Πολυτεχνείο Κρήτης Εργαστήριο Δομής της Ύλης & Φυσικής Λέιζερ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΙΙ Για τους φοιτητές του 1ου έτους Σχολών Πολυτεχνείου Παναγιώτης Πετράκης MSc Φυσικός, Ε.ΔΙ.Π στο Πολυτεχνείο Κρήτης Δρ. Ελευθερία Σεργάκη Φυσικός, Ε.ΔΙ.Π στο Πολυτεχνείο Κρήτης 20η έκδοση Χανιά 2013
Τίτλος πρωτοτύπου: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΙΙ, Για τους φοιτητές του 1 ου έτους Σχολών Πολυτεχνείου, 20 η έκδοση, Δρ. Ελευθερία Σεργάκη, Φυσικός, Ε.ΔΙ.Π στο Πολυτεχνείο Κρήτης Παναγιώτης Πετράκης, MSc, Φυσικός, Ε.ΔΙ.Π στο Πολυτεχνείο Κρήτης Copyright 1990 Εκδόσεις Παναγιώτης Πετράκης, Ελευθερία Σεργάκη (1 η έκδοση 1990, 20 η έκδοση 2013) Τηλ. 28210 52395/43940, Χανιά http://www.memorymag.net/elef/ panpetrakis@isc.tuc.gr elefsergaki@gmail.com Απαγορεύεται η ολική ή μερική ανατύπωση του βιβλίου χωρίς την έγγραφη άδεια των εκδοτών. Σελίδες 200, Σχήμα 210x297 mm ISBN : 978-618-80895-1-8 Δημιουργικό εξώφυλλου: Παναγιώτης Πετράκης Ηλεκτρονική σελιδοποίηση, επιμέλεια κειμένων: Παναγιώτης Πετράκης, Ελευθερία Σεργάκη
Οι Εργαστηριακές Ασκήσεις που περιλαμβάνονται στο παρών βιβλίο είναι μία επιλογή από τις 18 υπάρχουσες για την υποστήριξη του εργαστηριακού μέρους του μαθήματος της Φυσικής ΙΙ (ΦΥΣ 102) του 2 ου εξαμήνου σπουδών των φοιτητών/τριών του Πολυτεχνείου Κρήτης. Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση των Εργαστηριακών Ασκήσεων έγινε από τον κ. Παναγιώτη Πετράκη και την κ. Ελευθερία Σεργάκη, μέλη του Εργαστηριακού Διδακτικού Προσωπικού του Πολυτεχνείου Κρήτης. Οι εκπαιδευτικές πειραματικές διατάξεις του «Εργαστηρίου Δομής της Ύλης & Φυσικής Λέιζερ» και το κείμενο του παρόντος βιβλίου που αφορά αυτές τις πειραματικές διατάξεις είναι αποτέλεσμα μακρόχρονης εξέλιξης και βελτιώσεων από το 1986 έως σήμερα. Τα σχήματα που συνοδεύουν τα κείμενα είναι πρωτότυπα και σχεδιάστηκαν από τον κ. Παναγιώτη Πετράκη. Ευχαριστίες Ευχαριστούμε τον Διευθυντή του Εργαστηρίου και τους συναδέλφους των οποίων οι προσπάθειες βοηθούν κάθε χρόνο στο να παρέχουμε αρτιότερη εκπαίδευση μέσω του Εργαστηρίου Φυσικής. - 2 -
- 3 -
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Άσκηση 1 (σελ. 9) Μελέτη Παλμογράφου Λειτουργία Παλμογράφου. Επεξήγηση των κουμπιών ελέγχου του Παλμογράφου. Απεικόνιση ηλεκτρικού σήματος στην οθόνη του παλμογράφου. Μέτρηση της τάσης από κορυφή σε κορυφή V pp και της περιόδου Τ ενός AC σήματος εισόδου ημιτονοειδούς μορφής. Μέτρηση της τάσης ενός DC σήματος. Μέτρηση της εσωτερικής αντίστασης του παλμογράφου. Υπολογισμός της χωρητικότητας της εισόδου του παλμογράφου. Υπολογισμός της διαφοράς φάσης δύο σημάτων. Άσκηση 2 (σελ. 25) Μελέτη του συντονισμού σε κύκλωμα RLC σε σειρά Υπολογισμός του συντελεστή αυτεπαγωγής του πηνίου του πειράματος. Υπολογισμός της χωρητικότητας του πυκνωτή του πειράματος. Προσδιορισμός της συχνότητας συντονισμού του κυκλώματος του πειράματος. Εύρεση της καμπύλης συντονισμού του κυκλώματος του πειράματος. Άσκηση 4 (σελ. 37) Κίνηση ηλεκτρονίων και οπών σε υλικά - Φαινόμενο Hall Υπολογισμός της τιμής της σταθεράς Hall για δείγμα ημιαγωγού τύπου GaAs. Υπολογισμός του είδους των φορέων και της πυκνότητας τους στον ημιαγωγό. Άσκηση 5 (σελ. 47) Μελέτη μετασχηματιστών Κατανόηση της λειτουργίας των μετασχηματιστών. Υπολογισμός των σπειρών του δευτερεύοντος πηνίου μετασχηματιστή. Υπολογισμός της σύνθετης αντίστασης του δευτερεύοντος πηνίου μετασχηματιστή. Επίδραση της συχνότητας στο δευτερεύον πηνίο μετασχηματιστή. Μελέτη του μετασχηματιστή ενός ηλεκτρικού πιστολιού κόλλησης. Άσκηση 6 (σελ. 61) Μελέτη φακών Υπολογισμός της εστιακής απόστασης ενός συγκεντρωτικού φακού. Υπολογισμός του σφάλματος της χρωματικής εκτροπής. Μέτρηση του σφάλματος της σφαιρικής εκτροπής. - 4 -
