Измерване на електродвижещо напрежение на генератор по компенсационен метод – лабораторен протокол по физика с теория, опитна постановка, измервания и извод

Четири лабораторни упражнения, но не бланки, а завършени протоколи. Всяко от тях е минато докрай: с измерените стойности в таблиците, с начертаните графики и с написаните изводи накрая. Разликата спрямо празно задание е огромна, защото едва след като види попълнен протокол, човек разбира какво точно се иска от него. Четирите упражнения обхващат трите големи групи материали в електрониката плюс готовите елементи, направени от тях. Това е и логиката на подредбата, от материала към изделието. Първото е върху проводниците и поведението им при нагряване. Изследвани са четири различни образеца, сред които чист метал, две съпротивителни сплави и резистивен слой, така че се вижда колко различно реагират. Освен измерванията протоколът стига и до изчислени величини: температурни коефициенти за всеки интервал, средна стойност, теоретично пресметнати съпротивления в краищата на обхвата и коефициент на топлопроводност по каталожни данни. Второто е върху диелектриците при същото условие, промяна на температурата. Тук се работи с два параметъра едновременно и се минава през коефициент, който отчита геометрията на образеца, преди да се стигне до относителната диелектрична проницаемост и до температурния коефициент. Третото е върху магнитните материали и е най-графичното от четирите. В него се снема основната крива на намагнитване, определят се двете характерни величини на хистерезиса и се чертае граничният цикъл, а накрая се изчислява динамичната проницаемост. Четвъртото затваря кръга с готовите елементи. В него се гледа как се променят съпротивлението на различни видове резистори, параметрите на термистор и капацитетът на различни видове кондензатори при нагряване, с отделни графики за относителните изменения. Всеки протокол е по един и същи образец, което прави комплекта удобен за работа. Задание, теоретична постановка, схема на опитната постановка, таблица с резултати, графики и накрая анализ и изводи. Схемите са печатни и ясни, таблиците са с реални числа, а графиките са начертани на милиметрова хартия, така че се вижда и как се нанасят точките и как се прокарва кривата. Най-ценното обаче е последният раздел. Изводите са кратки, по две или три изречения, но показват точно какво се очаква да се забележи от експеримента и как се формулира. Това е частта, която обикновено затруднява най-много, защото в заданието не пише какво да се заключи. Какво получаваш. Четири завършени протокола по един и същ образец. Реални измервания и реални сметки, не примерни числа. Начертани графики за всяко упражнение. И готови формулировки на изводи, по които се вижда какво се очаква да бъде забелязано. За какво служи. За подготовка преди влизане в лабораторията, за да е ясно какво предстои. За разбиране как се обработват измерените данни и как се стига от таблицата до графиката. За проверка на собствените сметки, когато резултатът изглежда странен. И за преговор на понятията преди защита. Понятия: проводникови материали, диелектрични материали, магнитни материали, пасивни електронни елементи, специфично съпротивление, температурен коефициент на съпротивлението, коефициент на топлопроводност, диелектрична проницаемост, тангенс на ъгъла на диелектричните загуби, крива на намагнитване, коерцитивен интензитет, остатъчна магнитна индукция, хистерезисен цикъл, магнитна проницаемост, термистор, температурна чувствителност. Полза за преподавателя: готов образец за това как трябва да изглежда предаден протокол, с попълнени таблици, начертани графики и формулирани изводи, по който се задават изискванията в началото на семестъра. Полза за студента: яснота какво точно се иска във всеки раздел. След прегледа се знае как се попълва таблицата, как се нанасят точките на графиката и в каква посока се мисли, когато се пишат изводите.

Осем файла върху едно-единствено лабораторно упражнение – четири различни разработки, всяка написана от друг студент, от друга специалност и в друг формат. Именно това множество е и най-голямото предимство на материала – рядко се среща събрано на едно място. Стойността му е в избора. Едно и също упражнение е представено по четири начина: с различно оформление на титулната част, с различна степен на теоретична подробност, с различни опитни данни и с различен начин на обработка на резултатите. Така не се получава един готов образец, а възможност да се види как една и съща задача се решава от няколко страни и да се избере подходът, който отговаря на изискванията на конкретния асистент. Оформлението варира съществено. Един от вариантите започва с таблична титулна част с логата на университета и с полета за име, група, курс, поток и дата. Друг е с по-опростено начало и с място за подпис на асистента. Трети е номериран по раздели още от заглавието на задачата. Тази разлика е полезна, защото изискванията към оформлението се различават между факултетите. Теоретичната част също се различава по обем. В по-кратките варианти изводът тръгва направо от закона за запазване на енергията и стига до работната формула. В най-подробния са дадени предварителни определения на основните понятия, а след тях – подробно описание на самата постановка с номерирани елементи и обяснение защо са предвидени. Опитните данни са реални и различни при всеки вариант – с различен брой измервания, различни стойности и различни изходни величини. Придружени са с таблици, в които са изчислени отклоненията от средната стойност и техните квадрати, а после следват самите изчисления и оценката на точността на получения резултат. Формулите са изведени стъпка по стъпка, а не подадени наготово, което позволява работата да бъде разбрана, а не само преписана. Отделно са дадени изразите за опитния и за теоретичния инерчен момент и за грешката. За преподавателя това е удобен набор за сравнение – показва как едно и също упражнение изглежда при различни изисквания и в различни специалности. Върши работа и като материал, по който да се обсъди какво отличава добре оформения протокол от небрежния. За студента ползата е пряка: разполага с готова структура, с изведените формули и с примерни данни, а разнообразието от варианти позволява да се избере най-близкият до собственото задание. Подготовката на протокола престава да бъде търсене по чужди тетрадки и се свежда до попълване на собствените измервания в ясна и проверена схема.

