Назаркевич В.А. Самодельные стенды-схемы в физическом эксперименте

При демонстрации некоторых явлений в электрических цепях, работы электронных устройств я использую самодельные стенды-схемы. Их применение сокращает время подготовки эксперимента, делает его более надежным и понятным учащимся, экономит время на уроке.

Для изготовления таких стендов используется светлый пластик, прессованный мебельный картон или фанера. Из этого материала вырезается прямоугольник размером 30 см х 40 см, лицевая сторона покрывается водоэмульсионной краской. Схема электрической цепи на этом основании вычерчивается тушью плакатным пером. Вся поверхность с начерченной схемой покрывается бесцветным лаком, чтобы тушь не размазывалась при монтаже или случайном попадании влаги. Все элементы электрической цепи закрепляются на лицевой стороне стенда на месте условного обозначения этих элементов на схеме. Соединения электрической цепи выполняются медными проводами методом пайки на обратной стороне стенда. Схема-стенд укрепляется в деревянной рамке. Для удобства проведения демонстраций к рамке прикрепляют подставку.

Стенд «ЭДС самоиндукции при размыкании электрической цепи»

Электрическая цепь (рис. 1) состоит из катушки индуктивности, неоновой лампочки и полупроводникового диода.

Рис. 1

В качестве катушки индуктивности можно использовать дроссель (индуктивность около 0,4 Гн) или выходной трансформатор звукового канала радиоприемника или телевизора, вторичная обмотка убирается. Неоновую лампочку лучше взять с дисковыми электродами, можно использовать и тиратрон МТХ-90, включив его без управляющего электрода. Диод используется маломощный любой, только обратное сопротивление должно быть как можно большим.

Для демонстрации явления возникновения ЭДС самоиндукции при размыкании цепи к зажиму 2 подключают через ключ положительный полюс источника тока, к зажиму 1 – отрицательный полюс. В качестве источника тока используется гальванический элемент напряжением 1,5 В. Замыкают и размыкают цепь и наблюдают яркие вспышки неоновой лампочки. Обращают внимание учащихся на то, что неоновая лампочка вспыхивает только при размыкании электрической цепи. Это доказывает то, что ЭДС самоиндукции по величине во много раз превышает напряжение источника тока, так как порог зажигания неоновой лампочки около 110-130 В. В этом опыте подтверждается правило Ленца об ЭДС электромагнитной индукции, направление которой таково, что она препятствует исчезновению тока в цепи. Если поменять местами провода на зажимах 1 и 2, то при размыкании цепи лампочка вспыхивать не будет, так как ЭДС самоиндукции изменила направление, а диод в этом случае оказался включенным на обратный ток, который очень мал. Если диод на стенде-схеме сделать съемным, то, поменяв его контакты местами, наблюдают опять яркие вспышки неоновой лампочки при размыкании цепи.

Стенд «Активное, индуктивное и емкостное сопротивления в цепи переменного тока»

На стенде-схеме изображаются три участка электрической цепи (рис. 2): резистор, катушка индуктивности и конденсатор с последовательно включенными с ними электрическими лампочками.

Рис. 2

При демонстрации в качестве источника переменного тока используется генератор звуковой частоты, выход генератора на сопротивление 5 Ом. Электрические лампочки берутся – 2,5 В, 0,15 А, чтобы избежать перегрузки генератора при подключении одновременно всех трех цепей. Резистор – кусочек спирали электронагревательного прибора сопротивлением около 2 Ом, конденсатор используется бумажный емкостью 20 мкФ. Катушка индуктивности наматывается на кусочке ферритового стержня длиной 50 мм медным проводом диаметром 0,3-0,5 мм. Количество витков подбирается экспериментально, чтобы индуктивность катушки была около 4 мГн, при этом лампочки, включенные последовательно катушке и конденсатору, при частоте 500-600 Гц горят одинаково. При испытаниях цепей и демонстрациях нельзя включать генератор при подключенных к нему цепях, так как толчок напряжения при включении генератора выведет из строя лампочки.

Стенд позволяет продемонстрировать зависимость активного, индуктивного и емкостного сопротивлений от частоты переменного тока.

