Logo
Logo

Ферритовый сердечник и трансформатор

Разбалловка

A0  ?? Измерьте сопротивления катушек A и B ($r_A$ и $r_B$ соответственно), а также сопротивления последовательно соединённых с ними резисторов. Все значения должны лежать в диапазоне до $15~Ом$.

А1  0.60 Проведите измерения для проверки приведённой выше модели экранирования магнитных полей при частоте $f=10~$кГц. Постройте линеаризованный график и найдите коэффициент затухания $\alpha$ для данной частоты. Фольгу необходимо располагать между катушкой A и катушкой датчика.

А1. 1 Снята зависимость $U_{out}(d).$ 5 × 0.04
А1. 2 Верная линеаризация: $ln(U_{out})=const - \alpha d.$ 0.05
А1. 3 Пересчет точек и верное нанесение на график. 5 × 0.04
А1. 4 Не подписаны оси, неправильный масштаб, не проведена прямая. 3 × -0.05
А1. 5 Получено численное значение постоянной затухания: $\alpha \in [5100; 5250]~ \cfrac{1}{м}.$ 0.15
А1. 6 Получено численное значение постоянной затухания: $\alpha \in [4900; 5500]~\cfrac{1}{м} .$ 0.10
A2  2.00 Определите коэффициент затухания $\alpha$ для нескольких частот в диапазоне $5-25~кГц$.

A2. 1 Измерена зависимость $\alpha(f)$ (по 5 измерений не более чем для 12 частот). 60 × 0.03
A2. 2 Присутствуют частоты, большие $23~кГц$ и меньшие $7~кГц.$ 0.10
A2. 3 Для измерения $\alpha$ при всех частотах используются все 4 возможные значения $d.$ 0.10
А3  1.20 Постройте график зависимости $\alpha$ от частоты.

А3. 1 Точки верно нанесены на график. 12 × 0.08
А3. 2 Получен график $\alpha(f)$, монотонный и строго выпуклый вверх. 0.24
А3. 3 Не подписаны оси, неправильный масштаб, не проведена сглаживающая кривая 3 × -0.05
B1  0.30 Экспериментально определите $m$. Нарисуйте схемы измерений, необходимых для получения численного значения этой величины.

B1. 1 Приведены верные схемы измерений. 0.20
B1. 2 Получено значение $m \in [0.55;0.65].$ 0.10
B2  1.30 Снимите зависимость $P_{пол}$ и $P_0$ от амплитуды тока во вторичной катушке $I_{B,0}$.

B2. 1 Получено выражение для полезной мощности, выделяющейся на реостате:
$$P_{пол} = \cfrac{U_2^2}{2R}{.}$$
0.20
B2. 2 Получено выражение для средней по времени мощности на генераторе: $$P_{0} = \cfrac{U_1I_1cos\varphi}{2}{.}$$ 0.20
B2. 3 Снята зависимость $P_{пол}(I_{B,0}){.}$ 9 × 0.05
B2. 4 Снята зависимость $P_{0}(I_{B,0}).$ 9 × 0.05
B3  1.20 Постройте график зависимости $\eta(I_{B,0})$. Укажите максимальное КПД $\eta_{max}$ и при каком $I^{max}_{B,0}$ оно достигается.

B3. 1 Точки верно пересчитаны и нанесены на график 9 × 0.05
B3. 2 Не подписаны оси, неправильный масштаб, не проведена сглаживающая кривая 3 × -0.05
B3. 3 Получен верный качественный вид зависимости (присутствует максимум и график сходится в $(0,0)$). 0.20
B3. 4 В диапазоне $\pm 10~мА$ от $I_{B,0}^{max}$ измерено не менее 5 точек. 0.25
B3. 5 Получено значение $\eta_{max} \in [0.80; 0.85]{.}$ 0.15
B3. 6 Получено значение $I_{B,0}^{max} \in [10; 20]~мА{.}$

 

0.15
B4  2.00 Получите зависимости относительного вклада каждого источника потерь $\dfrac{P_{Дж}}{P_0}$ и $\dfrac{P_{серд}}{P_0}$ от амплитуды тока во вторичной катушке $I_{B,0}$. Постройте их графики.

B4. 1 В $P_{дж}$ учтены потери на резисторе $R_0$, используемом для измерения тока. 0.10
B4. 2 Получено верное выражение для джоулевых потерь на катушках и резисторе
$$
P_{дж} = \cfrac{I_1^2(r_A+R_0)}{2}+\cfrac{I_2^2r_b}{2}{.}
$$
0.10
B4. 3 Из ЗСЭ найдена связь между выделяющимися мощностями
$$P_{серд} = P_0 - P_{пол} - P_{дж}{.}$$
0.10
B4. 4 Произведен верный пересчет измеренных величин в $\cfrac{P_{серд}}{P_0}$ и $\cfrac{P_{дж}}{P_0}.$ 18 × 0.03
B4. 5 Построены графики $\cfrac{P_{серд}}{P_0}(I_{B,0})$ и $\cfrac{P_{дж}}{P_0}(I_{B,0}).$ 2 × 0.30
B4. 6 График $\cfrac{P_{серд}}{P_0}(I_{B,0})$ резко возрастает при стремлении тока к нулю и стремится к нулю при больших токах. 0.28
B4. 7 График $\cfrac{P_{дж}}{P_0}(I_{B,0})$ резко возрастает/убывает при малых и больших токах соответственно, имеет минимум. 0.28
C1  0.10 Получите уравнение, связывающее между собой амплитуды тока и напряжения в катушке.

