06 Non-contact Resistance 非接触电阻
课题描述
The responses of a LRC circuit driven by an AC source can be changed by inserting either a non-magnetic metal rod or a ferromagnetic rod into the inductor coil. How can we obtain the magnetic and electric properties of the inserted rod from the circuit’s responses?
交流电源驱动的LRC电路响应可通过在电感线圈中插入非磁性金属杆或铁磁杆来改变。如何从电路的响应中得到插入杆的电磁特性?
引自 :https://zhuanlan.zhihu.com/p/648728027
关键词:交流电源、LRC电路、非磁性、铁磁、电路的响应、电磁特性
Insights and Instructions:考虑棒的材料、大小和形状,以及与线圈和整个电路的相互作用。观察插入不同类型棒时电路响应的变化,包括电阻、电感和电容。通过精确测量这些参数的变化,你可以推断出插入棒的磁性和电性。深入了解这一现象的物理原理,有助于更精确地分析和理解实验结果。
作者:MCMPTLAB https://www.bilibili.com/read/cv25548186/?spm_id_from=333.999.0.0 出处:bilibili
参考文献
注意:Wikipedia网页不能直接点击,需要用镜像网站来搜索。镜像网站链接如下:https://encyclopedia.thefreedictionary.com/,然后直接搜索你想要的内容即可。
来自Toolkit:
Wikipedia: LC circuit, https://en.wikipedia.org/wiki/LC_circuit
Wikipedia: RLC circuit, https://en.wikipedia.org/wiki/RLC_circuit
Wikipedia: Inductor, https://en.wikipedia.org/wiki/Inductor
Wikipedia: Magnetic core, https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_core
Lessons In Electric Circuits – Volume II (ibiblio.org), https://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/AC/AC_6.html
N. Westermann, S. Staacks, H. Heinke, and P. Möhrke. Measuring the magnetic field of a low frequency LC-circuit with phyphox. Phys. Educ. 57, 6, 065024 (2022)
B. Nana, S.B. Yamgoué, I. Kemajou, R. Tchitnga, and P. Woafo. Dynamics of a RLC series circuit with hysteretic iron-core inductor. Chaos, Solitons & Fractals 106, 184-192 (2018)
V. Matos, L. Silva, and J. Sena Esteves. Induction ring launcher (Selected Papers on Hands-on Science, pp. 347-352), https://core.ac.uk/download/pdf/55609458.pdf
S. Haidar. Thomson's ring experiment with resonant LC circuit. Phys. Educ. 51, 1, 015013 (2016)
最后使用的文章:
[1] Chan JH et al. Nonlinear transformer model for circuit simulation[J]. IEEE Trans Computer-Aided Des., 1991.
[2] 严密, 彭晓领. 磁学基础与磁性材料(第二版)[M]. 杭州:浙江大学出版社, 2019.
[3] 温秉权, 黄勇主编. 金属材料手册[M]. 北京:电子工业出版社, 2009.
[5] B. Nana et al. Dynamics of a RLC series circuit with hysteretic iron-core inductor[J]. Chaos, Solitons and Fractals, 2017.
[6] Gustav Mörée, Mats Leijon. Review of Play and Preisach Models for Hysteresis in Magnetic Materials[J]. Materials, 2023.
[7] I. Nová et al. Dynamic Hysteresis Loops Modeling by Means of Extended Hyperbolic Model[J]. IEEE Trans on Mag., 2013.
[8] D. Carnevale et al. Generalized Constructive Model of Hysteresis[J]. IEEE Trans on Mag., 2006.
