

6. Вычислить и вписать в таблицу 1.2 среднее значение радиуса кривизны линзы R, абсолютные погрешности отдельных измерений R и среднюю абсолютную погрешность DR.

7. Вычислить относительную погрешность измерения R, записать окончательный результат в стандартной форме.

2.4 Контрольные вопросы

1. Что такое интерференция света? При каких условиях она наблюдается?

2. Какие волны называются когерентными? Как получают когерентные световые волны?

3. Что такое время когерентности? Почему не наблюдается интерференция при наложении света от двух реальных источников?

4. Как связано время когерентности с немонохроматичностью света? Что делают для увеличения времени и длины когерентности?

5. При каких условиях Интерференция приводит к максимуму и минимуму интенсивности света?

6. Что такое оптическая разность хода световых волн? Чем она отличается от геометрической разности хода?

7. Чему равна разность хода при отражении света от поверхностей тонкой пленки? Что такое потеря полуволны при отражении?

8. Что такое полосы равной толщины и равного наклона?

9. Что такое кольца Ньютона? Как они возникают?

10. Как проходит свет через микроскоп при наблюдении колец Ньютона?

Лабораторная работа № 63

 

Лабораторная работа № 64

 

Лабораторная работа № 71

 

Лабораторная работа № 74

Лабораторная работа № 83

Таблица 7.1

Uпр, В		0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Iпр, А

 

 

3 Собрать установку по схеме рис. 7.6, б. Поставить регулятор напряжения на нулевое значение напряжения.

4 Изменяя напряжение U_обр от 0 до I20…180 В через каждые 20 В,измерять силу тока I_обр. Результаты заносить в табл. 7.2. По окончании измерений поставить регулятор напряжения в нулевое положение и отключить напряжение.

Таблица 7.2

Uобр, В	0	20	40	60	80	100	120	140	160	180
Iобр, мкА

7.4 Обработка результатов измерений

 

1 Построить вольтамперные характеристики диода при прямом и обратном включении на одном графике. Масштабы для нанесения значений прямого и обратного токов выбирать независимо друг от друга с условием заполнения поля графика, выполняемого в половину или в полную страницу. Графики проводятся плавными лекальными кривыми.

2 По графику прямого тока для напряжения, соответствующего практически прямолинейному участку (например, 0,6 В), определить силу тока I_пр.

3 Для вычисления коэффициента выпрямления необходимо определить силу обратного тока I_обр при таком же, как и для прямого тока, напряжении. Однако масштабы величин различные. Рекомендуется провести касательную к графику, как это показано на рис. 7.4, и определить обратный ток для напряжения порядка 60 В, а затем, соответственно, уменьшить ток в 100 раз.

Лабораторная работа № 84

Изучение работы транзистора

 

Цель работы: познакомиться с устройством и принципом работы транзистора, определить коэффициент усиления транзистора. Определить обратный ток коллектора.

 

8.1 Краткие теоретические сведения

 

Транзисторами (полупроводниковыми триодами) называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления и генерирования колебаний параметров электрического тока. Они представляют собой полупроводниковый кристалл с тремя областями различной примесной проводимости, образующими два встречных р-п -перехода, взаимодействующими между собой через конструктивно тонкий промежуток, называемый базой. Соответственно в зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-p -типа (рис.8.1, а) и n-р-n- типа (рис.8.1, б). Один из р-п -переходов называется эмиттерным переходом или просто эмиттером (Э на рис. 8.1), а второй – коллекторным или коллектором (К на рис. 8.1). К каждой из областей припаяны металлические электроды для включения прибора в электрическую цепь.

Внизу на рис. 8.1 под каждым из рисунков представлены символические обозначения соответствующих транзисторов в электрических схемах.

Принцип усилительного действия транзистора состоит в следующем. Усиливаемый сигнал U_вх (рис. 8.2) подается в эмиттерный переход, где источник внешнего напряжения Б_Э включен в пропускном (прямом) направлении и малые изменения напряжения ведут к значительным изменениям тока эмиттера. В коллекторный переход источник тока Б_К включается в запорном (обратном) направлении и в идеальном случае ток в цепи коллектора должен отсутствовать без наличия тока эмиттера. Однако благодаря тому, что база тонкая, ее размеры не превышают в обычных транзисторах 0,025 мм, что во много раз меньше диффузионной длины носителей тока, основные носители тока, поступающие в базу, не успевают рекомбинировать и создать, таким образом, эмиттерный ток, а захватываются электрическим полем коллекторного р‑п‑ перехода. Электрическое поле этого перехода всегда направлено так, что оно способствует захвату носителей тока, поступающих в базу (см. рис. 8.2). В коллекторной цепи ставится источник тока Б_К, за счет энергии которого осуществляется усиление сигнала.

