Кабинет № 3 (главный корпус, нулевой этаж)
Телефон: (383) 361-08-36
Научный руководитель лаборатории д. т. н.,
профессор Чесноков Владимир Владимирович
Межинститутская учебно-научная лаборатория физических и образовательных проблем микротехнологий (лаборатория ФОПМ) организована приказом ректора № 1/93 в мае 2003 года и действует на основании утвержденного в 2003 г. ректором Положения.
Цель создания лаборатории — создание научно-образовательного центра научных исследований и разработок приборов микро- и наносистемной техники, привлечение научных работников, аспирантов и студентов к проводимым исследованиям, подготовка на основе проводимых исследований кадров высшей квалификации.
Задачами лаборатории являются:
— проведение фундаментальных и прикладных исследований в области создания нано- и микромеханических устройств обработки информации и разработки нано- и микротехнологий;
— привлечение студентов к участию в научной работе, организация и руководство их научной работой, дипломными работами и магистерскими диссертациями;
— подготовка научных кадров высшей квалификации.
Научное направление лаборатории — исследования и разработки в области оптического нанотехнологического приборостроения
Измерительное и технологическое оснащение лаборатории
1. Установка напыления в вакууме ВУ-1А со средствами оптического контроля за процессом напыления
2. Интерференционный микроскоп МИИ-4
3. Сканирующий электронный микроскоп SEM 505 (фирмы Philips)
4. Оптические микроскопы, в том числе, цифровой
5. Лазерные излучатели нескольких типов на длины волн в диапазоне 0,34 — 1,06 мкм
6. Лазерографическая установка нанесения плёночных структур на подложки
7. Лабораторный стенд фотолитографии
8. Измерительные приборы (аналоговые и цифровые осциллографы, генераторы, измерители лазерной мощности).
9. ИК спектрометр и спектрометр видимого и УФ-диапазона
10. Персональные компьютеры
11. Принтер, сканер и др.
Научно-исследовательская работа лаборатории
Выполненные исследования.
1. Инициативная НИР по плану СГГА: «Исследование высокотемпературных твердофазных химических процессов инициированных лазерным излучением», научный руководитель к. т. н. Чесноков Д. В. (2002—2007 гг.).
2. НИР (госбюджетная): «Исследование физико-технических основ фотонной микромеханики и нанотехники» (2004 г.), научный руководитель д. т. н. Чесноков В. В.
2.1. Разработаны основы лабораторной технологии изготовления микромеханических электроуправляемых динамических оптических фильтров на основе резонаторов Фабри-Перо, обладающих диапазоном регулирования положения выделяемой линии спектра в пределах одной спектральной октавы.
Разработаны конструкции микромеханических оптических фильтров и монохроматоров на их основе, использующие конструктивные элементы в виде тонкоплёночных зеркал с управляемым электростатически зазором между зеркалами. Микромеханическое исполнение позволяет все элементы монохроматора разместить на чипе диаметром 30 мм. Разработана лабораторная технология изготовления микромеханических структур, которая включает операции напыления зеркальных многослойных покрытий и получение эквидистантного нанометрового воздушного промежутка между зеркалами.
Изготовлены экспериментальные образцы микромеханических монохроматоров типа резонаторов Фабри-Перо с электрическим управлением величиной зазора между тонкоплёночными зеркалами, при этом впервые, по нашим данным и в мировой практике, решена проблема воспроизводимого получения зазора между зеркалами на площади 1¸2 см2, регулируемого в пределах 0,1¸0,5 мкм. Рабочий диапазон спектра изготовленных образцов 0,4¸0,8 мкм, ширина выделяемой линии — 0,05 мкм, быстродействие перестройки монохроматора — около 1 мс.
В настоящее время (2011 г.) исследования продолжаются, разработан мультиплексный перестраиваемый светофильтр с шириной выделяемой линии до 0,5 нм.
2.2. Разработан микромеханический оптический сканер с составным зеркалом в виде линейной матрицы полосчатых микрозеркал, с магнитным управлением их углового положения. Сканер изготовлен по кремниевой объёмной микротехнологии, содержит 100 микрозеркал шириной 50 или 100 мкм, толщиной 3 мкм каждое; возникающие на периодической структуре составного зеркала дифракционные эффекты позволяют отклоняемому оптическому лучу «пробегать» через последовательность дискретных фиксированных угловых положений, не зависящих от возможных нестабильностей управляющих напряжений. Быстродействие сканирования изготовленных образцов на уровне 30 кГц.
