Проанализируем, как перечисленные выше образовательные функции реализуются в различных видах существующих лабораторных практикумов, и какова в этой связи степень их эффективности. В качестве базы для сопоставления представим некоторый гипотетический «идеальный» лабораторный практикум на конкретном примере из дисциплины «Электротехника».

«Идеальный» лабораторный практикум должен был бы выглядеть следующим образом:

оборудование, применяемое в учебной лаборатории:

электрические машины постоянного и переменного тока различных типов;

источники электропитания постоянного и переменного тока на различную выходную мощность, частоту, напряжение;

измерительные приборы различных видов и типов (амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры и пр.);

исполнительные механизмы, регуляторы и нагрузочные устройства различных видов и типов и другие необходимые атрибуты проведения экспериментальных исследований.

в соответствии с полученным индивидуальным заданием и предварительно освоенными теоретическими знаниями об объекте учащийся выбирает из множества предоставленного в его распоряжение лабораторного оборудования только то, которое необходимо для выполнения его индивидуального задания;

на лабораторном стенде учащийся самостоятельно собирает лабораторную установку и проводит эксперимент, в результате чего он получает возможность активных самостоятельных действий с реальным оборудованием и приборами.

Однако на практике такой идеальный подход никогда не применяется, поскольку требует много свободного оборудования и времени для своей реализации, высок риск порчи оборудования из-за неумелых действий плохо подготовленных студентов.

Традиционный лабораторный практикум - это, как правило, набор практически готовых, полностью смонтированных лабораторных стендов, предназначенных для экспериментального изучения базовой совокупности объектов по данной учебной дисциплине.

Учащийся, в лучшем случае, выполняет рутинные операции изменения напряжений, переключения отдельных приборов, цепей и т.д. При этом учащийся лишается главного - самостоятельной постановки эксперимента, выбора приборов и оборудования (за него уже все выбрано и поставлено).

Кроме того, в реальных условиях постановка лабораторного практикума сталкивается с организационными, техническими и экономическими трудностями. Так, с позиции эффективности усвоения материала было бы наиболее целесообразно после изложения теоретической части по каждому разделу дисциплины сразу же закрепить именно этот материал лабораторным практикумом. Однако лекция, как правило, читается для 100-150 слушателей, а возможности учебной лаборатории в лучшем случае рассчитаны на 6-12 рабочих мест, что не обеспечивает потребности даже одной учебной группы.

Вынужденно приходится на одном лабораторном стенде реализовывать бригадное выполнение лабораторной работы (по 2-4 человека в бригаде). Эффективность такого метода чрезвычайно низка, поскольку в каждой такой бригаде работу выполняет один студент, который является лидером конкретного мини-коллектива. Остальным студентам достаются рутинные, вспомогательные операции (фиксация в протоколе результатов измерений, построение графиков и т.д.), которые не способствуют ни приобретению практических навыков работы с реальным оборудованием, ни усвоению существа изучаемых процессов. Тем самым нарушается одна из главных образовательных функций лабораторного практикума - самостоятельность практического освоения реальной техники.

Другие учебные группы общего потока обучаемых, в лучшем случае, с задержкой в 2-4 недели смогут приступить к выполнению лабораторных работ, т.е. происходит разрыв во времени между теоретическим, практическим и экспериментальным изучением материала, что также не способствует эффективности его усвоения.

Демонстрационный лабораторный практикум является одной из вынужденных форм проведения лабораторных занятий на уникальном лабораторном оборудовании, существующем в единичных экземплярах.

Обычно такое случается, когда объект изучения слишком громоздок, дорог или энергоемок, чтобы его можно было многократно тиражировать для одновременного (фронтального) выполнения работ. В то же время, создание уменьшенных физических моделей по каким-то причинам признано нецелесообразным. Например, считается, что масштабное «искажение» изучаемого объекта уводит учащихся из реального мира в его виртуальное отражение и наносит тем самым вред образовательному процессу. Это заблуждение! Если в процессе масштабирования были соблюдены критерии подобия, то можно быть уверенным, что изучаемые физические процессы не искажены. Именно это главное в образовательном процессе. А работу реального станка, домны, прокатного стана, электростанции можно изучить в процессе учебной практики или учебного видеофильма. Будущему специалисту важнее не их внешний облик (он со временем может стать совершенно другим), а понимание принципа действия и рабочих процессов, которые меняются значительно реже.