Цепь с активным сопротивлением подключают к генератору, устанавливают частоту 600 Гц, регулятор выходного сигнала генератора устанавливают на 0. Потом включают генератор, замыкают ключ и устанавливают уровень выходного сигнала таким, чтобы лампочка горела средним накалом. Изменяя частоту выходного сигнала, убеждаются, что накал лампочки практически не изменяется. Это означает, что активное сопротивление с изменением частоты не изменяется, т.е. от частоты не зависит.

Таким же образом подключают к генератору цепь с индуктивным сопротивлением. Изменяя частоту сигнала генератора, замечают, что с увеличением частоты накал лампочки уменьшается, т.е. сопротивление цепи с индуктивностью увеличивается. Также доказывают, что емкостное сопротивление с увеличением частоты уменьшается. Можно все три цепи соединить параллельно и одновременно подключить к генератору и наблюдать изменения накала лампочек, включенных в цепь с индуктивностью и емкостью при изменении частоты.

Для демонстрации резонанса в последовательной цепи переменного тока собирают цепь следующим образом: замыкают зажимы 3 и 5 проводником, а звуковой генератор подключают к зажимам 4 и 6. Получается цепь с последовательно соединенными катушкой индуктивности, конденсатором и электрической лампочкой. Устанавливают частоту генератора на диапазон 200-2000 Гц. Включив цепь, регулятором выхода генератора устанавливают слабый накал лампочки при частоте 200 Гц. После этого частоту увеличивают и наблюдают, что сначала накал лампочки увеличивается, потом начинает уменьшаться. При частоте около 600 Гц накал лампочки наибольший. Это и есть резонансная частота. Обращают внимание учащихся на то, что при этой частоте емкостное сопротивление равно индуктивному и величина тока в цепи зависит, согласно закону Ома для цепи переменного тока, только от величины активного сопротивления цепи. Используя равенство индуктивного и емкостного сопротивлений, получают резонансную частоту, частоту, определяемую формулой Томсона, для свободных колебаний в контуре. Подтверждается общее условие резонанса: совпадение частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний системы.

Применение осциллографа при выполнении демонстрации расширяет возможности эксперимента.

Стенд «Выпрямитель переменного тока»

Электрическая цепь выпрямителя (рис. 3) состоит из трансформатора, вторичная понижающая обмотка которого имеет две части и два полупроводниковых диода.

Рис. 3

Трансформатор можно взять из набора трансформатор на панелях 42 В/4 В. Разобрав сердечник, на катушке вторичной обмотки наматывают 100 витков проводом такого же сечения, как в имеющейся вторичной обмотке. Получается вторичная обмотка с выводом от средней точки. Диоды можно использовать любые на силу тока не менее 5 А. Это дает возможность использовать стенд-схему для выполнения лабораторной работы практикума «Измерение КПД выпрямителя переменного тока».

Выпрямление переменного тока можно продемонстрировать так: первичную обмотку трансформатора с помощью зажимов 1 и 2 подключают к сети переменного тока напряжением 36 В. К контактам 4 и 6 подключают электрическую лампочку, рассчитанную на напряжение 3,5 В. Включив трансформатор, с помощью осциллографа, вход которого подключен к контактам 3 и 4, наблюдают осциллограмму переменного напряжения на вторичной обмотке. Переключив вход осциллографа к контактам 4 и 6, наблюдают осциллограмму выпрямленного напряжения на нагрузке. В этом случае получается однополупериодное выпрямление. Соединив же контакты 6 и 7 проводником, получают двухполупериодное выпрямление.

При небольших токах нагрузки (10-20 мА) во вторичной обмотке можно продемонстрировать роль конденсатора в качестве сглаживающего фильтра. Для этого конденсатор емкостью 100-200 мкФ подключают к выходу выпрямителя и с помощью осциллографа наблюдают уменьшение пульсаций напряжения на нагрузке.

Для выполнения лабораторной работы практикума «Измерение КПД выпрямителя переменного тока» собирается электрическая цепь (рис. 4): миллиамперметр переменного тока с пределом измерения 500 мА измеряет силу тока в первичной обмотке; напряжение на первичной обмотке – это напряжение, подаваемое к ученическим лабораторным столам (36 В); амперметр лабораторный с пределом измерения 2 А измеряет силу тока в нагрузке; вольтметр лабораторный с пределом измерения 6 В измеряет напряжение на нагрузке; лабораторный ползунковый реостат сопротивлением 6 Ом выполняет роль нагрузки.