Исследуется применение сканера для управления оптическими пучками в ИК- и Терагерцовом диапазонах.
3. НИР «Стокер» (госбюджетная по заказу МО РФ): «Исследование путей создания микромеханических оптических затворов с наносекундным быстродействием (2005—2008 гг.), руководитель Шлишевский В. Б., отв. исполнитель к. т. н. Чесноков Д. В.
Разработаны быстродействующие пассивные наноструктурные оптические затворы для защиты приёмников изображения от ослепления лазерным облучением для диапазона спектра 0,9 — 1,2 мкм. Затворы срабатывают от энергии ослепляющего излучения за наносекунду, принципиально работоспособны в широкой спектральной области, включая видимый и весь ИК- диапазон, при длительностях ослепляющих импульсов ~1 нс и меньше, их динамический диапазон интенсивностей сверху практически не ограничен.
Основные параметры:
— световой диаметр, мм 11,5;
(в перспективе — до 25 мм)
— энергия срабатывания, Дж (5 — 10) х 10-7;
— рабочий диапазон длин волн, мкм 0,9 — 1, 2;
(в перспективе — 0, 3 — 11,0 мкм)
— коэффициент защиты (доля энергии ослепляющего
лазерного импульса, проходящая к защищаемому
оптоэлектронному устройству, зависит от длительности
импульса ослепления) 1/300 — 1/30000.
Основные выполняемые проекты
Программа: АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы (2009—2011 годы)", мероприятие 1 (по темпланам вузов)
Тема НИР: Исследования процессов образования наноразмерных структур в гетерогенных химических реакциях, инициируемых импульсами лазерного излучения наносекундной и субнаносекундной длительности.
Руководитель: Чесноков В. В.
Программа: АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы (2009—2011 годы)", мероприятие
2.1.2 "Проведение фундаментальных исследований в области технических наук.
Тема НИР: Основы теории пиролитических гетерогенных процессов, инициируемых импульсами лазерного излучения с длительностью доли единиц — единицы наносекунд.
Руководитель: Чесноков В. В.
Программа: ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009—2013 годы", мероприятие 1.2.2 (кандидаты наук)
Тема НИР: Исследование возбуждения и распространения медленных акустических волн в тонкопленочных свободных структурах и разработка функциональных элементов оптики и оптоэлектроники на их основе. Сроки выполнения: 2010—2012
Руководитель: Чесноков Д. В.
Программа: ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы", мероприятие 1.3.1 (молодые кандидаты наук)
Тема НИР: Поиск путей создания упорядоченных массивов наноструктур одностадийным методом оптической многолучевой интерференционной нанолитографии. Сроки выполнения: 2010—2012.
Руководитель: Шергин С. Л.
Справка о деятельности СКБ при кафедре физики
Студенческое конструкторское бюро (СКБ) создано приказом ректора СГГА в 1990 году как студенческий творческий коллектив. Деятельность СКБ имеет целью привлечение студентов СГГА к научной работе под руководством преподавателей и к самостоятельной научной работе.
Научный руководитель СКБ на общественных началах д. т. н., профессор Чесноков В. В
Участниками работ в СКБ, которые проводятся под руководством преподавателей кафедры физики, являются студенты Институтов СГГА, начиная со 1 — 3 лет обучения, в том числе, выполняющие курсовые и дипломные проекты, готовящие магистерские диссертации, а также аспиранты.
СКБ предоставляет студентам и аспирантам, ведущим научные работы, в пользование научную аппаратуру, инструменты, материалы. Материальное обеспечение студенческих научных работ должны производить Институты академии.
Исследования в СКБ ведутся с использованием разнообразного научно-технологического оборудования и приборов, среди которых:
— лазерографическая установка;
— установка напыления тонких плёнок в вакууме;
— оптические интерференционный и металлографический микроскопы;
— ИК спектрометр и спектрометр видимого и УФ-диапазона;
— исследовательские лазерные системы;
— персональные компьютеры;
— принтер, сканер и др.
Организованы рабочие места для проведения исследований студентами.
1. Студенческая научная работа в СКБ
1.1. Характеристика студенческой научной деятельности.
Студенческие научно-исследовательские работы выполняются на регулярной основе в течение учебного года.
В период с 1990 г. по 2009 год ежегодно 6—10 студентов 1—5 курсов ИО и ОТ и других Институтов академии проводили под руководством преподавателей научные исследования. Студенческие работы имели экспериментально-технологический и опытно-конструкторский характер, их итогом являлось изготовление и испытание работоспособных макетных устройств. Студентами — участниками работ в СКБ обычно являлись радиолюбители или люди, увлеченные техникой; желающие научиться делать что-то своими руками, одаренные интересом к техническому творчеству. Результаты работ докладывались на студенческих научных конференциях, представлены на демонстрационных стендах СКБ.
