Измеритель проекции вектора напряженности переменного электрического поля

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов. Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей. Измеритель содержит регистрирующий прибор, измерительную тороидальную катушку индуктивности и первый усилитель переменного тока, выводы которого соединены с вводами регистрирующего прибора, а вводы его соединены с выводами измерительной тороидальной катушки индуктивности. Кроме того, он содержит второй усилитель переменного тока, опорную тороидальную катушку индуктивности, выводы которой соединены с вводами второго усилителя переменного тока, измеритель разности фаз, первые вводы которого соединены с выводами первого усилителя переменного тока, а вторые вводы его соединены с выводами второго усилителя переменного тока. 3 ил.

 

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов.

Известны измерители вектора напряженности электрического поля с помощью компенсационной схемы (Г.А.Рязанов. Опыты и моделирование при изучении электромагнитного поля. М.: Наука, 1966, с.75). Они позволяют контактным способом измерять проекцию вектора напряженности и ее знак только стационарного электрического поля.

Известны измерители напряженности индукционного электрического поля контактным способом на листах фольги или в электропроводной бумаге (Г.А.Рязанов. Электрическое моделирование с применением вихревых полей. М.: Наука, 1960, с.130). С помощью этих измерителей можно определить величину проекции переменного электрического поля, но нельзя определить знак этой проекции.

Наиболее близким к предлагаемому измерителю проекции вектора напряженности переменного электрического поля является датчик составляющих вектора напряженности переменного электрического поля (SU авторское свидетельство №317003, 07.10.1971, бюл. №30. Авторы: Н.И.Калашников и В.И.Гордиенко). Он содержит (фиг.1) регистрирующий прибор 3, измерительную тороидальную катушку индуктивности 1 и первый усилитель переменного тока 2, выводы которого соединены с вводами регистрирующего прибора 3, а вводы его соединены с выводами измерительной тороидальной катушки индуктивности 1. С помощью этого датчика можно измерить величину проекции вектора напряженности электрического поля на выбранное направление, но нельзя определить знак этой проекции.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа. Эта цель достигается тем, что в него введены: второй усилитель переменного тока; опорная тороидальная катушка индуктивности, выводы которой соединены с вводами второго усилителя переменного тока; измеритель разности фаз, первые вводы которого соединены с выводами первого усилителя переменного тока, а вторые вводы его соединены с выводами второго усилителя переменного тока.

На фиг.1 изображен прототип предлагаемого измерителя, на фиг.2 представлен чертеж, поясняющий принцип его работы. На фиг.3 изображен общий вид этого измерителя.

Предлагаемый измеритель проекции вектора напряженности переменного электрического поля содержит: 1 - измерительная тороидальная катушка индуктивности; 2 - первый усилитель переменного тока; 3 - регистрирующий прибор; 4 - измеритель разности фаз; 5 - опорная тороидальная катушка индуктивности; 6 - второй усилитель переменного тока.

Определение проекции вектора напряженности переменного электрического поля осуществляется, например, при вычислении циркуляции вектора напряженности переменного электрического поля. Циркуляция вектора по замкнутому контуру l

где - вектор элемента контура, направленного из точки В по направлению обхода контура l (фиг.2); Е_l=Еcosα - проекция вектор на направлении вектора α - угол между векторами и

Заменим интеграл (1) конечной суммой:

где Е_li - проекции вектора на направления в i-ых точках, Δl_i - элементы контура конечной длины, соответствующие i-ым точкам.

Если измерительную тороидальную катушку индуктивности 1 расположить так, чтобы ось ее (нормаль ) совпадала с направлением вектора (фиг.2), то проекция вектора напряженности переменного электрического поля E_li на направление в i-ой точке определяется по формуле:

где ε_i - ЭДС, измеряемая регистрирующим прибором 3; ν - частота переменного электрического поля, ε₀ - электрическая постоянная, μ₀ - магнитная постоянная, μ - магнитная проницаемость среды тороидальной катушки, S - площадь проема тороидальной катушки 1, h - аксиальный размер сердечника, R_н, R_в - наружный и внутренний радиус сердечника, W - число витков тороидальной катушки, β - постоянный коэффициент.