C1. 1 Получено уравнение, связывающее амплитуды тока и напряжения на катушке: $$U_{ампл}= 2 \pi \mu \mu_0 g f_0N^2I_{ампл}{.}$$ 0.10
C2  0.10 В этом случае получите выражения для ЭДС индукции $\mathcal{E}_A(t)$ и $\mathcal{E}_B(t)$ в катушках A и B соответственно. Ответ выразите через $N_A$, $N_B$, $k$, $U_g(t)$. Ток в первичной катушке считайте положительным, если он течет от «плюса» источника к «минусу».

C2. 1 Записана связь $\mathcal{E}_A(t)$ и $U_g(t)$:
$$\mathcal{E}_A(t) = -U_g(t){.}$$
0.05
C2. 2 Записана связь $\mathcal{E}_B(t)$ и $U_g(t)$:
$$\mathcal{E}_B(t) = -\cfrac{N_Bk}{N_A}U_g(t).$$
0.05
C3  0.30 Получите выражение для производной тока в катушке A $\dfrac{dI_A(t)}{dt}$. Ответ выразите через $\mu$, $\mu_0$, $g$, $N_A$, $N_B$, $k$, $U_g(t)$, $I_B(t)$. Считайте токи $I_A$ и $I_B$ одного знака, если создаваемые ими потоки складываются.

C3. 1 Записан закон Фарадея для катушки A c количеством витков $N_A$:

$$\mathcal{E}_a = -N_A\cfrac{d\Phi}{dt}{.}$$

0.10
C3. 2 Записан поток через катушку A: 

$$\Phi = \mu \mu_0g N_A I_A + k \mu\mu_0 g N_B I_B{.}$$

0.10
C3. 3 Окончательно получено:
$$\cfrac{dI_A}{dt} = \cfrac{U_g-k \mu\mu_0 gN_AN_B \cfrac{dI_B}{dt}}{\mu\mu_0 g N_A^2}{.}$$
0.10
C4  0.60 Получите теоретические выражения для собственных индуктивностей $L_A$ и $L_B$. Ответ выразите через $\mu$, $\mu_0$, $g$, $N_A$, $N_B$.

C4. 1 Записаны необходимые уравнения:
$$\Phi = \mu \mu_0 g N I$$
$$\mathcal{E} = -N \cfrac{d\Phi}{dt} = -L \cfrac{dI}{dt}.$$
0.20
C4. 2 Получены выражения для индуктивности катушек:
\begin{equation}
\begin{cases}
L_A = \mu \mu_0 g N_A^2{;}\\
L_B = \mu \mu_0 g N_B^2{.}
\end{cases}
\end{equation}
2 × 0.20
C5  0.80 Экспериментально определите $L_A$, $L_B$, $k$. Нарисуйте схемы измерений, необходимых для получения численных значений этих величин.

C5. 1 Приведены верные схемы измерений. 0.20
C5. 2 Получено значение $L_A \in [70;90]~мГн.$ 0.20
C5. 3 Получено значение $L_B \in [30;40]~мГн$ 0.20
C5. 4 Получено значение $k \in [0.82;0.90].$ 0.20
C6  0.30 Покажите, что пренебрежение внутренним сопротивлением катушки оправдано.

C6. 1 Указано, что импеданс катушки при рассматриваемой частоте много больше ее внутреннего сопротивления. 0.30
C7  0.60 Получите в явном виде выражение для $I_P(t)$ через $f_0$, $L_A$, $k$, $U_g(t)$ и найдите численное значение его амплитуды $I_{P,0}$.

C7. 1 Получено выражение для $\cfrac{dI_p}{dt}$: $$\cfrac{dI_p}{dt} = -\cfrac{N_B}{kN_A} \cfrac{dI_B}{dt}.$$ 0.10
C7. 2 Получено выражение для $\cfrac{dI_p}{dt}$: $$\cfrac{dI_p}{dt} = \cfrac{U_g(t)}{L_A(1-k^2)}.$$ 0.20
C7. 3 $I_{p,0} = \cfrac{U_{g,0}}{2 \pi f_0 L_A (1-k^2)}.$ 0.10
C7. 4 Получено значение $I_{p,0}^{th} \in [2.6;6.6]~мА.$ 0.20
C8  0.60 Экспериментально определите $I_{P,0}$.