Среди работ, выполненных с активным участием студентов, результаты которых используются и по настоящее время, можно отметить:
— разработку и внедрение оригинальной компьютерно-оптической технологии изготовления сувенирных изделий (сувенирных значков и др.);
— создание комплекта учебно-демонстрационного оборудования для физических кабинетов школ и лицеев (за счёт академии изготовлены детали и узлы оборудования; проектирование, сборка и наладка — на общественных началах)
— создание комплекта лабораторных установок физического практикума для вузов под методику фронтального выполнения учебных занятий, всего 12 наименований, 72 единиц установок. Этими установками сейчас оснащены учебные лаборатории кафедры физики СГГА, отдельные установки переданы в филиалы в Бердске и Советском районе; (за счёт академии изготовлены детали и узлы оборудования: проектирование, сборка и наладка — на общественных началах).
— в рамках исследований по созданию измерительных преобразователей с участием студентов создан комплект учебных лабораторных установок (14 наименований, 16 единиц установок в виде макетов) практикума по дисциплине «Физические основы получения информации». Установки изготовлены в инициативном порядке на общественных началах, из подручных материалов, и в течение ряда лет используются в учебном процессе.
1.2. Публикации и участие в конференциях, семинарах
По результатам исследований студенты готовят доклады на студенческую научную конференцию СГГА.
В 2004 году были представлены доклады:
— Садовский А. А., гр. ОТ-31: «Разработка и исследование лабораторной установки изучения измерительных преобразователей давления газа»;
— Марченко О. А., Казанцев В. В., гр. ОТ-31: «Разработка лабораторной установки исследования поляризаторов света»;
— Зарочинцев А. В., Косьянова О. С., гр. ОТ-31: «Изучение методов измерения ионизирующих излучений»;
— Назаров Е. В., Булдаков А. П., гр. ОТ-31: «Проект создания десорбционного анализатора состава газа»;
— Крюкова Ю. И., гр. ОТВ-32: «Разработка лабораторного катарометра»;
— Джалалов В. У., гр. ОТВ-32 «Разработка измерительного преобразователя рассеянных переменных магнитных полей»;
— Голосов А. С., гр. ОТ-31: «Вакуум и методы его измерения»;
— Рогозин А. В., гр. ОТ-31: «Разработка и исследования лабораторной установки изучения рассеяния света микрочастицами»«;
— Назаров Е. В., Булдаков А. П., гр. ОТ-31: «Изучение десорбционных анализаторов состава газа».
На базе СКБ проведена подготовка дипломных проектов студентов ИО и ОТ по тематике лазерных технологий и микромеханических устройств:
— Шергин С. Н. ОТ-61
— Свистина С. ОБ-41
— Полыгалова С. ОБ-41
Все защиты проектов прошли с отличной оценкой.
В 2005 г. в работе СКБ участвовали 10 студентов, в т. ч. 4 магистра. На базе СКБ и собственных научных исследований студентов готовились 5 магистерских диссертаций, защищаемых в 2006г. По результатам исследований студенты подготовили 6 докладов на студенческую научную конференцию СГГА 2005г., в том числе, «Оптические исследования наноструктурирования частиц гидрозоля» студенток гр. ОМГ-51 (2005 г.) Смолиной Д. С. и Сырневой А. С. и «Разработка макета настольной лазерографической установки и технологии программируемого лазерного выжигания» — результат исследований в 2003—2005 гг. студента гр. ОТ-41 (ОТ-51) Шергина С. Л.
Среди студенческих научных работ СКБ 2006 г. можно отметить:
— исследование студ. гр. ИС-51 Седунова Д. К. (2006 г.): «Внедрение модели терминального сервера в учебный процесс», закончившееся созданием на кафедре физики локальной компьютерной сети лабораторных работ (научный руководитель доцент, к. т. н. Чесноков Д. В.);
— «Проект звукового локатора» студентов гр. ОТ-21 (2006 г.), исследование Солдатенко А. и Панина И. (научный руководитель д. т. н. Чесноков В. В.), закончившееся созданием работающего макета лабораторной учебной установки.
