Различия

Показаны различия между двумя версиями страницы.

--- lab4:эксперимент2 [2025/10/07 10:10]
root [Лабораторная работа 4.5]
+++ lab4:эксперимент2 [2025/10/07 10:16] (текущий)
root
@@ Строка 4: / Строка 4: @@
 === Краткое руководство по выполнению исследования ===
 Исследование зависимости магнитной восприимчивости гадолиния от температуры производится с помощью программно-аппаратного комплекса, представляющего собой блок лабораторной установки и программу на компьютере.
@@ Строка 10: / Строка 9: @@
 === Лабораторный блок ===
-Лабораторный блок непрерывно передает в компьютер данные о температуре образца и его магнитной проницаемости. Чтобы получать эти данные программа должна подключиться к одному из последовательных COM-портов, которые имеются в системе. Делается это нажатием кнопки на экране "Подключить COM-порт" или комбинацией клавиш <Ctrl+D>. Один из таких последовательных портов появляется в системе после включении лабораторного блока установки.
+Лабораторный блок непрерывно передает в компьютер данные о температуре образца и его магнитной проницаемости. Чтобы получать эти данные программа должна подключиться к одному из последовательных COM-портов, которые имеются в системе. Делается это нажатием кнопки на экране "Подключить COM-порт" или комбинацией клавиш <Ctrl+D>. Один из таких последовательных портов появляется в системе после <html>включении</html> лабораторного блока установки.
 Перед началом работы необходимо убедиться, что сетевой провод электропитания и провод USB подключены к лабораторному блоку.
@@ Строка 18: / Строка 17: @@
 Основные функции программы:
-- изменение температуры образца ферромангентка (редкоземельный металл гадолиний) в заданном диапазоне температур, с контролем скорости изменения температуры;
+- изменение температуры образца <html>ферромангентка</html> (редкоземельный металл гадолиний) в заданном диапазоне температур, с контролем скорости изменения температуры;
 - получение величины магнитной проницаемости (в терминах программы **намагниченность**) образца гадолиния;
 - приём потока данных из лабораторного блока;
@@ Строка 29: / Строка 28: @@
 Данные о температуре образца и намагниченности принимаются и накапливаются программой, обеспечивая отображения текущих значений и всей истории их изменений, с момента подключения, в виде таблиц и графиков.
-==== Общее описание порядка выполнения лабораторной работы ====
+=== Общее описание порядка выполнения лабораторной работы ===
 **1. Включение электронного блока установки**
-Для начала исследований необходимо включить лабораторный блок. Для этого необходимо перевести <color red>м</color> в верхнее положение тумблер электропитания.
+Для начала исследований необходимо включить лабораторный блок. Для этого необходимо <html>перевестим</html> в верхнее положение тумблер электропитания.
 **2. Запуск программы**
-На рабочем столе компьютера находится ярлык запуска программы SerialVisualizer :
+На рабочем столе компьютера находится ярлык запуска программы SerialVisualizer:
+{{:serialvisualizer_icon.png?200|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
 После появления заставки откроется окно программы.
@@ Строка 48: / Строка 49: @@
 Органы управления программы расположены колонкой у левого края окна. Ниже пример с установками по умолчанию:
+{{:program_interface.png?400|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
 Все органы управления сгруппированы в блоки. Самый верхний блок отвечает за подключение к порту и получение исходных данных. Необходимо выбрать нужный порт в выпадающем списке "COM-порт", а затем нажать кнопку "Подключить COM порт".
@@ Строка 71: / Строка 74: @@
 "ЕлМаг ЛР45 - 2022-09-26 (09-52-14)"
-Эта <color red>папку</color> можно найти внутри папки "ЛР 4.5 _Результаты исследований" на Рабочем столе._
+Эта <html>папку</html> можно найти внутри папки "ЛР 4.5 _Результаты исследований" на Рабочем столе._
 По итогам проведенного эксперимента в папке сеанса работы формируются следующие файлы:
@@ Строка 87: / Строка 90: @@
 Если настройки по умолчанию не были изменены, то дополнительно в папку сеанса работы программы будут записаны еще следующие файлы (имена файлов для примера):
-- файл "ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-55-21) - данные в пределах экрана.xlsx", в котором содержатся полученные данные, находящиеся в пределах границ отображения правого экрана с графиками. Дело в том, что если отключено <color red>автомасптабирование</color> или привязка к краям экрана по оси X, то графики на экране можно <color red>масптабировать</color> и перемещать по горизонтали, выбрав, таким образом, только интересующий диапазон.
+- файл "ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-55-21) - данные в пределах экрана.xlsx", в котором содержатся полученные данные, находящиеся в пределах границ отображения правого экрана с графиками. Дело в том, что если отключено <html>автомасптабирование</html> или привязка к краям экрана по оси X, то графики на экране можно <html>масптабировать</html> и перемещать по горизонтали, выбрав, таким образом, только интересующий диапазон.
