Применение цифровых измерителей силы тока и напряжения в демонстрационном эксперименте по электродинамике

О.А.Поваляев, С.В.Хоменко (ПФ РНПО "Росучприбор")

Для проведения демонстрационных экспериментов по курсу электродинамики в настоящее время разработано и выпускается 3 набора оборудования, получивших названия "Электричество 1", "Электричество 2" и "Электричество 3", а также Комплект цифровых измерителей силы тока и напряжения. Все перечисленные наборы относятся к серии оборудования L?микро [1]. Набор "Электричество 1" предназначен для изучения постоянного тока, "Электричество 2" - для демонстрации явлений, сопровождающих протекание электрического тока в полупроводниках, а "Электричество 3" - для проведения экспериментов по переменному току, зарядке и разрядке конденсатора, явлениям индукции и самоиндукции.

Каждый из наборов включает в себя 8 - 10 элементов для составления электрических цепей. Все элементы выполнены в виде стандартных модулей, устанавливаемых на вертикальную поверхность классной доски, и имеют размеры 11 х 11 см. На лицевой поверхности модуля размещен сам элемент электрической цепи или его обозначение, а также клеммы для включения в электрическую цепь. Некоторые элементы не могут быть смонтированы на стандартном модуле в силу своих размеров (дроссельная катушка) или специфики использования (терморезистор), в этом случае модуль с соответствующим обозначением соединяется со своим элементом гибким проводом. В качестве примера на рис. 1 приведена фотография элементов набора "Электричество 2".

Конструкция модулей светочувствительных полупроводниковых элементов дополнительно предусматривает установку их перпендикулярно поверхности доски (на ребро), при этом фотодиод и фотоэлемент могут быть освещены светом лампы или какого-либо другого источника (рис. 2). При размещении этих модулей на доске обычным образом демонстрируются характеристики полупроводниковых устройств в "темновом" режиме.

Набор "Электричество 2" является дополнением к набору "Электричество 1", а набор "Электричество 3", в свою очередь, представляет собой расширение наборов "Электричество 1" и "Электричество 2".

Проведение демонстрационного эксперимента по электродинамике невозможно без приборов для измерения электрических величин. Традиционно для этих целей использовались Амперметр демонстрационный с гальванометром и Вольтметр демонстрационный с гальванометром (АГ/ВГ). Демонстрационные стрелочные приборы должны удовлетворять двум взаимоисключающим требованиям: иметь большие деления и, соответственно, малое их количество (для обеспечения видимости из класса) и обеспечение точности измерений. В приборах АГ/ВГ выбор делался в пользу хорошей видимости. В цифровых приборах погрешность составляет обычно одну единицу последнего разряда и никак не связана с размером цифр.

В современной технике, где требуется знание точных значений контролируемых величин, приборы с цифровой индикацией практически вытеснили стрелочные, оставив последним роль индикаторов, в которых стрелка указывает чаще всего не на цифры, а на области, окрашенные в разные цвета, например, зоны нормальной или повышенной температуры. Примерно так же следует распределить роли между стрелочными и цифровыми приборами в учебном эксперименте. В экспериментах, знакомящих учащихся с электрическим током, целесообразно применение двух типов приборов. Однако, эксперимент более сложного уровня, требующий количественного анализа изучаемых закономерностей, должен опираться на цифровые приборы. К стрелочным приборам уместно еще раз вернуться при изучении принципов их работы.

Разработанные цифровые измерительные приборы серии L-микро компактны и органично вписываются в установку для демонстрационного эксперимента. Они показывают только одно число, что способствует концентрации внимания учащихся на конкретном результате эксперимента. Размеры, яркость и контрастность цифр на табло этих приборов достаточны для зрительного восприятия с большого расстояния. Наиболее полно преимущества разработанных цифровых приборов реализуются при работе с наборами демонстрационного оборудования L-микро, поскольку имеется их полная совместимость не только на уровне технических характеристик, но и в плане дизайна.

Цифровые измерители силы тока и напряжения

В основу комплекта цифровых измерителей силы тока и напряжения положен модульный принцип (рис. 3): два универсальных цифровых индикатора могут быть установлены на различные основания - измерительные модули, что обеспечивает измерения силы тока и напряжения в разных диапазонах и режимах. Цифровой измерительный прибор собирается перед проведением демонстрационного эксперимента и представляется учащимся как единое целое.