В 2007 г. в СКБ проводили свои научные исследования, закончившиеся защитой бакалаврских диссертаций, 6 студентов: Барсуков Григорий Александрович, Бутенко Василий Дмитриевич, Голубцов Сергей Константинович, Пляскин Сергей Владимирович, Уткин Дмитрий Евгеньевич, Флора Сергей Александрович
В 2008 г. подготовил и защитил дипломную работу студент группы ОЭД-61 — Семенов В. Ю., руководитель — Чесноков Д. В.
Вели научную работу в области создания микромеханических устройств и технологий микромеханики магистранты гр. ОМГ-62: Флора С. А., Барсуков Г. А.
В 2009 г.
— подготовили и защитили магистерские диссертации два участника научных работ в СКБ гр. ОМГ-62: Флора С. А., Барсуков Г. А.:
— провел научную работу по созданию генератора воздушных колец и их исследованию студент 3 курса Кузнецов М. (научный руководитель инж. Райхерт В. А.). Во время научного доклада Кузнецов эффектно демонстрировал физические явления, связанные с прохождением колец в атмосфере.
Приложение.
Примеры завершённых студенческих работ в СКБ
Ниже показаны примеры изделий и лабораторных учебных приборов, разработанных и изготовленных с участием студентов СГГА в СКБ при кафедре физики.
1. Сувенирные значки
2. Комплект учебного оборудования кабинетов физики школ, лицеев, колледжей
При изучении физики в школах, лицеях, колледжах необходимым условием является экспериментальные демонстрации эффектов, обусловленных изучаемыми законами природы, а также проведение самими учащимися экспериментов в области изучаемых разделов физики.
Разработанные в СКБ учебные устройства рекомендуются для оснащения кабинетов физики учебных заведений; перечень устройств соответствует Программам обучения, принятым в школах, лицеях и колледжах обычного и повышенного уровня обучения.
Особое внимание при создании устройств уделено сочетанию максимальной наглядности в проведении эксперимента и минимальной цены изготовления лабораторных и демонстрационных устройств. Установки удовлетворяют требованиям безопасности и охраны труда в школах и лицеях, комплектуются инструкциями по безопасности применения в учебном процессе.
Оборудование соответствует разделам школьного курса физики.
2.1. Воздушная дорожка с телами, двигающимися на газодинамических опорах.
Комплект содержит направляющий рельс длиной 1200 мм; две тележки; два магнитных датчика положения тележек; сменные грузики, приводящие в движение тележку с помощью нити, протянутой через блок; компрессор для создания газодинамических опор. Устройство может быть скреплено с поставляемым лабораторным столом или выполнено в переносном варианте.
Установка позволяет демонстрировать первый, второй и третий законы Ньютона, кинематику и динамику поступательного движения, закон сохранения импульса и закон сохранения механической энергии, а также работу газодинамических опор.
Установка позволяет выполнять с ее помощью лабораторные работы по механике.
2.2. Устройство демонстрации одновременного падения двух тел.
Настольное устройство, позволяющее показать, что время падение тела в поле силы тяжести не зависит от наличия у тела горизонтальной составляющей скорости.
2.3. Устройство для изучения свободного падения тела с магнитными датчиками положения тела.
Высота падения тела — железного цилиндра — 1200 мм; с помощью магнитного датчика, положение которого можно изменять, и электронного секундомера фиксируется время падения.
Устройство позволяет измерять ускорение свободного падения и может использоваться для выполнения лабораторных работ.
2.4. Баллистический маятник с пружинным пистолетом.
Позволяет изучать преобразования видов энергии, а также закон сохранения импульса по
отклонению маятника при попадании в него пули. Устройство используется при выполнении лабораторных работ.
2.5. Электронные секундомеры для измерения промежутков времени с точностью до миллисекунды.
Секундомеры предназначены для измерения промежутков времени при работах с воздушной дорожкой и с устройством изучения свободного падения тел. Запускаются магнитными датчиками, входящими в состав соответствующих устройств.
2.6. Физический маятник.
Стержень с перемещаемыми грузами, колеблющийся вокруг горизонтальной оси. Устройство настольное, размещено на подставке, содержит шкалу отсчета угла отклонения стержня. Позволяет выполнять лабораторные работы по движению физического маятника, законов гармонического колебательного движения, измерению ускорения свободного падения.
2.7. Устройство для демонстрации бегущих упругих волн.
Бегущие упругие крутильные волны возбуждаются в вертикально подвешенном тонком стержне длиной 2000 мм, приводящем в колебательное движение закрепленную на нем структуру из поперечных стержней. Устройство позволяет наглядно показывать эффекты бегущей волны, отражения волны, сложение бегущей и отраженной волн.