Подставляя выражение (3) в формулу (2), получим окончательное выражение для определения циркуляции вектора по замкнутому контуру l:

Из выражения (4) следует, что для определения циркуляции вектора по произвольному замкнутому контуру l необходимо разбить этот контур на n частей. Измерить ЭДС ε_i в каждой i-ой точке контура, вычислить сумму всех n произведений ε_iΔl_i и умножить на β. Значение ε_i необходимо брать со своими знаками. Покажем, каким образом определяются знаки ЭДС ε_i.

Если в произвольной i-ой точке угол α между векторами и лежит в пределах 0°≤α≤90°, то проекция E_li будет положительной и знак при ε_i в формуле (4) будет также положительным (точки А, В, С на фиг.2). Если в i-ой точке 90°<α≤180°, то проекция E_li будет отрицательной и знак при ε_i в формуле (4) будет отрицательным (точки D, F на фиг.2).

Рассмотрим работу предлагаемого измерителя (фиг.3) на примере

определения циркуляции вектора по формуле (4). Для этого в исследуемую точку В (фиг.2) устанавливаем измерительную тороидальную катушку индуктивности 1. Через ее центральное отверстие (проем) S (фиг.1) будет проходить пучок силовых линий электрического поля. Всякое изменение электрического поля порождает магнитное поле которое в измерительной тороидальной катушке индуктивности 1 будет направленно по окружности. При пересечении магнитными силовыми линиями витков измерительной тороидальной катушки индуктивности 1 в них наводится ЭДС, пропорциональная измеряемой проекции E_li вектора напряженности переменного электрического поля которая по экранированному кабелю подается на первый усилитель переменного тока 2, а затем на регистрирующий прибор 3 и на первый вход (x) измерителя разности фаз 4. В качестве регистрирующего прибора 3 может быть, например, вольтметр с большим входным сопротивлением. Рядом и параллельно с измерительной тороидальной катушкой индуктивности 1, установленной в исходную точку В (фиг.2), располагаем точно такую же опорную тороидальную катушку индуктивности 5, в которой также наводится ЭДС. Эта ЭДС по экранированному кабелю подается на второй усилитель переменного тока 6, а с него на второй вход (y) измерителя разности фаз 4. В процессе работы опорная тороидальная катушка индуктивности 5 остается на месте, в исходной точке В, а измерительная тороидальная катушка индуктивности 1 устанавливается в нужные точки электрического поля, например, в точки А, В, С, D, F (фиг.2).

Если угол α между векторами и в i-ой точке контура l (фиг. 2) лежит в пределах 0°≤α≤90°, то на выходе измерителя разности фаз 4, например, фазового детектора, будет положительное напряжение. В этом случае проекция Е_li и, соответственно, ЭДС ε_i в формуле (4) будут иметь положительные знаки. Если угол α между векторами и в i-ой точке контура l лежит в пределах 90°<α≤180°, то на выходе измерителя разности фаз 4 будет отрицательное напряжение. В этом случае проекция E_li и, соответственно, ЭДС ε_i в формуле (4) будут иметь отрицательные знаки.

Таким образом, по измеренной ЭДС регистрирующим прибором 3 в произвольной i-ой точке переменного электрического поля определяем по формуле (3) проекцию вектора напряженности переменного электрического поля на направление вектора обхода Знаки проекций E_li в каждой точке электрического поля определяем по знаку напряжения измерителя фаз 4.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого измерителя проекции вектора напряженности переменного электрического поля заключается в расширении функциональных возможностей прототипа. Измеритель обеспечивает повышение качества усвоения основных законов и явлений физики обучаемыми.

Предлагаемый измеритель реализован на кафедре физики и используется в учебном процессе на лабораторных работах.

Измеритель проекции вектора напряженности переменного электрического поля, содержащий регистрирующий прибор, измерительную тороидальную катушку индуктивности и первый усилитель переменного тока, выводы которого соединены с вводами регистрирующего прибора, а вводы его соединены с выводами измерительной тороидальной катушки индуктивности, отличающийся тем, что в него введены второй усилитель переменного тока, опорная тороидальная катушка индуктивности, выводы которой соединены с вводами второго усилителя переменного тока, измеритель разности фаз, первые вводы которого соединены с выводами первого усилителя переменного тока, а вторые вводы его соединены с выводами второго усилителя переменного тока.