Лабораторна робота № 2-6 2 страница

де — стала термопари , яка дорівнює е.р.с., що виникає при різниці температур спаїв в 1°С. Таким чином, з формули (2) видно, що е.р.с. термопари пропорційна різниці температур її спаїв.

Експеримент показує, що стала термопари С у різних пар металів і даної пари металів для різних температурних інтервалів має різне значення. Отже, треба визначити диференціальні значення сталої термопари для окремих температурних інтервалів:

(3)

Термопарою називають пристрій з двох різнорідних провідників, з’єднаних між собою надійним контактом (зварені або спаяні) (рис.1).

Явище виникнення е.р.с. в термопарі (2), спаї якої знаходяться при різних температурах, називається ефектом Зеєбека.

При включенні в термопарне коло джерела сторонньої е.р.с. і виникненні при цьому у колі струму, спаї термопари будуть охолоджуватись або нагріватись. Це явище носить назву явища Пельтьє. При цьому теплова енергія або поглинається, або виділяється.

± DQ = П I t, (4)

де П –коефіцієнт Пельтьє;

t– час;

I – величина струму.

Термопари широко застосовуються для вимірювання і контролю за сталістю температури — це так звані термоелектричні термометри, які складаються з термопари і приладу, що вимірює термо-е.р.с..

Явище Пельтьє реалізується в численних пристроях і термостатах, в яких охолодження або стабілізація температури може здійснюватись аж до -130°С.

Перевагою всіх термоелектричних пристроїв, як металевих так і напівпровідникових є їх простота, висока надійність, повна автономність, безшумність, мініатюризація і т.п. Недоліком таких пристроїв є низький к.к.д., який не перевищує 10-12%.

Для збільшення величини термо-е.р.с. термоелементи збирають в батареї (рис.2)

Парні спаї такої термобатареї підтримують при одній температурі, а непарні — при іншій.

Залежно від інтервалу робочих температур на практиці застосовують такі типи термопар:

1. До 1900 К — група ПП, платина- платинородій, С= 6,4×10^-3 мВ/К.

2. До 1300 К— група ХА, хромель- алюмель, С= 4, 2×10^-2 мВ/К.

3. До 900 К— група ХК, хромель-копель, С= 6,95×10^-2 мВ/К.

4. До 600 К— група МК, мідь-копель, С= 4,75×10^-2 мВ/К.

5. До 500 К— група МК, мідь-константан, С=4×10^-2мВ/К.

У даній лабораторній роботі визначається термоелектрична стала С хромель-алюмелевої термопари. Лабораторна установка складається згідно рис.3.

На рис.3: А— термостат — посудина, заповнена рідиною при кімнатній температурі; В — нагрівальна пічка; D — потенціометр постійного струму ПП63; К-термометри; М-термопара.

Порядок виконання роботи

1. Перед початком виконання лабораторної роботи лаборант приводить потенціометр ПП-63 до робочого стану. При цьому виставляється робочий струм і така напруга, що при однаковій температурі спаїв гальванометр, в колі потенціометра, повинен знаходитись на відмітці “нуль”.

2. Включити електричну пічку і через кожні 5°С виміряти величину термо-е.р.с. в мВ. Вимірювання продовжувати до 80-90°С.

3. Результати вимірювань термо- е.р.с. і температури занести в таблицю.

4. На міліметровому папері побудувати графік залежності e=f (T).

5. Користуючись одержаним графіком, визначити коефіцієнт термо-е.р.с. С, який у цьому випадку чисельно буде рівний тангенсу кута нахилу одержаної прямої до вісі температур.

6. Оцінити похибки вимірювань.

Контрольні запитання

1. У чому полягає суть термоелектричних явищ? Яка їх природа?

2. Охарактеризуйте області застосування термопар?

Лабораторна робота №2-11

Вивчення явища термоелектронної емісії

л. 2. §§10.3,10.4

Мета роботи: вивчити явище термоелектронної емісії і його використання в електронних лампах.

Прилади та матеріали: змонтований макет лабораторної установки.

