ФИЗИКА — НА ЭКРАНЕ ОСЦИЛЛОГРАФА

Не правда ли, намного интереснее «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 пойдёт 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 номиналь­ный 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 в 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 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 вначале нужно установить на осциллографе автоматиче­ский режим работы развертки - сместить линию на нижнее деление масштабной сетки, а затем, нажав кнопку SB1, установить входным аттеню­атором такую чувствитель­ность осциллографа чтобы ли­ния 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 уровеньсинхронизации и полярность сигнала (ручка «СИНХР-») таки­ми, чтобы при нажатии кнопки запускалась развертка осцил­лографа, т. е. луч «пробегал» по экрану один (!) раз. Длительность развертки уста­навливают равной 50 мс/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 нарастания 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 трансфор­матора Т1 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...60 В.

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 цепочку R3C1 (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 в сер­дечнике.

В итоге на экране осцил­лографа можно наблюдать кривую взаимозависимости двух магнитных величин — магнитной индукции и напря­женности магнитного поля. Но сначала подготовим для 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 в 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 X» 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 в сер­дечнике (магнитопроводе) трансформатора определяется числом ампервитков, 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 электро­статический 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. радиотехники и магнетизма. Г. Баркгаузеном. Заключается он в 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 3Ч 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 экране 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 от 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 3Ч дина­мическую головку ВА (рис. 93) или абонентский громко­говоритель, а к выходу — резистор нагрузки R_H (вместо динамической головки). Парал­лельно резистору включают входные щупы осциллографа, работающего, как и в преды­дущем случае, в автомати­ческом режиме.

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 к уже име­ющемуся усилителю добавля­ется метроном (рис. 95), кото­рый может быть собран по любой известной вам простой схеме (например, по схеме рис. 2 в статье М. Линника «Простые конструкции на тран­зисторе в лавинном режиме» в «Радио», 1982, № 2, с. 50, 51).

 Частоту ударов метроно­ма устанавливают сравнитель­но небольшой — несколько герц. На расстоянии десятков сантиметров от динамической головки метронома и напротив нее устанавливают микрофон, соединенный с усилителем 3Ч. 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 в 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 в верх­нее по схеме положение, a R1 — в 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 изобра­жения импульса метронома (рис. 96, а) при каждом звуковом сигнале в динами­ческой головке.

После этого движок пере­менного резистора R1 устанав­ливают в 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.

(Продолжение следует)

Б. ИВАНОВ

г. Москва