Комплект цифровых измерителей применяется на самом раннем этапе знакомства учащихся с электрическими явлениями, когда важно сформировать правильные представления о работе с измерительными приборами и их месте в электрической цепи. Именно поэтому в данном комплекте вольтметр является вольтметром и ничем более, а амперметр - амперметром. Измерительные приборы, собранные на базе комплекта, вставляются в электрическую цепь в качестве ее составляющих, что, безусловно, облегчает учащимся понимание учебного материала. Следует отметить, что применение многоцелевых приборов (мультиметров) требует более высокого уровня подготовки учащихся.

В состав комплекта цифровых измерителей тока и напряжения входят цифровые блоки индикации (2 шт.) и следующие измерительные модули (в скобках приведены обозначения на лицевой поверхности измерительного модуля и предельные значения измеряемых величин):

• Вольтметр постоянного тока (V, 99.9 В)
• Амперметр постоянного тока (A, 10.0 А)
• Милливольтметр постоянного тока (mV, 999 мВ)
• Миллиамперметр постоянного тока (mA, 999 мА)
• Вольтметр переменного тока (~V, 99.9 В)
• Миллиамперметр переменного тока (~mA, 999 мА)

В учебном эксперименте не требуется одновременно измерять более двух параметров, поэтому наличие в комплекте двух цифровых индикаторов вполне достаточно.

Измерительный модуль имеет на верхней поверхности клеммы для подключения его к электрической цепи и разъем для цифрового блока индикации. На нижней поверхности модуля установлены магниты, позволяющие закреплять цифровой измерительный прибор на вертикальной металлической поверхности. Внутри измерительных модулей имеется схема управления режимом работы цифрового блока индикации (постоянный / переменный ток) и схема согласования измеряемых параметров с рабочим диапазоном цифрового блока индикации, т.е. делители напряжения или шунты.

Цифровой блок индикации имеет трехразрядный светодиодный индикатор. Питание его осуществляется от сети 220В через сетевой адаптер. На корпусе блока индикации смонтирован разъем для установки и подключения его к измерительному модулю.

Применение цифровых измерителей вместо стрелочных приборов, естественно, не меняет традиционного списка демонстрационных экспериментов, выполняемых при изучении электродинамики, однако во многих опытах появляется возможность для более глубокого изучения физических явлений и более выразительного и яркого представления наблюдаемого результата эксперимента. С точки зрения технических характеристик наиболее существенным отличием цифровых измерителей от стрелочных приборов является их высокая точность. Это в полной мере проявляется в первых же экспериментах, выполняемых с помощью набора "Электричество 1".

Постоянный электрический ток

При знакомстве учащихся с измерением силы тока в цепи желательно использовать как стрелочный, так и цифровой амперметры. При проведении этого эксперимента собирается электрическая цепь, содержащая ключ, лампу и резистор, которая подключается к источнику постоянного тока (рис. 4). Сила тока в различных участках цепи измеряется сначала стрелочным, а затем цифровым амперметрами. На основании показаний каждого из приборов делается вывод об одинаковости силы тока в любом месте неразветвленной цепи.

После этого стрелочный и цифровой амперметры включаются в цепь одновременно, а перед учащимися можно поставить вопрос о том, с какой точностью проводились измерения в том и другом случаях. В ходе одновременных измерений силы тока двумя приборами демонстрируется, что хотя показания стрелочного и цифрового амперметров совпадают в рамках точности данных приборов, их реакция на небольшие изменения тока в цепи отличается. Точность демонстрационного стрелочного амперметра существенно ниже, чем цифрового, поэтому его стрелка остается неподвижной при небольших изменениях тока в цепи, устойчиво фиксируемых цифровым прибором.

Та же самая электрическая цепь (рис. 4) используется для демонстрации измерения напряжений с помощью вольтметра и для сравнения стрелочного и цифрового вольтметров. При подключении к резистору двух измерительных приборов оказывается, что их показания (так же как в случае амперметров) можно считать совпадающими в рамках точности стрелочного прибора, однако цифровой вольтметр имеет и более широкий диапазон измеряемых сигналов, и более высокую точность.

