Elektrodynamik Lab 1 Rapport
Elektrodynamik Lab 1 Rapport
Elektrodynamik Lab 1 Rapport
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Elektrodynamik</strong> <strong>Lab</strong> 1 <strong>Rapport</strong><br />
Indhold<br />
Fysik 6, EL<br />
Bo Frederiksen (bo@fys.ku.dk)<br />
Stanislav V. Landa (stas@fys.ku.dk)<br />
John Niclasen (niclasen@fys.ku.dk)<br />
1. Transienter og RC-kredsløb<br />
1.1 Formål<br />
1.2 Teori<br />
1.3 Forsøgsopstilling, del 1<br />
1.4 Forsøgsopstilling, del 2<br />
1.5 Måledata, del 1<br />
1.6 Måledata, del 2<br />
1.7 Konklusion<br />
2. RCL-kredsløb og Resonans<br />
2.1 Formål<br />
2.2 Seriekreds<br />
2.3 Parallelkreds<br />
2.4 Konklusion<br />
Bemærk!<br />
Vi har ikke angivet usikkerheder overfor Gnuplot, hvilket betyder, at de angivne værdier for<br />
ß<br />
2<br />
fra Gnuplot skal tages med et gran salt.<br />
red<br />
1. Transienter og RC-kredsløb<br />
1.1 Formål<br />
1.2 Teori<br />
Formålet med øvelsen er at undersøge egenskaber ved elektroniske høj- og lavpasfiltre.<br />
1.2.1 Højpasfilter<br />
Opstillingen for et højpasfilter er vist i figur 4a i opgaven. Teorien siger, at sådan en opstilling vil<br />
lade høje frekvenser passere mere eller mindre uændret, hvorimod lave frekven vil blive dæmpet.<br />
Frekvensen går på pulsperioden for spændingskilden, og udgangsspændingen måles over<br />
modstanden, R . Vi forventer en glidende overgang, sådan at ved gradvis højere frekvenser vil vi<br />
se gradvis højere værdier af udgangsspændingen.<br />
Spændingen over modstanden, R , er ifølge teorien givet ved<br />
1.2.2 Lavpasfilter<br />
Opstillingen for et lavpasfilter er vist i figur 4b i opgaven. I lighed med højpasfiltret vil dette filter<br />
lade nogle frekvenser passere, hvorimod andre vil blive dæmpet. For lavpasfiltret er det de lave<br />
frekvenser, der mere eller mindre passerer uændret, hvorimod høje frekvenser bliver dæmpet. Vi<br />
forventer også her en glidende overgang.<br />
Spændingen over kapacitoren, C , er ifølge teorien givet ved<br />
1.2.3 Tidskonstanten<br />
U (t) R<br />
°<br />
U C (t) = U 1<br />
h<br />
= U exp À<br />
h<br />
À exp À<br />
t<br />
i<br />
RC<br />
t<br />
iÑ<br />
RC<br />
Produktet, RC , kaldes tidskonstanten (eller den karakteristiske tid)<br />
Ü<br />
= RC
Hvis t µ Ü, har systemet opnået ligevægt, og dermed går udviklingen af spændingen i stå.<br />
1.3 Forsøgsopstilling, del 1<br />
Opstillingen består af et simpelt elektronisk kredsløb bestående af en spændingskilde, der leverer<br />
vekselspænding ved variable frekvens, samt en modstand og en kondensator. Vi undersøgte den<br />
transiente opførsel af RC-kredsløbet.<br />
Vi har flg. teoretiske værdier for komponenterne:<br />
Hvilket giver flg. teoretiske værdi for den kritiske tid:<br />
Vha. Picoscope kan vi vise spændingskurver for input og output.<br />
1.4 Forsøgsopstilling, del 2<br />
1.4.1 Højpasfilter<br />
Komponenterne blev forbundet i serie som vist i figur 4a i opgaven. Outputspændningen måles<br />
over modstanden, R .<br />
1.4.2 Lavpasfilter<br />
Komponenterne blev forbundet i serie som vist i figur 4b i opgaven. Outputspændningen måles<br />
over kapacitoren, C .<br />
Med disse opstillinger lavede vi en måleserie, med forskellige frekvenser for inputsignalet.<br />
1.5 Måledata, del 1<br />
1.5.1 Transient, Modstand<br />
C<br />
= 47 nF<br />
R = 10 kÊ<br />
Ü<br />
= 470 Ös<br />
Flg. plot fra Picoscope viser den transiente opførsel af spændingen, som funktion af tiden, når vi<br />
målte over modstanden. Den blå kurve er indgangsspændingen, V in, den røde er spændingen,<br />
V , over modstanden:<br />
R<br />
Det ses, at når indgangsspændingen vender, så hoppe den målte spænding over modstanden til<br />
en endnu større værdi, end hvad indgangen leverer. Det er fordi kapacitorens placering i dette<br />
kredsløb giver et ekstra 'skub' til spændingen, når den vender. Derefter går spændingsforskellen<br />
over modstanden mod nul, så der efter 'lang' tid ikke løber nogen strøm over modstanden.
