Вимірювання напруженості змінного електричного поля промислової частоти

Завдання роботи:

провести вимірювання напруженості змінного електричного поля промислової частоти у приміщенні та порівняти отримане значення з нормативом.

Обладнання:

– макетна плата;
– польовий транзистор з керівним p-n переходом, n-канальний J108, J109, J110, J111, або J112;
– резистор опором 100…220 кОм, 0,25…1 Вт;
– конденсатор ємністю 1…2,2 мкФ;
– з’єднувальні провідники;
– елемент живлення «Крона», 9 В;
– тримач елементу живлення типу «Крона» (контактний майданчик зі з’єднувальними проводами);
– пластина двостороннього фольгованого текстоліту товщиною 1…2 мм з орієнтовними розмірами 10×10 см;
– мідний монолітний ізольований провід діаметром близько 0,5 мм по міді;
– паяльник, припій паяльний флюс, або каніфоль;
– мультиметр.

Основні терміни та поняття

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ. ЕЛЕКРОСТАТИЧНЕ ПОЛЕ. НАПРУЖЕНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ. ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦІЇ ПОЛІВ Електричне поле ЕЛЕКТРИЧНА ЄМНІСТЬ. ПЛОСКИЙ КОНДЕНСАТОР. ЕНЕРГІЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ Польові транзистори Польові транзистори Польові транзистори з керуючим р-n-переходом

Теоретична частина

Рис. 1. Обладнання для вимірювання напруженості змінного електричного поля промислової частоти

Весь навколишній простір пронизаний електромагнітними полями, які розповсюджуються від їхнього джерела у вигляді електромагнітних хвиль. Існують природні і техногенні джерела електромагнітних полів.

До природних джерел електромагнітних полів належать: атмосферна електрика (блискавки, статичні розряди тощо), радіовипромінювання Сонця та галактик, електричне та магнітне поле Землі.

До техногенних джерел електромагнітних полів належать: електричні мережі, різноманітне промислове і побутове обладнання, антени різноманітних радіопередавачів тощо.

Електромагнітні поля характеризуються напруженістю змінних електричного та магнітного полів.

У цій лабораторній роботі пропонується провести вимірювання напруженості змінного електричного поля промислової частоти (50 Гц), джерелом якого є електромережа.

Якщо в змінному електричному полі розмістити плоский конденсатор перпендикулярно до силових ліній поля, то на його обкладинках буде наводитися змінна напруга U, пропорційна до напруженості поля. Якщо виміряти цю напругу і поділити її значення на відстань між обкладинками конденсатора, то ми отримаємо значення напруженості електричного поля (у В/м), що діє перпендикулярно до вимірювального конденсатора.

Для зручності вимірювань вимірювальний конденсатор має бути більш-менш компактним. При цьому його ємність буде невеликою (десятки або сотні пФ), а струм, який може протікати через вимірювальний прилад, буде істотно обмеженим. Звичайні цифрові мультиметри в режимі вимірювання напруг мають вхідний опір близько 1 або близько 10 МОм, залежно від класу приладу. Фактично, напруга, виміряна за допомогою мультиметра, є пропорційною до струму, який проходить через вхідний опір приладу, і якщо струм матиме істотне зовнішнє обмеження, вимірювання напруги будуть некоректними. Для коректного вимірювання змінної напруги на компактному вимірювальному конденсаторі потрібен прилад із надвисоким вхідним опором.

Завдання збільшення вхідного опору мультиметра можливо вирішити, застосувавши витоковий повторювач на польовому транзисторі відповідно до схеми, представленої на рисунку 2.

Рис. 2. Схема вимірювання напруженості змінного електричного поля промислової частоти

Повторювачем називається пристрій, який повторює вихідний сигнал. В електроніці застосовуються катодні (на електронних лампах), емітерні (на біполярних транзисторах) та витокові (на польових транзисторах) повторювачі. Повторювачі характеризуються високим коефіцієнтом підсилення за струмом та близьким до одиниці коефіцієнтом передачі напруги. Вони мають відносно високий вхідний опір та відносно низький вихідний опір. Особливо високий вхідний опір мають саме витокові повторювачі на польових транзисторах.

У схемі на рисунку 2 витоковий повторювач складається з польового транзистора Q1, резистора R1 та конденсатора C1. Сигнал з вимірювального конденсатора подається до затвору польового транзистора. Конденсатор С1 призначений для відокремлення постійної складової від вихідного сигналу. З нього знімається вихідний сигнал і подається до мультиметра, увімкненого в режимі вимірювання змінної напруги (VAC).

У схемі витокового повторювача для вимірювань напруженості змінного електричного поля за допомогою вимірювального конденсатора з розмірами обкладинок близько 10×10 см та відстанню між ними 1…2 мм можна застосувати резистор опором 100…220 кОм і конденсатор ємністю 1…2,2 мкФ.

Як вимірювальний конденсатор зручно використовувати пластину двостороннього фольгованого текстоліту з указаними розмірами.

На рисунку 3 наведені назви і розміщення електродів польових транзисторів J108, J109, J110, J111 та J112 на позначенні в електричних схемах та у виробах у корпусі ТО-92.

Рис. 3. Позначення електродів польових транзисторів

Хід роботи

1. Візьміть два відрізки мідного монолітного проводу довжиною близько 50 см та зніміть по краях ізоляцію. Провід діаметром 0,5 мм по міді зручно використовувати під час роботи з макетними платами.
2. Підпаяйте кінці проводів до кутів фольги текстоліту. Один провід – до верхньої обкладинки, а інший – до нижньої.
3. На макетній платі складіть схему витокового повторювача відповідно до схеми на рисунку 2 з урахуванням даних про розміщення електродів польових транзисторів на рисунку 3. Підключіть до схеми живлення і мультиметр. Приклад зібраної схеми наведено на рисунку 4.
4. Підключіть до схеми вимірювальний конденсатор (рисунок 1). Вимірювальний конденсатор розмістіть на деякій відстані від стола на діелектричній підставці (нею може бути, наприклад, пластиковий стаканчик).
5. Увімкніть мультиметр на режим вимірювання змінної напруги VAC.

Рис. 4. Приклад зібраної схеми витокового повторювача

6. За допомогою металевого пінцету або з’єднувального проводу з’єднайте обкладинки вимірювального конденсатора між собою. При цьому мультиметр має показати 0 В.
7. Заберіть пінцет або провід від вимірювального конденсатора, зчитайте і зафіксуйте показання мультиметра та просторову орієнтацію конденсатора.
8. Обчисліть значення напруженості електричного поля промислової частоти, поділивши показання мультиметра у В на відстань між обкладинками конденсатора у м.
9. Проведіть аналогічні вимірювання за різних просторових орієнтацій вимірювального конденсатора.

Аналіз даних

1. Серед результатів ваших вимірювань знайдіть максимальне значення напруженості електричного поля. З урахуванням просторової орієнтації вимірювального конденсатора, яка відповідає максимальному значенню напруженості поля, дійдіть висновків про його джерело.
2. Знайдіть у мережі інформацію щодо максимально допустимої напруженості електричного поля промислової частоти в житлових приміщеннях або навчальних закладах та порівняйте отримане вами максимальне значення з нормативом.