устройство для измерения параметров стоячих волн в системе лехера и способ его применения

Формула изобретения

1. Устройство для измерения параметров стоячих волн в системе Лехера, содержащее два провода, натянутые на стойках, и индикаторы, отличающееся тем, что под проводами и параллельно им на оптической скамье расположен подвижной рейтер с закрепленной на нем стойкой из тефлона и проволочными витками связи, расположенными на стойке, соединенными через СВЧ-диоды с амперметром и вольтметром, причем в верхней части стойки выполнены направляющие вырезы для проводов линии.

2. Способ измерения параметров стоячих волн в системе Лехера, включающий перемещение индикаторов вдоль линии, отличающийся тем, что рейтер с расположенной на нем стойкой с витками связи, амперметром и вольтметром плавно передвигают вдоль проводов линии, непрерывно измеряют и записывают показания амперметра и вольтметра, одновременно фиксируют координаты положения рейтера в точках измерения тока и напряжения, определяют координаты максимальных значений тока и напряжения, вычисляют разность между двумя последовательными координатами максимума тока или напряжения, удваивают эти величины и получают значение длины стоячей волны, а потери в линии определяют путем перемножения значений тока и напряжения в различных точках линии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной и учебной техники и может быть использовано для изучения явлений электромагнетизма, например электромагнитных волн, распространяющихся вдоль проводов, измерения потерь энергии в процессе ее переноса вдоль проводов.

Система Лехера представляет собой два одинаковых параллельных провода, в которых с помощью генератора могут возбуждаться переменные токи высокой частоты. Напряжение и ток в проводах системы Лехера распространяются вдоль системы в виде стоячих волн. Демонстрация этого явления, а также измерение токов смещения и соответствующего напряжения является важной практической задачей измерительной техники и представляет интерес для учебного процесса.

Известны следующие устройства и способы измерения параметров линии Лехера, заключающиеся в том, что:

1. В качестве индикаторов пучности тока используют лампочки накаливания, которые включают непосредственно в нескольких местах линии Лехера. Путилов К.А. Курс физики. Т.2. М.: ГИФМЛ. 1963. С.501-503.

2. В качестве индикаторов пучности напряжения применяют гейслеровские газонаполненные разрядные трубки. Грабовский М.А., Млодзеевский А.Б., Телеснин Р.В., Шаскольская М.П., Яковлев И.А. Лекционные демонстрации по физике. М.: Наука. 1972. С.480-485.

В качестве прототипа выбрано устройство для измерения параметров стоячих электромагнитных волн в системе Лехера. Система Лехера представляет собой два параллельных, толстых провода, натянутых на стойках. Провода располагают в горизонтальной плоскости на расстоянии около 10 сантиметров друг от друга. Линия питается с одного конца ламповым генератором. Колебательный контур генератора имеет конденсатор переменной емкости, что позволяет настраивать линию в резонанс. Второй конец линии либо свободен, либо закорочен. В качестве индикаторов для исследования стоячих волн применяют неоновые лампочки, включаемые между обоими проводами линии и небольшие проволочные витки с включенными в них лампочками от карманных фонариков, закрепленные на жестком металлическом стержне. Витки располагают горизонтально между проводами,

В качестве прототипа выбран способ, который состоит в том, что вдоль проводов линии Лехера перемещают в качестве индикатора проволочный виток с неоновой лампочкой или лампочку от карманного фонарика, закрепленную на жестком металлическом стержне. Неоновая лампочка загорается в тех местах, где есть электрическое поле, создающее на ней напряжение, превосходящее потенциал зажигания. Она светится наиболее ярко в максимумах - напряжения и гаснет в узлах напряжения. Электрические лампочки накаливания светят наиболее ярко в максимумах тока смещения и гаснут в узлах тока смещения. Когда виток с неоновой лампочкой помещен в пучность тока, он пронизывается максимальным магнитным потоком. Так как этот магнитный поток переменный, то в витке возбуждается индукционный ток, и лампочка горит наиболее ярко. Если же виток находится в узле тока, то магнитный поток равен нулю, и индукционный ток не возникает. Параметры линии Лехера в способе определяют, постоянно записывая точки координаты линии, в которых происходит вспышка лампочки, вычисляют разность этих координат и их удваивают. Это значение равно длине стоячей волны, распространяющейся вдоль линии Лехера.

С помощью индикаторов исследуют распределение пучностей и узлов тока и напряжения, что позволяет определить параметры линии Лехера, например, длину волны.

(Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. Учебное пособие. - 2-ое изд., испр. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - С.646-647).

Недостатком известных устройства и способа измерения и изучения стоячих волн, распространяющихся вдоль проводов линии Лехера, является то, что названным устройством и способом невозможно количественно измерить токи и напряжения. Кроме того, в известном способе появляется большая погрешность определения координат максимумов тока и напряжения, т.к. лампочки горят в диапазоне нескольких сантиметров.