В экспериментах, демонстрирующих зависимость силы тока от сопротивления участка цепи при постоянном напряжении, приложенном к данному участку, и силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении участка цепи, измерения силы тока и напряжения проводятся с точностью 0.1 А и 0.1 В соответственно. И здесь появляется возможность показать прямую пропорциональную зависимость силы тока от напряжения (закон Ома) с использованием очень простых для восприятия значений величин. Взяв в качестве сопротивления резистор 2 Ом, можно получить следующие значения силы тока и напряжения: (0.5 А, 1.0 В), (1,0 А, 2.0 В) и т.д. Единственное условие успеха такого опыта - высокая точность применяемых резисторов (отклонение от номинала - менее 1%), обеспечиваемая при выпуске набора "Электричество 1".

Все сказанное о точности измерений относится и к опытам по параллельному и последовательному соединениям проводников, и к экспериментам, иллюстрирующим понятие мощности, выделяющейся на нагрузке.

Электрический ток в полупроводниках

Цифровой милливольтметр имеет чувствительность 1 мВ, а цифровой миллиамперметр - 1 мА, и это оказывается очень полезным при изучении физических свойств полупроводников и при демонстрации характеристик полупроводниковых приборов.

Влияние температуры и освещенности на электрическую проводимость полупроводника

Фундаментальным свойством полупроводниковых материалов является возрастание их электрической проводимости при нагревании и освещении внешним источником света. Электрическая цепь, собираемая в эксперименте по изучению температурной зависимости проводимости полупроводника, приведена на рис. 5. Для того, чтобы избежать саморазогрева терморезистора, сила тока в нем не должна превышать 10 мА. Только при выполнении этого условия в опыте получается реальная зависимость сопротивления полупроводника от температуры. Выполнение эксперимента, таким образом, возможно лишь с использованием демонстрационного прибора, позволяющего измерять силу тока на уровне нескольких миллиампер.

Аналогичные требования к измерительному прибору предъявляет и эксперимент с фотосопротивлением, демонстрирующий зависимость проводимости полупроводника от освещенности.

Демонстрация свойств p-n перехода

Изучение свойств p-n перехода проводится в два этапа. Сначала с помощью лампы и амперметра, включенных последовательно с диодом, демонстрируется наличие или отсутствие тока в цепи в зависимости от полярности напряжения, подаваемого на p-n переход. При этом при обратном включении диода ток в цепи не регистрируется даже миллиамперметром.

Более детально процесс открытия p-n перехода при повышении приложенного к нему в прямом направлении напряжения демонстрируется на примере светодиода, где одновременно с ростом силы тока наблюдается увеличение яркости свечения. Схема электрической цепи, собираемой в этом эксперименте, приведена на рис. 6. Вначале при повышении напряжения цифровой миллиамперметр не регистрирует тока в цепи, а светодиод не светится. Как только напряжение на светодиоде достигнет определенного значения (примерно 1.5 В), светодиод начинает излучать свет. Сила тока в цепи при этом меньше 1 мА, но после повышения напряжения на светодиоде еще на несколько десятых долей вольта миллиамперметр начинает показывать ток, значение которого возрастает в несколько раз при повышении напряжения на каждые 0.1 В. Вместе с увеличением силы тока повышается и яркость свечения.

При обсуждении с учащимися результатов проделанного эксперимента следует подчеркнуть, что отсутствие свечения при низких напряжениях (до 1.5 В) связано с наличием потенциального барьера на границе p- и n- областей.

Усилительный режим работы транзистора

Среди экспериментов, посвященных транзистору, более подробно остановимся на опыте по усилению электрического сигнала, проведение которого невозможно без цифровых измерителей тока - миллиамперметра и амперметра. Для демонстрации работы транзистора в усилительном режиме собирается электрическая цепь, представленная на рис. 7. В качестве нагрузки в коллекторную цепь транзистора включена лампа накаливания. Сила тока в цепи коллектора измеряется цифровым амперметром. В цепь базы транзистора включен резистор, который служит для ограничения тока, протекающего через p?n переход эмиттер-база, и предотвращает выход транзистора из строя. Сила тока в цепи базы измеряется цифровым миллиамперметром. Переменный резистор, являющийся делителем напряжения, предназначен для управления режимом работы транзистора. С его помощью устанавливается напряжение, приложенное к переходу эмиттер - база транзистора.

