Logo
Logo

Топологический изолятор

Оборудование
ОборудованиеКоличествоХранениеПримечание
1Макетная плата с цепочкой1  
2Резистор $200~\Omega$1Общее 
3Осциллограф1Общее 
4Генератор1Общее 
5Провода мама-банан5Общее 
6Провода BNC-крокодил3Общее 
Расходники, которые нужно закупить ранее
ОборудованиеКоличествоХранение
1Резистор $200~\Omega$1Общее
Работа со школьниками
Чему школьник должен научиться в этой работе
  1. Измерение разности фаз двух сигналов осциллографа
  2. Измерение затухающей по экспоненте амплитуды напряжения
  3. Точное нахождение резонанса сигнала
  4. Работа с импедансами
  5. Анализ комплексных и действительных решений уравнения
  6. Разложение волны на суперпозицию бегущих влево и вправо волн
  7. Запись граничных условий для конечного $LC$-контура
Перед началом работы
Работа посвящена измерению дисперсионного соотношения полубесконечного $LC$-контура и измерению резонансов импеданса конечного $LC$-контура.

Во время выполнения необходимо получить дисперсионное отношение теоретически и измерить его на практике. Измерения следует проводить во всем диапазоне частот, написанном в условии.

Также необходимо измерить резонансы импеданса конечного контура и вывести теоретически условие резонанса, которое получится аналогичным уравнениям, получаемым в резонаторе Фабри–Перо для волновой оптики. Измерения необходимо получить с помощью тонкой настройки частоты генератора, чтобы как можно точнее измерить узкие пики резонанса.

Во время работы

Во время выполнения работы возникают вопросы о корректности измерения точек в диапазоне частот $f\in\left[770;890\right]~\text{кГц}$. В этом случае необходимо пояснить, что при этих частотах в цепи реализуется зона проводимости и на измерения начинает влиять отраженная волна. Поэтому при подходе к этому диапазону необходимо проводить измерение волнового вектора в начале цепи, чтобы минимизировать влияние медленно затухающей отраженной волны. Необходимо упомянуть, что точки измеренные в середине этого диапазона измерены не корректно, поэтому при построении линеаризации их можно не учитывать (если их учесть они дадут небольшие выбросы).

Во время проведения практикума необходимо проследить за тем, как школьники измеряют волновой вектор, чаще всего они допускают следующие ошибки:

  • Измерение действительной части волнового вектора (разности фаз сигналов) через несколько звеньев, а потом деление полученного числа на количество звеньев. В этом случае школьник не учитывает, что разность фаз может уйти за пределы $2\pi$.
  • Использование слишком большого количества звеньев для измерения мнимой фазы полного вектора (измерение затухающей экспоненты). В этом случае на измерения в любом случае может повлиять отраженная волна на достаточно широком диапазоне частот. Для подбора оптимального количества измеряемых звеньев необходимо посмотреть как себя ведет затухающая волна, посылаемая генератором на конце цепи.
  • Измерение амплитуды напряжения на нулевом звене по показаниям генератора. В данном практикуме доверять показаниям генератора не стоит, сигнал на его выходе будет сильно меньше.
На разборе
В начале разбора нужно указать какие базовые уравнения нужно записать, чтобы выполнить пункт A1. Далее необходимо изобразить качественные графики зависимостей мнимой и действительной части волнового вектора с указанием диапазонов частот. Эти графики они могли получить, анализируя уравнение, полученное в пункте A2. На этих графиках нужно указать в каких областях на измерения влияет отраженная волна. После окончания разбора теоретических выкладок в части A, необходимо описать методику измерений. Тут необходимо рассказать, что все измерения действительной части волнового вектора необходимо было проводить на соседних звеньях, либо на нескольких, учитывая $2\pi n$. Нужно рассказать, что для измерения мнимой части волнового вектора по нескольким звеньям нужно было подобрать оптимальное число звеньев, посмотрев, как себя ведет волна на разных звеньях. 

Далее следует пояснить про вывод теории в части B. Необходимо сделать наибольший акцент на том, что все уравнения для волны, бегущей вправо все уравнения уже записаны, а для волны бегущей влево уравнения аналогичны с заменой знака волнового вектора (на этом момента многие дополнительно меняют направление токов, поэтому на этом нужно акцентировать внимание школьников). Следует обратить внимание школьников на то, что полученные уравнения очень похожи на уравнения, используемые в волновой оптике в задачах про резонатор Фабри-Перо. Далее рассказать о том, что все резонансные частоты проверяются с очень большой точностью при использовании тонкой настройки частоты генератора.

Изготовление оборудования
Список комплектующих для закупки
НаименованиеВажные замечанияКоличество
на установку
При пересменкеСсылка
1Катушка $L=22~\mu H$В реальности эффективная индуктивность может отличаться30 Катушка
2Конденсатор $C_1=390~\mathrm{pF}$ 15 Конденсатор 1
3Конденсатор $C_2=820~\mathrm{pF}$ 15 Конденсатор 2
4Пины 21