Теоретичні відомості

У сучасній техніці широко використовуються електровакуумні прилади —радіолампи, електронно-променеві трубки, фотоелектронні помножувачі, вакуумні фотоелементи тощо. Дія цих приладів заснована на проходженні струму у вакуумі. При цьому мова йдеться про технічний вакуум (розрідження становить 10^-6 -10^-7 Па).

Розглянемо процеси, які відбуваються в електронній лампі при постійному струмі розжарення катода.

У відсутності анодної напруги навколо розжареного катода утворюється так звана електронна хмара, яка являє собою просторовий негативний заряд. У стані термодинамічної рівноваги число електронів, які вилетіли з катода, дорівнює числу електронів, що повернулись в метал. При цьому густина електронної хмари тим більша, чим вища температура катода.

Між катодом і анодом створюється електричне поле, під дією якого і відбувається напрямлений рух електронів, тобто електричний струм у вакуумі. Залежність струму через діод від прикладеної напруги має досить складний характер. При деякому значенні U_a=U_н всі електрони досягають анода, а струм стає таким, що дорівнює струмові насичення, і дальше його зростання припиняється (рис.1).

Така залежність струму від напруги називається анодною (вольт-амперною) характеристикою діода. При невеликих значеннях напруги струм зростає пропорційно U_a^3/2. Цю залежність встановили С.Богуслав-ський та І.Ленгмюр, і називається вона законом трьох других. Формула Богуславського-Ленгмюра має вигляд:

(1)

де k – коефіцієнт пропорційності, який залежить від форми і розмірів електродів лампи.

Формула (1) справедлива при досить великих емісіях катода. Тому, для досягнення якомога більшої термоелектронної емісії, матеріал повинен мати найменшу роботу виходу.

Емісійну здатність матеріалу катода визначає густина термо­електрон-ного струму насичення, що характеризує максимальну кількість електронів, які можуть покинути метал з одиниці поверхні за одиницю часу.

Для визначення густини термоелектронного струму насичення користуються моделлю, згідно з якою сукупність вільних електронів в металі вважають як ідеальний електронний газ, до якого застосовна квантова статистика Фермі-Дірака. Розрахунки, виконані на основі квантової статистики, приводять до такої формули:

(2)

рис. 1

де ej — робота виходу;

A — стала, яка не залежить від роду матеріалу (теоретичне значення її 1,2×10⁶ А/м К ) .

Вперше аналітичну залежність струму насичення від роботи виходу встановив О.Річардсон на основі термодинамічних міркувань. Пізніше Дешман вивів цю формулу на основі квантово-механічних міркувань. Тому формула (2) дістала назву формули Річардсона-Дешмана. Ця формула досить добре узгоджується з експериментом. Як видно з (2) густина термоелектронного струму насичення досить швидко зростає з підвищенням температури катода і визначається також значенням роботи виходу. Тому, щоб дістати великий струм насичення, а також для збільшення строку роботи лампи потрібно знижувати робочу температуру катода. Це досягається застосуванням так званих складних катодів: барієвих, цезієвих, оксидних та інших, зяких найефективнішим є оксидний. Оксидний катод складається із нікелевого або вольфрамового провідника, на який нанесено суміш оксидів барію і стронцію. Це дає змогу, згідно з формулою (2), одержати великі густини струму при порівняно невисоких температурах (1000-1170 К). Оксидні катоди знайшли широке застосування в електровакуумних приладах.

Технічне значення електронних ламп визначається тим, що електронним струмом в лампі можна легко керувати. Для цього в електронні лампи вводять ще один або кілька додаткових металевих електродів; їх часто виготовляють у вигляді проволочних спіралей і розміщують між катодом і анодом. Ці додаткові електроди одержали назву сіток. На рис.2 показано схематичне зображення тріода.

Оскільки сітка розміщена ближче до катода і певною мірою “екранує” вплив анода на катод, то незначна зміна потенціалу на ній досить сильно впливає на величину анодного струму.

Отже, якщо на сітку подати навіть невеликий позитивний потенціал, електрони прискорюються і, навпаки, навіть незначний негативний потенціал гальмуватиме електрони.

Рис.2

Графіки, які визначають залежність анодного струму I_a від анодної напруги

Рис. 3

на сітці U_c при сталій анодній напрузі (U_а = const), називаються сітковими характеристиками лампи (рис. 3).