Άσκηση 7 (σελ. 77) Φασματόμετρο με πρίσμα και με φράγμα περίθλασης - Υπολογισμός του δείκτη διάθλασης του γυαλιού για διάφορα μήκη κύματος Προσδιορισμός της θλαστικής γωνίας του πρίσματος. Προσδιορισμός της γωνίας ελάχιστης εκτροπής. Υπολογισμός του μήκους κύματος λ κάθε φασματικής γραμμής της λυχνίας Hg. Για διάφορα μήκη κύματος λ, γίνεται υπολογισμός του αντίστοιχου δείκτη διάθλασης του γυαλιού. Άσκηση 9 (σελ. 95) Συμβολή φωτός - Συμβολόμετρο Michelson Υπολογισμός του μήκους κύματος του φωτός πηγής laser. Υπολογισμός του δείκτη διάθλασης του αέρα. Άσκηση 10 (σελ. 117) Μελέτη του φαινομένου συμβολής και περίθλασης του φωτός Κατανόηση του φαινομένου της συμβολής και της περίθλασης του φωτός. Υπολογισμός του μήκους κύματος του φωτός πηγής laser. Υπολογισμός του εύρους της σχισμής ενός φράγματος με γνωστό το μ.κ. του φωτός πηγής laser. τον υπολογισμό του μέτρου της αβεβαιότητας της ορμής και την επιβεβαίωση της Αρχής Απροσδιοριστίας του Heisenberg. Άσκηση 11 (σελ. 135) Μελέτη πόλωσης του φωτός, και των οπτικά ενεργών ουσιών Μέτρηση της έντασης του γραμμικά πολωμένου φωτός σαν συνάρτηση της γωνίας μεταξύ πολωτή και αναλυτή (Νόμος του Malus: I=I 0 cos 2 φ). Σχεδιασμός της κατανομής της ανοιγμένης έντασης του φωτός Ι/Ι ο σαν συνάρτηση της γωνίας φ. Υπολογισμός της ειδικής στροφικής ικανότητας ενός διαλύματος με τη μέθοδο της μέτρησης της γωνίας περιστροφής του επιπέδου πόλωσης. Άσκηση 12 (σελ. 147) Μέτρηση ηλεκτρικής ισχύος Μέτρηση πραγματικής ισχύος P σε κύκλωμα DC Μέτρηση άεργης ισχύος Q, πραγματικής ισχύος P και σύνθετης S σε κύκλωμα AC Άσκηση 13 (σελ. 155) Υπολογισμός της ταχύτητας του ήχου στα υγρά & στον αέρα Α. Στα υγρά Προσδιορισμός του μήκους κύματος του ήχου στα υγρά (νερό). - 5 -
Υπολογισμός της ταχύτητας του ήχου μέσω της μορφής προβαλλομένου κεντρικού ειδώλου σε πέτασμα. Εξάρτηση της ταχύτητας του ήχου από την θερμοκρασία του υγρού. Β. Στον αέρα (συμβολόμετρο Quinke). Μελέτη του φαινόμενου της συμβολής δυο ηχητικών κυμάτων Υπολογισμός της ταχύτητας διάδοσης του ήχου στον αέρα καθώς και ο λόγος γ = C p / C v του αέρα. Άσκηση 14 (σελ. 173) Μέτρηση ωμικής αντίστασης Μελέτη χαρακτηριστικής διόδου (αγωγού p-n) Υπολογισμός της τιμής α) μιας μεγάλης τιμής ωμικής αντίστασης και β) μιας μικρής τιμής ωμικής αντίστασης με την βοήθεια βολτομέτρου και αμπερομέτρου και η εφαρμογή του 1 ου και 2 ου νόμου του Kirchoff. Προσδιορισμός του καλύτερου κυκλώματος για τον υπολογισμό εκάστης. Εύρεση της χαρακτηριστικής διόδου κατά την ορθή και την ανάστροφη πόλωση. Άσκηση 15 (σελ. 183) Μελέτη φωτοδιόδου (φωτοανιχνευτής) και διόδου εκπομπής φωτός (LED) Προσδιορισμός των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών μιας φωτοδιόδου, δηλ. της γραφικής παράστασης Ι=f(V), της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει τη φωτοδίοδο σαν συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης V για διάφορες τιμές της ισχύος P της οπτικής ακτινοβολίας. Προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της ενέργειας της φωτοδιόδου, δηλ. των γραφικών παραστάσεων Ι p =f(p) και V p =f(p), του φωτορεύματος που δίνει η φωτοδίοδος και της φωτοβολταϊκής τάσης σαν συνάρτηση της οπτικής ισχύος. Άσκηση 16 (σελ. 189) Γέφυρα wheastone Υπολογισμός της τιμής διαφόρων άγνωστων ωμικών αντιστάσεων με την βοήθεια της γέφυρας wheastone. - 6 -
- 7 -
- 8 -
ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΟΥ Απαραίτητες γνώσεις Πριν την πρακτική άσκηση στο Εργαστήριο πρέπει να έχετε μελετήσει την περιγραφή της λειτουργίας και τις οδηγίες λειτουργίας του παλμογράφου που ακολουθούν. Η προετοιμασία σας πριν το πείραμα είναι απαραίτητη για να έχετε την ευχέρεια και τον χρόνο να πειραματιστείτε στην λειτουργία του παλμογράφου. Σκοπός του πειράματος Στο πείραμα αυτό μελετάται η λειτουργία και η χρήση του παλμογράφου και περιλαμβάνει μια σειρά εργαστηριακών ασκήσεων για εξάσκηση της χρήσης του σαν όργανο μέτρησης στον τομέα των ηλεκτρικών μετρήσεων. Επίσης περιγράφονται τα συνηθέστερα είδη εργαστηριακών παλμογράφων και δίνονται οι τεχνικές προδιαγραφές ενός μοντέλου παλμογράφου που χρησιμοποιείται στο Εργαστήριο Φυσικής του Πολυτεχνείου Κρήτης. - 9 -
