网站原创【摘 要】本文根据我校大学物理实验室的现状,设计出电磁学组合实验仪,能够完成RC、RL、RLC串联电路的谐振及暂态特性、交流电桥等学生实验,能够进行电阻、电容、电感等物理量的测量.不仅给学生的学习以更大的选择空间,而且可以增强学生的综合实验和创新实验能力.
【关 键 词】组合实验仪；暂态；谐振；交流电桥
1.引言
电磁学是大学物理重要的组成部分,实验是学习电磁学的重要手段和兴趣来源.然而,由于实验条件的限制,在我校大学物理实验室,学生可做的电磁学实验仅有使用示波器测定电信号的基本参量、RLC串联谐振特性的研究及暂态特性的研究等项目,远远不能满足学生的学习需要.因此,我们运用学校现有的实验仪器,设计了电磁学组合实验仪器,能够完成RLC串联电路的谐振和暂态特性的研究,同时还可组合成电感电桥、电容电桥,分别进行交流电桥实验,可以实现对电阻、电感、电容值的测量.不仅提高了实验仪器的利用率,而且提高了学生的综合实验能力.
2.相关的实验原理
2.1RLC串联电路暂态特性
RLC电路的暂态过程就是当电源接通或断开后的瞬间,电路中的电流和电压呈现非稳定的变化过程.实验研究RC串联电路、RL串联电路、LRC串联电路在暂态过程中的瞬时特性,研究与之相关联的过电压和过电流现象,对于学生进一步认识这种电路的工作机制,防止暂态过程产生损害,利用这一过渡过程获得更有用的高电压和大电流有不可替代的作用.
在电磁学实验中,往往是在RLC串联电路的暂态特性实验之前,先进行RC、RL暂态特性实验.它们实际上可以视为在RLC串联电路中、的特殊情况.
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RC电路暂态过程中相应的方程（1）的解为：充电过程：,放电过程：.可见,RC串联电路中的过渡时间τ与RC有关,τ值大过渡时间长,电路电压变化缓慢.RL电路的暂态过程也可作相似的讨论.
2.2RLC串联谐振电路特性实验原理
将简谐交流电压加在由电阻、电感、电容组成的电路,电路中的电流和电压将随着电源的频率的不同而改变.这种关系称为幅频特性.RLC串联电路如图1所示[1—2]：
RLC电路回路中电流I为：
由此可见,直流电桥实际上有两个平衡条件：一是复阻抗模的平衡,二是复阻抗幅角的平衡.只有这两个平衡条件同时被满足,交流电桥才能达到平衡.根据交流电桥的平衡原理,可连接出各种可行的电桥电路
当K断开时：
（1）将示波器连接在1、2位置,和调节适当,可以完成RLC串联谐振特性的研究；
（2）将示波器连接在2、3位置,调节,可以完成RC串联电路暂态特性的研究；
（3）将示波器连接在2、4位置,调节,可以完成RL串联电路暂态特性的研究；
（4）将示波器连接在2、3位置,和调节适当,可以完成RLC串联电路暂态特性的研究.
当K连接6或7时,都构成交流电桥电路,可以完成交流电桥实验,也可以完成对电阻进行的测量.
当K连接6时,构成交流电桥电路：
将示波器连接在2、5位置,调节,可以完成电阻、电感值的测量.
当K连接7时,构成交流电桥电路：
将示波器连接在2、5位置,调节,可以完成电阻、电容值的测量.
根据以上设计出的电路,我们进行了实际接线和操作,图8为实物接线图.
4.组合实验仪完成实验的情况
按照以上设计电路,我们进行了实际接线和操作,完成了RC、RL、RLC串联电路的谐振特性研究、暂态特性研究、交流电桥实验、电感、电容值的测量等学校规定的几个学生必做实验,取得了理想的实验结果.
4.1RLC串联电路的暂态特性
按图7连线.K断开,将示波器连接在2、3位置,调节,实现RC串联电路的暂态特性的实验研究.选择电容,调节函数发生器使其输出方波信号,选择信号频率为f等于500Hz,输出电压5V,的电阻值分别调整为1K、10K、100K,测得电容两端电压,观察并记录示波器显示的波形.
K断开,将示波器连接在2、4位置,调节,实现RL串联电路的暂态特性的实验研究.选择电容,调节函数发生器使其输出方波信号、信号频率为f等于500Hz,输出电压5V,的电阻值分别调整为100、500、2K,测量电容两端电压,观察并记录示波器显示的波形.
K断开,将示波器连接在2、3位置,取,,实现RLC串联电路的暂态特性的实验研究.调节函数发生器使其输出方波信号、信号频率为f等于500Hz,输出电压5V,测量电容两端电压,调节从500开始逐渐增大,观察并记录各种波形.可以得到欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种不同的状态.
4.2RLC串联电路的谐振特性
按图7连线,K断开,将示波器连接在1、2位置,选择,,,电源电压峰峰值为2V,实现RLC串联电路的谐振特性的实验研究.调节信号发生器频率,使测量范围从估算中心频率向两侧,每隔50Hz测一次电压值,在谐振点附近应多测几个点,记录数据要求40组以上,可以得到较理想的幅频特性曲线.
4.3交流电桥及相关测量实验
按图7连线.开关K打到6,构成交流电桥电路.将示波器连接在2、5位置,调节,构成电感电桥.
开关K打到7,也可以构成交流电桥电路,仍将示波器连接在2、5位置,调节,构成电容电桥.
以上两种电桥除了可以完成交流电桥实验,进行电阻测量外,还可以分别完成电感、电容的精确测量.
5.结语
同时,由于交流电桥可以通过测量电阻、电容、电感达到测量电阻率、电导率、介电常数、磁导率等物理量的测量,所以,我们设计的电磁学组合仪器除了本论文中提到的实验,还可以拓展到多个与以上物理量相关的多个学生实验,不仅可以增加实验的数量和质量,对于培养学生的综合实验能力、发散思维能力和创新能力都具有重要的意义.