Для різних анодних напруг запірний потенціал U_з різний (рис. 3). Для більших анодних напруг запірний потенціал більший. Тому для різних значень напруг можна дістати так зване сімейство сіткових характеристик, з яких визначають основні параметри тріода; крутизну сіткової характеристики S, внутрішній опір R і коефіцієнт підсилення m.

Для визначення параметрів лампи методом трьох точок треба на прямолінійній ділянці двох сіткових характеристик побудувати характеристичний трикутник АВС (рис. 3). Сторона АВ визначає зміну напруги на сітці лампи DU_c , ВС — зміну анодного струму I_a. Визначивши величину DU_а = U_а2- U_а1, можна обчислити параметри лампи.

Крутизна сіткової характеристики є показником ступеня підсилення лампи і визначається як тангенс кута нахилу характеристики

(3)

Внутрішній опір - відношення приросту анодної напруги до викликаного нею приросту анодного струму (при сталій напрузі на сітці лампи).

(4)

Коефіцієнт підсилення m дорівнює відношенню зміни анодної напруги DU_а до зміни напруги на керуючій сітці DU_c , які спричиняють ту саму зміну анодного струму?

(5)

Величина, обернена до коефіцієнта підсилення, називається проникністю лампи D:

(6)

Розглянуті характеристики належать до так званого статичного режиму роботи лампи, тобто такого, коли в анодному колі немає анодного навантаження. При наявності анодного навантаження параметри лампи і режими її роботи називають динамічними.

На рис. 4 наведено схему для визначення основних параметрів тріода і зняття анодних та сіткових характеристик. K₁, K₂ – подільники напруги; П – перемикач, яким можна змінювати знак потенціалу на сітці лампи.

Рис. 4.

Порядок виконання роботи

1. Скласти коло за схемою на рис. 4, дотримуючись полярності подільників напруги K₁, і K₂.

2. Зняти вольт амперну характеристику I_a = f(U_a) при U_c = 0 та сіткові характеристики I_a = f(U_c) при двох значеннях анодної напруги: U_a = 40 В і U_a = 60 В. При зніманні сіткових характеристик слід підтримувати постійними значення анодної напруги.

3. Подільником напруги K₁ добитися відсутності анодного струму. Записати покази вольтметра U_с. Потім, збільшуючи напругу на сітці через 0,5-1 В, записати покази міліамперметра в анодному колі. Дані занести до таблиці.

4. Подати на керуючу сітку невеликий позитивний потенціал (наприклад 2 або 3В). Змінюючи анодну напругу через 5-10В, фіксувати покази міліамперметра в анодному колі. Дані занести до таблиці. Стежити, щоб анодний струм досяг максимуму.

5. Побудувати графіки I_a = f(U_а) та I_a = f(U_c) .

6. З графіків сіткових характеристик визначити за формулами (3), (4), (5), (6) параметри лампи.

Контрольні питання

1. Яка будова і принцип дії вакуумного діода та тріода?

2. Які основні параметри тріода?

3. У чому суть явища термоелектронної емісії?

4. Від чого залежить термоелектронний струм насичення?

5. Як формулюється закон трьох других? Поясніть його.

Розділ третій.

Електромагнетизм

До кожної лабораторної роботи подано посилання на слідуючі підручники:

1. Савельев И.В.. Курс общей физики. Т. 2. М: Наука: 1978.

2. Яворский Б.М.. Курс физики. Т.2. М: Наука: 1978.

Лабораторна робота № 3-1

Визначення індукції магнетного поля за допомогою

балістичного гальванометра

л.1. §§ 40, 41, 43. 2. §§15.1, 15.2, 15.3, 14.4

Мета роботи: засвоєння навичок вимірювання індукції магнетного поля і дослідження залежності індукції поля від форми полюсів магнету.

Прилади і матеріали: електромагнет; балістичний гальванометр; вимірювальна котушка; реостат; джерело постійного струму; двохлолюсний перемикач.