 - файл "ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-55-23) - график M(T),png"
@@ Строка 111: / Строка 114: @@
 Масштабирование и перемещения графиков температуры по осям X и Y производится курсором и колесиком мыши. Например, для изменения масштаба необходимо покрутить колесом мыши над соответствующей осью. Ниже показаны зоны для масштабирования и перемещения графиков мышью:
+{{:graph_scaling_zones.png?300|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
 Назначение любых органов управления программы можно узнать, наведя на них курсор мыши, вскоре появится всплывающая подсказка с пояснениями о назначении этого элемента.
@@ Строка 141: / Строка 146: @@
 Управление температурой образца гадолиния в лабораторной установке производится с помощью термоэлектрического преобразователя – элемента Пельтье. Этот элемент представляет собой пластину, размером 4 х 4 см, толщиной 4 мм из которой выходят два провода. В данной лабораторной установке используется пакет из двух последовательно включенных элементов:
+{{:peltier_elements.png?300|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
 Если через этот элемент пропустить электрический ток, присоединив к красному проводу положительный полюс источника питания, а к черному – отрицательный, то верхняя поверхность начнет охлаждаться, а нижняя – нагреваться. В данной лабораторной установке верхняя поверхность используется для управления температурой образца, а нижняя поверхность прижата к радиатору теплоотвода с вентилятором обдува для стабилизации его температуры.
@@ Строка 156: / Строка 163: @@
 Оба элемента ручного управления температурой представлены на рисунке ниже:
+{{:temperature_controls.png?300|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
 Для справки: В практике цифрового электронного управления мощностью широко применяется технология **широтно-импульсного модулирования (ШИМ). При этом** среднее значение тока определяется шириной импульсов, следующих с фиксированной частотой. Изменение ШИМ заключается в изменении ширины этих импульсов. Это линейно определяет среднее значение мощности. Для современных микроконтроллеров не составляет большой проблемы организовать такое регулирование. В данной программе регулировка ШИМ приведена к масштабу в пределах от 0 до 100. При ШИМ равном 0 ток отсутствует, при значении 100 – ток максимальный.
@@ Строка 170: / Строка 179: @@
 Чтобы разобраться, каким образом мы сможем определить температуру Кюри, необходимо понять, что и как мы измеряем в этом исследовании. Методическое пособие по лабораторной работе 4.5 описывает следующую структурную схему установки измерения магнитной восприимчивости гадолиния с использованием дифференциального трансформатора:
+{{:differential_transformer.png?400|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
 Дифференциальный трансформатор состоит из двух одинаковых катушек (трансформаторов) 2 и 3, имеющих первичную (слева) и вторичную (справа) обмотки. Важным моментом является то, что направления намотки первичных обмоток совпадают, а у вторичных обмоток не совпадают (у одной из них выходные клеммы подключены в обратном направлении, т.е. поменяны местами). На первичные обмотки двух трансформаторов подано переменное синусоидальное напряжение от источника 1. Полярность подключения обмоток, обозначенная точками, обеспечивает синфазность протекающего по ним тока.
-Вторичные катушки дифференциального трансформатора соединены последовательно в <color red>противодазе</color>. Это видно по точкам у правых обмоток трансформаторов. Таким образом, выходные сигналы вторичных катушек будут взаимно вычитаться.
+Вторичные катушки дифференциального трансформатора соединены последовательно в <html>противодазе</html>. Это видно по точкам у правых обмоток трансформаторов. Таким образом, выходные сигналы вторичных катушек будут взаимно вычитаться.
 Одинаковыми выходные сигналы дифференциального трансформатора будут, если коэффициент индуктивной связи между обоими плечами трансформатора будет одинаков. В этом случае, в результате вычитания мы получим нулевой сигнал.
@@ Строка 181: / Строка 192: @@
 Как уже указывалось выше, металл гадолиний способен изменять свои магнитные свойства в зависимости от температуры. Если он нагрет до температуры выше температуры Кюри (около 20 градусов Цельсия), то он не будет существенно влиять на индуктивную связь обмоток катушки трансформатора, т.к. проявляет преимущественно парамагнитные свойства. В этом случае на выходе дифференциального трансформатора мы получим слабый сигнал. В охлажденном состоянии, при температуре ниже температуры Кюри, гадолиний становится ярко выраженным ферромагнетиком. Его нахождение внутри катушки трансформатора очень существенно увеличивает индуктивную связь, а следовательно, и амплитуду выходного сигнала.
-Очевидно, что сигнал от второй катушки постоянен, поскольку в нем всегда отсутствует магнитопровод. Такая схема описана в методическом пособие по данной лабораторной работе.