Поступившие в коллектор основные носители (порядка 98…99%) захватываются этим источником тока и создают ток через большое нагрузочное сопротивление R_н, что ведет к усилению входного сигнала по напряжению (см. рис. 8.2).

Описанная выше картина процессов в транзисторе является схематичной. Примесная проводимость полупроводников существует на фоне основной проводимости базового кристалла, то есть германия или кремния, которая, являясь проводимостью смешанного типа, поставляет наряду с основными носителями тока и неосновные. Внутренние электрические поля р‑п- переходов, препятствуя движению основных носителей данного примесного полупроводника, способствуют движению неосновных носителей в зоны противоположной примесной проводимости – через р‑п- переходы идет обратный ток. Обратный ток, будучи в миллионы раз меньше прямого, создает все-таки сложности в работе приборов. В частности, из-за высокого сопротивления р‑п- перехода обратному току происходит избыточное нагревание кристалла и увеличение его собственной проводимости.

При достаточно высокой температуре, когда примесные центры истощаются (см. п. 4.1), прямой и обратный токи практически выравниваются, а р-п -переходы исчезают, прибор выходит из строя. Для соблюдения температурного режима работы транзисторов их необходимо устанавливать на теплоотводящую пластинку, которая является частью теплового радиатора прибора. Это приводит к лишним потерям энергии и увеличивает габариты прибора, а значит, и всего устройства, где транзисторы используются. Серьезным недостатком полупроводниковых триодов является то, что их нормальная работа возможна только в сравнительно узком температурном интервале. Для германия температура перехода к собственной проводимости - порядка 100°С. При этой температуре резко увеличивается собственная проводимость, и управление потоками носителей тока становится невозможным. По этой причине верхний предел германиевых транзисторов поддерживается не выше 55…75°С.

При низких температурах энергии теплового движения оказывается недостаточно для ионизации необходимого количества примесей, перевода их в зону проводимости. Это приводит к сильному увеличению сопротивления прибора и к нарушению режима его работы. Для обычных полупроводниковых триодов нижний предел рабочих температур достигает ‑55°С. Тем не менее транзисторы имеют ряд преимуществ перед, например, ламповыми триодами, использовавшимися до транзисторов: они малогабаритны, безинерционны, потребляют мало энергии, устойчивы к механическим нагрузкам, что определило их широкое применение в радио-, теле- и электротехнике.

Усиление по напряжению и мощности, создаваемое транзисторами, определяется их собственными свойствами, но зависит также от параметров схем включения в электронных схемах.

В зависимости от того, какой из электродов будет общим для входного и выходного сигналов, различают три основные схемы включения транзисторов.

а) Схема с общей базой. В схеме с общей базой (рис. 8.3) входной сигнал действует между эмиттером и базой. Входным является ток эмиттера, а выходным - ток коллектора. Так как ток эмиттера больше тока коллектора, то усиления по току не происходит. Коэффициент усиления по току

(8.1)

Эта схема усиливает только по напряжению и мощности и имеет малое входное и большое выходное R_н сопротивления.

б) Схема с общим эмиттером. В схеме с общим эмиттером входной сигнал действует между базой и эмиттером (рис. 8.4), а нагрузка включается между коллектором и эмиттером. Входным является ток базы, а выходным - ток коллектора. Эта схема усиливает и по току и по напряжению. Ее входное и выходное сопротивления велики.

Коэффициент усиления по току β этой схемы определяют по семейству статических вольтамперных характеристик, то есть по зависимости тока коллектора I_К от напряжения между эмиттером и коллектором U_КЭ при различных фиксированных значениях тока базы (рис. 8.5):

(8.2)

Коэффициенты усиления α и β связаны между собой соотношениями:

(8.3)

которые позволяют по значению одного из коэффициентов вычислить другой.

в) Схема с общим коллектором. В схеме с общим коллектором (рис. 8.6) входной сигнал поступает на управляющий переход эмиттер - база, проходя через нагрузку R_н , а сама нагрузка включается между эмиттером и коллектором и выходное сопротивление составляет лишь часть входного. Это приводит к тому, что коэффициент усиления схемы по напряжению всегда меньше единицы. Коэффициент усиления схемы по току равен:

(8.4)

Эта схема используется для согласования каскадов, обладающих большим выходным сопротивлением и малым входным.

 

Незатухающие электромагнитные колебания создаются генераторами электромагнитных колебаний, представляющие собой автоколебательные системы.

На рис. 8.7, а представлена принципиальная схема генератора электромагнитных незатухающих колебаний. В колебательном контуре L₁R₁C возникают затухающие свободные колебания, частота которых определяется параметрами контура. Энергия контура восстанавливается от источника тока Б через устройство обратной связи, являющее собой, например, транзистор, открытие которого регулируется ЭДС индукции, наводящейся в катушке связи L₂. Источник тока Б_с и сопротивление смещения R регулируют величину порции энергии, необходимой для компенсации потерь в контуре (см. рис. 8.7 б). Если вместо сопротивления R использовать микрофон или другое устройство, то электромагнитные колебания будут модулированы по интенсивности, например, звука (рис. 8.7).