Опыт начинается при равном нулю напряжении смещения базового перехода, транзистор при этом закрыт, лампа не светится, и оба цифровых прибора показывают нулевые значения тока. Затем напряжение между базой и эмиттером увеличивается и значение базового тока доводится до 2?3 мА. Транзистор при этом открывается, и цифровой амперметр, включенный в цепь коллектора, начинает показывать, что в цепи есть ток. После увеличения силы тока в цепи базы еще на 2-3 мА и измерения коллекторного тока можно сделать вывод о том, что относительно небольшое изменение силы тока в цепи базы вызывает значительно большее изменение силы тока в цепи коллектора. При возрастании силы тока в цепи базы в пределах 15 мА ток в цепи коллектора растет линейно, т.е. отношение изменения силы тока в цепи коллектора к вызвавшему его изменению силы тока в цепи базы является постоянной величиной. Это отношение носит название коэффициента усиления транзистора по току и является его важной характеристикой.

Лампа загорается, если сила тока через коллектор превышает 0.8 А. Транзистор при этом оказывается за пределами линейного режима, иными словами, коллекторный ток в этой области значений растет медленнее, чем это следует из прямо пропорциональной зависимости, полученной при малых значениях силы тока.

Изучение фотоэлемента

Изучение работы фотоэлемента - полупроводникового устройства, преобразующего световую энергию в электрическую, целесообразно проводить в два этапа. Сначала демонстрируется наличие в полупроводниковом фотоэлементе p?n перехода, а затем изучаются его электрические характеристики и показывается возможность использования фотоэлемента в качестве источника тока.

Для того чтобы проиллюстрировать наличие в фотоэлементе p?n перехода, составляется электрическая цепь, в которой последовательно с фотоэлементом включена лампа 3.5В (рис. 8) Модуль фотоэлемента устанавливается так, чтобы свет не достигал поверхности фотоэлемента. Положительная клемма фотоэлемента подключается к положительному выводу источника питания.

При замыкании ключа в электрической цепи, представленной на рис. 8, лампа начинает светиться. Если изменить полярность подключения фотоэлемента, то при замыкании ключа лампа не вспыхнет. Таким образом, при изменении полярности фотоэлемента (на поверхность которого не падает свет) в электрической цепи происходит то же самое, что и при обращении полярности включения диода.

Более подробно особенности протекания электрического тока через фотоэлемент в "темновом" режиме могут быть исследованы таким же образом, как это делалось при изучении характеристик светодиода (рис. 6).

Если подключить вольтметр с очень высоким внутренним сопротивлением к выводам источника тока, то при отсутствии нагрузки величина измеренного напряжения будет практически равна ЭДС источника. Внутреннее сопротивление цифрового вольтметра - 1 МОм. Поэтому для демонстрации значения ЭДС фотоэлемента в различных условиях достаточно присоединить к его выводам цифровой милливольтметр. В темноте ЭДС фотоэлемента равна нулю. Возрастание освещенности поверхности фотоэлемента приводит к росту показаний цифрового вольтметра. Следует отметить, что максимальное значение фото ЭДС, определяемое высотой потенциального барьера p?n перехода, составляет около 0.5 В.

Для демонстрации характеристик фотоэлемента, применяемого в качестве источника тока, собирается электрическая цепь, схема которой приведена на рис. 9. Цифровой вольтметр остается подключенным непосредственно к выводам фотоэлемента. Нагрузкой в цепи служит переменный резистор, а сила тока в нем измеряется цифровым миллиамперметром. В эксперименте в условиях максимальной освещенности поверхности фотоэлемента демонстрируется зависимость напряжения на нагрузке от силы тока в цепи (от сопротивления нагрузки).

На основе данных эксперимента можно рассчитать мощность, передаваемую фотоэлементом во внешнюю цепь. Для расчета желательно взять точку, в которой напряжение на нагрузке (или на фотоэлементе, поскольку эти величины совпадают) равно примерно половине ЭДС, и соответствующее значение тока.

В заключение данного эксперимента рекомендуется рассказать учащимся, что фотоэлементы широко применяются для обеспечения электроэнергией различных устройств: от калькуляторов до космических станций. И хотя напряжение и мощность одного фотоэлемента невелики, объединение их в солнечную батарею, где фотоэлементы соединяются последовательно и параллельно, позволяет получить требуемые выходные характеристики источника питания.

Переменный электрический ток

Цифровые измерительные приборы позволяют количественно показать основные закономерности, присущие цепям переменного тока, продемонстрировать зависимости индуктивного и емкостного сопротивлений от частоты и значений, соответственно, индуктивности и емкости, рассмотреть распределение напряжений в полной цепи переменного тока. Представим методику проведения этих и некоторых других экспериментов более подробно.