Демонстрационный лабораторный практикум обычно проводится опытным преподавателем. Учащимся в основном отводится роль пассивных наблюдателей. При этом не реализуются главные образовательные функции лабораторного практикума (выбор приборов и оборудования, активные действия с объектом изучения), кроме одной - знакомство с работой реального оборудования. Но ценность этого весьма сомнительна - смена лабораторного оборудования в учебных заведениях происходит так редко, что реально приходится знакомиться с работой уже устаревшего оборудования, которое, как правило, давно снято с производства и эксплуатации.

Таким образом, проведение демонстрационных лабораторных работ следует расценивать, как вынужденную и временную меру, отражающую трудности создания современного эффективного учебного лабораторного оборудования.

Виртуальный лабораторный практикум -представляет собой один из прогрессивно развивающихся видов проведения лабораторных занятий, суть которого заключается в замене реального лабораторного исследования на математическое моделирование изучаемых физических процессов, но с элементамивиртуального взаимодействия учащегося с лабораторным оборудованием. В зависимости от используемой программной инструментальной среды можно создать хорошую иллюзию работы с реальными объектами.

Различают две принципиальные разновидности виртуальных лабораторных практикумов:

полностью модельный лабораторный практикум, который от постановки до получения результатов реализуется средствами универсальных или специально разработанных компьютерных моделей;

полунатурный лабораторный практикум, который в своей постановке опирается на модельные средства, а результаты берутся из базы данных реально проведенных экспериментов.

Возможности современных имитационных компьютерных моделей создают полную иллюзию работы с реальным оборудованием. В таком подходе есть положительный момент, позволяющий реализовать каждому обучаемому свои индивидуальные творческие способности. Находясь в виртуальной лаборатории, можно выбрать виртуальные приборы и оборудование, собрать на виртуальном стенде схему эксперимента по своему индивидуальному заданию, провестипоисковое моделирование исследуемого физического процесса при различных заданных параметрах и ограничениях, обработать результаты исследования, не затрачивая усилий на рутинные расчеты и графические построения.

Получение из базы данных результатов реальных экспериментов не несет нового в образовательный процесс, так как обучаемому необходимо наблюдать реакцию лабораторного оборудования именно на свои, пусть даже ошибочные, действия, которые впоследствии можно осмыслить, сделать поправку и провести повторный эксперимент. А когда на все его действия компьютерная система «подставляет» единственно правильный результат, полученный опытным преподавателем, учащийся начинает понимать, что его не учат, а «красиво обманывают» и теряет интерес к творческому поиску решений.

Таким образом, компьютерное моделирование изучаемых физических процессов является обязательной компонентой современного образовательного процесса, но оно не может полностью заменить реальный лабораторный практикум.

Удаленный лабораторный практикум - это один из перспективных видов организации лабораторных занятий, рекомендуемый для самостоятельного обучения в системе открытого технического образования. Его суть заключается в обеспечении коллективного доступа удаленных пользователей по компьютерным сетям к автоматизированным учебным стендам (комплексам), размещенным в базовых ресурсных центрах подготовки специалистов.

Лабораторное оборудование и программно-методические средства этого типа позволяют по индивидуальному заданию обучаемого выбирать объект изучения из предлагаемого множества альтернатив, настраивать его параметры, конфигурировать заданную схему и режимы проведения эксперимента,обрабатывать результаты эксперимента и проводить их строгую математическую оценку. Здесь в полном объеме реализуется комплекс образовательных функций, возложенных на лабораторный практикум.