C8. 1 Получено значение $I_{p,0}^{exp} \in [4.4;5.6]~мА.$ 0.60
C9  0.20 Выразите собственную индуктивность последовательно соединенных катушек $L_{A+B}$ в случае, когда потоки от разных катушек суммируются. Ответ выразите через $L_A$, $L_B$, $k$.

C9. 1 Получено выражение $L_{A+B}=L_A + L_B + 2k \sqrt{L_AL_B}.$ 0.20
C10  0.30 Экспериментально определите $L_{A+B}$.

C10. 1 Получено значение $L_{A+B} \in [150;230]~мГн.$ 0.30
C11  0.20 Используя экспериментальные значения $L_A$, $L_B$, $L_{A+B}$, найдите коэффициент связи $k$. Сравните полученное значение с полученным в пункте C5.

C11. 1 Получено значение $k \in [0.53;0.93].$ 0.20
C12  0.30 Проведите измерение амплитуды ЭДС индукции на катушках $\mathcal{E}_{A,0}$ и $\mathcal{E}_{B,0}$, когда направления создаваемых потоков противоположны и найдите отношение $\dfrac{\mathcal{E}_{A,0}}{\mathcal{E}_{B,0}}$. Получите теоретическое выражение для $\dfrac{\mathcal{E}_{A,0}}{\mathcal{E}_{B,0}}$. Ответ выразите через $k$, $N_A$, $N_B$.

C12. 1 Получено теоретическое выражение $\cfrac{\mathcal{E}_{A,0}}{\mathcal{E}_{B, 0}} = \cfrac{N_A|N_A-kN_B|}{N_B|N_B-kN_A|}.$ 0.10
C12. 2 Получено теоретическое значение $\cfrac{\mathcal{E}_{A,0}}{\mathcal{E}_{B, 0}} \in [3.1;3.5].$ 0.05
C12. 3 Получено экспериментальное значение $\cfrac{\mathcal{E}_{A,0}}{\mathcal{E}_{B, 0}} \in [2.4;4.0].$ 0.15
C13  2.00 Определите относительную магнитную проницаемость $\mu$ ферритового материала. Нарисуйте схемы измерений, обозначив на них линии индукции магнитного поля.

C13. 1 Верно записана теорема о циркуляции для напряженности магнитного поля. 0.30
C13. 2 Сделан переход к измеряемым индуктивностям $L_1$ и $L_2.$ 0.30
C13. 3 Приведена верная схема измерений. 0.10
C13. 4 Измерены индуктивности $L_1$ и $L_2.$ 0.50
C13. 5 Получено значение $\mu \in [160;360].$ 0.80
D1  1.00 Соберите интегрирующую схему для рисунка выше, сигнал на выходе которой пропорционален $B(t)$. Подберите её параметры так, чтобы током через вторичную катушку можно было пренебречь. Зарисуйте собранную схему в листах ответов и укажите подобранные параметры.

D1. 1 Использованы последовательно соединенные резистор и конденсатор. 0.40
D1. 2 Напряжение снимается с конденсатора. 0.30
D1. 3 Выбран резистор $51~кОм.$ 0.30
D2  0.50 С помощью осциллографа получите петли гистерезиса при разных частотах и зарисуйте полученные зависимости.

D2. 1 Петли гистерезиса не пересекаются. 0.30
D2. 2 Имеется хотя бы две зависимости с качественными различиями. 0.20
D3  2.00 Запишите $f_b$ в лист ответов. При частоте $f_b$ получите кривую намагничивания $B(H)$, регулируя напряжение $U_{in}$, и постройте её.

D3. 1 Полученное значение $f_b \in [40;70]~Гц.$ 0.10
D3. 2 Измерена зависимость $U_2(U_1).$ 15 × 0.05
D3. 3 Верно вычислены коэффициенты пропорциональности для $B$ $(B=k_2U_2):$
$$ k_2 = 0.8 \cfrac{с}{м^2}.$$
0.10
D3. 4 Верно вычислены коэффициенты пропорциональности для $H$ $(H=k_1I):$
$$k_1=1250 \cfrac{А}{м}.$$
0.10
D3. 5 Точки для кривой намагничивания верно пересчитаны и нанесены на график. 15 × 0.05
D3. 6 При небольших частотах кривая намагничивания аппроксимируется прямой. 0.10
D3. 7 При больших частотах график имеет изгиб и является выпуклым вверх. 0.10
D4  1.50 Постройте график $\mu_{n}(H)$ для зависимости из прошлого пункта. Укажите характерные точки, если они есть.

D4. 1 Верно пересчитано $\mu_n.$ 15 × 0.03
D4. 2 Верный вид зависимости (присутствует максимум). 0.25
D4. 3 Получено значение $H_{max} \in [20;80]~\cfrac{А}{м}.$ 0.40
D4. 4 Получено значение $\mu_{n, max} \in [1000;1200].$ 0.40