Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» (стр. 1 )

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Алтайский государственный технический университет

им. »

 

, ,

 

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Физические основы получения информации»

для студентов направления 200100

«Приборостроение»

 

Часть 3

 

Барнаул 2012г.

УДК 53.08(075.5)

, , Седалищев указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» для студентов направления 200100 «Приборостроение» Часть 3 / АлтГТУ им. . - Барнаул, 2012.- 24с.

 

Методические указания содержат краткие теоретические сведения, задания к лабораторным работам, требования к оформлению отчетов.

 

Рассмотрены и одобрены

на заседании кафедры

«Информационные технологии»

Протокол №2 от 22 ноября 2011г.

 

Лабораторная работа №1

«Исследование электропотенциального

измерительного преобразования»

 

Краткие теоретические сведения

Физической основой электропотенциального преобразования является зависимость распределения электрического потенциала на поверхности объекта, по которому протекает электрический ток, от свойств этого объекта.

Картину электрического поля на поверхности проводящего электрический ток объекта удобно представлять линиями напряженности поля Е (силовыми линиями, линиями тока) и эквипотенциальными линиями (рисунок 1.1).

 

Рисунок 1.1 - Картина силовых и эквипотенциальных линий в пластине с прорезью

 

Рисунок 1.2 - Картина силовых и эквипотенциальных линий в пластине без прорези

 

Эквипотенциальными называются линии, все точки которых находятся под одним потенциалом j. Величины Е и j связаны соотношением:

, (1.1)

где dl − элементарное линейное перемещение вдоль линии максимального

изменения φ.

Линии напряженности электрического поля всегда нормальны к эквипотенциальным линиям. Эквипотенциальные линии обычно проводятся таким образом, чтобы разность потенциалов двух любых соседних линий была величиной постоянной. В этом случае по густоте эквипотенциальных линий можно судить о значении напряженности электрического поля.

Величины плотности тока  и напряженности электрического поля  связаны соотношением:

=s, (1.2)

где s - удельная электрическая проводимость.

На постоянном токе картина электрического поля на поверхности объекта определяется электрической проводимостью его материала, размерами и формой объекта, расположением подводящих электрический ток электродов, наличием включений с отличающимися от основного материала свойствами. На переменном токе ввиду скин-эффекта кроме вышеперечисленных факторов на картину электрического поля оказывают влияние частота электрического тока и магнитная проницаемость материала.

 

Цель работы: Ознакомиться с физическими основами электропотенциального преобразования, экспериментально определить картину электрического поля на поверхности проводящей электрический ток пластины и влияние на топографию поля месторасположения токопроводящих электродов, наличия и ориентации несплошности (прорези) пластин.

 

Программа работы

Определить картины электрических полей (эквипотенциальные линии и линии напряженности) при пропускании постоянного электрического тока через пластину без прорези при различном расположении токоподводящих электродов.

Определить картины электрических полей (эквипотенциальные линии и линии напряженности) при пропускании постоянного электрического тока через пластину с прорезью при различном расположении токоподводящих электродов.

Определить распределение значений электрического потенциала и напряженности электрического поля вдоль отдельных линий напряженности поля.

 

Объекты исследования и средства измерений

Токопроводящие электрический ток пластины без прорези и с прорезью расположены на лицевой панели стенда. На пластинах имеются контактные штыри для подключения токоподводящих электродов и нулевого потенциального электрода. Для определения местоположения точек измерения имеются координатные сетки. Питание постоянным электрическим током осуществляется с блока питания – гнезда "I пластин" и "^" Измерение потенциалов точек поверхности пластин осуществляется универсальным цифровым вольтметром В7-16А (В7-21) с помощью специального измерительного щупа, имеющего измерительный электрод, провод с гнездом для подключения нулевого электрода.