1.5.2 Transient, Kapacitor<br />
Flg. plot fra Picoscope viser den transiente opførsel af spændingen, som funktion af tiden, når vi<br />
målte over kapacitoren. Den blå kurve er indgangsspændingen, V in, den røde er spændingen, V C,<br />
over kapacitoren:<br />
Det ses her, at spændingsforskellen over kapacitoren ikke øjeblikkeligt skifter til<br />
indgangsspændingen. Det skyldes modstanden placering, og fordi modstande virker som en<br />
forsinkelse. Efter 'lang' tid er der samme spændingsforskel over kapacitoren som ved indgangen.<br />
Der løber dog (efter 'lang' tid) ingen strøm over kapacitoren, selvom der er en spændingsforskel.<br />
De 2 sider af en kapacitor er nemlig ikke fysisk forbundet, så der kan løbe ladning.<br />
Da vi kom til at sætte Pisoscope til AC i den ene måling og DC i den anden, kan vi ikke<br />
umiddelbart vise begge grafer<br />
p<br />
i samme plot. Så vi aflæste den kritiske tid som det sted, hvor<br />
spændingen havde nået 1= 2 af max. Denne spænding findes ved at se på flg. sammenhæng<br />
for den komplekse strøm:<br />
j I j<br />
j I 0 j = 1<br />
r<br />
° Ñ<br />
1 + Q 2 ! ! 2<br />
! 0<br />
À<br />
0<br />
!<br />
Hvis man på ovenstående graf kigger på første firkantimpuls<br />
p<br />
startende ved tiden 0 ms , så er det<br />
altså tiden fra dette punkt til den røde kurve har nået 1= 2 af sin max. værdi, vi aflæser. Vi fik<br />
flg. værdi ved at benytte hjælpestreger i Pisoscope:<br />
Det er ret tæt på den teoretiske værdi, 470 Ös .<br />
1.6 Måledata, del 2<br />
De 2 foregående målinger var det indledende benarbejder, som har rustet os til de forsøg, der er<br />
det egentlige formål med denne øvelse - nemlig at undersøge høj- og lavpasfiltre.<br />
1.6.1 Højpasfilter<br />
Ü<br />
= 454 Ös<br />
Flg. plot fra Picoscope viser den periodiske variation af spændingen for 70 Hz vekselspænding.<br />
Den blå kurve er indgangsspændingen, V , den røde er spændingen, V , over modstanden:<br />
in<br />
R
Flg. plot fra Picoscope viser den periodiske variation af spændingen for 3360 Hz vekselspænding.<br />
Den blå kurve er indgangsspændingen, V , den røde er spændingen, V , over modstanden:<br />
in<br />
R<br />
Graferne for vores målinger viser tydeligt, hvorfor denne opstilling kaldes et højpasfilter: Ved lave<br />
frekvenser er output-spændingen meget lav, men ved høje frekvenser svarer outputspændingen,<br />
V , til input-spændingen.<br />
R<br />
Vi har fittet funktionen:<br />
g =<br />
!RC<br />
q<br />
1 + (!RC)<br />
2<br />
til vores data. Flg. plot viser resultatet fra gnuplot:
Vi har plottet overføringsfunktionen, g(f ), dvs. V =V , som funktion af Á R Á C.<br />
Gnuplot angiver ß<br />
2<br />
til:<br />
red<br />
5:111 Â 10<br />
À5<br />
Det ses tydeligt, at g(f ) er tæt på 1 ved høje frekvenser og tæt på 0 ved lave frekvenser. Grafen<br />
følger fint den teoretiske kurver, der er vist i figur 3a i opgaven.<br />
Vi har desuden kigget på Ò=Ù som funktion af ! Á R Á C:<br />
Vi har fittet flg. funktion til vores data:<br />
Ò<br />
out in !<br />
= arctan 1<br />
!RC<br />
Flg. plot viser faseforskydningen som funktion af frekvensen (i form af vinkelhastigheden, !,<br />
gange den karakteristiske tid, Ü = RC<br />
). Vi har benyttet gnuplot.:<br />
Gnuplot angiver ß<br />
2<br />
til:<br />
Grafen følger fint den teoretiske kurver, der er vist i figur 3b i opgaven.<br />
1.6.2 Lavpasfilter<br />