1.1. Επεξήγηση των διακοπτών ρύθμισης του Παλμογράφου Φωτογραφία του panel του Παλμογράφου που χρησιμοποιείται στο Εργαστήριο Φυσικής του Πολυτεχνείου Κρήτης. Νο διακόπτη Όνομα διακόπτη Περιγραφή της λειτουργίας διακόπτη 1 POWER ON/OFF Ο διακόπτης λειτουργίας(τροφοδοσίας) του παλμογράφου. Η λειτουργία επιβεβαιώνεται από ενδεικτικό LED. 2 INTENS Ρυθμίζει τη φωτεινότητα της δέσμης στην οθόνη. 3 TR Περιστρέφει τη δέσμη ως προς το κέντρο της οθόνης για την οριζοντίωσή της. 4 FOCUS Εστιάζει τη δέσμη πάνω στην οθόνη. 5 X-MAG. 10 Μεγεθύνει τη δέσμη και επεκτείνει τον άξονα X με συντελεστή 10. 6 X-POS Ρυθμίζει την οριζόντια θέση της δέσμης στην οθόνη. 7 HOLD-OFF Λεπτομερειακή ρύθμιση του νεκρού χρόνου μεταξύ δυο σαρώσεων της βάσης χρόνου. 8 X-Y Επιλέγει τη λειτουργία X-Y. Αποσυνδέει την εσωτερική γεννήτρια βάσης χρόνου και συνδέει το κανάλι Ι Ι στην είσοδο του ενισχυτή X. ΠΡΟΣΟΧΗ! ΧΩΡΙΣ ΣΗΜΑ Χ Ο ΦΩΣΦΟΡΟΣ ΚΑΤΑΣΤΡΕΦΕΤΑΙ! 9 TR LED Ενδεικτικό LED που ανάβει όταν γίνεται - 10 -
πχ TRIG -AC TRIG -DC- TRIG -LF TRIG -TV TRIG LINE σκανδαλισμός. Επιλέγει τον τρόπο σύζευξης του σκανδαλισμού. Ανάλογα με τον τρόπο σύζευξης που επιλέγουμε ενεργοποιείται εσωτερικά ένας κατάλληλος παλμός για να ενεργοποιήσει τη γεννήτρια σάρωσης του παλμογράφου ώστε το σήμα που εξετάζουμε να εμφανίζεται ακίνητο στην οθόνη. 10Hz - 100MHz DC - 100MHz DC - 1.5 KHz Σήμα VIDEO 50 Hz. 10 ALT Επιλέγει την εναλλαγή σκανδαλισμού ανάμεικτα των δυο καναλιών μόνο σε DUAL mode. 11 SLOPE +/- Επιλέγει σκανδαλισμό στο ανερχόμενο ή κατερχόμενο τμήμα παλμού. 12 TIME/DIV Διακόπτης περιστροφικός 20 θέσεων για την επιλογή της βάσης χρόνου (time base). Ανάλογα σε ποια θέση έχει επιλεγεί ορίζεται ο χρόνος που χρειάζεται το σήμα που εξετάζουμε για να κινηθεί κατά μήκος ενός τετραγώνου της οθόνης. 13 TIME/DIV (Μεταβλητός Ποτενσιόμετρο για συνεχή μεταβολή της βάσης κοντρόλ) χρόνου. Κανονικά πρέπει να βρίσκονται στη θέση CAL. έλεγχος χρόνου) 14 EXT Επιλέγει λειτουργία εξωτερικού σκανδαλισμού. 15 AT/NORM Στην έξω θέση έχουμε αυτόματο peak σκανδαλισμό και στη μέσα θέση κανονικό. 16 LEVEL Στον κανονικό σκανδαλισμό ρυθμίζει σε ποιό ύψος της κυματομορφής θα αρχίσει ο σκανδαλισμός. 17 TRIG. INP Βύσμα BNC για εξωτερική πηγή σκανδαλισμού. 18 CAL -1KHz /1MHz Επιλέγει τη συχνότητα τετραγωνικών παλμών, (CAL: calibrator). 19 CAL -0.2V-2V Έξοδοι τετραγωνικών παλμών. 20 COMP- TESTER Βύσματα για την σύνδεση ακροδεκτών της συσκευής ελέγχου ηλεκτρονικών στοιχείων, πχ διόδων, κλπ 21 COMPONET TESTER Eενεργοποιεί το κύκλωμα του component tester. Μετατρέπει τον παλμογράφο σε όργανο ελέγχου ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. 22/38 Y-POS.I/II Ρυθμίζει την κάθετη θέση του σήματος για το 23/36 CH I/II (-AC-////DC- GD) κανάλι Ι και ΙΙ αντίστοιχα. Σύζευξη εισόδου για καθένα από τα δυο κανάλια με βύσμα τύπου BNC. DC: Απευθείας σύνδεση. Επιλέγουμε όταν εξετάζουμε συνεχή σήματα. AC: Σύνδεση μέσω πυκνωτή. Επιλέγουμε όταν εξετάζουμε εναλλασσόμενα σήματα. GD: Γειωμένη είσοδος. Επιλέγουμε όταν θέλουμε να δούμε που βρίσκεται η στάθμη του μηδενός. 24/37 INP- CH. I/II Βύσμα εισόδου για το κανάλι Ι και ΙΙ. 1ΜΩ/20pF. 25/35 INVERT CH I/II Αναστρέφει την απεικόνιση του καναλιού Ι/ΙΙ. 26/34 VOLT/DIV Περιστροφικοί διακόπτες 12 θέσεων, για την - 11 -