实验计划与进展
主要脉络
(开题报告上如是说,因此这个东西我就摆在这里不动了)
起止日期 | 主要研究内容 |
---|---|
2023-10上旬 | 发现“非接触电阻”效应,并初步探究其影响因素 |
2023-10下旬 | 定制螺线管和不同材料、不同几何参数的金属棒和铁氧体棒,同时研究理论方面的问题(可能会牵涉到模拟) |
2023-11 | 对非接触电阻的讨论(以定性半定量为主),同时继续研究理论方面的问题(一定会牵涉到模拟) |
2023-12~2024-03 | 继续对非接触电阻的讨论(开始定量研究) |
2024-04~2024-09 | 理论与实验数据对比,从而修正理论模型 |
第一学期实验进展记录
1-第01周
组建团队
由于有人退出,相较于乐老师的其他课题组而言,我们的整个实验进展比较缓慢。但好在我们课题组还是有足够多的人的。
1-第02周
实验前
明确与本实验相关的电学、磁学性质”究竟是什么。
结论:包含介质的相对磁导率(非铁磁体)或者磁滞回线(铁磁体)
周日 09-10
预实验,搭建起RLC电路,同时对于普通的RLC电路中间加上锯齿波、方波或脉冲等情形做一些记录。这件事情由我(李康贤,下同)负责。
结果:基本圆满完成,除了一些小问题(比如说实验仪器型号等)在第二天由乔宜昊解决了。
周二 09-12
第一次正式实验,开始往螺线管中间加入各式各样的介质,观察电感变化的情况。从直觉上来说,插入一般的磁介质对电感所能导致的变化极其微小,难以察觉,但是我们还是想要试试看。对于铁磁介质而言,我们可以预见,电感的变化会非常大;而由参考文献的公式,电阻两端电压在上升沿和下降沿会产生差异,从而可以快捷地判断插入的介质是否有类似于磁滞回线一类的东西。
我们主要的担忧在于,是否存在某种介质,其B-H存在函数关系,但是是非线性的。
结果:完全失败。简单来讲就是边缘效应太严重了,螺线管的长度相对于其横截面积开根号来讲太小了,匀强磁场的部分太小了,因此我们得考虑重新更改实验装置了。
1-第03周
周日 09-17
在内外压力之下(于外主要归功于yx),我被迫叫停了实验;叫停期间,我要求组员思考实验的意义和大方向。
周三 09-20
中午展开了第一次组内研讨会,在研讨会上乐老师给我们指明了方向:先按上周五的既定路径实验,于是实验提前重启。
下午第6-7节课我们改变了一些参数(将R调整为1kΩ,将C调整为1nF),并且测量了RLC电路的谐振频率和谐振曲线。
结果:绘制出了RLC电路的谐振曲线,但是实验比较匆忙且先前毫无准备(本打算叫停一周的,结果到周三又得继续了),于是没有做出很理想的结果。
周四 09-21
谐振曲线不理想,我觉得是由于不匹配的参数所导致的。于是我决定带上乔宜昊重新进行实验。
由于3D打印的关系,我们无法开始下一步实验——一个固定铁氧体棒的环无法通过3D打印生产出来,于是我们目前无法保证铁氧体棒被放置在了线圈的中心,尤其是垂直于轴的方向。这点影响我们预估不是很大,但是不做实验没有办法验证我们的结果。
同时:常规实验时间改成了周四晚上。因此这是我们的常规实验
结果:我们遇到了一个新的麻烦:我们发现除开检测电阻以外的电阻竟然有几千欧姆之巨。为此我猜想应该是导线的接触问题,尤其是铁质的鳄鱼夹,如果生锈了一点那么接触电阻将变得非常巨大。针对这种情况,我决定下次实验的时候直接将导线全部更换一遍,从而获得更加可靠的实验结论。
1-第04周
周四 09-28
本周是国庆放假前的最后一周,我在别人开中秋晚会的时候安排了个实验(手动狗头)。
我们首先要解决的问题是电路的接触问题,然后降低谐振频率,这样可以降低导线的杂散电容(潜布电容)所带来的影响。
