Специфика устройства электродинамических и электромагнитных измерительных приборов и основные принципы их работы

Рассмотреть основные принципы работы электродинамических и электромагнитных измерительных приборов, возможности применения при организации учебных занятий в курсе электротехники – достаточно сложная задача.

На сегодня, учеными-физиками, специалистами в области энергетики педагогическими работниками и практиками нет еще четко выраженной позиции по этому вопросу. Большинство специалистов, ратуют за то, что бы все измерительные приборы были разделены на две группы: аналоговые и цифровые, другие придерживаются иной точки зрения.

Сторонники первой точки зрения считают, что например, аналоговая группа измерительных приборов, иногда её еще называют классической, включает в себя все приборы, важнейшими элементами которых является обработка работающих сигналов непрерывной гармоничных колебаний переменного тока, особенности проявления постоянного электрического тока, которые фиксируются электродинамическими и электромагнитными техническими устройствами, широко используемые в курсе электротехники.

Назначение электродинамических измерительных приборов – обнаружить наличие электрического поля, выявить основные законы взаимодействия электрических зарядов и электрического тока. Необходимо замерить их потенциал (работу, затраченную при перемещении зарядов в электрическом поле), выявить сходство и различие явлений по электролизации проводников и диэлектриков. Важно выявить, механизм поляризации диэлектриков, время её сохранения, процесс «замораживания» диполей в новых видах диэлектриков, например, расплава смеси воска и смолы, медленно охлажденной до комнатной температуры в электрическом поле с напряженностью, порядка 1 миллиона В/м.

Как известно, в этом случае получается образец диэлектрика, создающий в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле может существовать практически неограниченно долго (в отличие от: – стекла, эбонита, канифоли, парафина и др.).

На основе такой экспериментальной базы можно исследовать большую группу кристаллов (сегнетоэлектриков) в электрическом поле (например, титанат бария), наличие у них Точки Кюри (ТК). Точка Кюри — это предельная температура, выше которой тепловое движение нарушает ориентацию диполей в домене, а сам сегнетоэлектрик становится обычным диэлектриком, что позволяет исследовать пьезоэлектрический эффект на материале кварца.

Здесь, как известно, тоже широкое поле для экспериментальной, исследовательской работы для школьников и студентов, проведения лабораторных занятий (практикумов), так как явления прямого и обратного действия пьезоэффекта, широко применялось при работе электрофонов, проигрывателей граммофонных пластинок в 50-90 годах ХХ века. Суть практикума – преобразование механических колебаний, в электрические колебания, а электрических колебаний – в механические и исследование этих процессов.

Несомненно, что важнейшим элементом раздела электродинамических процессов школьного и вузовского курсов физики, а ныне и всей электротехники – было и остается изучение полупроводников. Особенно важно в этом разделе изучить выпрямительные свойства p-n перехода, что не эквивалентно работе обычного резистора с большим сопротивлением.

Во-первых, его сопротивление зависит от приложенного напряжения, а во-вторых, от направления приложенного электрического поля.

Как известно, кристалл с p-n переходом – это основа устройства полупроводниковых диодов, способных пропускать электрический ток в одном направлении, но их качества не ограничиваются данным свойством, так часть из них может обладать термоэлектрическим и фотоэлектрическим эффектом. Суть данного эффекта заключается в возникновении ЭДС при нагревании или освещении p-n перехода для отдельных технических конструкций (например, термоэлементов Пельтье), принципы которого лежат в основе работы полупроводниковых холодильников.

Еще один важный раздел электродинамики, это устройство транзисторов (полупроводниковых триодов). Их отличительные признаки – простота изготовления, мало отличающейся от изготовления диодов, богатство возможностей применения, небольшие токи работы, полная замена вакуумных электроламп и т.п.

Как известно, основой для изготовления наиболее массовых марок транзисторов, служит пластинка монокристалла германия или кремния площадью 2-4 мм² и толщиной около 100 мкм. Сама операция изготовления транзистора во многом подобна изготовлению диода, с той лишь разницей, что на кристаллы германия накладывается индий не с одной, а с двух сторон.

После прогревания такой конструкции, например, в муфельной печи монокристалл германия обогащается примесью атомов индия с двух сторон, проникающих в германий при расплавлении, становясь при этом полупроводников с дырочной проводимостью.

Принято считать, что средняя область кристалла – это база транзистора, две её крайние области, обладающие проводимостью противоположного типа, называются коллектором и эмиттером. Эмиттер и коллектор транзистора сплавного типа отличается друг от друга тем, что он (диаметр коллектора), как правило, в два раза больше диаметра эмиттера.

Как доказано многочисленными экспериментами? основным рабочим состоянием транзистора является их 1- активное состояние; 2 - усилительное свойство транзистора; 3-интегральный коэффициент передачи базового тока (пределы которого лежат в интервале от 15 до 300 раз) и др.

При этом усиление электрических сигналов по току, напряжению или мощности не является обязательным свойством транзистора. Для этого достаточно собрать транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером и подключить его к источнику питания, а затем замерить все вышеназванные исследуемые характеристики с помощью электромагнитных или цифровых измерительных приборов.