A1  ^?? Снимите зависимость тока от напряжения на моторе, при зафиксированном вале мотора. Постройте график этой зависимости. Рассчитайте сопротивление обмоток ротора в моторе. Используйте амперметр в режиме $\mathrm{10A}$.

Для снятия данной зависимости закрепим один из валов мотора с помощью нитки. Соберем схему с потенциометром, указанную в условии, где за батарейку обозначим то питание, которое у нас имеется. Контрольные данные предоставлены в таблице. Построим график зависимости $U(I)$.

Из графика определяем $R_{обм}$:

A2  ^?? При протекании тока через обмотки ротора на ротор действует вращающий момент. Измерьте зависимость момента силы, действующего на вал, от силы тока, протекающего через обмотки ротора в случае сматывании с него нитки и намотки нитки на него. Постройте графики этих зависимостей на одной миллиметровой бумаге.

Прикрепим теперь другим концом нитку к динамометру, будем измерять силы при намотке нитки на катушку и сматывании нитки с нее: минимальную и максимальную соответственно. Контрольные данные приведены в таблице. Данные точки были сняты на маленьком вале. Для определения момента силы нам понадобится радиус вала. Наматывая нитку $N$ раз получаем:\[2\pi Nr=l\implies r=\frac{l}{2\pi N}.\\N=10,~l=66.6~см\implies r= (1.06\pm0.01)~см.\]Пересчитаем силы в моменты:

A3  ^?? В вашем моторчике любые две соседние катушки удалены друг от друга всегда на один и тот же угол. Найдите число катушек, пользуясь эффектом, наблюдаемым в пункте A2.

При измерении силы с помощью динамометра можно заметить, что пружина «бьется». Это связано с тем, что на катушки действует сила, зависящая от их положения относительно магнитов статора. Нетрудно понять, что количество «биений» связано с количеством катушек на роторе. В нашем случае количество «биений» равно 6. Несложным геометрическим построением картины работы мотора при 3-х катушках можно обнаружить, что именно при 3-х катушках ротора будет наблюдаться 6 одинаковых положений за один период вращения по моменту сил, действующих на вал.

A4  ^?? Снимите зависимость тока обмоток ротора и частоты вращения ротора от напряжения на моторе при свободном вращении ротора мотора. Выберите такую функцию напряжения на моторе, тока обмоток ротора мотора и сопротивления обмоток ротора, которая линейно зависит от частоты вращения ротора. Постройте график этой линейной зависимости и найдите её угловой коэффициент. Используйте амперметр в режиме $\mathrm{200mA}$.

Запишем для моторчика закон сохранения энергии:\[UI=M\omega+I^2R,\]$M$ -- момент сил, раскручивающих моторчик, $\omega$ -- его угловая скорость вращения; первый член -- мощность потребляемая от сети, второй член -- мощность затрачиваемая на вращение вала и третий -- мощность тепловых потерь на катушках ротора. Отсюда следует, что:\[U-IR=\frac{M\omega}{I}=\alpha I\omega,\]где $\alpha$ – это среднее значение угловых коэффициентов зависимости $M(I)$.

Снимем данную зависимость с помощью схемы, показанной в условии. Для измерения $\omega$ будем использовать светящийся диод в качестве стробоскопа. Для этого будем светить диодом на вращающийся шкив мотора. Будем подбирать частоты вращения вала с помощью потенциометра так, чтобы на вале наблюдалась устойчивая картинка из $N$ темных или светлых пятнышек. В этом случае частота вращения ротора будет кратной частоте свечения светодиода. Если пятнышек $N$, то частота вращения вала $f={240}/{N}~Гц$, пересчитаем ее в $\omega$ ($\omega=2\pi f$). Внесем данные частоты вращения, напряжения и тока мотора в таблицу. Построим график зависимости $U-IR(\omega)$. Данный график линеен, его коэффициент наклона $k\approx0.01~В/рад$, заметим, что он такой же как и средний коэффициент наклона в графике $M(I)$.

B1  ^?? Включите в сеть ведущий мотор, ведомый мотор придет в движение и будет работать как генератор. Снимите зависимость напряжения на обмотках ведомого мотора от частоты его вращения. Постройте график этой зависимости. Сравните получившиеся параметры с результатом пункта A4.