接下来就是插入铁氧体棒,利用新做出来的小塑料环,将铁氧体棒固定在轴线上,再重复上一周的实验。这是我们目前所能做的所有东西。
结果:随着电阻元件的更换,接触问题似乎得到了较为彻底的解决。因此可以断定接触不良的因素在于这个电阻。但是由于我选错了参数(依旧将电阻箱的阻值调到了1千欧),因此整个实验现象极其不明显,几乎得重做。同时我也过分关注了品质因数Q的用处。关键在于近期我过分关注了硬件问题,从而忽视了实验的前提条件,实验前填表也没有完成。时间上的选择也不甚好,实验者归心很重,这才导致了整个实验没有达到预期效果。这些是往后我在组织实验的时候一定要注意的。
1-第05周
周五 10-06
国庆放假,但是依旧可以做一些实验。本打算安排在周六的,但是周六我有歌会排练,于是提前了一天。
本次实验计划将回路的电阻降低,之后测量不同电容的条件下(改变电容的目的是改变谐振频率)回路中电阻的变化,实验中可能同时需要控制电流大小相同等条件,也尽可能消除趋肤效应导致的电阻误差,以保证数据有说服力。
结果:非常不理想。我们发现,随着频率的升高,回路的总电阻随着频率显著升高。能够排除趋肤效应的影响。我们原先把问题归结为电容箱,但后来我们和乐老师发现,实际情况是我们使用的电感的电阻会随频率发生显著的上升,导致整个实验将变得异常困难。我们只有先把电感的问题解决掉,才能做后续的实验。但是有一个意外之喜:我们找到了先前的一千欧姆之巨的电阻的来源。这是整个实验唯一令人满意的地方了。
1-第06周
本周内容较多。
周日 10-08
今天下午,我利用了桌上的磁铁来判断我们的所有实验器材是否是具备铁磁性的。经检验,我断定线圈不是铁质的,我们曾经使用的铁质的东西仅仅有鳄鱼夹和电阻箱的外壳等。
因此一方面,我们在寻找更加科学的线圈绕制方法,另一方面,我们在试图屏蔽掉任何可能影响本实验的因素,例如铁质的桌子和导线(以及鳄鱼夹)等等。
但是,在晚间我临时起意继续实验的时候,我无意间拿出了一个前辈们绕制好的单层螺线管做实验,发现这就是一个“正常”的、“表观”电阻R_s(即等效串联电阻)在低频状态下几乎不受信号频率影响的螺线管。因此我就知道了螺线管应该如何绕制了。
周一 10-09
一大早我就走进实验室开始这天的实验。这一次实验的目的就是完成预实验,进一步量化前一天看到的实验现象。
结果:非常好,我成功做出了预实验,成功地看到了铁磁性和非铁磁性(纯铜、黄铜、铝)金属棒(管)插入以后电感的等效串联电阻的上升。预实验就此取得圆满成功。
我做了理论计算,计算也能支持这一点。然而我忽略了感应电磁场对于原来磁场的影响,于是插入金属棒(管)前后螺线管的电感的变化并没有计算出来。
周二 10-10
我试图手工绕制螺线管,但是绕制下来的结果并不很理想,螺线管“拉胯”地很,根本没有做到“密绕”。因此,最大的电感还没有能够做到。至于如何将螺线管保持在一个比较紧密的位置,我想到可以用电工胶带来进行限位。
周四 10-12
从本周开始学习生活逐渐步入正轨。
中午,我们小组在我的主持之下开了一个研讨会(乐老师也参与其中)。在该研讨会中间我们明确了分工——我、张锦阳和康宋凯主要负责实验部分;乔宜昊负责理论部分;蔡一鸣和张子楠负责仿真模拟和机械制图。同时我们也讨论了大致的实验方向以及一些技术性质的问题,其中就包括绕制线圈(这项后面会再次提到)。
我们终于明确了先前那个笨重的螺线管出现奇怪性质的原因了——螺线管是多层的,外层电流变化的时候会在内从产生一个感应电场,从而会产生“非接触电阻”的效应(想不到一个没有任何东西的线圈就已经有“非接触电阻”的效应了,从某种意义上来说我们实际上早就做出预实验了,可是我们却不自知)。
本次实验内容是试绕制一个小的螺线管,并接入我们原有的电路中间,从而观察我们到底可以用我们自己搭建的电路做些什么事情。