27/33 Μεταβλητός έλεγχος ενισχύσεως ευαισθησία των ενισχυτών κατακόρυφης απόκλισης (2 mv/cm - 10 V/cm). Ποτενσιόμετρο για συνεχή μεταβολή του πλάτους. Όταν μετράμε το πλάτος του σήματος που εξετάζουμε, ο εσωτερικός διακόπτης πρέπει να είναι "κλειδωμένος" τέρμα δεξιά. Δηλαδή να βρίσκεται στη θέση CAL. Ο εξωτερικός διακόπτης ανάλογα με την θέση που έχει επιλεγεί ορίζει την τάση που αντιστοιχεί σε κάθε τετράγωνο της οθόνης. 28 CH I/II - TRIG. I/II Επιλέγει πιο κανάλι από τα Ι ή ΙΙ θα συγχρονίζεται με τον σκανδαλισμό. 29 YMAG 5 Μεγεθύνει τον κάθετο άξονα με συντελεστή 5 αυξάνοντας την ευαισθησία των καναλιών έως 1 mv/cm. 30 DUAL Επιλέγει λειτουργία του μόνο του ενός καναλιού ή και των δυο καναλιών (DUAL). 31 ADD - CHOP Σε λειτουργία ADD δίνει το άθροισμα των κυματομορφών των δυο καναλιών ή τη διαφορά με (INVERT). 32 OVERSCAN Ένδειξη (LED) άνω και κάτω ορίων της οθόνης. Για να δείτε στην οθόνη του παλμογράφου το ηλεκτρικό σήμα που δείχνει τη στάθμη της μηδενικής τάσης στον παλμογράφο πραγματοποιείστε τους παρακάτω χειρισμούς: 1. Ανάψτε τον παλμογράφο 2. Γυρίστε το κουμπί intensity στο μέσον της διαδρομής 3. Γυρίστε το κουμπί focus στο μέσον της διαδρομής 4. Τοποθετήστε τον διακόπτη AC-GND-DC στη θέση AC 5. Τοποθετήστε τον διακόπτη auto/manual στη θέση auto 6. Τοποθετήστε τον ρυθμιστή time/div στη θέση 5 msec 7. Τοποθετήστε τον ρυθμιστή volts/div στη θέση 0,2 V/sec 1.2 Πως συνδέεται ο παλμογράφος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα Η σύνδεση συνήθως γίνεται μέσω ενός ομοαξονικού καλωδίου που συνοδεύει τον παλμογράφο από τον κατασκευαστή. Η μια άκρη του ομοαξονικού καλώδιου φέρει βύσμα τύπου BNC και η άλλη άκρη του φέρει δύο ακροδέκτες με βύσματα τύπου μπανάνας. Η μια μπανάνα είναι μαύρη και η άλλη κόκκινη. Η BNC υποδοχή συνδέεται στον παλμογράφο στην είσοδο του καναλιού Ι η ΙΙ. Ο μαύρος ακροδέκτης μπανάνα συνδέεται πάντα στη γη (κοινό σημείο) του κυκλώματος. Ο κόκκινος συνδέεται στο σημείο που θέλουμε να πάρουμε το ηλεκτρικό σήμα. Προσοχή στη σύνδεση του παλμογράφου. Εάν η σύνδεση γίνει λάθος π.χ. ο κόκκινος ακροδέκτης συνδεθεί στη γη (κοινό σημείο) του κυκλώματος δεν θα μπορέσετε να δείτε το σήμα στην οθόνη του παλμογράφου. 1.3 Περιγραφή του παλμογράφου Ο παλμογράφος είναι ένα από τα πιο χρήσιμα ηλεκτρονικά όργανα μέτρησης ενός εργαστηρίου ηλεκτρονικών γιατί παρέχει οπτική απεικόνιση των ηλεκτρικών σημάτων που μελετά. Χρησιμοποιείται ευρύτατα σε πολλούς τομείς της έρευνας και της τεχνολογίας Χρησιμοποιείται για την παρατήρηση και τη μέτρηση ορισμένων χαρακτηριστικών μεγεθών - 12 -
ενός ηλεκτρονικού ή ηλεκτρικού κυκλώματος. Μερικά από τα χαρακτηριστικά αυτά μεγέθη είναι: Το σχήμα μιας κυματομορφής Το χρόνο και ειδικότερα τη συχνότητα μιας κυματομορφής Το πλάτος μιας κυματομορφής Τη διαφορά φάσης μεταξύ δύο κυματομορφών Τα περισσότερα όργανα που μετρούν τάσεις χρησιμοποιούν μηχανικά μέσα έχουν μεγάλη αδράνεια και δεν μπορούν να παρακολουθήσουν γρήγορες μεταβολές και, για το λόγο αυτό, δε μετρούν στιγμιαίες τιμές τάσης αλλά μέσες ή ενεργές τιμές. Αντίθετα, στον παλμογράφο δεν υπάρχουν μηχανικά κινούμενα μέρη. Το «κινητό» μέρος είναι η δέσμη των ηλεκτρονίων, που έχει αμελητέα «αδράνεια» και γι' αυτό είναι σε θέση να απεικονίζει γρήγορες μεταβολές της τάσης. 1.3.1 Περιγραφή της εσωτερικής λειτουργίας του παλμογράφου Το κυριότερο εξάρτημα κάθε παλμογράφου είναι ο σωλήνας καθοδικών ακτίνων ή καθοδικός σωλήνας, που ως προς την αρχή λειτουργίας του μοιάζει με εκείνον της συσκευής τηλεόρασης (Σχ. 1.1). Αποτελείται από ένα γυάλινο σωλήνα, ο οποίος στο ένα άκρο του έχει μία κάθοδο (Κ), ενώ κατά το άλλο άκρο του διευρύνεται, σχηματίζοντας χοάνη και καταλήγει σε μία σχεδόν επίπεδη φθορίζουσα επιφάνεια, την οθόνη (Ο). Η παραγωγή των ηλεκτρονίων οφείλεται στη θερμιονική εκπομπή της καθόδου (Κ), που θερμαίνεται από το νήμα (Ν). Τα ηλεκτρόνια αυτά έλκονται από την άνοδο (Α) που έχει σχήμα κυλίνδρου ή δίσκου με μια μικρή τρύπα στη μέση, και βρίσκεται σε δυναμικό θετικό κατά μερικές χιλιάδες Volt ως προς την κάθοδο. Αμέσως μετά την κάθοδο υπάρχει ένα μεταλλικό πλέγμα (G), σε μεταβλητό αρνητικό δυναμικό ως προς την κάθοδο, που αφ' ενός συγκεντρώνει τα ηλεκτρόνια προς το κέντρο της ανόδου και αφ' ετέρου, με κατάλληλη ρύθμιση του αρνητικού δυναμικού, ελέγχει την ένταση της ηλεκτρονικής δέσμης. Μια βοηθητική άνοδος (Α 1 ) μεταξύ ανόδου και καθόδου βρίσκεται σε ενδιάμεσο θετικό μεταβλητό δυναμικό και με τη ρύθμιση του δυναμικού αυτού επιτυγχάνεται η εστίαση της δέσμης πάνω στην οθόνη. 