2.9. Лазерное устройство для демонстрации сложения взаимно-перпендикулярных колебаний.
Содержит лазерный источник пучка света, механический дефлектор, отклоняющий пучок в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, регулируемый по частоте электрический генератор переменного тока, необходимый для работы дефлектора.
Устройство позволяет демонстрировать эффекты сложения гармонических колебаний, фигуры Лиссажу.
2.10. Лабораторный передатчик-приемник электромагнитного УКВ излучения.
Содержит передатчик УКВ излучения мощностью ~ 1 Вт с дипольной антенной и приемник с дипольной антенной. Перемещая приемник и ориентацию его антенны относительно передатчика, можно изучать перенос энергии электромагнитными волнами, отражение и поляризацию волн.
2.11. Лабораторный макет генератора Ван-де-Граафа.
Настольное устройство в виде вертикального цилиндра на подставке с закрепленным на вершине цилиндра шаром; шар заряжается с помощью бесконечной ленты, помещенной внутри цилиндра, переносящей заряд от зарядного устройства. Высота устройства 0,5 м, потенциал шара 30¸50 кВ.
Позволяет демонстрировать свойства электроста-тического поля.
2.12. Лабораторный высоковольтный демонстрационный генератор постоянного напряжения до 30 кВ.
Настольное устройство с прозрачным прямоугольным корпусом, на верхней стороне которого закреплены на высоковольтных изоляторах два вертикальных стержня с шариками на концах, являющиеся высоковольтными электродами. Внутри корпуса размещена электрическая схема выпрямителя. Питание выпрямителя как от сети переменного тока, так и от вмонтированной в корпус батареи.
Позволяет демонстрировать свойства электростатического поля, работа генератора не зависит от влажности окружающей атмосферы.
2.13. Демонстрация законов геометрической оптики с визуализацией хода лазерного луча.
Устройство позволяет изучать законы отражения и преломления света, фокусирование света собирающей и рассеивающей линзой, прохождение света внутри световода, через призму и плоскопараллельную пластинку, зеркало.
Предназначен для демонстраций и выполнения лабораторных работ.
Содержит в компактном корпусе лазерный источник светового пучка с возможностью сканирования пучком; пучок может поочередно направляться на исследуемые оптические элементы.
2.14. Наклоняемая компактная оптическая скамья с комплектом оптических устройств.
В состав комплекта входят:
— осветитель с накаливаемой лампой;
— лазерный осветитель;
— источник питания осветителей;
— рейтеры для закрепления на скамье элементов;
— экран на штативе;
— линзы, зеркала, призмы, элементы для наблюдения эффектов дифракции, интерференции, дисперсии света;
— устройство для изучения дисперсии света,
Оптическая скамья с набором элементов является многофункциональным устройством и предназначена для демонстраций и выполнения лабораторных работ по различным разделам геометрической и волновой оптики.
3. Установки физического практикума вузов
3.1. Колебания струны
Изучение закономерностей распространения упругих волн, условий возникновения стоячих волн в струне, исследование мод ее колебаний.
3.2. Настольный физический маятник
Изучение законов гармонического колебательного движения, измерение ускорения свободного падения тел в поле тяготения Земли.
3.3. Изучение законов геометрической оптики
Изучение законов отражения и преломления света, фокусирования света собирающей и рассеивающей линзой.
3.4. Волновая оптика
Изучение закономерностей дифракции и интерференции света на одной щели, на двух щелях, на дифракционной решетке.
4. Студенческие научные работы, представленные на научных
студенческих конференциях
Ряд студенческих научных работ отмечен по результатам студенческих научных конференций и их исследовательские приборы представлены на стендах СКБ. Фотографии приборов и аннотации работ показаны ниже.
4.1. Макет лабораторного стенда изучения термопарного
преобразователя для измерения вакуума
С помощью ручного воздушного насоса создается разряжение в манометрическом вакуумметре и в колбе термопарного преобразователя. Диапазон получаемых давлений 1¸10 мм. рт. ст. Термопарный преобразователь содержит вольфрамовую нить, нагреваемую пропускаемым через нее электрическим током, образующееся тепло отводится к стенкам колбы за счет теплопроводности остаточного газа. Температура нити, таким образом, зависит от степени вакуума в колбе и измеряется термопарным датчиком температуры. ЭДС датчика является мерой давления газа в колбе.
Разработали студенты гр. ОТ-31 (2004г.)
Садовский А. А., Голосов А. С.