+Очевидно, что сигнал от второй катушки постоянен, поскольку в нем всегда отсутствует магнитопровод. Такая схема описана в методическом <html>пособие</html> по данной лабораторной работе.
 Стремление к совершенствованию и упрощению реализации научных исследований подталкивает нас находить более простые и эффективные пути. Применительно к данному исследованию мы можем заменить **материальное вычитание сигнала второй** катушки (постоянная величина) из сигнала катушки с образцом гадолиния (изменяемая величина) на вычитание аналитическое.
 Если мы однократно измерим выходной сигнал со второй катушки и запомним его, то проведя аналого-цифровое преобразование (АЦП) сигнала катушки с гадолинием при разных температурах, мы можем вычесть заполненное значение из всех получаемых значений АЦП. Такие задачи легко выполняет микропроцессорная система (блок 7). В этом случае схема экспериментальной установки будет выглядеть следующим образом:
+{{:simplified_scheme.png?400|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
 Как видно, нам удалось исключить вторую катушку.
@@ Строка 191: / Строка 204: @@
 Именно эта схема установки реализована сейчас, только блок регистрации не производит вычитания постоянной величины. Таким образом, для определения температуры Кюри, согласно описания методического пособия, необходимо провести это вычитание самостоятельно.
-По завершении эксперимента и закрытия программы на Рабочем столе в папке "<color red>JIP 4.5 Результаты исследований</color>" можно обнаружить новую папку. В этой папке имеется файл электронных таблиц (*.xlsx), который содержит две колонки данных: температуру Т и намагниченность М. График этих параметров должен выглядеть примерно так:
+По завершении эксперимента и закрытия программы на Рабочем столе в папке "<html>JIP 4.5 Результаты исследований</html>" можно обнаружить новую папку. В этой папке имеется файл электронных таблиц (*.xlsx), который содержит две колонки данных: температуру Т и намагниченность М. График этих параметров должен выглядеть примерно так:
-Намагниченность
+{{:initial_graph.png?400|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
-увеличение
+Необходимо сформировать новую колонку, в которой будут находиться данные намагниченности с вычтенным значением 52, т.е. $(M-52)$. Это значение было определено экспериментально сотрудниками практикума. Определяется оно при извлеченном из катушки образце гадолиния. Категорически не рекомендуется извлекать образец гадолиния самостоятельно, т.к. вместе с ним в теплопроводящем стакане располагается датчик температуры.
-ферро-
-магнитных
-свойств
-уменьшение
-ферромагнитных
-свойств
-уменьшение
-ферромагнитных
-свойств
-Т (°С)
-(время)
-Необходимо сформировать новую колонку, в которой будут находиться данные намагниченности с вычтенным значением 52, т.е. (М–52). Это значение было определено экспериментально сотрудниками практикума. Определяется оно при извлеченном из катушки образце гадолиния. Категорически не рекомендуется извлекать образец гадолиния самостоятельно, т.к. вместе с ним в теплопроводящем стакане располагается датчик температуры.
 Можно построить график зависимости магнитной восприимчивости (намагниченности – в терминах программы) от температуры.
-Материалы
+{{:corrected_graph.png?400|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
-Гадолиний
+После вычитания постоянной величины этот график будет выглядеть так:
-парамагнетик
-Материалы
+Можно обратить внимание на отличие графиков при нагреве и охлаждении. Это объясняется инерционностью тепловых волн в образце. Чем медленнее производится изменение температуры, тем более слитными становятся линии графиков. Далее необходимо сформировать еще одну колонку данных с величиной $1/(M-52)$. Если теперь построить график зависимости этой величины от температуры, то он должен выглядеть примерно так:
-Объемы
-Гадолиний
-парамагнетик
-Немагниченность
-Т (°С)
-Температура гадолиния
-После вычитания постоянной величины этот график будет выглядеть так:
-Можно обратить внимание на отличие графиков при нагреве и охлаждении. Это объясняется инерционностью тепловых волн в образце. Чем медленнее производится изменение температуры, тем более слитными становятся линии графиков. Далее необходимо сформировать еще одну колонку данных с величиной 1/(M-52). Если теперь построить график зависимости этой величины от температуры, то он должен выглядеть примерно так:
+{{:inverse_graph.png?400|}} <!-- Пример вставки рисунка -->
 По этому графику можно определить парамагнитную температуру Кюри:
-<latex>
+$\Theta_p = \frac{1}{\text{наклон прямой}}$
-\Theta_p = \frac{1}{\text{наклон прямой}}
-</latex>
 Или:
-<latex>
+$\frac{1}{\chi} \propto (T - \Theta_p)$
-\frac{1}{\chi} \propto (T - \Theta_p)
-</latex>
 Где:
 - $\chi$ - магнитная восприимчивость
 - $T$ - температура
 - $\Theta_p$ - парамагнитная температура Кюри