'Όσα ηλεκτρόνια περάσουν μέσα από την τρύπα της ανόδου σχηματίζουν μία λεπτή δέσμη, η οποία, όταν συναντήσει την οθόνη, διεγείρει το φθορίζον υλικό της με αποτέλεσμα το σχηματισμό μιας φωτεινής κηλίδας. Μετά την άνοδο υπάρχει ένα ζευγάρι από οριζόντια πλακίδια (Υ) και ένα ζευγάρι κατακόρυφα πλακίδια (Χ), που είναι τοποθετημένα έτσι, ώστε η δέσμη των ηλεκτρονίων να περνάει ανάμεσά τους όπως φαίνεται στο Σχ. 1.1 Αν μεταξύ των πλακιδίων Χ εφαρμοστεί μία συνεχής διαφορά δυναμικού, το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται είναι οριζόντιο και προκαλεί μία αντίστοιχη οριζόντια απόκλιση της κηλίδας πάνω στην οθόνη, ανάλογη της τάσης που εφαρμόζεται στα πλακίδια Χ. Αντίστοιχα, εφαρμογή μιας συνεχούς διαφοράς δυναμικού μεταξύ των πλακιδίων Υ, προξενεί μία κατακόρυφη απόκλιση της ηλεκτρονικής δέσμης και συνεπώς και της φωτεινής κηλίδας και πάλι ανάλογη της εφαρμοζόμενης τάσης. Επομένως, αν σχεδιάσουμε μία κατάλληλη κατακόρυφη (ή οριζόντια) κλίμακα πάνω στην οθόνη, θα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα πλακίδια Υ (ή Χ) του παλμογράφου για τη μέτρηση τάσεων (βολτόμετρο). - 13 -
Σχήμα 1.1: Προοπτική όψη καθοδικού σωλήνα. Κ: Κάθοδος, Ν: Θερμαινόμενο νήμα, G: Αρνητικό πλέγμα, Α 1 : Βοηθητική άνοδος εστίασης, Α: Άνοδος, X & Y, πλακίδια απόκλίσης, Ο: Οθόνη. Το ποντεσιόμετρο Ένταση (intensity) ρυθμίζει την ένταση της φωτεινής κηλίδας και το Εστίαση (focus) την εστίαση της. Προφανές είναι τώρα ότι, αν στα πλακίδια Χ (ή Υ) εφαρμοστεί μία εναλλασσόμενη τάση, η φωτεινή κηλίδα θα πηγαινοέρχεται δεξιά-αριστερά (πάνω-κάτω), ακολουθώντας πιστά τις αυξομειώσεις της τάσης. 'Όταν η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης είναι μικρή, το μάτι μας προλαβαίνει να παρατηρήσει την ταλάντωση της κηλίδας. 'Οταν όμως η συχνότητα είναι μεγάλη (μεγαλύτερη των 10Hz) δεν προφταίνουμε να δούμε τις διαδοχικές θέσεις της κηλίδας και το μόνο που θα βλέπουμε είναι μία οριζόντια (κατακόρυφη) γραμμή. Η κυματομορφή (τάση) που θέλουμε να μελετήσουμε εφαρμόζεται εν γένει στα πλακίδια Υ, ενώ αντίθετα στα πλακίδια Χ εφαρμόζουμε συνήθως «σάρωση» (δηλαδή μια πριονωτή τάση), για να «αναπτύξουμε» στο χρόνο την κυματομορφή των πλακιδίων Υ. 'Όλοι οι παλμογράφοι περιέχουν εσωτερικά μία ηλεκτρονική διάταξη που παράγει πριονωτή τάση (Σχ. 1.2). 'Όταν εφαρμοστεί η πριονωτή τάση στα πλακίδια Χ του καθοδικού σωλήνα, το ηλεκτρικό πεδίο στο χώρο μεταξύ των πλακιδίων μεταβάλλεται γραμμικά με το χρόνο, οπότε η κηλίδα μετακινείται οριζόντια προς τα δεξιά πάνω στην οθόνη και, επειδή η μετακίνηση είναι ανάλογη της τάσης και η τάση ανάλογη του χρόνου, στην πραγματικότητα η μετακίνηση πάνω στην οθόνη είναι ανάλογη του χρόνου. Η μετακίνηση της κηλίδας γίνεται συνεπώς με σταθερή ταχύτητα σε όλη τη διάρκεια T της ανόδου της πριονωτής τάσης. Μετά όμως από χρόνο μιας περιόδου η κηλίδα ξαναεμφανίζεται αμέσως αριστερά (Τ2>>T1) στην αρχική της θέση, για να συνεχίσει και πάλι την οριζόντια κίνησή τη προς τα δεξιά. - 14 -
Σχήμα 1.2: Πριονωτή τάση. Τ 1 : περίοδος ανόδου, Τ 2 : περίοδος καθόδου (Τ 1 >> Τ 2 ). 1.3.2 Σύντομη περιγραφή των εισόδων σήματος του Παλμογράφου (Κανάλια Ι και ΙΙ) Ο παλμογράφος επιτρέπει συγχρόνως την οπτικοποίηση δύο διαφορετικών ηλεκτρικών σημάτων σε συνάρτηση με τον χρόνο (εισάγονται από τις εισόδους Y1 και Y2, βλέπε 24/37 διακόπτες στην φωτογραφία του πάνελ του παλμογράφου) και την μελέτη ενός ηλεκτρικού σήματος σε συνάρτηση με ένα άλλο (χρήση X-Y σύζευξης). Ο παλμογράφος έχει δύο εισόδους την Y1 και την Y2, που ονομάζονται κανάλι Y1 ή CHI και κανάλι Y2 ή CHII. Αυτές οι είσοδοι χρησιμοποιούνται και σαν X και Y στην X-Y σύζευξη. Επειδή η οθόνη είναι κοινή και για τις δύο εισόδους μπορεί να απεικονισθούν και οι δύο είσοδοι ταυτόχρονα ενεργοποιώντας το κουμπί DUAL, ή και ξεχωριστά αν ενεργοποιηθεί το κουμπί CHI ή το CHII. Επιπλέον υπάρχει η είσοδος EXT, διακόπτης Νο 14 στο πάνελ. Είναι μια είσοδος για εξωτερικό συγχρονισμό (External Triggering). 