 

Методические рекомендации по выполнению

лабораторной работы №1

Для экспериментального определения картины электрического поля при пропускании постоянного электрического тока через пластину без прорези используется схема согласно рисунка 1.3. Значение питающего тока установлено равным 1,5 А. Нулевой потенциальный электрод измерительного щупа подключается к контактному штырю, расположенному на поперечной оси симметрии пластины. Определение эквипотенциальных линий на поверхности пластины рекомендуется начинать с определения координат точек, имеющих нулевой потенциал. Далее определяются координаты точек, имеющих потенциалы относительно нулевого электрода ± 0,1; ± 0,2; ± 0,3 мВ и т.д.

 

Рисунок 1.3 - Функциональная схема установки

Картина эквипотенциальных линий наносится на выполненный в масштабе 1:1 чертеж пластины. Далее строятся линии напряженности электрического поля (силовые линии поля). Начальное направление силовых линий li от точек подключения токовых электродов удобно задавать через 20˚, начиная от прямой, соединяющей токовые электроды.

Экспериментальное определение картины электрического поля при пропускании постоянного электрического тока через пластину с прорезью осуществляется аналогично предыдущему случаю.

Для определения распределения значений потенциала и напряженности электрического поля вдоль отдельных силовых линий используются результаты, полученные при выполнении первых двух пунктов данного раздела. Вначале строится график зависимости φ(li) для отдельной силовой линии поля (рисунок 10 а), а далее на основе этой зависимости – график зависимости E(li). При этом для выбранных интервалов Dl находятся соответствующие им приращения ∆φ (рисунок 10 б). Значение Е, соответствующее середине интервала Dl, находится по формуле:

E= - ∆φ / ∆l. (14)

Значение Dl удобно выбирать равным 10 мм.

 

а) зависимости φ(li) для отдельной силовой линии поля;

б) приращение ∆φ

Рисунок 1.4 - График зависимости φ(li) и приращения ∆φ

 

Лабораторная работа №2

«Исследование измерительных преобразований в тепловых полях»

 

Краткие теоретические сведения

Основным уравнением измерительных преобразований в тепловых полях является уравнение теплового баланса, согласно которому подводимое к объекту количество теплоты Qвн равно сумме количества теплоты Qp, отдаваемой им в среду, и количества теплоты Qс, идущей на изменение его теплосодержания:

Qвн=Qp+ Qc. (2.1)

Количество отдаваемой в единицу времени теплоты qр (полный тепловой поток теплоотдачи) равно сумме тепловых потоков теплопроводности qm, конвекции qк и излучения qл:

qр = qm−qк−qл, (2.2)

Теплообмен посредством теплопроводности происходит путем взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру. Тепловой поток теплопроводности в некотором объекте, создаваемый разностью температур Dq определяется зависимостью:

qm=γm∆θ, (2.3)

где γm - теплопроводность объекта.

По аналогии с электрической проводимостью тепловая проводимость стержня длиной l и сечением S может быть определена как:

g=lS/l, (2.4)

где l - коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности зависит от природы и физического состояния вещества. Теплопроводность твердых тел в большинстве случаев обусловлена двумя механизмами: движением электронов проводимости (доминирует в металлах) и тепловыми колебаниями атомов решетки (определяет теплопроводность неметаллов). Соответственно теплопроводность металлов пропорциональна их электрической проводимости.

Теплообмен посредством конвекции осуществляется за счет перемещения материальных частиц, имеющих разную температуру. Тепловой поток конвекции равен:

qk = gk∆θ = αk Sn∆θ, (2.5)

где gk – проводимость теплоотдачи путем конвекции;

∆θ – разность температур окружающей среды и тела;

αk – коэффициент конвективного теплообмена;

Sn – площадь поверхности тела.

Коэффициент конвективного теплообмена зависит от размеров тела, формы поверхности, теплопроводности и вязкости взаимодействующей с телом среды, но главным образом от скорости V взаимного перемещения тела и среды. Можно ориентировочно принять, что αk пропорционален V0,4.