康宋凯用他的技术绕制出了一个比较好的螺线管,经测量得到其电感为7.92μH。这应当是一个很小的电感了,我们需要将电感做大。乐老师建议用A4纸包住内层导线以后再行绕制下一层导线,并准备好热熔胶枪来固定最边缘的几匝导线。但是基于我们最初使用的那个笨重的螺线管的教训,以及流程的麻烦程度,我们将尽量避免绕制多层的螺线管。
结果:什么都没有做出来。原因是螺线管自身的电感太小了,回路中的其他电感对于总电感产生了不可忽略的影响。至于影响在哪里我并不清楚。连谐振频率理论值和实测值差异都很大,接下来的事情更加难以完成了。
1-第07周
周日 10-15
我在空余时间去了一趟实验室,解决上周没能解决的问题。
结果:我发现我们使用的同轴电缆的电感竟有1.80μH之巨(至少相对线圈而言这个电感已经非常大了),电阻箱有0.55μH电感,张翊凡的电阻也有0.87μH电感(两个电阻一般只接入一个)。这两项是导致谐振频率的理论值和实测值有巨大差异的主要原因。另外,我看到了一个两难的问题:如果要使得谐振频率的测定变得精确一些,我们需要减小噪音,那么我们必须要升高检测电阻;而我们又要使李萨如图形对频率的变化更加敏感,那么我们必须要降低检测电阻。我认为问题的根源在于信号发生器的50Ω的内阻,远远大于螺线管的电阻。我们在实验中间设定的检测电阻为10Ω,这个设定虽然使得李萨如图形随频率的变化敏感一些,但也会导致路端电压和信号发生器上设定的电压的比值非常小。为了消除这个问题,我觉得我们必须要使用功率发生器来代替信号发生器。
周二 10-17
我让组员康宋凯和张锦阳去实验室绕制螺线管,获取具有更大电感的螺线管。
结果:我们(主要是康宋凯)绕制了80余匝的线,然后获取了电感为30μH的螺线管。这应该比先前的7μH的螺线管的效果要好很多了。但是最后一匝的问题依旧没有解决,电感不稳定。本周四我们将正式把我们的螺线管接入我们自己的RLC电路中间进行测量。
周四 10-19
我们正式开始把我们的螺线管接入我们自己的RLC电路中间进行测量。在乐老师的建议下,我们把频率调得比较高,以期看到更加显著的非接触电阻现象。然后在这个条件下,调节电容箱的电容值,从而保持谐振频率不变。我们希望是我们自己的电路和LCR表给出的结果是一致的,至少是接近一致的,这样的话我们就算是完成了我们的任务之一:将LCR表上面的结果复现在我们的实验电路中间。
结果:自行搭建的RLC回路测量得的螺线管的等效串联电阻与LCR表的测量值存在显著差异,但两数据变化趋势与差值基本一致,故初步猜测电路中存在未了解的电阻。进一步测量表明,在0.1MHz,1V条件下,连接螺线管的导线总电阻为2.091Ω。减去此值后,两组测量电阻值的差值处于0.1欧姆量级。这个结果虽然有差异,但是已经比较好了。我们的实验装置获得了初步的成功。
下一步我们的任务就是定制我们的金属棒,从而进行定性半定量的比较,验证我们在开题报告中间提出的影响非接触电阻的因素的合理性和有效性。
1-第08周
周日 10-22
我在空余时间喊上康宋凯去了一趟实验室,解决上周没能解决的问题,完成上一周周四由于时间关系没能完成的实验。
结果:我们发现在信号频率为50kHz的时候,这个差距依然没有消失;示波器的显示精度不够,且最后一位一直在跳动。我们觉得是我们的信号不够稳定而导致的问题。但是不论如何,我觉得我们可以先把我们自己的电路扔在一边,过两周我们再来解决我们自己的电路的问题。金属棒预计在周一到货,周二我们就可以开展新一阶段的实验了。
周二 10-24
我们准备利用新到货的金属棒验证乔宜昊的理论计算结果,并且控制变量,探究影响“非接触电阻”的有效的因素。