Оппоненты удаленного лабораторного практикума усматривают в нем тот недостаток, что реальный объект изучения и все лабораторное оборудование недоступно учащемуся в прямом физическом контакте. Следовательно, нарушается одна из основных образовательных функций лабораторного практикума - приобретение навыков самостоятельной практической работы с реальным оборудованием. Есть несколько возражений по этому вопросу:

прямой физический контакт с объектом изучения важен преимущественно в тренажерах, где он объективно необходим для выработки координации движений при сложном ручномуправлении (например, автомобиля). В большинстве других случаев прямой контакт практически ничего не дает в познании объекта. Изучаемые физические процессы (электрические, магнитные, тепловые гидродинамические и пр.), как правило, скрыты за внешней оболочкой объекта и недоступны для прямого восприятия через органы чувств человека, поэтому прямой контакт бесполезен;

с момента появления первых средств автоматизации оператор управления был постепенно выведен (удален) из контура прямого управления объектом и со временем заменен управляющей вычислительной машиной, поскольку органы чувств и реакция оператора перестали удовлетворять требованиям чувствительности, точности, быстродействия и многоканальности управления. Поэтому процесс удаления оператора (экспериментатора) от объекта управления (изучения) с переходом на дистанционные формы управления является объективной тенденцией времени;

современное промышленное производство строится на основе автоматизированных систем управления. Инженер-технолог контролирует технологические процессы не непосредственно в цеху, а из диспетчерской. Дистанционный мониторинг реального производства является его основой и подготовка специалистов, владеющих технологиями дистанционного доступа к техническому оборудованию, становится актуальной задачей.

Проведенный анализ существующих лабораторных практикумов показывает, что практически в каждом учебном заведении используется не объективно необходимая, а случайным образом сформированная лабораторная база, которая не позволяет осуществлять единую государственную систему подготовки технических специалистов. Объективно напрашивается пересмотр сложившейся практики проведения лабораторных исследований и создания нормативных документов, регламентирующих введение концепции и лабораторного оборудования нового поколения.

6. Лабораторная работа «Магнитные материалы»

Изучение стандартного метода измерения начальной магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь магнитомягких материалов резонансным методом и определение зависимостей образцов магнитных материалов от частоты и температуры.

Общие положения

Магнитомягкие материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и способностью легко перемагниваться при работе в переменных магнитных полях. Малые потери перемагничивания связаны с малой коэрцитивной силой - узкой петлей гистерезиса. При работе на повышенных частотах применяются металлические магнитномягкие материалы в виде очень тонкой ленты, а также ферриты и магнитодиэлектрики. Как правило, на таких частотах, эти материалы обычно работают в слабых магнитных полях, когда их магнитная проницаемость близка практически к начальной магнитной проницаемости.

При работе в переменных магнитных полях в магнитных материалах возникают потери энергии, обусловленные, главным образом, потерями на гистерезис и на вихревые токи. Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания определяются площадью статической петли гистерезиса, полученной при медленном изменении магнитного поля, Потери на вихревые токи определяются величиной электрического сопротивления магнитного материала и зависят от частоты перемагничивания, возрастая пропорционально квадрату увеличения частоты изменения магнитного поля. Поэтому для работы на высоких частотах выбирают материалы с большим удельным сопротивлением. Рассеяние мощности, т. е. потери в магнитном материале, работающем в переменном поле, можно оценивать посредством тангенса угла магнитных потерь tg?_м. Катушку индуктивности с тороидальным магнитным сердечником, сопротивлением обмотки которой и собственной емкостью можно пренебречь, можно представить в виде схемы замещения, состоящей из последовательно соединенных индуктивности L и сопротивления R_п, потери энергии в котором эквивалентны всем видам потерь в магнитном материале (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Схема замещения катушки индуктивности с магнитным сердечником и соответствующая ей векторная диаграмма: L -- индуктивность катушки; R_п„ активное сопротивление, потери в котором эквивалентны потерям в сердечнике

Из векторной диаграммы для этой схемы, представленной на том же рисунке, получаем, что

(1)

где Rп - сопротивление магнитных потерь, Ом;

L - индуктивность катушки, Гн;

Ферромагнетики обладают ярко выраженными магнитными свойствами только в определенном температурном диапазоне. При температуре, называемой точкой Кюри, области самопроизвольного намагничивания (домены) разрушаются, и материал утрачивает ферромагнитные свойства. Магнитная проницаемость ферромагнетиков изменяется с температурой, проходя через максимум вблизи точки Кюри.