Протокол, в който акцентът не пада върху теорията, а върху самата работа: как точно се снема кривата, по кои формули се пресмята и какво следва от получените графики. Протокол номер три по материалознание върху изследването на магнитни материали. Шестте части Протоколът е разделен на шест номерирани раздела, както изисква дисциплината. Заданието е в три точки и очертава целия обем работа: експериментално снемане и графично построяване на основната крива на намагнитване за всеки образец, определяне на двата основни параметъра и чертане на граничния хистерезисен цикъл, и накрая изчисляване на динамичната относителна магнитна проницаемост с графично представяне на зависимостта ѝ. Теоретичната постановка е всъщност методика и това е най-полезната част от протокола. Вместо общи сведения за магнетизма тук е описана последователността на самата работа, стъпка по стъпка: от свързването на постановката и еднократното калибриране на усилвателя, през задаването на желания ток, отчитането на точките от екрана и определянето на двата параметъра от хистерезисния цикъл, до изчисляването на всички величини и нанасянето им в таблицата. При всяка стъпка са дадени и формулите, включително разгърнати до изходните коефициенти, които зависят от параметрите на образеца и на схемата. Отделно е обяснено как трябва да изглежда графичното представяне: обща абсцисна ос и две отделни ординатни оси, за да се видят двете зависимости наведнъж. Този детайл обикновено се пропуска и води до преправяне на графиките. Схемата на опитната постановка е придружена с описание на всички елементи: генератор, амперметър, еталонен резистор, двете намотки, интегриращата верига и осцилоскопът. Така става ясно каква роля играе всеки от тях и защо схемата изглежда точно така. Следват резултатите от измерванията и изчисленията, както и построените графики. И двата раздела са представени като приложени изображения. Анализът и изводите Последната част е кратка, но точно тя отличава този протокол. Изброени са трите изследвани образеца и двете снети зависимости, след което е направено сравнение между тях. При първата зависимост е посочено кой образец дава най-високи стойности и кой най-ниски, с уточнение и за обхвата на изменение. При втората е отбелязан характерът на изменението при трите образеца и кой от тях се откроява. Изводите са направени направо от графиките, без допълнителни пресмятания, което е точно онова, което се иска при защита на упражнението. За учащия: готов образец за протокол с описана методика и с формулирани изводи. Подходящ за подготовка на собствен протокол, за преговор преди защита на упражнението, за ориентиране по кои формули се работи и за самопроверка на собствените изчисления. За преподавателя: пример, по който се вижда как се описва ход на експеримента и как се формулира сравнителен извод от две графики. Методиката се раздава като работна инструкция преди самото упражнение.

Лабораторното упражнение е свършено, измерванията са записани, но протоколът трябва да изглежда както се иска – с теория, таблици, изчисления и изводи. Този готов протокол показва точно такъв завършен вид и може да послужи като модел за оформяне на собствената работа. Материалът е изготвен по установената форма за лабораторен протокол и започва със заглавна част – висше училище, факултет, катедра, учебен предмет, номер и тема на упражнението, място за оценка и за подпис. Следва разделът със заданието, изведено в три отделни точки. Първата поставя изследване на зависимостта на съпротивлението от температурата при различни видове резистори в определен температурен интервал, определяне на температурните им коефициенти и изчисляване на стойности извън измерения обхват, както и графично представяне. Втората точка е насочена към термистор – изчисляване на коефициента на температурна чувствителност и на константата, определяне на температурния коефициент и на съпротивлението при две гранични температури. Третата точка е за температурните коефициенти на капацитета при няколко вида кондензатори, също с графично представяне. Теоретичната постановка е разгърната и подредена. В нея са разгледани предназначението на резисторите и класификациите им по няколко признака – по конструктивно изпълнение на токопроводящия елемент, по използван материал и по обединен признак. Изброени са основните параметри и са дадени изразите за съпротивлението, за съпротивлението на слоен резистор и за температурния коефициент. Отделно са представени термисторите и двата им вида, а след това и кондензаторите – класификация по вида на диелектрика в пет отделни групи, основни параметри и изразът за температурния коефициент на капацитета. След теорията е обособено място за схемата на опитната постановка. Практическата част съдържа две таблици с резултати. Първата обхваща три позиции на превключвателя и представя измерените стойности на съпротивлението, относителното изменение и температурния коефициент при пет температурни стойности. Втората таблица е за четири позиции и по същия начин проследява капацитета, относителното му изменение и температурния коефициент. Всички клетки са попълнени с реални измервания и с изчислени стойности, което прави протокола използваем и като пример за пресмятанията. Изложението завършва с анализ и изводи, в които са съпоставени получените стойности, и с обособена част за графиките. На преподавателя материалът може да послужи като образец при поставяне на изискванията към оформянето на протокол – с ясна структура, попълнени таблици и изведени изводи. На студента протоколът дава пълна представа как изглежда завършена лабораторна работа по темата – какво съдържа заданието, докъде стига теоретичната част, как се подреждат таблиците и как се формулират изводите. Полезен е при подготовка на собствен протокол, при преговор преди защита на упражнението и при подготовка за изпит по дисциплината.