接下来我们就按照乔宜昊的理论进行测量。我们保持材料不变,然后调整信号的频率,测量其串联电阻和电感的值,并作arctan(ΔR/(ωΔL))-ωσr^2图。按照乔宜昊的理论,不同材料做出的曲线应该形状相似,仅仅是在ωσr^2轴上有所伸缩。
结果:我们发现形状确实是比较相似,但是经过伸缩以后得结果并不是完全重合,在低频状态下我们的曲线重合较好,但是在高频下重合就不是那么良好了。我们猜想是因为在高频下电路开始出现一些未曾料想到的效应导致了在高频下的误差。
周六 10-28
紧急开展组会以应对乐老师的要求。我组事实上已经开始了FUPT的备赛过程。
我、乔宜昊、张锦阳都拿出了可供展示的内容,大家就这些内容展开了长达45min的讨论。我们看到,乔宜昊的理论计算得到的电阻和实验符合得比较好,但是电感则很不相符。我们正在积极寻找其中的原因。
1-第09周
周二 10-31
首先我们开展紧急组会,这是连续的7天里面的第二场紧急组会。
然后我们做实验以进一步验证乔宜昊的理论。
结果:由于我的疏忽我忘记将“金属棒并没有充满螺线管”这件事情告诉乔宜昊,导致乔宜昊没能计算因此带来的额外的电感,使得理论和实验相比严重偏小。加上这一项以后,电感值的计算方面,理论和实验相比数据相差无几,达到了和电阻一样的精度。在模拟仿真方面,我们也将误差降低到了50%。
接下来我们将通过更多种材料的数据来进一步验证乔宜昊理论的正确性。我们只做了铝-16,至少还要做铜-16、铝-8和铜-8的数据验证。但这个是下一周的内容了。
1-第10周
考虑到各自的期中考试,本周线下hands-on的常规实验暂停,但是在线上我们依旧进行理论和实验的比对和核算。
然而,FUPT正在来临,于是我将暂停时间定为10/31的18:00一直到11/9的17:00
周日 11-05
我们几个参加FUPT的同学讨论修改PPT并试讲。最后决定再加几页PPT上去。
但是最主要的是要新做出一些成果来,否则我们将无法撑到11分钟,这是要扣分的。
周二 11-07
赛程表出了。
1-第11周
FUPT准备周。周六就是FUPT比赛。
周二 11-14
我们准备重拾自行搭建的电路,打算在自己的电路上测一下数据然后和仪器测出的数据进行比对。频率取我们先前仪器上做过的频率。但是康宋凯同学把螺线管加固过了,新测出的数据会和原先的实验数据有歧离。至于有多少我不知道,但有可能会到一个不可接受的地步,以至于所有数据都必须要重测。
结果:我们的确把数据全部重新测过了。但是电路上的实验结果非常不理想,相对误差甚至达到了一半。我认为这个结果可能是由于我们没有使用限位环(根本用不上,限位环放不进螺线管),也有可能是由接触电阻以及电容箱的精度或者电路的灵敏度造成的。我们后续将改进这一问题,但是周六的FUPT就不加以说明了。
1-第12周
FUPT比赛结束,一切回归常态。我们需要解决先前的各种问题,例如电感在低频下理论和实验符合得不好的原因解释,以及改进自己的电路使之能够测量数据。
同时我们需要继续我们的实验研究。我们要改变插入螺线管的金属棒的长度,以及利用更多的材料来进行实验。
我们需要:
- 重新绕制螺线管
- 重新打印支撑环
- 重新定制金属棒
周二 11-21
我们计划改变插入金属棒的长度,探究插入金属棒长度和非接触电阻现象的定量关系。至于理论和实验不相符的问题,我认为这不是实验组同学应该去解决的问题,这个问题留待负责理论和模拟仿真的同学来解决。
结果:线性比较良好,相关系数至少有一个9。于是我们可以断定,螺线管的等效串联电感和等效串联电阻都是和金属棒插入深度x成线性关系的。在此之后,我需要寻求理论解释。
周五 11-24