4.2. Лабораторная установка изучения принципов работы термоанемометра (прибора для измерения скорости воздушных потоков)
В качестве измерительного преобразователя используется терморезистор — отрезок вольфрамовой проволоки Æ 8 мкм, нагреваемый электрическим током и обдуваемый газовым потоком.
Схема термоанемометра показана на рисунке.
Измерительный терморезистор RT является плечом мостовой резисторной схемы, содержащей также постоянные резисторы R1, R2, R3. В отсутствие газового потока мост уравновешен, и между противоположными точками вертикальной диагонали моста нет разности потенциалов. Эти точки моста подсоединены к усилителю, его выходное напряжение измеряется вольтметром V2 и также равно нулю.
При появлении потока терморезистор охлаждается, его сопротивление падает, наступает разбаланс моста, на выходе усилителя появляется напряжение, являющееся мерой скорости потока.
При выполнении работы студенты измеряют изменения тока и напряжения на терморезисторе, вызванное изменением скорости потока (с помощью переключателя П2 и вольтметра V1) и определяют коэффициент теплоотдачи проволоки.
Разработали студенты гр. ОТ-31.
Фотография термоанемометра.
4.3. Лабораторный термокондуктометрический газоанализатор (катарометр)
Измерение состава газа основано в данной работе на том, что теплопроводность разных газов различна.
Метод измерения основан на сравнении теплопроводности анализируемой смеси известных газов с теплопроводностью газа сравнения (100% одного из газов смеси).
Измерение теплового сопротивления газов осуществляется с помощью нагреваемых током терморезисторов, помещенных в камеры с анализируемым газом и газом сравнения, по их охлаждению при передаче тепла от них через слой газа к холодным стенкам.
Устройство измерительного преобразователя и измерительная схема показана на рисунках.
Изучается состав смеси воздуха и углекислого газа СО2. Источником СО2 является колба домашнего сатуратора. Измерительная схема является мостовой, в противоположные плечи моста включены измерительные терморезисторы r1 и r4. Напряжение разбаланса моста измеряется и служит мерой состава газовой смеси. Напряжение питания моста U0 = 5¸10 В, регулируется потенциометром r. Чувствительность преобразователя ~1% избыточного содержания СО2 в воздухе.
Разработала студентка гр. ОТВ-32 — Крюкова Ю. И. (2004 г.).
|
Измерительный преобразователь. |
Измерительная схема. |
Фотография макета катарометра.
4.4. Лабораторный стенд измерения рассеянных низкочастотных магнитных полей
Лабораторный стенд позволяет измерять переменные магнитные поля вблизи проводников с током. Исследуются магнитные поля одиночного проводника, одиночного проводника в железной трубе, пары проводников с противоположными токами. Магнитные поля измеряются измерительным преобразователем индукционного типа, основанным на использовании явления электромагнитной индукции (закон Фарадея-Ленца) (см. рисунок).
Чувствительной частью преобразователя является измерительная катушка с ферритовым сердечником, сигнал с которой усиливается, детектируется и измеряется с помощью мультиметра. Предусмотрена калибровка чувствительности преобразователя с помощью калибровочной катушки с известным переменным током, помещенной на тот же ферритовый сердечник, а также два диапазона чувствительности преобразователя.
Чувствительность преобразователя ~10 В/Тл, одинакова в частотном диапазоне 10¸104 Гц.
Обнаруживаются магнитные поля с индукцией до 10-5¸10-4 Тл (напряженность магнитного поля до 10¸100 А/м).
Разработал студент гр. ОТВ-31 (2004г.)
Джалилов В. У.
Руководитель: инженер Семёнов В. Н.
Блок-схема измерительного преобразователя переменного магнитного поля.
Фотография стенда.
Преобразователь.
4.5. Лабораторная установка изучения рассеяния света частицами
Установка предназначена для проведения студентами в рамках физического практикума изучения явления рассеяния света на микроскопически малых частицах, суспензированных в жидкой прозрачной среде.
Излучение полупроводникового лазера 1 направляется через стенку прозрачного цилиндра 4, заполненного имперсионной жидкостью 11, на прозрачную кювету 6. В этой кювете размещена исследуемая суспензия 5. Частицы суспензии свет рассеивают во все стороны, но с разной эффективностью. Интенсивность рассеянного света зависит от угла рассеяния и от размера частицы в сравнении с длиной волны света.
Рассеянный свет собирается линзой 13, которая установлена у входа в корпус фотоприемника 7. Электрический сигнал с выхода фотоприемника усиливается и визуалируется с помощью цифрового индикатора, видного на фотографии установки.