Емкостное сопротивление

Эксперимент по демонстрации зависимости сопротивления конденсатора в цепи переменного тока от его емкости и частоты изменения напряжения следует начать с демонстрации возможности протекания переменного тока в цепи, содержащей конденсатор. Для этого собирается электрическая цепь, в которой конденсатор и лампа накаливания соединены последовательно. Питание электрической цепи в этом и во всех последующих экспериментах, посвященных переменному току, осуществляется от генератора синусоидального сигнала.

При выполнении опыта частота генератора устанавливается такой, чтобы сопротивление конденсатора составляло бы 1 Ом или меньше. Амплитуда выходного сигнала плавно увеличивается до тех пор, пока лампа не начнет гореть достаточно ярко. Продемонстрировав существование переменного тока в цепи, содержащей конденсатор, можно переходить к более обстоятельному изучению данного явления.

Электрическая цепь собирается в соответствии с рис. 10. Теперь конденсатор подключен непосредственно к источнику переменного напряжения, сила тока в нем регистрируется цифровым миллиамперметром, а приложенное к конденсатору напряжение измеряется цифровым вольтметром. Громкоговоритель служит для определения на слух изменения частоты напряжения питания. Переменный резистор, включенный последовательно с громкоговорителем, используется для регулирования громкости звука.

Опыт начинается при частоте 20 Гц, и ученикам предлагается на основе показаний измерительных приборов рассчитать сопротивление конденсатора на этой частоте. Далее следует плавно увеличивать частоту выходного сигнала генератора. При этом сила тока через конденсатор растет при неизменном напряжении на его выводах. Как только ток в цепи достигнет максимального для применяемого генератора уровня, увеличение частоты следует прекратить и сообщить значение частоты генератора учащимся. На основе силы тока в цепи и напряжения на конденсаторе учащиеся должны еще раз определить сопротивление конденсатора. Сопоставив значения сопротивлений, полученные учащимися и, принимая во внимание частоту, оцениваемую по шкале генератора, следует сделать вывод об обратной зависимости емкостного сопротивления от частоты переменного напряжения.

Для того чтобы показать зависимость емкостного сопротивления от емкости конденсатора учащимся еще раз демонстрируется режим работы электрической цепи, полученный в конце предыдущего опыта. После этого конденсатор заменяется другим конденсатором, емкость которого в 4 раза меньше (именно так подобраны конденсаторы в наборе "Электричество 3"). Сила тока в цепи при этом упадет в 4 раза, что при неизменности приложенного напряжения означает, что сопротивление конденсатора в 4 раза возросло. Это позволяет сделать вывод об обратно пропорциональной зависимости емкостного сопротивления от емкости конденсатора.

Индуктивное сопротивление

Эксперимент по демонстрации протекания переменного тока в электрической цепи, которая содержит катушку индуктивности, строится аналогичным образом. Схема электрической цепи, использующейся в данном опыте, приведена на рис. 11.

При проведении эксперимента с помощью цифровых вольтметра и миллиамперметра измеряется сила тока в цепи и напряжение на дроссельной катушке. Напряжение, приложенное к дроссельной катушке, поддерживается постоянным, поэтому всякое изменение силы тока может быть только следствием изменения сопротивления дроссельной катушки. Сопротивление дросселя переменному току складывается из индуктивной и активной составляющих, но только индуктивное сопротивление зависит от частоты, а вклад активной составляющей в сопротивление катушки - постоянная величина.

Увеличение частоты сигнала генератора приводит к уменьшению тока в дроссельной катушке при практически неизменном напряжении на ее выводах, что позволяет сделать вывод о возрастании индуктивного сопротивления при увеличении частоты переменного напряжения. Более того, при частотах выше 100 Гц индуктивное сопротивление настолько превышает активное, что легко демонстрируется линейный характер изучаемой зависимости.

Для демонстрации взаимосвязи индуктивного сопротивления и индуктивности сердечник из ферромагнитного материала плавно выдвигается из катушки, индуктивность которой при этом уменьшается. Ток в цепи заметно возрастает, что позволяет заключить, что индуктивное сопротивление возрастает при увеличении индуктивности катушки.