重回自行搭建的RLC电路,测量人眼能够分辨的最小相位差。调节电路中间的电容,可以发现在一定范围内,改变电容的时候李萨如图形看起来都像是一条斜线。我们通过测量这样一个范围来反推我们能够感知到的相位差的最小改变。
结果:我们测量得到,人眼利用李萨如图形能够分辨的最小相位差为0.02rad。那么我们可以确认谐振判断的误差主要不在示波器本身。
1-第13周
周二 11-28
现在我们开始研究铁磁性物质。我们从最简单的情况入手:铁氧体棒。铁氧体不是导体,因此涡流效应几乎不存在,只有相对磁导率和磁滞在起作用,简化研究的难度。
这次实验我们将定性研究铁氧体棒插入螺线管对于螺线管的电感和电阻的影响。我们要将含有铁氧体棒的螺线管接在LCR表的两端,然后再接入电路中间观察路端电压和电流(电阻两端的电压)的波形。
结果:非常糟糕。我们发现插入铁氧体棒的时候,LCR表上的串联电感和串联电阻的示数随时间总是逐渐变小的,而且在观察较长时间后没有停下的迹象。在高频的情况下,这种现象更加明显。我们在调节工作频率以后立刻记录数据,发现串联电阻随频率变化的数据点拟合最好的是e指数函数,但是无法给出合理的解释,参数的物理含义也未知。而当我们将工作频率从高频(比如说100kHz)调节到低频(比如说10kHz)的时候,串联电感和串联电阻的示数将会在调节之后先经历一个短暂的骤降,然后开始上升。这说明热效应在其中已经产生了比较显著的影响。但是是否是热效应尚且有待确认。另一方面,电平的改变也会影响到示数,这是因为电平的改变会改变铁氧体的磁滞回线,从而导致磁滞回线围成的面积发生变化,改变电阻的大小。当我们将螺线管接入自行搭建的电路中间时,我们发现会产生类似与磁滞回线的李萨如图形(信号源调到三角波),但是具体原因无法解释。
1-第14周
周二 12-05
我们着手来解决上一周留下来的问题。对于发热的确认,我们通过改变铁氧体棒的温度来改变吸放热的方向,进而确认串联电感和串联电阻的改变是否和铁氧体棒吸放热的方向有关。
至于加热的方式,我们可以考虑热水浴——拿塑料袋套住铁氧体棒,然后将其放入热水中,待热平衡以后再将铁氧体棒取出,放入螺线管中间。
另外我们将尝试使用不同种类的铁氧体棒,测量铁氧体棒插入以后的串联电感和串联电阻,从而初步得到一些结论。
结果:我们改变了铁氧体棒的温度,确认了铁氧体棒的数据变化是由于发热导致的温度变化引起的。在建立铁氧体棒内的温度梯度的过程中,螺线管的电感和电阻将逐步减小,然而铁氧体的导热性能非常差劲,于是建立温度梯度需要的时间非常长,这就解释了示数长时间没有稳定的原因。
1-第15周
由于不知道应该如何推进实验,以及期末季的临近,本周的实验直接取消了。在2024-01-04我们将会补上这次实验,届时将按照乐老师的指引进行实验。
周四 12-14
和乐老师见面并进行讨论。
在讨论中间,乐老师提出了比较多的建议,我们总结下来有11点:
模拟仿真:
- d=16mm,可以增加或者减小0.5mm,看变化
- 改变一下电导率,看变化
- 设计一些不均匀性,看变化
实验:
- 在螺线管内有非铁磁性金属的情况下再将金属棒慢慢靠近,并记录数据
- 定制螺线管,给参数
- 换到功率发生器(注意输出)
- 用LCR表的时候监测电压和电流(使用前务必查看说明书)
- 金属棒上下移动(偏心)的时候数据如何变化
- 铁磁性在低频近似为线性
- 示数的变化未必就是铁氧体棒的发热,可能是螺线管的发热造成的,验证或推翻
- 使用控制台进行金属棒的移动
1-第16~17周
期末季,实验暂停。
1-第18周
周四~周五 01-04~05
本学期最后一次实验,我不知道我对于实验提出的希望能否实现。
我希望我们能把铁磁性的整个思路要理清楚,可以没有定量的结果和理论,但是大致的物理图像是要明确的。
但是我们真的能做到吗?