Поворачивая измерительный блок с фотоприемником вокруг источника рассеянного света, можно определить индикатрису рассеянного света. Форма индикатрисы несет информацию о размерах частиц суспензии.
Установка позволяет исследовать как рассеяние частиц, много меньших длины волны излучения лазера (рассеяние Рэлея), так и более крупных частиц (рассеяние Ми).
Имперсионная жидкость в цилиндре 4 позволяет уменьшить влияние фокусирующих свойств кюветы с суспензией на форму измеряемой индикатрисы, т. к. фокусное расстояние цилиндрической линзы 4 много больше фокусного расстояния цилиндрической линзы, образованной кюветой 6 в отсутствие имперсионной жидкости. Кроме того в отсутствие имперсионной жидкости свет, рассеянный наружной стенкой кювета 6, накладывается на свет, рассеянный частицами суспензии, что приводит к ошибкам. Наличие жидкости уменьшает рассеяние на стенках кюветы с суспензией.
Разработка установки выполнена с участием студентов Рогозина А. В. (гр. ОТ-21, 2002—2003 уч. год) и Седунова Д. (гр. ОТВ-41, 2004—2005 уч. год).
Оптическая схема.
Фотография измерительного блока со снятой светозащитной крышкой.
Фотография установки изучения рассеянного света.
4.6. Демонстрационный высоковольтный преобразователь напряжения
Зеленов Е., Коструенко С., Кривых Е.
Преобразователь предназначен для демонстрации электростатического поля. Нити, находящиеся на концах разрядников, располагаются в пространстве в соответствии со статическими линиями поля. Так же с помощью преобразователя можно продемонстрировать электроразряд. Для этого с помощью высоковольтного провода замыкают разрядники и возникает искра. По длине искры определяют величину напряжения, а по свечению — ток искры.
К преобразователю предъявляют следующие требования:
1) Электроды должны располагаться на определенном расстоянии от самой сборки, чтобы не было помех на статическом поле.
2) Разрядники должны располагаться так, чтобы не было пробоя между ними.
3) Корпус должен быть прозрачен.
Преобразователь состоит из блокинг-генератора, блока питания, высокочастотного трансформатора и умножителя.
Блок питания обеспечивает питание всей схемы, блокинг-генератор вырабатывает импульсное напряжение с частотой 7 кГц. Высокочастотный трансформатор выдает на вторичной обмотке около 8 кВ, а умножитель увеличивает это напряжение до 30 кВ.
4.7. Датчик электрического поля при изучении распределения полей между электродами в электролите.
Зеленов Е., Коструенко С., Кривых Е.
Для исследования электростатического поля, для простейших форм электродов использовали:
1) Электролитическую ванну
2) Набор электродов
3) Зонды
4) Осциллограф или микроамперметр.
При отсутствии осциллографа можно использовать стрелочный прибор типа микроамперметра. Вся сложность при замене обычно используемого в качестве измерительного устройства осциллографа на стрелочный прибор заключается в том, что осциллограф практически не потребляет из электрической цепи, в которой проводятся измерения, электрическую энергию, а микроамперметр потребляет и может тем самым исказить картину исследуемого электрического поля.
Для устранения этого недостатка мы используем чувствительный стрелочный прибор со шкалой на 10 мка, а для исключения повреждения при попадания на его вход большого электрического напряжения вносим в схему нелинейные элементы, ограничивающие величину тока и отклонение стрелки прибора чтобы стабилизировать напряжение и не перегрузить прибор.
По схеме, приведенной ниже, были проведены опыты со стрелочным прибором. Оказалось, что полученная картина поля в ванне практически не отличается от случая с использованием осциллографа.
Для работы стрелочного прибора необходим нелинейный элемент типа стабилизатора на 0,5 В, но таких стабилитронов просто не существует.
Мы нашли решение этой проблемы, использовав два диода, включенных антипараллельно и соединённое с ними последовательно нагрузочное сопротивление. Один диод работает в одном полупериоде, а другой диод — в другом.
Если посмотреть на вольтамперную характеристику диодов, то она выглядит так:
Режим работы диодов мы выбрали на участке dx. На этом участке напряжение и ток изменяются близко к параболическому закону.
Прибор используется как лабораторный при изучении раздела «Электричество» курса физики.
4.8. Лазерное получение фигур Лиссажу
Архипов И.
Разработано и изготовлено устройство, позволяющее получать на экране фигуры Лиссажу путем сканирования луча гелий-неонового лазера по двум координатам с помощью двух зеркальных дефлекторов магнито-электрического типа.
Оптическая схема и узлы устройства показаны на рисунке и фотографии.