Рис. 4

Напряжение на первичной обмотке измеряют один раз, так как в процессе выполнения работы оно изменяться не будет. Его можно измерить авометром АВО-63, который при дальнейших измерениях используется как миллиамперметр. Зная силу тока в первичной обмотке и напряжение на ней, вычисляют мощность, потребляемую выпрямителем от сети. По показаниям амперметра и вольтметра на выходе выпрямителя определяют мощность, отдаваемую выпрямителем нагрузке (реостату). Отношение этой мощности к мощности, потребляемой выпрямителем от сети, равно КПД выпрямителя. Изменяя силу тока реостатом на выходе выпрямителя, можно получить 5-6 значений КПД и установить зависимость КПД выпрямителя от нагрузки.

Стенд «Изучение работы транзистора»

На панели стенда вычерчивается схема включения транзистора с общим эмиттером (рис. 5).

Рис. 5

Панель стенда лучше всего сделать из пластика во избежание утечки в цепи базы транзистора. На панели устанавливаются зажимы 1 и 2 для подключения источника питания базовой цепи, 3 и 4 для подключения источника питания цепи коллектора и гнезда или зажимы для подключения микроамперметра и миллиамперметра, переменный резистор сопротивлением 1-2 кОм, транзистор малой мощности типа МП-40 с коэффициентом усиления не менее 40.

Для демонстрации или при выполнении лабораторной работы практикума «Исследование зависимости тока коллектора от тока в цепи базы» к зажимам 1 и 2 подключают через ключ гальванический элемент напряжением 1,5 В, к зажимам 3 и 4 – источник питания цепи коллектора напряжением 12-15 В, желательно с регулируемым напряжением. К зажимам А и В подключают демонстрационный гальванометр для измерения тока в цепи базы в пределах до 100 мкА, к зажимам С и D подключают миллиамперметр для измерения тока в цепи коллектора с пределом измерения до 50 мА.

Сначала включают источник питания цепи коллектора и устанавливают напряжение 10 В. Потом включают цепь базы и, регулируя резистором ток от 0 до 100 мкА, замечают изменение тока в цепи коллектора при постоянном напряжении в цепи коллектора. Обращают внимание учащихся на то, что изменение тока в цепи коллектора в десятки раз превышает изменение тока в цепи базы. В этом случае транзистор работает как усилитель по току. По данным измерениям можно вычислить коэффициент усиления транзистора: .

Включив вместо миллиамперметра электромагнитное реле, подобрав его таким образом, чтобы при токе в цепи базы 100 мкА реле надежно срабатывало, можно продемонстрировать учащимся работу транзистора в роли ключа замыкания или размыкания электрической цепи.

Стенд «Генератор релаксационных колебаний»

Электрическая цепь генератора (рис. 6) состоит из неоновой лампочки, конденсатора емкостью 0,1 мкФ, переменного резистора сопротивлением 180 кОм, полупроводникового диода Д7Ж или Д226Б.

Рис. 6

Для подключения генератора к сети переменного тока напряжением 220 В установлены зажимы 1 и 2, для подключения громкоговорителя – гнезда или зажимы 3 и 4, для подключения дополнительного конденсатора – гнезда А и В.

При включении цепи генератора конденсатор заряжается через резистор и, как только напряжение на нем станет равным напряжению зажигания неоновой лампочки, происходит кратковременный разряд конденсатора через неоновую лампочку, и мы наблюдаем ее вспышку. Далее конденсатор начинает заряжаться снова и разряд повторяется. Таким образом, в цепи неоновой лампочки возникают импульсы тока, частота чередований которых зависит от емкости конденсатора и сопротивления резистора. При указанных параметрах конденсатора и резистора генератор работает в диапазоне звуковых частот. Характер получаемых импульсов тока можно исследовать с помощью осциллографа, если его вход подключить к точкам 3 и 4.

Работу генератора можно продемонстрировать в роли электрического метронома. Для этого к гнездам А и в подключают батарею конденсаторов и при емкости в несколько микрофарад период следования импульсов составит несколько секунд. Для ограничения тока в громкоговорителе во время импульса последовательно с ним нужно включить резистор 20-30 Ом. Путем изменения сопротивления резистора и емкости конденсатора можно изменять период следования импульсов в пределах 10 с и более.

Для изготовления описанных выше пособий можно привлечь учащихся, увлекающихся техническим творчеством. Необходимые детали можно взять от старых электронных устройств и измерительных приборов.