Опытное определение скорости распространения электрических колебаний в электролитическим коаксиальном кабеле
Рассмотрим коаксиальный кабель (далее капилляр), центральный проводник которого выполнен, из электролита, в виде круглого цилиндра, экран выполнен из металла или электролита, в виде круглого цилиндра, пространство между центральным проводником и экраном заполнено диэлектриком, составляющим капилляр. Такой кабель назовём электролитическим.
Определим на опыте скорость распространения одиночных электрических импульсов в нём.
Определение скорости распространения электрических колебаний будет производить косвенно. Определим время t распространения электрического импульса в проводнике длиной l экспериментально. А скорость вычислим по формуле:
Рис.1 Схема установки
K – капилляр, выполненный из диэлектрика, с внутренним диаметром 2r и с внешним диаметром 2R, помещён в металлический или электролитический экран и заполнен электролитом. G – генератор импульсных и гармонических колебаний, имеющий выход синхроимпульсов. О – двухканальный осциллограф.
Экран капилляра, генератор, осциллограф и стол, имеющий металлический экран, заземлены. С выхода генератора непостоянное напряжение подаётся на вход одного из каналов осциллографа и к левому концу электролита, заключённого в капилляр. Сигнал с правого конца электролита, заключённого в капилляр, подаётся на вход второго канала осциллографа. Связь проводов, подводящих энергию и снимающих её, с электролитом может быть как гальваническая, так и емкостная. Развертка каналов осциллографа единая и синхронизируется синхроимпульсами генератора G. Время задержки между сигналами определяется по шкале развертки, зная время развёртки генератора развертки осциллографа, или по периоду гармонических колебаний генератора G.
Будем рассматривать время задержки (распространения) основания переднего фронта электрического импульса в капилляре t и, отдельно, время задержки (распространения) амплитудного значения переднего фронта электрического импульса в капилляре T. Соответствующие процессы имеют разную физическую природу, что вытекает из опыта.
Рис.2. К определению параметров импульсов и их сопоставление.
- Импульс на входе кабеля.
- Импульс на выходе или в любой точке кабеля. Горизонтальная ось это ось времени. Импульс это картина изменения потенциала в выбранной точке кабеля во времени.
t - время задержки основания в распространении сигнала, все фазы импульса запаздывают на эту величину, деформации импульса в зависимости от величины времени задержки не происходит.
tА – время задержки амплитудного значения, оно присуще только амплитудному значению.
l - длительность импульса.
Задержка основания фронта импульса определяется только техническими параметрами капилляра, она не зависит от амплитуды и длительности входного импульса. Время задержки амплитудного значения зависит дополнительно, например, от длительности импульса. Время задержки амплитудного значения всегда больше времени задержки основания и длительности импульса. Скорость распространения основания электрического импульса не зависит от расстояния, а скорость распространения амплитудного значения электрического импульса зависит от расстояния.
Опыт 1. Зависимость времени задержки в распространении электрического импульса от расстояния, на которое он распространился.
В экране капилляра вырежем полосу вдоль образующей цилиндра шириной 15 градусов по дуге и, через образовавшееся пространство, будет емкостно снимать потенциал с капилляра, щупом от осциллографа (рис. 3).
Рисунок 3
Гальваническое соединение даёт тот же результат.
Промежуток времени между двумя последовательными импульсами выбран таким, чтобы импульсы при распространении не накладывались бы друг на друга (рис.4).
Рисунок 4
На
рисунке 5 то же, но время развёртке сокращено в 0,2 раз.
Рисунок 5
Участок графика АВ импульса прошедшего через капилляр круглой цилиндрической формы, с учётом наличия активной составляющей потер, в точности соответствует половине косинусоиды, при входном импульсе короткой продолжительности. Для данного выбранного сечения входным импульсом является импульс, приходящийся на сечение отстоящее от первого на малую величину в направлении обратном направлению распространения. При распространении импульса в капилляре его длительность растёт, поэтому при любой продолжительности входного, для капилляра, импульса, начиная с некоторого расстояния, линейность будет нарушена.
Для проверки этого, нужно на первый вход осциллографа, вместо импульса подать гармонические колебания от генератора. Изменяя частоту, время задержки и амплитуду можно убедиться в сказанном выше.
Это говорит о том, что при прохождении одиночного импульса через данное сечение капилляра действуют реактивные электрические силы между зарядами прямо пропорциональные смещению зарядов, наподобие распространения механических колебаний в упругих средах.
“Предел упругости” можно наблюдать. Если увеличивать длительность импульса, растёт амплитуда, крутизна участка АВ остаётся неизменной (собственные колебания) до определённого значения длительности основного импульса начиная с которого в точке В появляется перегиб (угол между касательными слева и с права к графику функции в особой точке), нарушается “непрерывность” графика (вынужденные колебания), участок АВ в верхней части отличается от косинусоиды (Рис.6). Этот перегиб увеличивается при дальнейшей увеличении длительности импульса. Увеличение амплитуды входного импульса не меняет проекции АВ на ось времен.
Рисунок 6
Капилляр выполнен из стекла, экран сделан из медной фольги с прорезью для ёмкостного контакта, внешний диаметр капилляра 7,5 мм, внутренний диаметр 1,5 мм. Капилляр заполнен дистиллированной водой. Стекло содержит соли, которые переходят в воду, что учитывалось. Капилляр после промывки нужно выдержать несколько суток, меняя воду, конечно без солей. Результаты измерений приведены в таблице №1.
Таблица №1.
|
Расстояние s х10-2м |
Время задержки основания импульса х10-6сек |
Скорость распространения основания импульса х104м/сек |
|
0 |
0 |
|
|
5 |
2 |
2,5 |
|
10 |
4 |
2,5 |
|
15 |
6 |
2,5 |
|
20 |
8 |
2,5 |
|
25 |
10 |
2,5 |
|
30 |
12 |
2,5 |
На рисунках 8 и 9 представлены соответствующие графики.
Рисунок 8. Рисунок 9.
В таблице 2 представлена зависимость задержки амплитудного значения импульса от расстояния s вдоль капилляра.
Таблица №2
|
Расстояние s х10-2м |
Время задержки амплитудного значения T импульса х10-6сек |
|
2 |
0,24 |
|
4 |
0,89 |
|
6 |
2,2 |
|
8 |
4 |
|
10 |
5,6 |
|
12 |
7,4 |
|
14 |
10,3 |
|
16 |
12,5 |
|
18 |
16,6 |
|
20 |
20,4 |
|
22 |
25,6 |
|
24 |
33,2 |
|
26 |
43,5 |
|
28 |
55,6 |
|
30 |
71,4 |
На рисунке 10 представлен соответствующий график.
Рисунок 10.