Теоретичні відомості

На провідник із струмом в магнетному полі діє сила Ампера:

Вектор B називається магнетною індукцією і є основною характеристикою магнетного поля. Закон Ампера дозволяє визначити числове значення магнетної індукції B. Якшо елемент струму Idl перпендикулярний до B, то формулу (1) можна записати у вигляді:

(2)

З формули (2) випливає, що магнетна індукція є силовою характе- ристикою магнетного поля. Одиниця магнетноі індукції – тесла (Тл) – магнетна індукція такого однорідного магнетного поля, яке діє з силою 1Н на кожний метр довжини прямолінійного провідника з струмом 1А, розташованого перпендикулярно до напрямку поля. З (2) маємо:

(3)

Однією з основних величин електромагнетизму є магнетний потік. Потоком вектора магнетної індукції, або магнетним потоком через малу площину dS , називається фізична величина, що дорівнює добуткові цієї площі на проекціюВ_nвектора Bна напрямок нормалі n до неї. Це є скалярним добутком векторів B i dS (рис. 1)

(4)

Магнетний потік через довільну поверхню S можна знайти шляхом інтегрування виразу елементарного потоку dF по всій поверхні S, тобто

(5)

Розглянемо електричне коло, що складається з гальванометра Gівимірювальної котушки ВК, розташованої в магнетному полі електромагнету між його полюсами (рис.2).

Рис.1

Рис.2

Наявність повітряного проміжку приводить до зменшення B, причому, із збільшенням розмірів повітряного проміжку l₀ магнетна індукція зменшується.

Якщо магнетна індукція в місці знаходження вимірювальної котушки стала ( ), то струм в колі гальванометра відсутній. Якщо ж перемикач П перемкнути з положення 1 в положення 2 (чи навпаки),

магнетна індукція поля за певний час зміниться від Bдо -B . Так як гальванометр G балістичний, він покаже кількість електрики q, яка протекла в колі протягом часу t. Знаючи q, можна визначити B (див. теорію методу лабораторної роботи № 3-4).

Відомо, що:

(6)

Враховуючи, що для повітря m=1 та підставляючи в (6) значення Н з (10) (лаб. робота №3-4), одержимо робочу формулу:

(7)

Порядок виконання роботи

Завдання 1.

1. Зібрати схему згідно з рис.2.

2. Виставити ВК (вимірювальна котушка) в центрі повітряного проміжку.

3. Довжину l₀зробити рівною 20 мм.

4. За допомогою реостата Rпідібрати такий струм, щоб при перемиканні П покази гальванометра були максимальними. Записати показ n гальванометра і координату х котушки.

5. Зняти 8 - 10 показів n та х , кожний раз переміщуючи вимірювальну котушку на 1 см вправо (чи вліво).

6. Встановити l₀=30 мм. Повторити вимірювання п.п. 4-5, переміщуючи котушку до центру повітряного проміжку.

Завдання 2.

1. Встановити l₀=20 мм. При виконанні цього завдання котушка весь час залишається в центрі повітряного проміжку.

2. Записати покази амперметра. Перемикачем П змінити напрям струму в намагнічуючій котушці і при цьому записати покази n гальванометра.

3. За допомогою реостата R змінити величину струму на 0,05-0,1 А. Записати одержане значення струму. Перемикач перемкнути з положення 1 в2 і записати відповідний показ гальванометра.

4. Зменшувати струм до нуля з вибраним кроком. Кожний раз перемикачем П міняти напрям струму, записувати його значення та відповідні їм покази гальванометра.

Обробка результатів експерименту та їх аналіз

Завдання1.

1. За формулою (7) розрахувати магнетну індукцію В для всіх експериментальних значень n . Значення R, N, S,та R_q даються на відповідних елементах схеми.

2. В одній системі координат побудувати графіки B=¦(х)для l₀=20 мм і l₀=30 мм (за вісь х береться пряма, що проходить через центр вимірювальної котушки і паралельна осі гвинта).

Завдання 2.

1. Розрахувати за формулою (7) магнетну індукцію для відповідних значень струму.

2. Побудувати графік залежності B=¦(I). Пояснити результати, одержані в обох завданнях.

Конторольні запитання.

1. Закон Ампера. Природа сил електромагнетної взаємодії.