red<br />
3:181 Â 10<br />
À5<br />
Derefter ændrede vi opstillingen til at svare til fig 4b. Igen lavede vi en måleserie, hvor vi<br />
varierede frekvensen af inputsignalet.<br />
Flg. plot fra Picoscope viser den periodiske variation af spændingen for 70 Hz vekselspænding.<br />
Den blå kurve er indgangsspændingen, V , den røde er spændingen, V , over kapacitoren:<br />
in<br />
C
Flg. plot fra Picoscope viser den periodiske variation af spændingen for 3360 Hz vekselspænding.<br />
Den blå kurve er indgangsspændingen, V , den røde er spændingen, V , over kapacitoren:<br />
in<br />
C<br />
Graferne for denne måleserie viste tydeligt, hvorfor denne opstilling kaldes et lavpasfilter: Ved<br />
høje frekvenser er output-spændingen lav, men ved lave frekvenser svarer output-spændingen,<br />
V , til input-spændingen.<br />
C<br />
Vi har fittet flg. funktion til vores data:<br />
g =<br />
til vores data. Flg. plot viser resultatet fra gnuplot:<br />
1<br />
q<br />
1 + (!RC)<br />
2
Vi har plottet overføringsfunktionen, g(f ), dvs. V =V , som funktion af Á R Á C.<br />
Gnuplot angiver ß<br />
2<br />
til:<br />
red<br />
8:605 Â 10<br />
À5<br />
Her ses det, at g(f ) går mod 0 ved høje frekvenser og er tæt på 1 ved lave frekvenser. Grafen<br />
følger fint den teoretiske kurver, der er vist i figur 5a i opgaven.<br />
Vi har desuden kigget på Ò=Ù som funktion af ! Á R Á C:<br />
Vi har fittet flg. funktion til vores data:<br />
Ò<br />
out in !<br />
= arctan(!RC)<br />
Flg. plot viser faseforskydningen som funktion af frekvensen (i form af vinkelhastigheden, !,<br />
gange den karakteristiske tid, Ü = RC<br />
). Der er brugt gnuplot.:<br />
Gnuplot angiver ß<br />
2<br />
til: 0:0002096<br />
Som det ses fra de meget små chisquares, passer vores data rigtig godt til teorien.<br />
1.7 Konklusion<br />
Vi synes, forsøget forløb tilfredsstillende. Vores måleresultater passer fint med teorien. Dette<br />
forsøg har også givet os en god fornemmelse for, hvordan høj- og lavpasfiltre virker. Vi har sågar<br />
dannet vores egen fysiske forklaring (som dog ikke er med her) på, hvordan elektronerne i<br />
virkeligheden bevæger sig i kredsløbene, så man får de målte effekter. Det hjælper at tænke på<br />
vandslanger, når man forestiller sig den fysiske 'virkelighed' mht. elektroniske kredsløb.<br />
2. RCL-kredsløb og Resonans<br />
red
2.1 Formål<br />
Formålet med denne del af øvelsen er at undersøge resonant opførsel af et såkaldt RCLkredsløb.<br />
Et RCL-kredsløb består af en modstand, R , en kapacitor, C , og en spole, L . Vi vil både<br />
undersøge systemet, når alle 3 komponenter sidder i serie, og når kapacitoren og spolen sidder i<br />
parallel (og i serie med modstanden).<br />
2.2 Seriekreds<br />
2.2.1 Teori<br />
I figur 2a i opgaven er vist de teoretiske strømme som funktion af vinkelhastigheden, !, og<br />
dermed frekvensen. De forskellige kurver er for forskellige værdier af 'Quality faktoren', Q . Denne<br />
faktor er defineret som<br />
! 0<br />
L<br />
Q Ñ ! 0 0:4<br />
R = ! L<br />
0 Ù 2<br />
R + R L<br />
angiver den frekvens, hvor strømamplituden er maksimal:<br />
!<br />
= 1<br />
p<br />
LC<br />
Ñ ! 0<br />
I forsøget benytter vi flg. teoretiske værdier for de forskellige komponenter:<br />
Dette giver så flg. teoretiske værdi for resonansfrekvensen:<br />
2.2.2 Forsøgsopstilling<br />
