Получение осциллограммы свободных электромагнитных колебаний

Осциллограмму свободных электромагнитных колебаний можно получить методом многократного наложения одних и тех же контуров кривой на экране. С этой целью применена установка (рис. 61), в которой вместо гальванометра включен школьный осциллограф и налажено автоматическое подключение конденсатора к батарее и последующее его переключение к индуктивности. Этот процесс синхронизирован с вращением восьмигранного зеркала.

Основной частью автоматического переключателя является коммутатор со щетками. Коммутатор — это диск из изолирующего материала, на одной из поверхностей которого наклеена пластинка листовой латуни. Последняя разрезана на две части, как показано на рисунке 62. Линия разреза представляет собой совокупность прорезей, выполненных по двум окружностям неодинакового радиуса с центрами, совпадающими с центром диска, и радиальных прорезей вдоль радиусов, делящих площадь диска на восемь равных частей. Части пластинки изолированы одна от другой. На том же рисунке показано расположение щеток, приведенных в контакт с поверхностью коммутатора.

Диск коммутатора в центре закрепляется на оси вращения восьмигранного зеркала. При вращении диска щетка Щ₂ попеременно касается то внешней части латунной поверхности, то ее внутренней поверхности. Щетки Щ₁ и Щ₃ все время прижаты со ответственно к внешней и внутренней частям поверхности.

На рисунке 63 воспроизведена схема колебательного контура с подключенными к нему щетками. Сопоставляя рисунки 62 и 63, нетрудно понять, что при каждом повороте зеркала (вместе с коммутатором, насаженным на его ось) на один оборот попеременно замыкаются то цепь конденсатора на батарею, то цепь индуктивности с осциллографом на конденсатор.

Таким образом, каждая грань зеркала создает полную картину изменения тока в колебательном контуре. При повороте зеркала на 2/8 оборота картина повторяется. Это позволяет получить устойчивую графическую запись разряда, примерно такую, какая приведена на рисунке 64.

Чтобы картина графика не искажалась зайчиком от ненагруженного осциллографа, четыре соответствующие грани восьмигранного зеркала покрывают черной бумагой.

Описанный коммутатор с успехом может быть использован при наличии электронного осциллограф.

В наших опытах индуктивной катушкой в колебательном контуре служила 110-вольтовая обмотка универсального школьного трансформатора без сердечника, емкостью — батарея бумажных конденсаторов школьного типа. Источник напряжения — батарея на 60—65 в. В опыте использован школьный осциллограф.

Регулируя емкость и, таким образом, изменяя собственную частоту контура при одной и той же скорости вращения зеркала, можно по виду осциллограммы определять изменение частоты электромагнитных колебаний в колебательном контуре.

Демонстрация получается наглядной и убедительной. Зеркало вместе с коммутатором приводится во вращение электродвигателем постоянного тока мощностью 4 вт, рассчитанным на напряжение 12 в. В цепь двигателя включается реостат для изменения скорости его вращения. Ось зеркала и ось двигателя соединены ременной передачей с соотношением 1:10. На рисунке 65 изображено зеркало с коллектором, щетками и двигателем.

Осциллографы. Электронный осциллограф (ЭО) – это прибор для наблюдения функциональной связи между двумя или более физическими величинами, преобразованными в электрические параметры и характеризующими какой-либо физический процесс. Структурная схема ЭО показана на рис. 8.1.

Сигналы параметров подают на взаимно перпендикулярные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и наблюдают, измеряют и фотографируют графическое изображение (осциллограмму) исследуемой зависимости на экране трубки .

Рис. 8.1. Структурная схема электронного осциллографа.

При исследовании временной зависимости процесса исследуемый сигнал А поступает на вход усилителя вертикального отклонения Y (рис. 8.1).

Горизонтальное перемещение луча создается генератором развертки, перемещающим луч по оси Х.

Для одновременного исследования двух или более процессов (сигналов) используются многолучевые осциллографы.

Осциллографы делятся на универсальные, запоминающие, стробоскопические, скоростные и специальные.

Универсальные осциллографы устроены по схеме рис. 8.1.

Запоминающие имеют ЭЛТ с накоплением заряда. Они сохраняют изображение сигнала длительное время (даже при выключении осциллографа) и удобны для исследования однократных и редко повторяющихся процессов.

В стробоскопических осциллографах используется принцип последовательного стробирования (т.е. регистрации в течение очень короткого времени) мгновенных значений сигнала для его преобразования (сжатия или растяжения во времени).

Скоростные осциллографы позволяют исследовать не только периодические, но и однократные быстропротекающие процессы

Специальные осциллографы служат для исследования телевизионных или высоковольтных сигналов и т.п.

ЭЛТ называют электровакуумные электронные приборы, у которых баллон имеет форму трубки и в которых используются сфокусированные в виде лучей потоки электронов.

Различают одно-, двух- и многолучевые ЭЛТ. В качестве основного признака классификации для ЭЛТ выбирают их назначение: приемные или передающие ЭЛТ (на телевидении), запоминающие или радиолокационные ЭЛТ, электронно-оптические преобразователи.

С помощью осциллографа можно наблюдать и регистрировать форму импульсов и измерять все основные параметры периодических процессов: амплитуду напряжений, частоту и фазу. Принцип регистрации и измерения напряжений U (t) ясен из рис. 8.1, а методы измерения частоты и фазы электрических колебаний будут рассмотрены ниже.

Каналы вертикального отклонения луча (лучей) имеют широкополосные усилители. В многолучевых осциллографах число усилителей равно числу лучей.

Для измерения амплитуд и длительностей сигналов на прозрачную пластину, прилегающую к экрану, наносят координатные оси с делениями, проградуированными в единицах напряжения (по оси «Y») или времени (по оси «Х») с помощью специальных калибровочных импульсов, вырабатываемых внутренним генератором.

При наблюдении периодических процессов (особенно – быстропротекающих) важно получить на экране осциллографа неподвижное изображение сигнала в функции времени. Для этого нужно, чтобы период развертки был равен или кратен периоду изучаемого сигнала. Однако. на практике, как правило, это условие соблюсти трудно. Поэтому используют принудительное согласование периодов сигналов по осям Х и Y, т.е. их синхронизацию. Целью синхронизации является обеспечение равенства частот исследуемого сигнала и развертки или их отличия в целое число раз.