Запишем для генератора закон сохранения энергии:\[M\omega =UI+I^2R,\]тогда для $f(U,I,R)=U+IR$ зависимость $U(\omega)$ линейна. Оденем на нашу установку резинку и будем напрямую снимать напряжение на генераторе, регулируя частоту вращения ведущего мотора так, чтобы на генераторе частота вращения была кратна $240~Гц$. Занесем измерения в таблицу. Заметим, что, так как $R_v\gg R_{обм}$, то $IR_{обм}\ll U$. Значит слагаемым $IR$ в формуле для $f=f(U,I,R)$ можно пренебречь. Тогда построим график $U(\omega)$.

Как видно наше пренебрежение верно, так как наш график является прямой. Угловой коэффициент этой прямой совпадает с угловым коэффициентом у прямой из пункта A4.

B2  ^?? Считая, что зависимость угловой скорости вращения генератора имеет вид, полученный в B1, измерьте зависимость угловой скорости вращения генератора от угловой скорости вращения ведущего мотора. Используйте в качестве генератора моторчик с маленьким валом! Постройте график полученной зависимости. Из графика найдите отношение радиусов шкивов.

Для снятия данной зависимости не будем разбирать установку, собранную в предыдущем пункте. Теперь мы будем получать кратные частоты на ведущем моторе, а с генератора снимать напряжение, по которому с помощью предыдущего пункта будем узнавать частоту его вращения. Зависимость представлена в таблице.

Построим график зависимости $\omega_{ген}(\omega_{вед})$. Заметим, что это прямая с коэффициентом наклона $k=(1.44\pm0.03)$. Измерим радиус второго шкива методом, описанным в A2, получим:\[R=(1.53\pm0.01)~см.\]Тогда:

Это в точности равняется нашему коэффициенту наклона. Значит нитка не проскальзывает, когда генератор подключен к вольтметру .Снимем эти же зависимости в случае наличия нагрузки. Заметим, что частота вращения генератора умньшилась по сравнению с холостым вращением при фиксированной скорости вращения ведущего моторчика. На основе этого утверждения можно сделать вывод, что резинка начинает проскальзывать по шкиву генератора. Эффект снижения частоты вращения вала генератора тем больше, чем меньше (по сопротивлению) нагрузка на генераторе, что хорошо видно при сравнении графиков с нагрузкой $100~Ом$ и $50~Ом$.

B3  ^?? Измерьте зависимости, аналогичные зависимости в пункте B2, при наличии нагрузки на генераторе в $50~Ом$ и $100~Ом$. Постройте графики этих зависимостей. Укажите основную причину различия полученных вами зависимостей в пунктах.

B4  ^?? Снимите вольт-амперную характеристику генератора при фиксированной частоте генератора для двух разных частот вращения ротора генератора в максимально возможном диапазоне. Постройте графики вольт-амперных характеристик на одной миллиметровой бумаге.

Найдите эффективное сопротивление генератора, напряжения холостого хода и токи короткого замыкания для этих частот вращения ротора. Найдите отношение эффективного сопротивления генератора и сопротивления обмоток его ротора (п. A1). В этом пункте используйте в качестве генератора моторчик с большим валом! Используйте амперметр в режиме $\mathrm{200mA}$.

Для снятия ВАХ соберем для ведущего мотора схему с потенциометром. Для генератора соберем схему для одновременного определения тока и напряжения, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. За $\sim$ обозначен генератор.

Чтобы изменять значения тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь, будем изменять сопротивление потенциометра. Для того чтобы частота вращения ротора генератора при измерении ВАХ была неизменной, будем подстраивать частоту вращения ведущего мотора с помощью 2-ого потенциометра. Снимем вольт-амперные характеристики для генератора при частоте его вращения в $f=30~Гц$ и $40~Гц$.

Построим графики полученных зависимостей:

Заметим, что оба графика линейны, наклон графиков одинаков, и, очевидно, соответствует сопротивлению обмоток ротора генератора. То есть искомое отношение равно $1$. Так как напряжения холостого хода генератора линейно зависят от частоты его вращения, то и токи короткого замыкания генератора также прямо пропорциональны частоте вращения его ротора. Искомые величины легко вычисляются из представленных графиков путем поиска пересечения продолжений графиков с осями напряжения и тока.