§ 152. Опытное исследование формы переменного тока. Осциллограф.

В том, что ток, получаемый от электростанций, является действительно переменным, т. е. много раз в секунду меняет свое направление, нетрудно убедиться с помощью такого простого опыта. Включим в сеть обычную электрическую лампочку и осторожно поднесем к ней постоянный магнит так, чтобы нить лампочки была перпендикулярна к линии его магнитного поля. Мы увидим, что при этом нить лампочки расплывается в широкую полоску. Это показывает, что нить в поле магнита быстро колеблется, отклоняясь то в одну сторону, то в другую. Но мы знаем, что в постоянном магнитном поле ток определенного направления отклоняется в одну сторону. Следовательно, наш опыт показывает, что ток в нити лампочки меняет свое направление много раз в секунду.

Этот простой опыт хотя показывает нам, что ток в сети – переменный, но не дает еще возможности проследить за законом изменения мгновенных значений силы тока, т. е. изучить его форму. Если бы в опыте на рис. 288 мы вращали рамку достаточно медленно, то увидели бы, что стрелка гальванометра во внешней цепи рамки отклоняется то в одну сторону, то в другую. Следя за отклонениями его стрелки, мы могли бы составить себе некоторое представление и о форме этого тока. Однако технический переменный ток меняет свое направление настолько часто, что обычные гальванометры уже не успевают следить за его изменениями, потому что подвижная часть их (рамка) обладает слишком большой инерцией. Для изучения формы технического переменного тока и токов еще большей частоты нужны приборы более «послушные». Такие приборы, предназначенные для исследования быстропеременных токов и напряжений, называются осциллографами.

Устройство простого осциллографа показано на рис. 290. По существу – это обычный зеркальный гальванометр, но только рамка его, поворачивающаяся в магнитном поле, и зеркальце, с помощью которого мы следим за отклонениями рамки, сделаны чрезвычайно легкими. Рамка осциллографа часто представляет собой просто петлю из очень тонкой проволоки, подвешенную на упругих растяжках в поле магнита. Когда пропускают через эту рамку переменный ток, то она, а вместе с ней и зеркальце начинают быстро колебаться; отраженное от зеркальца световое пятно («зайчик») быстро движется по экрану то в одну сторону, то в другую, выписывая на нем прямую линию, перпендикулярную к оси вращения зеркальца.

Рис. 290. Устройство петлевого осциллографа: 1 – петля осциллографа, обтекаемая переменным током, 2 – зеркальце, приклеенное к петле, поворачивающееся вокруг оси

Для того чтобы с помощью этого прибора получить кривую, изображающую форму тока, луч света, отраженный от зеркальца, направляют не прямо на экран, а заставляют сначала отразиться от зеркала, которое быстро вращается вокруг оси, совпадающей с направлением движения зайчика. Вместо простого вращающегося зеркала удобно взять барабан с зеркальными гранями, благодаря чему луч света имеет возможность за время одного оборота барабана отразиться поочередно от каждой из его зеркальных граней. Такое расположение приборов показано на рис. 291. Здесь ось зеркальца горизонтальна, а барабан вращается вокруг вертикальной (перпендикулярной к плоскости чертежа) оси. Повороты зеркальца смещают положение зайчика на экране вверх и вниз, а вращение барабана смещает его влево или вправо. Ясно, что при сложении этих движений зайчик будет выписывать на экране некоторую кривую. При этом смещение зайчика по вертикали пропорционально мгновенному значению силы тока через прибор, а смещение его по горизонтали пропорционально времени, так как барабан вращается равномерно. Таким образом, полученная кривая изображает форму переменного тока. Опыт показывает, что для технического тока эта кривая действительно очень близка к синусоиде. Такой же вид имеют и кривые, изображающие форму технического переменного напряжения.

Рис. 291. Схема наблюдения зайчика, отбрасываемого зеркальцем осциллографа: 1 – источник света, 2 – направляющая линза, 3 – зеркальце, 4 – вращающийся зеркальный барабан, 5 – экран

Описанное расположение приборов применяется преимущественно в демонстрационных опытах для того, чтобы наглядно показать форму переменного тока. На практике при исследованиях переменного тока обычно барабан делают цилиндрическим и надевают на него фотографическую бумагу, на которой луч прямо выписывает соответствующую кривую.

Еще более широкое распространение получили в настоящее время так называемые электроннолучевые осциллографы. Главной частью этих приборов является уже знакомая нам электроннолучевая трубка (рис. 182). На горизонтальные пластины трубки подается напряжение, пропорциональное исследуемому току. Таким образом, отклонение луча по вертикали или смещение по вертикали яркого пятнышка на экране трубки в каждый момент времени пропорционально мгновенному значению тока. На вертикальные же пластины с помощью специального устройства подают напряжение, которое равномерно нарастает от нуля до некоторого максимального значения, затем очень резко, практически «мгновенно», падает до нуля, снова равномерно нарастает и т. д. Форма такого «пилообразного» напряжения показана на рис. 292. При наложении такого напряжения пятнышко на экране осциллографа движется по горизонтали, затем «сразу» возвращается в исходное положение, снова пробегает тот же горизонтальный отрезок и т. д.

Рис. 292. «Пилообразная» форма напряжения, накладываемого на вертикальные пластины электроннолучевого осциллографа для осуществления развертки по оси времени

Очевидно, что при одновременном действии исследуемого напряжения, наложенного на горизонтальные пластины осциллографа, и «пилообразного» напряжения на его вертикальных пластинах светящаяся точка на экране будет вычерчивать кривую, дающую форму исследуемого напряжения или тока. Электроннолучевой осциллограф является одним из важнейших средств исследования переменных токов и напряжений. Он чрезвычайно широко применяется в самых различных лабораториях, а также на ряде предприятий.