Описание лабораторной установки

Измерение магнитных характеристик образцов в настоящей работе производятся резонансным методом при помощи прибора, называемого измерителем добротности или куметром (рис. 4.2).

Рис. 4.2 Принципиальная схема измерителя добротности: Г - задающий генератор; Т - согласующий трансформатор; R - безреактивное сопротивление малой величины; V₀ -индикатор входного напряжения; L - индуктивность катушки; R_э -эквивалентное активное сопротивление катушки; С - измерительный конденсатор; V_C -Q - вольтметр

Принцип работы этого прибора основан на свойстве последовательного контура, состоящего из активного сопротивления R_э, индуктивности L и емкости С, настроенного в резонанс, увеличивать напряжение на емкости U_c в Q раз по сравнению с входным напряжением контура U₀.

На выходе задающего генератора Г включен согласующий трансформатор Т, вторичная обмотка которого нагружена на безреактивное сопротивление R малой величины. Падение напряжения на этом сопротивлении U₀ является входным напряжением измерительного контура. Оно измеряется вольтметром V_о (индикатором входного напряжения). Измерительный контур состоит из испытуемого образца - катушки с индуктивностью L и эквивалентным активным сопротивлением R_а и конденсатора переменной емкости С для настройки контура в резонанс. Напряжение на емкости U_c измеряется вольтметром V_c с большим входным сопротивлением.

Изменением емкости С контур настраивается в резонанс. При резонансе, когда С=C_р, имеет место равенство индуктивного и емкостного сопротивления

(2)

При резонансе полное сопротивление Z контура минимально и равно R_э

(3)

При этом ток, протекающий в контуре будет максимален и ограничен величиной Rэ, соответственно падение напряжения на индуктивности и емкости будет достигать максимальной величины. Таким образом, резонанс можно зафиксировать по максимальному показанию вольтметра, измеряющего величину U_c. При резонансе ток в контуре равен

(4)

Для напряжения на емкости при резонансе в свою очередь имеем

(5)

Принимая во внимание (2), последнее выражение можно переписать в виде

(6)

или

(14)

Если при проведении измерений величину входного напряжения измерительного контура U₀ поддерживать неизменной, то в момент резонанса напряжение на емкости U_c будет пропорционально величине добротности измеряемого образца. В этом случае показания вольтметра можно отградуировать в единицах добротности.

При резонансе, когда прибор, измеряющий добротность, показывает максимальное показание, необходимо снять значение Q испытуемой катушки и зафиксировать величину резонансной емкости контура С_р.

Зная величину резонансной емкости, определяем индуктивность измеряемой катушки по формуле (9)

(15)

Кроме того, можно измеренная добротность катушки Q на частоте связана с индуктивностью и эквивалентным активным сопротивлением для последовательной схемы замещения соотношением

(2)

где L - индуктивность катушки, Гн;

f - частота, Гц;

Rэ - эквивалентное активное сопротивление катушки, Ом.

Это эквивалентное сопротивление состоит из активного (омического) сопротивления обмотки катушки Rобм и сопротивления магнитных потерь Rп, то есть

(3)

Исследуемые образцы представляют собой однослойные катушки индуктивности с тороидальным сердечником, изготовленным из исследуемого материала. Измерив индуктивность такой катушки, зная ее геометрические размеры и обмоточные данные можно определить величину магнитной проницаемости материала сердечника. Поскольку при измерении индуктивности на куметре в сердечнике создается слабое магнитное поле, полученное значение магнитной проницаемости можно считать практически равным начальной магнитной проницаемости - µ_нач. Расчет - µ_нач для рассматриваемого случая производится по формуле:

(4)

где L - индуктивность катушки, Гн;

Dг - гармонический диаметр, рассчитываемый по формуле

(5)

где Dвнешн, Dвнутр - внешний и внутренний диаметры сердечника, м;

в приближенных расчетах гармонический диаметр можно заменить на средний Dср

(6)

W - число витков катушки;

S - площадь сечения сердечника, м2

(7)

где h - высота сердечника, м.