Последовательная цепь переменного тока

Если с помощью цифрового вольтметра переменного тока измерить напряжения на последовательно соединенных резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности, а затем сопоставить сумму этих напряжений с полным напряжением, приложенным к цепи, то становится очевидным, что в цепи переменного тока напряжения должны складываться по правилам, отличающимся от цепей постоянного тока.

Эксперимент, демонстрирующий распределение напряжения по элементам в последовательной цепи переменного тока, проводится на основе сравнения распределения напряжений в цепи переменного тока, содержащей только активные элементы (резисторы), и в цепи, в которую входят индуктивность и емкость.

Сначала к генератору синусоидального сигнала, работающего на частоте 50 Гц, подключается электрическая цепь, содержащая два последовательно соединенных резистора R1 и R2 разных номиналов (рис. 12). С помощью цифрового вольтметра измеряется общее напряжение, приложенное к цепи и напряжения на резисторах R1 и R2. Сумма напряжений на резисторах сравнивается с общим напряжением и формулируется вывод о том, что если электрическая цепь содержит только активные элементы (резисторы), то сумма напряжений на отдельных участках последовательной цепи равна общему напряжению.

Затем вместо резистора R2 в цепь включается конденсатор. После измерения общего напряжения, напряжения на резисторе R1 и конденсаторе С и вычисления суммы двух последних напряжений внимание учащихся обращается на то, что теперь приложенное к цепи напряжение оказывается меньше суммы напряжений на резисторе и конденсаторе. Аналогичная картина получается и для цепи, содержащей резистор и дроссельную катушку.

В завершающей части опыта собирается цепь, включающая соединенные последовательно дроссельную катушку, резистор и конденсатор, и в результате измерений и вычислений делается окончательный вывод о том, что в цепи переменного тока, содержащей индуктивность и емкость, алгебраическая сумма напряжений не совпадает с напряжением, приложенным к этой цепи. Учащимся объясняются физические причины наблюдаемого явления, и на основе полученных данных иллюстрируется правило сложения напряжений в цепи переменного тока.

После этого с помощью цифрового миллиамперметра можно измерить силу тока и сопоставить полученное значение с результатом расчета тока на основании закона Ома для цепи переменного тока.

Демонстрация явления резонанса

Демонстрация явления резонанса в последовательном колебательном контуре с использованием цифровых измерителей силы тока и напряжения включает не только регистрацию зависимости силы тока от частоты напряжения питания, но и измерение распределение напряжений по элементам контура в условиях резонанса. Для выполнения опыта собирается электрическая цепь, схема которой представлена на рис. 13. В последовательный колебательный контур, состоящий из дроссельной катушки L, конденсатора С и лампы накаливания, включен цифровой миллиамперметр, с помощью которого измеряется сила тока. Лампа выполняет роль обычного резистора и вместе с тем позволяет учащимся судить об изменении силы тока не только по показаниям миллиамперметра, но и по изменению яркости ее свечения. Питание цепи осуществляется от генератора синусоидального сигнала. Во время опыта выходное напряжение генератора должно быть постоянным. Контроль напряжения, приложенного к электрической цепи, осуществляется с помощью цифрового вольтметра. Громкоговоритель служит для определения изменения частоты сигнала на слух. Переменный резистор, включенный последовательно с громкоговорителем, используется для регулирования громкости звука.

Выполняя демонстрационный эксперимент, следует попросить учеников обратить внимание на показания измерительных приборов и тон звучания динамика. При постепенном увеличении частоты сигнала генератора сила тока в цепи, регистрируемая цифровым миллиамперметром, сначала возрастает, доходит до максимума, а затем начинает уменьшаться. Следует отметить, что свечение лампы наблюдается в очень узкой области частот вблизи резонанса и исчезает, как только ток в цепи становится меньше 100 мА. Изменение частоты генератора повторяется несколько раз в ту и другую сторону, так чтобы ученики могли убедиться в том, что максимальное свечение лампы и сила тока достигается только при строго определенном тоне звукового сигнала. После этого учащимся сообщается примерное значение резонансной частоты контура, определенное по шкале частот генератора.