Готовият протокол е най-бързият ориентир какво точно се очаква да съдържа отчетът от лабораторно упражнение – от формулировката на заданието до оформянето на изводите. Този материал представя изцяло разработен протокол по упражнение № 2 от курса по материалознание в Технически университет – София, Факултет по комуникационна техника и технологии. Началото възпроизвежда официалната титулна част на протокола – университет, факултет, катедра, дисциплина, данни за студента и преподавателя, поле за оценка и дата, така че оформлението може да се използва като образец. Разделът със заданието формулира четирите задачи на упражнението: измерване на изменението на капацитета и на тангенса на ъгъла на диелектричните загуби при повишаване на температурата, пресмятане на конструктивната константа за всеки образец, изчисляване на относителната диелектрична проницаемост за всяка температура с графично представяне на зависимостите и определяне на температурния коефициент за два температурни интервала. Теоретичната постановка съдържа изходната формула за капацитета, обяснение на всяка величина в нея с нейната дименсия, определение и физически смисъл на конструктивната константа, зависимостта за изчисляване на относителната диелектрична проницаемост и графоаналитичния подход за определяне на температурния коефициент. Централната част е обобщаваща таблица с резултатите от измерванията и изчисленията за четири различни материала. За всеки от тях са дадени геометричните константи и стойностите на трите параметъра при пет температури в изследвания диапазон, както и изчислените температурни коефициенти. Заключителният раздел съдържа анализ и изводи, в които поведението на изследваните материали е съпоставено по стойност на проницаемостта, по загуби и по конструктивна константа. Материалът е подходящ като образец при изготвяне на собствен протокол, за подготовка за защита на упражнението и за преговор на теоретичната част преди изпит.

Примерен изпитен вариант – с отговорите. Не просто списък със задачи, а самият вариант, върху който вече е работено: верните отговори са отбелязани, формулите са попълнени, елементите са описани, графиките са построени. Точно това търси всеки, който се готви за изпита и иска да знае не само какво ще го питат, а и как изглежда добре решен вариант. Структурата е ясна още от заглавната таблица. Четири раздела, всеки със своята тежест в точки, и обща стойност сто. Така веднага се вижда кой дял носи най-много и къде си струва да се вложи повече подготовка. Първият раздел е за загубите в диелектричните материали. В него влизат дефиниция, величината, чрез която загубите се оценяват, еквивалентна схема с векторна диаграма и означаване на елементите, изразите за специфичните загуби с техните размерности, съставът на тангенса на ъгъла на загубите, анализ на честотната зависимост при трите гранични случая и температурната зависимост, както и изразите за активните и за йонизационните загуби. Вторият раздел покрива проводниковите свойства. Тук са видът проводимост, строежът на металите и произходът на колективните електрони, изразът за подвижността, разпределението на Ферми и разчитането му по графика, температурният коефициент на специфичното съпротивление, законът на Видеман–Франц, графичната зависимост при чисти метали, влиянието на примесите, контактът между два метала и термоелектродвижещото напрежение. Третият раздел е за полупроводниковите материали и включва работа с таблица с параметри на два основни материала, валентности при полупроводникови съединения с примери, начина за измерване на чистотата и метода за изтегляне на монокристал. Четвъртият раздел е за кондензаторите: активни и пасивни елементи, волт-амперна характеристика, определения, номинално напрежение, времеконстанта, последователна еквивалентна схема по израза за пълното съпротивление и особеностите на електролитните кондензатори. Подредбата следва логиката на самия учебен курс – от поведението на диелектрика, през металите и полупроводниците, до готовия електронен елемент. Затова вариантът върши работа и като план за преговор. Типовете задачи са разнообразни и това е важно. Освен въпроси с избор има попълване на формула, описване на елементите с размерности, построяване на графика, чертане на схема и въпроси с повече от един верен отговор. Файлът е сканиран, а решенията са нанесени на ръка върху самия вариант – така се вижда и какъв обем отговор се очаква на изпита. Обемът е четири страници – достатъчно, за да покрие целия курс, и достатъчно кратко, за да се прегледа наведнъж вечерта преди изпита. За преподавателя: готов примерен вариант с разпределение на точките – удобен за подготовка на изпит или за упражнение. За студента: най-прекият начин да се подготви – реален изпитен вариант, решен докрай, с ясно кой раздел колко тежи.