1.3.3 Ρύθμιση των εισόδων ανάλογα το είδος του σήματος που εισάγεται (Σύζευξη AC, DC, GD ) Στην σύζευξη DC επιτρέπεται η είσοδος σημάτων από 0 έως 10 MHz. Στην οθόνη απεικονίζονται οι συνιστώσες AC και DC ενός ηλ. σήματος, Σχ. 1.3 (α). Ο παλμογράφος τίθεται σε λειτουργία ενισχυτή DC τάσης (σύζευξη DC) μόνο όταν τα σήματα είναι σε πολύ χαμηλές συχνότητες ή όταν χρειάζεται η μέτρηση των συνεχών συνιστωσών του σήματος. Στις πολύ χαμηλές συχνότητες ( 1.6 Hz), σε λογικά ή παλμικά σήματα, ή σε καθαρά DC σήματα, συστήνεται η DC σύζευξη. Στην σύζευξη ΑC ένα φίλτρο εξαλείφει τις συνεχείς συνιστώσες. Στην οθόνη απεικονίζονται μόνο οι συνιστώσες AC ενός ηλεκτρικού σήματος, Σχ. 1.3 (β). Στην σύζευξη GD, ο κατακόρυφος έλεγχος, Y-POS, δίνει την δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί η οριζόντια φωτεινή γραμμή του παλμογράφου σαν γραμμή αναφοράς της τάσης της γείωσης πριν από κάποια μέτρηση. Μπορεί να τοποθετηθεί κάτω ή πάνω από την κεντρική οριζόντια γραμμή της οθόνης, αντιστοιχώντας μετρήσεις θετικής ή αρνητικής τάσης σε σχέση με το δυναμικό της γείωσης. - 15 -
Σχήμα Α1.3: Ο ρόλος των συζεύξεων AC και DC: Το ίδιο AC σήμα παρατηρείται με σύζευξη ΑC (α), με σύζευξη DC (β). 1.3.4 Η οθόνη του παλμογράφου Στην οθόνη του παλμογράφου έχει σχεδιασθεί ένα πλέγμα που είναι διαιρεμένο σε τετράγωνα πλευράς 1 cm. Το 1 cm είναι διαιρεμένο σε 5 υποδιαιρέσεις, άρα η μικρότερη υποδιαίρεση δηλώνει 0.2 cm. Το κατακόρυφο μήκος του πλέγματος μετατρέπεται σε τάση (V, mv) πολλαπλασιάζοντας με την ένδειξη του συντελεστή τάσης VOLT/DIV. Το οριζόντιο μήκος του πλέγματος μετατρέπεται σε χρόνο (ms, μs) πολλαπλασιάζοντας με την ένδειξη του συντελεστή χρόνου TIME/DIV. Όταν δεν έχετε εισάγει ηλεκτρικό σήμα στον παλμογράφο, στην οθόνη του πρέπει να φαίνεται μια οριζόντια φωτεινή γραμμή αναφοράς, κατά μήκος της οθόνης, που αναπαριστά την μηδενική τάση (δηλαδή την τάση γείωσης). Αυτή η γραμμή μπορεί να μετακινηθεί σε οποιαδήποτε περιοχή της οθόνης με τα περιστροφικά κουμπιά Χ, Y position. Συνήθως την τοποθετείτε στη μέση της οθόνης όταν θέλετε να μελετήσετε εναλλασσόμενο σήμα και στο κάτω μέρος της οθόνης για μελέτη θετικών συνεχών σημάτων. Αν στην οθόνη σας απεικονίζεται μόνο μια φωτεινή κηλίδα πιθανό να σημαίνει οτι πρέπει να απενεργοποιήσετε τη X-Y σύζευξη. Αν στην οθόνη σας απεικονίζεται μέρος φωτεινής γραμμής πιθανό να σημαίνει ότι πρέπει να απενεργοποιήσετε την επιλογή TEST COMPONENT. 1.3.5 Μετρήσεις του πλάτους τάσης Γενικά στην μηχανική των ηλεκτρονικών, οι τιμές των εναλλασσόμενων δυναμικών αναφέρονται σε ενεργές τιμές (rms = ρίζα της μέσης τιμής). Στις μετρήσεις με τον παλμογράφο μπορεί να μετρηθεί πάνω στο πλέγμα της οθόνης του παλμογράφου, στην κατακόρυφη διεύθυνση, η τάση από κορυφή σε κορυφή (peak to peak, V pp ). Αυτή αντιστοιχεί στην πραγματική διαφορά δυναμικού μεταξύ του μεγαλύτερου θετικού και του ελάχιστου αρνητικού σημείου της κυματομορφής. Για τα ημιτονοειδή ηλεκτρικά σήματα ισχύει: T 1 2 2 Vrms Vp sin( t) dt T = V pp / 2 2 = V pp / 2.83 0 Η σχέση μεταξύ των διαφορετικών εκφράσεων της τάσης δείχνονται στο Σχ.1.4 (α). Το μέτρο της τάσης είναι το γινόμενο του μήκους του πλέγματος DIV επί τον επιλεγμένο συντελεστή VOLTS/DIV. - 16 -
Σχήμα 1.4 (α): Μετρήσεις τάσης 1.3.6 Μετρήσεις χρόνου (περίοδος) και διαφοράς φάσης Στις μετρήσεις με τον παλμογράφο μπορεί να μετρηθεί πάνω στο πλέγμα της οθόνης του παλμογράφου, στην οριζόντια διεύθυνση, ο χρόνος. Η τιμή του χρόνου είναι το γινόμενο του μήκους του πλέγματος DIV επί τον επιλεγμένο συντελεστή χρόνου TIME/DIV, Σχ. Α1.4 (β). Σχήμα 1.4 (β): Μετρήσεις χρόνου T = 4 div t =1,6 div 0 0 t 0 1,6 0 360 360 144 T 4 0 t 1,6 arc 2 2 2,512rad T 4 Η διαφορά φάσης σε μοίρες υπολογίζεται από: 0 0 360 t T όπου t είναι η απόσταση μεταξύ των δύο κορυφών και Τ η περίοδος. - 17 -
