13 maj 2013 Labinstruktion: RC-kretsar, magnetiska fält och induktion Ellära, 92FY21/27 1(5) RC-kretsar, transienta förlopp I den här laborationen kommer du att titta på urladdning av en RC-krets och hur resultaten kan användas för att bestämma kondensatorns storlek. Du kommer alltså att bygga en enkel kapacitansmätare. Laborationen kommer ge dig färdigheter i att använda oscilloskop och att koppla upp enklare kretsar. Förberedelseuppgifter 1. Hur ser tidskonstanten, τ, ut för en RC-krets? 2. Då tiden är lika med tidskonstanten τ, hur stor del av den maximala spänningen finns då över kondensatorn, om den laddas ur? 3. Du kommer titta på urladdning av en RC-krets med hjälp av ett oscilloskop och en funktionsgenerator som skapar fyrkantspulser med viss bredd och periodtid. Om din kondensator är på 10 µf och du har ett motstånd på 100 Ω, vilken pulsbredd och periodtid behöver du minst för att kunna observera hela urladdningen från fullt uppladdad krets? IFM Daniel Söderström
2(5) RC-kretsen Koppla upp kretsen nedan på ett kopplingsdäck. Tänk på var du lägger jorden! Välj ett känt motstånd och en okänd kondensator. Koppla in funktionsgeneratorn med en BNC-kabel (koaxial) och ställ in den på att ge en positiv fyrkantspuls (med amplitud ungefär 2 V) med någon periodtid. Koppla en mätprob till oscilloskopet och placera proben för att mäta spänningen över kondensatorn (Vut). Ställ in oscilloskopet så att hela amplituden på spänningspulsen syns. Ändra sedan tidssteget så att du tydligt kan se slutet av en puls och hur spänningen där avtar exponentiellt. Varför får du ingen fyrkantspuls, när funktionsgeneratorn är inställd på att ge det? Ändra eventuellt pulsbredden och periodtiden på funktionsgeneratorn, så att du kan se att spänningen hinner nå maxvärdet och att spänningen hinner falla till noll mellan pulserna. Mät spänningsamplituden vid tre tider, τ, 2 τ och 3 τ, från kurvan på oscilloskopet och beräkna kapacitansen på kondensatorn genom att plotta spänningen som funktion av tiden i ett lin-log-diagram. Jämför med värdet som står angivet på kondensatorn. Uppmätt värde på kondensatorn: Angivet värde på kondensatorn: Vilka felkällor kan du identifiera?
3(5) Magnetiska fält och induktion Denna del av laborationen kommer att ge dig en introduktion till olika typer av experiment och demonstrationer av magnetiska fält och induktion. Du kommer också att få bygga en magnetfältsmätare för att ta reda på magnetfältet i gapet på en permanentmagnet. Den sista delen kommer att titta närmare på ömsesidig induktans, något som används mycket flitigt i dagens teknik. Förberedelseuppgifter 1. Vad är uttrycket för ömsesidig induktans mellan två spolar? 2. Vad är uttrycket för den inducerade emk:n i en spole på grund av ett tidsvarierande magnetiskt flöde? Kvalitativ undersökning av magnetfält och induktion I den här delen kommer du att titta lite på olika demonstrationer av magnetfält och induktion. Tanken är att du ska få en överblick över flera möjliga laborationer/demonstrationer. Dessa bör inte ta mer än 30 minuter. Induktion Ta en stavformad permanentmagnet. Koppla en spole med 600 varv till en multimeter inställd på att mäta ström (µa). För in stavmagneten i spolens centrum och observera vad som händer på multimetern (du måste föra in den ganska snabbt). Dra ut permanentmagneten och notera vad multimetern visar. Vänd på permanentmagneten och gör om experimentet. Vad är det som skiljer sig i experimenten och varför? Galvanometer En enkel galvanometer, eller amperemeter, består av en visare som sitter på en permanentmagnet. Sätt ner galvanometern i en spole och koppla spolen till en strömkälla med ett variabelt motstånd på 2 kω i serie. Observera vad som händer med galvanometern då du ändrar strömmen. Byt riktning på strömmen och se vad som händer.
4(5) Generator En roterande permanentmagnet inducerar strömmar i spolar, vilket är ett exempel på en generator. Koppla generatorn till ett oscilloskop och veva på generatorn. Observera vad du ser på oscilloskopet när du vevar olika fort. Ömsesidig induktans Välj två spolar med samma antal varv. Trä dem över en U-kärna och ställ dem på bordet. Slut U-kärnan genom att lägga på den raka järnkärnan så att en sluten krets bildas. Koppla in funktionsgeneratorn till en av spolarna och koppla in två prober till oscilloskopets två kanaler. Ställ in funktionsgeneratorn på fyrkantspuls med lämplig amplitud och periodtid. Koppla proberna till spolarna, så att spänningen över dem mäts. Observera kurvorna på oscilloskopet. Varför får du en spänning också i den spole som inte är kopplad till funktionsgeneratorn? Hur förhåller sig spänningarna över spolarna till varandra? Lyft bort U-kärnans övre del. Vad händer? Varför? Byt en spole till en annan med annat antal varv. Hur förhåller sig spänningsamplituden på den nya spolen till den du hade innan? Vad är ändringen relaterad till?
5(5) Om pulsbredden är tillräckligt stor, vad händer då med strömmen i den spole som inte är kopplad till funktionsgeneratorn? Hur är det med strömmen i spolen som är kopplad till funktionsgeneratorn? Vad är det du har byggt? Hur skulle du kunna använda utrustningen för att ta reda på en av spolarnas induktans? Vad skulle i så fall kunna påverka mätningen?