Определив одновременно с индуктивностью катушки L величину ее добротности Q, при помощи соотношения (2) можно рассчитать эквивалентное активное сопротивление катушки R_э:

(8)

Принимая во внимание соотношение (3) по известным значениям R_э и R_обм определяем сопротивление магнитных потерь R_п = R_э- R_обм, что дает возможность по формуле (1) вычислить значение тангенса угла магнитных потерь.

Описание лабораторной установки

Для измерения добротности и индуктивности образцов в работе применяется низкочастотный измеритель добротности. Принцип работы этого прибора основан на свойстве последовательного контура, состоящего из активного сопротивления R_э, индуктивности L и емкости С, настроенного в резонанс, увеличивать напряжение на емкости U_c в Q раз по сравнению с входным напряжением контура U₀ (рис. 4.3).

Рис. 4.3 Принципиальная схема измерителя добротности: Г - задающий генератор; Т - согласующий трансформатор; R - безреактивное сопротивление малой величины; V0 -индикатор входного напряжения; L - индуктивность катушки; Rэ -эквивалентное активное сопротивление катушки; С - измерительный конденсатор; VC -Q - вольтметр

На выходе задающего генератора Г включен согласующий трансформатор Т, вторичная обмотка которого нагружена на без реактивное сопротивление R малой величины. Падение напряжения на этом сопротивлении U₀ является входным напряжением измерительного контура. Оно измеряется вольтметром V_о (индикатором входного напряжения). Измерительный контур состоит из испытуемого образца - катушки с индуктивностью L и эквивалентным сопротивлением R_а и конденсатора переменной емкости С для настройки контура в резонанс. Напряжение на емкости U_c измеряется вольтметром V_c с большим входным сопротивлением.

Изменением емкости С контур настраивается в резонанс. При резонансе, когда С=C_р, имеет место равенство индуктивного и емкостного сопротивления

(9)

При резонансе полное сопротивление Z контура минимально и равно R_э

(10)

При этом ток, протекающий в контуре будет максимален и ограничен величиной R_э, соответственно падение напряжения на индуктивности и емкости будет достигать максимальной величины. Таким образом, резонанс можно зафиксировать по максимальному показанию вольтметра, измеряющего величину U_c. При резонансе ток в контуре равен

(11)

Для напряжения на емкости при резонансе в свою очередь имеем

(12)

Принимая во внимание (2), последнее выражение можно переписать в виде

(13)

или

 (14)

Если при проведении измерений величину входного напряжения измерительного контура U₀ поддерживать неизменной, то в момент резонанса напряжение на емкости U_c будет пропорционально величине добротности измеряемого образца. В этом случае показания вольтметра можно отградуировать в единицах добротности.

При резонансе, когда прибор, измеряющий добротность, показывает максимальное показание, необходимо снять значение Q испытуемой катушки и зафиксировать величину резонансной емкости контура С_р.

Зная величину резонансной емкости, определяем индуктивность измеряемой катушки по формуле (9)

(15)

Данная схема установки используется также для измерения реверсивной (обратимой) магнитной проницаемости ?_р, которая измеряется при одновременном действии слабого переменного и сильного подмагничивающего поля. Для измерения ?_р на тороидальном сердечнике имеется дополнительная обмотка подмагничивания W_подм, которая включается в цепь источника постоянного тока. Напряженность магнитного поля H_намагн, обусловленная током подмагничивания I_подм, рассчитывается по формуле

(16)

7. Виртуальная лабораторная работа «Магнитные материалы»

Лабораторная работа проводится по следующей схеме:

В данной работе мы рассмотрели виды магнитных материалов процессы и силы, протекающие в них, методы изучения и измерения этих процессов. Привели примеры параметров надёжности материалов. Предложена виртуальная лабораторная работа по исследованию магнитомягких материалов, в качестве прототипа использовалась реальная лабораторная работа.

Список использованной литературы