I denne del forbindes de tre komponenter og jord i serie med en total spænding<br />
Spændingen over modstanden R måles.<br />
2.2.3 Måledata<br />
Vi har med LCR-meteret målt værdierne for de forskellige komponenter til:<br />
C<br />
Ù 47 nF<br />
L Ù 40 mH<br />
R Ù 35 Ê<br />
! 0 = ( 2Ù) 3:61 kHz<br />
R = 34:7 Ê<br />
C<br />
= 46:9 nF<br />
L = 41:5 mH<br />
RL = 11:3 Ê<br />
over dem.<br />
Vi kan hermed beregne en værdi for resonansfrekvensen. Den er stadig teoretisk ved, at den er<br />
beregnet. Dog benytter vi faktiske målte værdier for de enkelte komponenter, så det er en<br />
specifik teoretisk værdi for netop dette eksperiment. Vi beregnede flg. værdi for<br />
resonansfrekvensen:<br />
! 0 = p 1 Ù ( 2Ù) 3:61 kHz<br />
LC<br />
V in<br />
, hvilket man ser er samme værdi, som vi angav under teorien. Dette er fordi, de aktuelle målte<br />
værdier af komponenterne ligger tæt på de teoretiske.<br />
Indgangsspændingen V in og spændingen, V R, over modstanden blev målt omkring<br />
resonansfrekvensen, ! 0 . Faseforskydnigen, , mellem V in og V R blev fundet ved hjælp af<br />
PicoScope.<br />
Flg. tabel viser vores måledata for seriekredsen:<br />
· [kHz] V in [mV ] V R [mV ]<br />
[Ös]<br />
3.06 423 57.0 -71.5
3.39 401 106 -54.5<br />
3.51 360 132 -42.3<br />
3.56 310 143 -31.0<br />
3.58 291 146 -25.4<br />
3.60 270 149 -18.8<br />
3.65 250 151 0.0<br />
3.70 271 149 18.8<br />
3.73 291 146 27.2<br />
3.76 319 141 32.0<br />
3.80 361 132 38.5<br />
3.87 390 116 45.1<br />
4.01 410 91.9 49.8<br />
4.42 423 52.5 51.7<br />
Amplitudeforholdet plottet i forhold til frekvensen (gnuplot):<br />
Faseforskydningen plottet i forhold til frekvensen (gnuplot):<br />
Begger grafer er i overensstemmelse med teorien.<br />
Flg. plot fra gnuplot viser forholdet for strømmen ved forskellige<br />
Q -værdier:
Det kvadrerede amplitudeforhold findes ved hjælp af flg. ligning og plottes i forhold til frekvensen:<br />
j I j 2<br />
j I 0 j = 1<br />
2 1 + Q 2 ! !<br />
(<br />
! 0<br />
À<br />
0<br />
=<br />
!<br />
)<br />
(Á!=2) 2<br />
(Á!=2) 2 + (! À ! 0 )<br />
= 1<br />
2 1 + tan 2 <br />
I gnuplot kan vi tilnærme vores datapunkter til en Lorentzfordeling.<br />
Vi finder ud fra fit værdien for FWHM:<br />
Á! a Ù ( 2Ù) 437 Hz Æ 62 Hz<br />
, en afvigelse på 14% . Vi finder Q med formlen Á! a=! 0 = 1=Q<br />
Q a Ù 8:35<br />
2<br />
ß :0281606<br />
red = 0<br />
Vi kan også plotte tan() over for (w=w0 À w0=w)<br />
for at finde Q v.hj.a. gnuplot:
Gnuplot giver flg. værdi for ß<br />
2<br />
: 0:02857<br />
red<br />
2.2.4 XY-mode<br />
Når man sætter skopet i XY-mode bliver V in og V R vist på x- og y-aksen henholdsvis. Ved<br />
resonansfrekvensen, ! 0, vises en lige linie i plottet. Man aflæser det sådan, at top-top og dal-dal<br />
falder sammen. Når man viger væk fra ! 0 fremstår en ellipse. Tiden går "i ring" i ellipsen, i positiv<br />
omløbsretning for negative og i negativ omløbsretning for positive . Jo mere man går væk fra<br />
! , jo mere vandret bliver ellipsen, hvilket betyder, at og V kommer helt ud af fase.<br />
2.3 Parallelkreds<br />
2.3.1 Teori<br />
I denne opstilling benytter vi samme værdier for kapacitoren, C , og spolen, L , hvilket betyder, at<br />
vi har samme teoretiske værdi for resonansfrekvensen:<br />
2.3.2 Forsøgsopstilling<br />
I denne del forbindes R , Z og jord i serie, hvor Z er en erstatningsmodstand bestående af en<br />