 

 

8.2 Экспериментальная установка и метод

 

Исследуется транзистор П201, включенный по схеме с общим эмиттером (см. п. 8.1, б). Это германиевый транзистор р-п-р -типа. Транзистор установлен на теплоотводящем радиаторе, как это предусмотрено инструкцией его эксплуатации.

Для исследования работы транзистора выполняются два упражнения. В первом упражнении строятся его статические вольтамперные характеристики (см. рис. 8.5). По характеристикам, с использованием формул типа (8.2), определяется коэффициент усиления по току b и по формуле (8.3) рассчитывается коэффициент передачи тока a. Для построения характеристик используется экспериментальная установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 8.8. Транзистор Тр питается от источника тока Ис. Напряжение в цепи «коллектор-эмиттер» регулируется реостатом, включенным по схеме потенциометра П. Измеряется напряжение вольтметром V. Коллекторный ток измеряется миллиамперметром mA_к. Ток в цепи «эмиттер-база» (ток базы) регулируется магазином сопротивлений М, имеющим три декадника с кратностями, соответственно, ´10 000 Ом, ´1 000 Ом и ´100 Ом. Измеряется ток базы базовым миллиамперметром mA_б.

 

Второе упражнение посвящено измерению обратного тока коллектора, для чего используется установка, схема которой приведена на рис. 8.9.

Эмиттер отсоединен. На базу подается положительный потенциал. Напряжение в цепи «база-коллектор» регулируется потенциометром П и измеряется вольтметром V. Ток в цепи измеряется микроамперметром mA. Обратите внимание, что полярность его подключения обратная той, что была в схеме упражнения 1 (рис. 8.8).

 

8.3 Упражнения

 

8.3.1 Упражнение 1. Исследование работы транзистора

 

Порядок выполнения работы

 

1 Собрать экспериментальную установку по схеме рис. 8.7.

2 На магазине сопротивлений поставить максимальное сопротивление. Рукоятки всех декадников должны быть в положении «9». Потенциометр установить в нулевое положение. Дать проверить схему преподавателю.

3 Изменяя положение ручек декадников магазина сопротивлений, добиться тока базы 1,0 мА. Если исследуется другой тип транзистора, преподаватель укажет другие параметры измерений.

4 Включить установку в сеть и, увеличивая с помощью потенциометра напряжение через 1 В, измерять силу коллекторного тока. Результаты заносить в табл. 8.1. После окончания замеров потенциометр вывести на ноль.

Таблица 8.1

U, В
IБ1=1,0 мА	IК, мА
IБ2=1,5 мА
IБ3=2,0 мА

5 Повторить пп. 3, 4 и выполнить измерения для тока базы I_Б1=1,5 мА и I_Б1=2,0 мА.

 

Обработка результатов измерений

 

1 По данным табл. 8.1 построить вольтамперные характеристики транзистора (см. рис. 8.5). Графики провести как плавные лекальные кривые.

2 Провести ординату для U_К = 5 В и определить значения коллекторных токов соответствующих каждому из графиков как точек пересечения ординаты с графиками (см. рис. 8.5). Результаты занести в табл. 8.2.

Таблица 8.2

№ п/п	IБ, мА	(DIБ)kl, мА	IК, мА	(DIК)kl, мА	bkl	Dbkl
	1,0	0,5
	1,5	0,5
	2,0	1,0
Средние значения

3 Рассчитать значения (DI_Б)_kl и (DI_К)_kl, где индексы принимают значения: k = 2, 3, 3; l = 1, 2, 1. Результаты занести в табл. 8.2.

4 Рассчитать значения b_kl, используя формулу

Результаты занести в табл. 8.2.

5 Определить среднее значение коэффициента b как среднее арифметическое:

где индекс суммирования N соответствует номеру порядка измерения.

6 Рассчитать абсолютные погрешности Db_kl измерения b и определить их среднее значение:

7 Определить относительную погрешность измерения:

8 Рассчитать коэффициент a по формуле (8.3), используя среднее значение < b>.

9 Рассчитать погрешности определения коэффициента a:

относительную

и абсолютную

10 Записать результаты измерений коэффициентов a и b в стандартной форме.

 

8.3.2 Упражнение 2. Определение обратного тока коллектора

 

1 Собрать электрическую схему в соответствии с рис. 8.8.

2 После проверки схемы преподавателем или лаборантом установить с помощью потенциометра напряжение U_K = 5 B, а затем U_K = 10 B и изме