2. Вектор магнетної індукції, його фізичний зміст та одиниці вимірювання.

3. Що називається магнетним потоком?

4. Робота переміщення провідника з струмом в магнетному полі.

Лабораторна робота № 3-2

Визначення горизонтальної складової напруженості магнетного поля Землі.

л. 1. §§40,41,42. 2. §§ 15.4,15.5,15.6

Мета роботи: визначення горизонтальної складової напруженості магнетного поля Землі.

Прилади та матеріали: тангенс-гальванометр; міліамперметр; реостат; джерело постійного струму; двохполюсний перемикач.

Теоретичні відомості

Земля являє собою природний магнет, полюси якого лежать поблизу географічних полюсів: недалеко від північного географічного полюса розташований південний магнетний полюс S, а поблизу південного географічного - північний магнетний полюс N (рис.1).

Рис. 1

У першому наближенні магнетне поле Землі, подібне полю диполя, поміщеного в центрі Землі, або однорідно намагнеченої кулі, магнетний момент якої дорівнює ~8,3×10²² А×м² і направлений під кутом ~11,5⁰ до осі обертання Землі.

Характеристикою магнетного поля Землі служить напруженість Н магнетного поля та її складові. Для розкладу вектора Н на складові звичайно вибирають прямокутну систему координат, в якій одну із осей (х) орієнтують в напрямку географічного меридіану, а іншу (y) — в напрямі паралелі.

При цьому додатним вважається напрямок осі х на північ, а осі y – на схід. Третя вісь z в такому випадку прийме вертикальне положення і буде направлена зверху вниз (рис.2). Таким чином значення та напрямок напруженості Н магнетного поля в будь-якій точці можна задати трьома складовими:Н_y, H_x, H_z(північною, східною та вертикальною) або трьома елементами земного магнетизму:

· горизонтальною складовою H₀ (проекцією векторана горизонтальну площину xoy);

· магнетним схиленням a (кутом між горизонтальною складовою H₀ та площиною географічного меридіана);

· магнетним нахиленням b(кутом між вектором Н та площиною горизонту xoy)

Магнетне поле Землі складається з постійного (стійкого) поля, створеного магнетизмом самої Земної кулі, і змінного поля (або магнетних варіацій), зумовленого електричними струмами, що течуть над земною поверхнею і в земній корі.

Постійне поле різне в різних точках Землі і схильне до повільних (вікових) змін. Для вивчення просторового розподілу постійного поля на географічні карти наносять значення a, H₀, H_z, b, з'єднують лініями точки, в яких їх значення рівні.

На картах видно, що bзмінюється від 0 в приекваторіальній області до 90⁰ в магнетних полюсах, а H₀ і H_x – відповідно від 33,44 А/м та 0 А/м в приекваторіальних областях до 55,73 А/м на полюсах.

Вивчення магнетного поля Землі в минулі геологічні епохи шляхом дослідження магнетних властивостей гірських порід вказує, що напрямок магнетної осі Землі не завжди був однаковим, і, напевне, кілька разів змінювався на прямо протилежні.

Достовірної теорії постійного магнетного поля Землі поки ще немає. Локальні та регіональні магнетні аномалії викликані нерівномірним розподілом у земній корі порід, багатих феромагнітними мінералами. Проте загальної кількості їх , як показують розрахунки, недостатньо для пояснення магнетизму земної кулі в цілому. Припущення про намагнеченість глибинних шарів Землі та її ядра виявляється неможливим, так як в глибинних шарах Землі температура значно вище точки Кюрі всіх відомих феромагнітних речовин. Гіпотеза про зв’язок магнітного поля Землі з її обертанням не підтверджена ні експериментально, ні теоретично.

Більш вірогідно, що головна частина постійного геомагнітного поля пояснюється вихровими електричними стрілами, що течуть в верхніх шарах земного ядра. По теорії Я.І.Френкеля, ці струми - індукційного, а по теорії В.Ельзасера — термоелектричного походження. Розвивається теорія “самозбуджуючого диполя” (Баллард, Такеуті та ін.), згідно якій електричні струми в ядрі виникають в результаті механічних рухів складаючої ядро рідкої речовини, що має високу електропровідність.

