1. Elektromagnetický oscilátor

FYZIKÁLNY PRINCÍP:
Zariadenie, v ktorom sa môžu udržať elektrické kmity bez pôsobenia vonkajšieho elektromotorického napätia, nazývame oscilačný obvod. Na obr. 1 je schéma takéhoto obvodu. Skladá sa z kondenzátora C a cievky L. Aby vznikli elektrické kmity, musí sa porušiť rovnováha obvodu,  t.j. musí sa nabiť kondenzátor (kľúč je v polohe 1). Prepnutím kľúča, sa napätie na platniach kondenzátora začne periodicky meniť. Cievkou začne prechádzať elektrický prúd, pretože kondenzátor sa vybíja. Napätie na kondenzátore postupne klesá až na nulu. Vtedy elektrický prúd v obvode dosahuje práve najväčšiu hodnotu. Elektrické pole medzi platňami kondenzátora zaniklo a súčasne v cievke vzniklo magnetické pole, ktoré začne slabnúť. Podľa Lenzovho zákona sa ale v cievke indukuje prúd rovnakého smeru, ktorým sa kondenzátor znova nabíja, ale s opačnou polaritou. Magnetická energia cievky sa zmenila na elektrickú energiu kondenzátora. Len čo zanikne magnetické pole cievky, nabíjanie kondenzátora prestane a kondenzátor sa znova vybíja. Obvodom prechádza prúd opačného smeru. Celý dej sa periodicky opakuje. Kondenzátor sa striedavo nabíja a vybíja, pričom obvodom prechádzajú striedavé prúdy (elektrické kmity). Počiatočný stav nastane za dobu kmitu T.

Ak v oscilačnom obvode uvažujeme R=0W, tak napätie na kondenzátore U_C je rovnaké ako napätie na cievke U_L:

                                                                                   (1)

Elektrické kmity tvoria v obvode striedavý prúd s efektívnou hodnotou I. Z rovnosti (1) dostávame X_C I = X_L I, z čoho vyplýva:

                                                                             (2)

                                                                              (3)

kde wo je uhlová frekvencia vlastných kmitov. Zo vzťahu  w=2p/T vyplýva Thomsonov vzťah pre dobu vlastných  kmitov To:

                                                                            (4)

Vlastné kmitanie elektromagnetického oscilátora je ale vždy tlmené. Príčinou je odpor R oscilačného obvodu (odpor vinutia cievky), v ktorom sa postupne mení energia elektrického a magnetického poľa na vnútornú energiu vodiča.

Cieľ:
Ukázať, ako sa postupne vybíja a nabíja kondenzátor cez cievku, overiť platnosť vzťahu pre dobu vlastného kmitania, t.j. či platí vzťah (4).

Pomôcky:
Zdroj elektromotorického napätia 4.5V, kondenzátory (rádovo mF), cievka na uzavretom jadre 8 600 závitová, dvojprepínač, mikropočítač s meracou konzolou a prevodníkom, program IP COACH.

Príprava:
Zostavíme obvod podľa schémy obr. 2, pričom napätie kondenzátora sa bude zaznamenávať na kanále 1. V Multiskope nastavíme dobu merania 100ms, rozpätie y-ovej osi (-2.5, 2.5V), spúšťaciu hranu Up a spúšťaciu úroveň 20%. Potenciometrom nastavíme bod [0,0] a prepneme kľúč do polohy 2, t.j. kondenzátor nabijeme (to robíme len ak máme 8-bitovú kartu).

Realizácia:
V Multiskope spustíme meranie a prepneme kľúč do polohy 1. Kondenzátor sa začne postupne nabíjať a vybíjať obr.3.

Spracovanie:
Meranie opakujeme aspoň pre 5 kondenzátory rôznej kapacity C.  V Multoskope odčítame z každého grafu čas prvého a druhého maxima pomocou zámerného kríža (SCAN). Dané hodnoty časov pre jednotlivé kondenzátory C zaznamenáme v tabuľke v programe Tabuľkový kalkulátor. Do prvého stĺpca vpíšeme hodnoty kondenzátora, do ďalšieho dobu medzi prvým a druhým maximom, t.j. periódu vybíjania. Z grafu závislosti T=f(C) (obr. 4) overíme, či skutočne platí Thomsonov vzťah. Keďže v grafe máme len niekoľko bodov, v programe Spracovanie ho vyhladíme pomocou funkcie BEZIER. Danú závislosť porovnáme s funkciou

Otázka:
Čomu je rovné a, b, c, d?

Čomu je rovné a, b, c, d?

                obr. 3                                                                                 obr. 4