В качестве механизмов дефлекторов использованы узлы оптиколучевых измерительных приборов, лазер типа ЛГН-206; все элементы смонтированы внутри корпуса. Устройство пригодно для лекционных демонстраций при изучении колебаний в курсе физики.
4.9. Разработка миллисекундного таймера для физического практикума.
Пархоменко А.
Миллисекундный таймер предназначен для измерения временных интервалов в диапазоне от 0,001 до 9,999 сек.
Перед разработкой данного устройства была поставлена задача: разработать и изготовить прибор, предназначенный для измерения временных интервалов при проведении лабораторных работ и демонстрации по физическому практикуму. Диапазон времени до 1 мс был выбран вследствие того, что измеряемые процессы будут довольно быстры. К примеру, падающее с высоты 1 м тело за 10 мс в конце пути проходит расстояние 5 см. Особые требования были предъявлены к индикаторам прибора. Ясно, что индикация должна быть понятной, т. е. измеряемая величина должна быть представлена в цифровом виде. При этом цифры индикатора должны быть светящимися и иметь большой размер, что в свою очередь позволяет отчетливо наблюдать результаты измерений на некотором расстоянии от прибора. Важной частью требований к прибору является выбор типа датчиков. Как известно, существует несколько доступных для подобного типа устройств датчиков: оптопара, геркон и датчик Холла. Два первых вида датчиков имеют недостатки, связанные с влиянием на них внешних факторов; в случае оптопары сказывается освещенность помещения; у геркона наблюдается большой дребезг контактов, приводящий к неточным измерения. Оптимальным вариантом стал датчик на основе датчика Холла, не имеющий указанных недостатков, присущих оптопаре и геркону.
Функциональная схема изображена на рисунке:
Как видно, прибор выполнен по классической схеме. То есть в своем составе генератор импульсов, ключ, счетчик, дешифратор и устройство отображения. Прибор работает следующим образом. В нормальном состоянии ключ закрыт и импульсы с генератора не поступают на счетчик, при этом показания индикаторов остаются неизменными. Когда магнитное тело либо тело, к которому некоторым образом прикреплен магнит, проходит рядом с датчиком, датчик преобразует величину проходящего через него магнитного потока в электрический сигнал. Логический уровень с датчика записывается в триггер, что вызывает открывание ключа, и импульсы с генератора беспрепятственно поступают на счетчик. Счетчик считывает до тех пор, пока магнитное тело не достигнет другого датчика, при этом триггер очистится, а значит и закроется ключ, импульсы с генератора не будут поступать на счетчик. Двоичная информация с выводов счетчика подается на дешифратор, преобразующий двоичный код в семисегментный. После этого можно на индикаторах увидеть время за которое тело прошло от первого датчика до другого.
Одним из применений данного прибора является измерение промежутков времени при движении тележки на воздушной подушке в установке «Воздушная дорожка». С помощью данного стенда можно на практике убедиться в правильности основных законов механики: второго закона Ньютона, закона сохранения импульса. Воздушная подушка в стенде применяется только для того, чтобы устранить механическое трение между тележкой и дорожкой и исключить необходимость учета силы трения. При демонстрации тележку заставляют двигаться по дорожке силой, задаваемой грузиком, подвешенным на нити, переброшенной через блок. Ускорение же рассчитывается, т. к. путь, пройденный телом, и время неизвестны.
Другое применение прибор может найти на физическом стенде для измерения скорости свободного падения тела в данной точке земли. Тело бросают с некоторой высоты, по пути падения установлены магнитные датчики. Измеряется время падения и путь, пройденный телом, а потом вычисляется ускорение свободного падения.
4.10. Устройство для демонстрации законов геометрической оптики с визуализацией хода лазерного луча.
Архипов И.
Создано устройство в форме переносимого планшета, позволяющее пропускать луч гелий-неонового лазера сквозь различные оптические элементы — призмы, линзы, зеркала и визуализировать траекторию хода луча как внутри этих элементов, так и по выходе из них на матовом экране. Луч оказывается виден по всей своей длине за счет того, что он направлен вдоль поверхности плоского экрана под небольшим углом к экрану. С помощью поворотной призмы луч можно поочередно направлять на оптические элементы, закрепленные на экране, плавно перемещать по элементу, изучая эффекты отражения, преломления, фокусирования света.
На фотографии показан эффект визуализации лазерного луча при прохождении через призму, сами оптические элементы.
Демонстрационные материалы
"Разработка и исследование оптических магнитоуправляемых микромеханических устройств"