Змінне поле не перевищує, як правило,1% постійного поля. Первинною причиною його є електричні струми, що течуть в верхніх шарах земної атмосфери та за її межами. Магнетні варіації поділяються на правильні періодичні (періодом в одну сонячну добу) і неправильні коливання різної форми і амплітуди — магнетні бурі. Вони досить різноманітні по інтенсивності та вигляду: від невеликих короткочасних коливань елементів земного магнетизму до магнетних бур тривалістю від одного до кількох днів, під час яких ампдітуди коливань магнетних елементів можуть перевищувати 10^-2 Е. Магнетні бурі тісно зв’язані з іоносферними бурями, бурями земних струмів та полярними сяйвами. Сильні магнетоіоносферні бурі часто супроводжуються порушенням короткохвильового зв’язку.

Характерною формою малих бур є короткоперіодичні коливання, інколи правильного синусоїдального характеру, інколи- менш регулярні. Іншим типом малих бур є невеликі бурі, викликані спалахами ультрафіолетової радіації під час хромосферних вивержень Сонця, які часто супроводжуються повним поглинанням коротких радіохвиль та припиненням зв'язку на денній стороні Землі.

Теорія методу.

Якщо в данній точці Землі вільно підвішати магнетну стрілку (тобто підвішати за центр маси так, щоб вона могла повертатись і в горизонтальній і в вертикальній площинах), то вона встановиться за напрямком напруженості Н магнітного поля Землі в цій точці, тобто вісь стрілки складе кут bз горизонтальною площиною і кут a - з площиною географічного меридіана.

Магнетна стрілка, що може обертатись тільки навколо вертикальної осі, буде відхилятись в горизонтальній площині під дією горизонтальної складової Н₀ . Слід відмітити, що магнетна стрілка встановлюється в певному напрямі під дією вектора індукції магнетного поля , а не вектора напруженості. Але в силу встановленої традиції будемо говорити про вектор напруженості. Це не внесе значної похибки, так як дослідження проводяться в повітрі і В = m₀Н.

Розглянемо круговий провідник з Nвитків, прилягаючих достатньо густо один до одного, розташованих вертикально в площині магнетного меридіану. В центрі провідника помістимо магнетну стрілку, що може обертатись навколо вертикальної осі. Якщо через котушку пропустити струм I, то виникає магнетне поле з напруженістю H_m, направлене перпендикулярно до площини котушки. Таким чином, на стрілку буде діяти два взаємно перпендикулярних магнетних поля: магнетне поле Землі і магнетне поле струму. На рис.3. показано переріз котушки горизонтальною площиною. Тут Н_m– вектор напруженості поля, створеного коловим струмом, H₀ –горизонтальна складова магнетного поля Землі. Стрілка встановиться за напрямом H₁ , тобто за напрямком векторної суми Н_m і H₀.

З рис. 3 слідує:

(1)

Напруженість в центрі колового струму знайдемо за законом Біо-Савара -Лапласа:

(2)

де N– кількість витків, середній радіус яких рівний R; I – значення сили струму в окремому витку.

З (1) та (2) знаходимо:

(3)

Для даного місця Землі і даного приладу величина

(4)

є постійною. Тоді

(5)

З формули (4) слідує, що постійна С чисельно дорівнює струму, який протікає через витки, коли кут відхилення стрілки g= 45° .

Таким чином, коловий провідник з магнетною стрілкою в центрі може бути використаний для вимірювання значення струму. Прилад, оснований на цьому принципі, називається тангенс-гальванометром. Загальний вигляд тангенс-гальванометра показаний на рисунку 4.

Використаний в даній роботі тангенс-гальванометр складається з котушки 1, закріпленої на підставці 3, що обертається. В центрі котушки на вертикальній осі закріплена стрілка 2, під якою є лімб з поділками 4.

Хід роботи.

1. Скласти схему.

Підставку 3 виставити на сферичній поверхні так, щоб кінці магнетної стрілки не торкались лімба 4.

2. Повертаючи тангенс-гальванометр по поверхні 5, встановити його витки в площині магнетного меридіану (магнетна стрілка повинна встановитись на нулі).