Количественное измерение требует подключения амперметров и вольтметров. Однако подводящие провода к приборам при их перемещении вдоль линии сильно искажают форму витков, в которых индуцируются токи смещения, в результате чего показания приборов изменяются не в зависимости от расположения улов и пучностей линии Лехера, а от положения собственно приборов и формы подводящих проводов, которая изменяется при движении относительно изучаемой линии. Кроме того, чтобы в витке развивалось напряжение, достаточное для зажигания лампочки, площадь витка должна быть большой, что в свою очередь, не позволяет точно определить координату максимума тока или напряжения.

Предлагаемыми изобретениями решается задача количественного и точного измерения токов смещения и напряжения и точного определения их координат на линии Лехера.

Устройство для измерения параметров стоячих волн в системе Лехера содержит два параллельных и одинаковых провода, натянутые на оптической скамье. Под проводами и параллельно им на оптической скамье расположен подвижной рейтер. На нем жестко закреплена стойка, выполненная из тефлона. На стойке расположены проволочные витки связи, соединенные через СВЧ-диоды с амперметром и вольтметром. В верхней части стойки выполнены направляющие вырезы для проводов линии.

Способ измерения параметров стоячих волн в системе Лехера осуществляют перемещением рейтера от одного края линии до другого. Рейтер с расположенной на нем стойкой с проволочными витками связи, амперметром и вольтметром плавно передвигают вдоль проводов линии. Непрерывно измеряют и записывают показания амперметра и вольтметра. Одновременно фиксируют точки координат положения рейтера в точках измерения тока и напряжения, определяют их максимальное значение. Далее вычисляют разность между двумя последовательными координатами максимумов тока или напряжения, удваивают эту величину и получают значение стоячей волны. Потери в линии определяют путем перемножения значений тока и напряжения в точках линии, где измеряют, максимумы тока и напряжения.

На фиг.1, 2 обозначены следующие элементы: 1 - оптическая скамья, 2 - провода линии Лехера, 3 - подвижной рейтер, 4 - милливольтметр, 5 - микроамперметр, 6 - стойка из тефлона, 7 - проволочные витки связи, 8 - СВЧ- диоды, 9 - направляющие вырезы в стойке 6 для проводов линии. На фиг. 2 схематично представлен рейтер со стойкой из тефлона.

В Таблице отражены показания микроамперметра и милливольтметра при передвижении рейтера вдоль линии.

Измерение параметров стоячих волн в системе Лехера осуществляют следующим образом. На оптической скамье 1 закрепляют провода линии Лехера 2. Под проводами и параллельно им на оптической скамье 1 находится подвижной рейтер 3, выполненный в виде плоской площадки-планшета. На площадке-планшете рейтера 3 закреплены микроамперметр М42174 4 со шкалой 0-500 А и милливольтметр М42171 5 со шкалой 0-250мV. На подвижном рейтере 3 укреплена стойка 6 с витками связи 7. На стойке 6 выполнены направляющие вырезы для проводов линии Лехера.

Измерительные приборы микроамперметр 4 и милливольтметр 5 подключены к виткам связи 7 через СВЧ-диоды 8. Подвижной рейтер 3 вместе с витками связи 7 и приборами устанавливают на конце линии Лехера и затем плавно передвигают его вдоль проводов линии, непрерывно измеряют и записывают во всех точках линии показания микроамперметра 4 и милливольтметра 5 (пример приведен в таблице 1). Особенно тщательно фиксируют координаты положения рейтера 3 в тех точках, в которых измеряют максимумы тока и напряжения. Измеряя токи и напряжения вдоль линии, находят координаты максимальных значений напряжения и тока. Вычисляют разность между двумя последовательными точками координат максимума тока или напряжения, удваивают эту величину. Полученное значение равно длине стоячей волны, распространяющейся вдоль линии =2·(30,0 см - 15,0 см) = 30,0 см.

В таблице жирным шрифтом выделены значения координат максимумов тока и напряжения. Потери мощности в линии определяют по закону Джоуля-Ленца, перемножая значения тока и напряжения в точках линии, где измерены ток и напряжение, в частности максимумы тока и напряжения.

Например, мощность линии Р в точке с координатой 15 см (первый столбец таблицы) равна Р₁=22·10^-6·4·10 ^-3=88 нДж, а в точке с координатой 30 см мощность равна Р₂=21,7·10^-6·2,2·10 ^-3=47.7 нДж. На этих примерах показано, что реализована возможность количественного измерения параметров линии Лехера.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет проводить точные количественные измерения параметров линии Лехера, что представляет качественный уровень измерительной и учебной техники.

Таблица
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СТОЯЧИХ ВОЛН В СИСТЕМЕ ЛЕХЕРА И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
Координата линии Лехера, в см	15,0	20,0	23,0	25,0	30,0	35,0	38,0	40,0	50,0
Показания микроамперметра тока, А	22,0	6,0	1,3	6	21,7	5,2	1,1	4,0	21,3
Показания миливольтметра, mV	4,0	48,0	187,0	124,0	2,2	37,0	182,0	40,0	1.6