1 ο μέρος Πειραματισμός στις βασικές λειτουργίες του παλμογράφου Πείραμα Α1.1. Αναγνώριση των κουμπιών ελέγχου του παλμογράφου και μετρήσεις τάσης και χρόνου. Απαραίτητα όργανα & υλικά Παλμογράφος, Γεννήτρια AC και DC σήματος, κατάλληλα καλώδια για την εισαγωγή των σημάτων στον παλμογράφο. Εκτέλεση πειράματος α. Αναγνώριση του panel ελέγχου του παλμογράφου 1. Ο παλμογράφος είναι αποσυνδεμένος από την πρίζα (power off). 2. Αναγνωρίσετε στον παλμογράφο σας τα κουμπιά ελέγχου που εικονίζονται στην 1 η σελίδα της Άσκησης του Παλμογράφου. β. Απεικόνιση ηλεκτρικού σήματος στην οθόνη του παλμογράφου I. Εναλλασσόμενο (AC) σήμα 1. Για να πειραματιστείτε στην απεικόνιση ενός AC σήματος στον παλμογράφο χρησιμοποιήσετε σαν σήμα εισόδου του παλμογράφου την έξοδο μιας γεννήτριας AC (~), πχ ημιτονοειδούς σήματος. Το σήμα το εισάγεται σε ένα από τα δύο κανάλια του παλμογράφου, πχ στο κανάλι Ι, χρησιμοποιώντας το κατάλληλο καλώδιο. Επειδή οι είσοδοι του παλμογράφου είναι βύσματα τύπου BNC, θα πρέπει και τα καλώδια που οδηγούν τα σήματα στις εισόδους του παλμογράφου να καταλήγουν σε βύσματα τύπου BNC. Αν τα καλώδια καταλήγουν σε βύσμα άλλου τύπου, πχ «μπανάνας», χρειάζεται ένας μετατροπέας μπανάνας σε BNC. Επιλέξετε να απεικονίζεται στην οθόνη μόνο το κανάλι που έχετε εισάγει το προς μελέτη σήμα. Επιλέξετε από την συσκευή της γεννήτριας του ημιτονοειδούς σήματος μια τυχαία συχνότητα, πχ της τάξης 1 khz. (Η συχνότητα επιλέγεται από το panel της γεννήτριας, από τα κουμπιά ελέγχου με την ένδειξη Frequency, ενώ το πλάτος της από το κουμπί με την ένδειξη Amplitude). 2. Για να δείτε καλή εικόνα του σήματος εισόδου στην οθόνη, θα πρέπει να ρυθμίσετε επιπλέον την φωτεινότητα και την εστίαση της φωτεινής δέσμης, δηλαδή INTENS. (κουμπί 2 στο πάνελ) και FOCUS (κουμπί 4 στο πάνελ). Επίσης να τοποθετήσετε το σήμα στην οθόνη σας σε βολική θέση (κουμπιά X-POS και Υ-POS) και να φροντίσετε να απεικονισθούν δύο περίοδοι του σήματος στην οθόνη, δηλαδή να επιλεγεί η κατάλληλη κλίμακα VOLTS/DIV και ΤΙΜΕ/DIV. Παρατηρήσετε τις αλλαγές του σήματος όταν αλλάζετε τα control ενίσχυσης με τα κουμπιά 13, 33 στο πάνελ, σε διαφορετικές θέσεις. Όταν κάνετε μετρήσεις πρέπει τα control ενίσχυσης να βρίσκονται τελείως δεξιά, στην θέση CAL. Παρατηρήσετε τις αλλαγές του σήματος όταν αλλάζετε τους περιστροφικούς διακόπτες τάσης και χρόνου (κουμπιά 26, 12 στο πάνελ). 3. Από το panel της AC γεννήτριας του εργαστηρίου αλλάξετε το σήμα εισόδου. Επιλέξετε σήμα διαφορετικής μορφής, πχ τετραγωνικό σήμα. Οι συχνότητες που θα επιλέξετε διαδοχικά να είναι διαφορετικής τάξης, πχ 10 khz, 100 khz, 1 MHz, 50 Hz. Το πλάτος (Amplitude) να το διατηρήσετε ίδιο. Σκοπός σας θα είναι να απεικονίσετε το σήμα σας όσο καλύτερα γίνεται ώστε να είναι δυνατό να μετρηθεί. - 18 -
Μετρήσεις γ. Μέτρηση του πλάτους και της περιόδου εναλλασσόμενου (AC) ημιτονοειδούς σήματος 1. Ρυθμίστε την γεννήτρια συχνοτήτων ώστε να σας παρέχει ημιτονοειδές σήμα με συχνότητα f=2000 Hz και τυχαίο πλάτος V 0. 2. Συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας συχνοτήτων με το κανάλι Ι ή ΙΙ του παλμογράφου (σχήμα 1.5) και ρυθμίστε τον παλμογράφο έτσι ώστε να παρατηρείτε καθαρά το ημιτονοειδές σήμα στην οθόνη του. Σχήμα 1.5 3. Μετρήστε το πλάτος V 0 και την περίοδο Τ του σήματος. V 0 =.. Volts, T =. Sec 4. Μετρήστε με το πολύμετρο (σαν βολτόμετρο), στα άκρα της εξόδου της γεννήτριας συχνοτήτων, την ενεργή τιμή V rms της τάσης (πλάτους) του σήματος. V rms =.. Volts Επεξεργασία γ μέρους. 1 1. Από την σχέση f (από την Τ που μετρήσατε) υπολογίστε την συχνότητα f. T 2. Συγκρίνετε την τιμή της συχνότητας f που υπολογίσατε με αυτήν των 2000 Hz. V0 3. Από την σχέση Vrms (από την V 0 που μετρήσατε) υπολογίστε την ενεργή τιμή 2 του πλάτους V rms. 4. Συγκρίνετε την ενεργή τιμή του πλάτους V rms που υπολογίσατε με αυτήν που μετρήσατε με το πολύμετρο. 5. Από τη σχέση ω = 2πf υπολογίστε γωνιακή συχνότητα ω του σήματος σας. ω =.rad/sec 6. Από τη σχέση V sin( ) ( ) V0 t γράψτε την εξίσωση που μας δίνει το πλάτος του t συγκεκριμένου σήματος της γεννήτριας συχνοτήτων για κάθε χρονική στιγμή t. V (t) = - 19 -