结果:我们研究了一系列问题,主要包括对边缘效应和电路研究。我们用功率发生器替换信号发生器,并且测量了边缘效应的影响程度。为了提高电路的灵敏度,我们用直径为0.16mm的细漆包线绕制了一个小小螺线管,其电感为183μH。利用该螺线管我们成功地将电容的相对不确定度控制在了0.01的水准上。另外我们用铁氧体棒制作了一个“天线”,并用此来发射电磁波影响到了旁边的LCR表。
寒假实验进展记录
寒假中的线下集中实验时间安排如下:01-10~12、01-17~19、01-31~02-02。上午9:00~12:00,下午13:30~16:30,晚上无实验;周五只有上午半天。于是每周是15个小时的实验时间。
寒假第一轮线下集中实验
01-10~12是寒假第一轮线下集中实验。
我们解决了以下几个问题:
- 绕制新螺线管(“螺线管III”)
- 螺线管内的边缘效应问题
- 铁氧体棒插入螺线管时螺线管的电感和电阻随时间变化问题
- 在自行搭建的RLC电路中间进行测试,得到的结果和LCR表给出的结果相差2%
寒假第二轮线下集中实验
01-17~19是寒假第二轮线下集中实验。
本次实验中间我们:
- 推翻了前一周有关于铁氧体棒插入螺线管时螺线管的电感和电阻随时间变化问题的一些结果,指出这些结果是源于旁边的功率发生器没有关机而产生的电磁噪声
- 测量新螺线管(螺线管II)的参数
- 搭建交流电桥以试图更好地测量螺线管的串联电阻
- 绘制了铁氧体棒插入螺线管时螺线管的电阻随频率变化的图像,并且发现了一些疑似是仪器上的问题
寒假第三轮线下集中实验
01-31~02-02寒假第三轮线下集中实验。
我们完成了以下任务:
- 修正了一些参数
- 非铁磁性经典实验重做并和理论进行校对
- 利用交流电桥测量了非铁磁性和铁磁性的情形下螺线管的电感和电阻
- 重新研究了螺线管的边缘效应的问题
- 对于实验所用的LCR表进行了研究,确认了10kHz处的示数不合理而且是由于仪器自身问题导致
- 利用COMSOL软件对螺线管II进行了建模并计算了空螺线管和含有130*16D铝棒的螺线管的情况下的电感和电阻
第二学期实验进展记录
2-第00周
新学期实验开始,实验时间是02-20~02-23。
2/25晚上是组会+极小部分需要立刻进行演示的实验,新的实验并不会在这一天进行完成。
我们计划完成以下内容:
- 确定LCR表出故障的点(检查70kHz的点是否有故障)
- 明确含有铁氧体棒的螺线管两端的分压对于其电感和电阻的影响(远离导致LCR表故障的数据点;试图进行多项式拟合)
- 利用分压式接法精确调节含有铁氧体棒的螺线管两端的分压,然后重做铁氧体棒的电桥实验
- 再看一根铁氧体棒的电感和电阻随频率变化的表现,如果能解决数据问题可以尝试拟合
- 研究铁氧体情况下的边缘效应
- 非铁磁性边缘效应实验重做
- 在明确铁的保存方法以后做有关于铁的实验(先做实验再说)
实际上我们基本完成了其中的第3条,第1、2、5条需要重做,因为结果非常不尽如人意。
2-第01周
周四 02-29
我们放弃了LCR表,利用自行搭建的RLC电路,重复了铁氧体情形下螺线管两端的分压和螺线管电阻的关系。这里放弃LCR表的原因是LCR表能够提供的最大分电压只有1Vrms,相当于2.828Vpp,此时要求信号发生器的输出电压只有0.3Vpp左右,示波器上的信噪比将会非常小,导致无法判断电桥是否达到谐振。
结果:作图以后发现,除了两个点以外,其余的数据点能够组成一条相对比较平滑且合理的曲线,虽然我们并不清楚该曲线的物理意义。
2-第02周
周日 03-03
我们将目光转回非铁磁性问题,重新测量数据,以期获得更加好的数据,并且对于理论做初步的修正,期望和实验的数据更加贴合。
结果:我们对于理论进行了一个修正,重做实验并和理论进行对比。修正理论的方法非常简单,只需要乘以一个系数:空螺线管电感实验值除以空螺线管电感理论简单计算值。实验结果表明,修正的效果出奇得好,电阻的理论和实验的结果之相对差值跑进了1%。这说明这样的修正是有效的。下一步我们需要在解决螺线管的电感计算问题,并在不同的螺线管上进行验证,如果效果依旧很好,那么非铁磁性部分的理论就可以直接wrap-up了。
周四 03-07
将铁磁性问题摆在一边,在非铁磁性问题上看到曙光的我们继续验证理论修正方法的合理性。