parallelforbindelse mellem C og L . L regnes også for at have en ohmsk modstand i serie med<br />
den, R L. En total spænding, V in, sendes over kredsløbet. Spændingen over modstanden, Z CL,<br />
måles.<br />
2.3.3 Måledata<br />
Vi har med LCR-meteret målt værdierne for de forskellige komponenter til:<br />
Flg. tabel viser vores måledata for parallelkredsen:<br />
3.34 595 60.0 -61.1<br />
3.47 595 99.7 -51.7<br />
3.53 595 140 -44.2<br />
3.57 595 180 -34.8<br />
Q b Ù 8:57 Æ 0:36(4:2%)<br />
0 V in<br />
· [kHz] V in [mV ] V CL [mV ]<br />
[Ös]<br />
! 0 = 3:61 kHz<br />
R = 50:9 kÊ<br />
C<br />
= 46:9 nF<br />
L = 41:5 mH<br />
RL = 11:3 Ê<br />
R
3.60 595 215 -22.5<br />
3.62 595 236 -16.0<br />
3.65 595 251 0.0<br />
3.67 595 244 10.3<br />
3.69 595 219 22.6<br />
3.72 595 179 33.8<br />
3.78 595 132 43.2<br />
3.85 595 91.2 51.7<br />
3.93 595 69.8 54.5<br />
Amplitudeforholdet i forhold til frekvensen (gnuplot):<br />
Fasefoskydningen i forhold til frekvensen (gnuplot):<br />
Begge grafer er i overensstemmelse med teorien.<br />
Flg. plot fra gnuplot viser V praktisk som funktion af teoretisk:<br />
CL V CL
!<br />
, hvor Q er taget som<br />
0 L<br />
R L<br />
Ù 83:4<br />
.<br />
2Ù<br />
Gnuplot giver flg. værdi for ß<br />
2<br />
:<br />
red 97:06 0:64<br />
Denne urimelig høje værdi skyldes, at vi ikke har angivet usikkerheder overfor Gnuplot. (Se<br />
bemærkning øverst!)<br />
Vi har fittet for at finde forholdet mellem dem. Hældningen på den fittede linie er ca.<br />
har en afvigelse fra teorien på 36% .<br />
. Dvs. vi<br />
ÁV<br />
ÁV<br />
CL<br />
CL<br />
praktisk<br />
Ù 0:64 Æ 0:03(4:2%)<br />
teoretisk<br />
2.3.4 Firkantspænding<br />
Til sidst drev vi parallelkredsen med en firkantspænding. Når vi ændrede frekvensen, så vi, at<br />
ved særlige frekvenser opstod der resonans, så output-spændingen pludselig blev synlig. Det<br />
skete ved 1, 3, 5, 7, ... osv. gange den periodiske funktions periode. Dette passer fint med<br />
teorien, når man regner på det. Et firkant-signal kan nemlig beskrives ved de ulige komponenter<br />
af en Fourier-række.<br />
Flg. plot viser resultatet af en Fourier-række, hvor 40 ulige komponenter er brugt:<br />
Plottet er dannet med et program, vi har skrevet i sproget REBOL.<br />
Vi observerede den transiente opførsel (dæmpet svingning), når perioden blev lang. Resultatet<br />
ses af flg. figur:
Man kan sige, at kredsløbet 'slås an', hvilket starter en svingning, som så 'klinger ud' efterhånden<br />
som tiden går. Lidt som man kender det fra lyd, når man slår på en klokke. Når perioden bliver<br />
meget lang, er det at sammenligne med jævnstrøm. Det kendes som en underdæmpet<br />
svingningskreds.<br />
For firkantspændingen aflæste vi de fire første perioder i datafilen fra Picoscope. De var i<br />
gennemsnit ca. 2:75 Â 10 À4 s , hvilket giver en frekvens på:<br />
2.4 Konklusion<br />
1<br />
638Hz<br />
T Ù 3<br />
Det lykkedes at måle resonansfrekvenser. Vi så også 'overtoner' ved hele ulige multipla af<br />
grundfrekvensen.<br />
Vores målte data afspejler i hovedtræk teorien mht. amplitudeforhold og faseforskydning.<br />
Desuden fandt vi 'Quality factoren' ud fra forholdet mellem det kvadrerede strømforhold. Vi fandt<br />
den til 10 , hvor teorien sagde 20 . Ifølge vejlederen skulle vi forvente at finde en lavere værdi i<br />
forhold til den teoretiske.<br />
NicomDoc - 4-Jan-2008 - niclasen@fys.ku.dk