II. Συνεχές (DC) σήμα 1. Για να πειραματιστείτε στην απεικόνιση ενός DC ηλ. σήματος θέσετε την συσκευή της γεννήτριας σε DC λειτουργία (αν έχει αυτή την δυνατότητα) ή χρησιμοποιήσετε την έξοδο ενός DC τροφοδοτικού σαν είσοδο σε ένα από τα κανάλια του παλμογράφου, πχ στο κανάλι ΙΙ και επιλέξετε στην οθόνη σας να απεικονίζεται μόνο αυτό το κανάλι. 2. Επιλέξετε να παρατηρήσετε την μηδενική τάση αναφοράς (σύζευξη GD, κουμπί 36 στο πάνελ) και να την μετακινήσετε στη μέση του πλέγματος της οθόνης (κουμπί Y-POS). 3. Να απεικονίσετε στην οθόνη το DC σήμα (σύζευξη DC, κουμπί 36 στο πάνελ). Παρατηρήσετε τις αλλαγές του σήματος όταν αλλάζετε τα control ενίσχυσης (κουμπιά 27, 33 στο πάνελ) σε διαφορετικές θέσεις. Όταν κάνετε μετρήσεις τα control ενίσχυσης πρέπει να βρίσκονται τελείως δεξιά στην θέση CAL. Παρατηρήσετε τις αλλαγές του σήματος όταν αλλάζετε τους περιστροφικούς διακόπτες τάσης και χρόνου (κουμπιά 34, 12, στο πάνελ). Μετρήσεις 1. Να μετρήσετε στην οθόνη του παλμογράφου την τάση ενός DC σήματος (είναι το γινόμενο της απόστασης μεταξύ της μηδενικής τάσης GD και της ζητούμενης τάσης επί τον επιλεγμένο συντελεστή VOLTS/DIV). 2 ο μέρος Διάφορα πειράματα με παλμογράφο Πείραμα Α1.2. Μέτρηση της Εσωτερικής Αντίστασης του Παλμογράφου Πρόβλημα Να μετρηθεί η εσωτερική αντίσταση του παλμογράφου. Απαραίτητα όργανα & υλικά Ένας παλμογράφος, μία γεννήτρια AC χαμηλών συχνοτήτων, ένα κιβώτιο αντιστάσεων x 10 ΜΩ και x 1ΜΩ. Θεωρία Η εμπέδιση της εισόδου ενός παλμογράφου, όπως σε όλους τους ενισχυτές δεν είναι άπειρη. Μπορεί να θεωρηθεί ότι η εμπέδιση της εισόδου αποτελείται από μια αντίσταση R e (της τάξης των ΜΩ) παράλληλη με ένα πυκνωτή C (της τάξης pf). Σε χαμηλές συχνότητες, η εμπέδιση της εισόδου περιορίζεται στην αντίσταση R e. Το κύκλωμα που συναρμολογείτε δείχνεται στο σχήμα 1.6. Είναι μια κλασσική συνδεσμολογία που επιτρέπει τον υπολογισμό της εισόδου ενός ενισχυτή. Η έξοδος εισάγεται στην μια είσοδο του παλμογράφου, πχ την Y1 και το πλάτος της ταλάντωσης παρατηρείται στην οθόνη του παλμογράφου. Προσοχή! Η έξοδος εισάγεται στον παλμογράφο ως εξής: Η είσοδος του καναλιού Ι φέρει βύσμα τύπου BNC που δέχεται ομοαξονικό καλώδιο (δύο σύρματα ομοαξονικά, μονωμένα μεταξύ τους, εκ των οποίων το εξωτερικό είναι η γείωση). Η γείωση της - 20 -
εισόδου του παλμογράφου θα συνδεθεί με την γείωση της γεννήτριας μέσω της γείωσης του ομοαξονικού καλωδίου. Tο κεντρικό καλώδιο θα συνδέσει την είσοδο του παλμογράφου με την μια άκρη της μεταβλητής αντίστασης (ή το κουτί των διαφορετικών αντιστάσεων). Σχήμα 1.6: Μέτρηση της αντίστασης εισόδου του παλμογράφου Εκτέλεση του πειράματος 1. Ρυθμίστε την γεννήτρια συχνοτήτων ώστε να σας παρέχει ημιτονοειδές σήμα με μια χαμηλή συχνότητα, πχ 1000 Hz (για την οποία η χωρητικότητα της εισόδου είναι αμελητέα) και τυχαίο πλάτος V 0. 2. Συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας συχνοτήτων με το κανάλι Ι ή ΙΙ του παλμογράφου (σχήμα1.5) και ρυθμίστε τον παλμογράφο έτσι ώστε να παρατηρείτε καθαρά το ημιτονοειδές σήμα στην οθόνη του. 3. Μετρήστε το πλάτος V 0 (τάση) του σήματος. V 0 =.. Volts 4. Συνδέστε σε σειρά όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα το κουτί με τις διάφορες τιμές των αντιστάσεων ή μία μεταβλητή αντίσταση, (σχήμα 1.6). 5. Ενώ παρατηρείτε συνέχεια την τάση στον παλμογράφο, επιλέξετε διάφορες τιμές αντιστάσεων μέχρι η τάση να γίνει η μισή της αρχικής. V 0 = V 0 /2 =.. Volts 6. Τότε η τιμή της εξωτερικής αντίστασης R που έχετε συνδέσει σε σειρά ισούται με την αντίσταση εισόδου του παλμογράφου R e και ισχύει, R=R e. Άρα, R e = Ω Στο πείραμα αυτό μπορείτε να χρησιμοποιήσετε και DC τάση. - 21 -