我们重做了130*16D黄铜H65的经典实验,并和理论做对照(这个寒假中间有做过,本次是重做)。
结果:在50kHz以下电阻符合得非常好,但是50kHz以上电阻差距突然变大(10~50kHz都不超过0.6%而60kHz是2.2%)且越来越大。电感方面总是相差约3μH。我们认为电阻的问题由实验仪器LCR表造成,而电感的问题则是由于边缘效应依旧不能非常准确地处理而造成的。
2-第03周
周四 03-14
鉴于上一次出现的问题,我们将目光继续聚焦在非铁磁性的经典实验。我们对于不同材料不同半径的和螺线管等长的金属棒进行了实验,得到R-f曲线。
然后受到文献“Dynamics of a RLC series circuit with hysteretic iron-core inductor”的启发,我们将铁氧体情形的实验的频率降低到100Hz量级,然后利用自行搭建的RLC电路重做实验,期望能够在示波器上得到文献中Fig12和Fig13的结果(李萨如图形)。
结果:非铁磁性经典实验告知应当还有一个比较微小的效应没有被考虑进来,其量度随频率的上升而增大。对于铁氧体问题,我们尚且没有做出具有比较明确的结果的实验。同时我们正在阅读文献,寻找铁氧体问题的分析方法。
2-第04周
周日 03-17
我们这次来确认我们在铁氧体情况中间观察到的一些现象。
结果:由于升温,我们无法观察到在寒假中间的那些现象了。我们原本是这样写的:在室温为17℃左右时建立平衡的时间较长,通常在30分钟以上,30分钟时电阻示数在5分钟内的平均下降速率一般略小于5%/h,累计总变化量可以达到或超过10%,而电感值变化率不超过1%。但是现在观察不到了。我们在室温为19℃左右时看到,建立平衡时长在5分钟左右,电阻变化量仅3%。
周四 03-21
这一天我们主要关注模拟仿真。我们要补拍预实验的视频,然后思考幻灯片或者PPT应当如何修改。
结果:我们模拟的铁氧体的情况能够给出看起来比较正确的结果,至少数量级是正确的;铁的情况模拟相比实验电阻差了超过1/3,但是无论如何我们已经成功了一些了。我们下一步将要改变铁氧体棒的长度进行模拟仿真的运行。
2-第05周
周日 03-24
试图进行较为全面的problem-solving,但是由于我比较疲惫没能完成。后面周一周二我们都有实验来解决问题,终于是完成了。
以模拟为主,实验为辅,更换了使用在幻灯片上的各种图,并且就实验中发现的一些不对称性展开讨论。
结果:在实验方面我们重做或者补做了L-f、R-f、L-U、R-U、L-x和R-x这6个关系并且绘制了图线。模拟仿真方面我们完成了实验中尚未涉及到的情况:L-l和R-l,并且试图去复现实验中的情况。
周四 03-28
今天继续进行problem-solving。
2-第06周
周二 04-02
清明调休,于是我们将实验放到了周二晚上。
但是这次实验我们几乎啥都没有完成,除了对于铁的数据进行了一些测量以外。
2-第07周
周日 04-07
我们试图去考虑LCR表的测量误差。但是误差太小无法在图线上进行展示。
周四 04-11
问题解决。重复部分实验,对于部分过时的数据进行更新。
2-第08周
周日 04-14
最后一次problem-solving实验,重写中期报告中的部分段落。
同时讨论了有关于不确定度的计算方法,得到结论:非铁磁性情况下谐振调节的不准确性对于电阻的不确定度计算基本没有影响。
周一 04-15
继续前一天的实验,在实际操作中间计算不确定度。得到结论:电桥确实有助于减小不确定度。
但是我认为,若要进一步减小不确定度,必须要在原理上进行创新。
周四 04-18
整理实验器材并进行清点,准备交接。
建模课第二个课题专用区
实验进展记录
请建模课第二个课题做课题06的同学在这里简述每周的实验进展,谢谢Thanks♪(・ω・)ノ! — 李康贤 2024/04/24 08:08
2-第09周
4.26 测试麦克斯韦电桥对电容的测量
2-第10周
2-第11周
2-第12周
2-第13周
2-第14周
2-第15周
2-第16周
讨论区
有什么问题可以在这里留言(不过好像用微信更快,但记得保存记录并实名 (..•˘_˘•..));学邮也可以。 — 李康贤 2024/03/22 10:44