При резонансе напряжение на катушке индуктивности и конденсаторе существенно превосходят напряжение на выходе источника питания. Из рассмотрения явления резонанса на основе соотношений для полной цепи переменного тока следует, что в условиях резонанса напряжение на "емкости" равно напряжению на "индуктивности", а напряжение на активном сопротивлении равно напряжению, подводимому к цепи от источника переменного тока. Однако реальная дроссельная катушка обладает активным сопротивлением, и это сопротивление (20 - 30 Ом) больше, чем сопротивление лампы (1 - 12 Ом в зависимости от силы тока в цепи). Наличие активного сопротивления у дроссельной катушки искажает распределение напряжений по элементам контура в условиях резонанса. Именно поэтому в эксперименте напряжение на дроссельной катушке несколько превышает напряжение на конденсаторе, а напряжение на лампе (в данном случае это только часть активной нагрузки) - заметно меньше напряжения на выходе источника питания. Измерение напряжения на всех элементах цепи в условиях резонанса проводится с помощью цифрового вольтметра, после чего учащимся детально объясняются причины, по которым реальное распределение напряжений отличается от теоретического.

Демонстрация зависимости резонансной частоты от параметров колебательного контура осуществляется следующим образом. Электрическая цепь подключается к генератору, частота которого соответствует резонансной частоте контура (w = 300 - 330 Гц). Учащихся наблюдают свечение лампы и запоминают высоту тона звучания громкоговорителя. Затем из дроссельной катушки удаляется сердечник, что приводит к уменьшению значения индуктивности примерно в 5 раз. При этом лампа гаснет, а цифровой миллиамперметр регистрирует уменьшение тока в цепи. Увеличение частоты генератора восстанавливает прежнее максимальное значение тока в контуре. Учащимся сообщается новое значение частоты генератора, что позволяет им сделать вывод об обратной зависимости резонансной частоты от индуктивности контура. Точно так же при замене одного конденсатора другим, емкость которого в 4 раза меньше, демонстрируется зависимость резонансной частоты контура от емкости.

Изучение трансформатора

Модель трансформатора собирается следующим образом. Дроссельная катушка (L1) размещается на горизонтальной поверхности перед стендом или металлической классной доской. В катушку вставляется ферритовый сердечник. На выступающую часть сердечника надевается катушка - моток (L2), к выводам которой подключаются светодиод и резистор, соединенные последовательно.

Электрическая цепь, необходимая для этого опыта, представлена на рис.14. В качестве источника питания собранной электрической цепи следует использовать Выпрямитель В-24 (выход *, уровень выходного напряжения максимальный) или переменное напряжение 42 В от щита питания кабинета физики.

Вначале учащимся демонстрируется работа трансформатора на качественном уровне: светодиод, подключенный к выводам катушки-мотка, горит при замыкании цепи питания дроссельной катушки. Внимание учащихся обращается на то, что электрическая мощность, необходимая для горения светодиода, передается без непосредственного подключения светодиода к источнику тока. При объяснении наблюдаемого эффекта можно провести аналогию с экспериментом по электромагнитной индукции, и подчеркнуть, что именно периодическое изменение магнитного поля, создаваемого дроссельной катушкой, служит причиной возникновения ЭДС в катушке-мотке.

Для получения количественных характеристик работы трансформатора с помощью цифрового вольтметра переменного тока измеряется напряжение, подводимое к дроссельной катушке, и напряжение, возникающее на выводах катушки-мотка, на основе чего определяется коэффициент трансформации. Желательно провести опыт при двух значениях напряжения, подводимого к первичной обмотке трансформатора (в этой роли выступает дроссельная катушка), и показать учащимся, что коэффициент трансформации не зависит от приложенного к первичной цепи напряжения.

Для того чтобы подвести учеников к выводу о связи коэффициента трансформации с соотношением числа витков в его обмотках, на сердечник дросселя надевается вторая катушка-моток, и обе малые катушки соединяются последовательно (начало и конец обмоток каждой из них необходимо определить и отметить заранее). Двукратное возрастание напряжения на вторичной обмотке собранного трансформатора говорит о зависимости выходного напряжения трансформатора от отношения числа витков в его обмотках.

Разработанные наборы демонстрационного оборудования отвечают современным представлениям об образовательном эксперименте и позволяют в полном объеме проиллюстрировать материал существующих учебников и учебных программ по электродинамике. Выполненный на основе последних достижений в технологии Комплект цифровых измерителей силы тока и напряжения обеспечивает выразительность и надежность эксперимента и позволяет в ограниченное время и на доступном уровне довести учебный материал до учащихся, способствуя формированию у них основных понятий курса физики и развитию мышления.

Литература
1. www.l-micro.ru