ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов специальностей_________

Белгород 2008

Цель и порядок выполнения работ

Лабораторные работы являются одним из видов практического обучения: Их цель – закрепление теоретических знаний, проверка на опыте некоторых положений теории и законов электротехники, приобретение практических навыков при сборке электрических цепей, проведении эксперимента, использовании основных электроизмерительных приборов и устройств.

Подготовка к лабораторным работам

Серьезное отношение к лабораторной работе позволит студенту сделать правильные выводы, проанализировать результаты опытов, научиться самостоятельно решать некоторые несложные задачи исследовательского характера. Задание на проведение очередной лабораторной работы выдается заблаговременно до ее выполнения. Для качественного выполнения лабораторной работы студенту необходимо:

- повторить теоретический материал по конспекту, учебнику или методическому пособию;

- ознакомится с описанием лабораторной работы;

- записать название и номер работы, вычертить таблицы для записи показаний приборов и результатов расчета;

- выяснив цели работы, четко представить себе поставленную задачу и способы ее достижения, придумать ожидаемые результаты опытов;

- сделать предварительный домашний расчет, если это указанно в задании;

- ответить письменно или устно на контрольные вопросы.

Ознакомление с электроизмерительными приборами и устройствами и их подбор. Прежде чем приступить к сборке электрической цепи, следует выбрать необходимые электроизмерительные приборы. В описании каждой лабораторной работы дан перечень физических величин, которые подлежат измерению. При выборе приборов нужно учитывать их тип, номинальные значения измеряемой величины, род тока, класс точности. Погрешности измерения любого прибора тем меньше, чем ближе измеряемая величина к предельному значению, указанному на приборе. Поэтому предпочтительнее пользоваться приборами, у которых во время измерения стрелка будет находится во второй половине шкалы.

Включение измерительных приборов в цепь может вызывать заметное изменение токов, напряжений, мощностей. Поэтому для более точных измерений следует учитывать внутренние сопротивления приборов, которые обычно указаны на их шкалах.

Приборы магнитоэлектрической системы используют только для измерения на постоянном токе, а прибор электромагнитной, электродинамической, электронной могут работать как на постоянном, так и на переменном токе в диапазоне частот, указанных на шкалах.

Прежде чем приступить к измерениям следует определить цену деления прибора. Цена деления амперметров и вольтметров может быть рассчитана как частное от деления предела прибора, указанного на переключателе на число делений шкалы; цена деления ваттметра равна произведению пределов напряжения и тока, деленного на число делений шкалы.

При неверном присоединении ваттметра его стрелка может отклонятся влево от нулевой отметки, чтобы избежать этого следует переключатель полярности, специально предусмотренный в ваттметре, поставить в положение « - ».

Для изучения быстроизменяющихся процессов в электрических цепях применяют электронный осциллограф. Правила эксплуатации этого прибора даются в специальном руководстве, которое следует изучить перед работой.

Как в производственных испытаниях, так и в учебных опытах в отчете необходимо фиксировать используемые измерительные приборы. Следует записать их названия, номинальное значение, тип, род тока, частоту, класс точности, принцип действия (систему), способ установки и заводской номер. Это позволяет, если возникнет потребность, повторить опыт с теми же приборами и проверить правильность полученных результатов.

Сборка электрической цепи. Собирать схему должен только один человек, другие члены бригады контролируют его, подают нужные провода, выполняют мелкие поручения. Необходимо, чтобы обязанности членов бригады менялись. Перед сборкой необходимо условиться о клеммах «начала» и «конца» прибора, например, входной клеммой реостата можно считать левую, а выходной – правую. Если же имеется обозначение зажимов «+» и «-», то входом считается положительный зажим. Это правило в значительной мере предупредит от ошибок и упростит проверку цепи. В первую очередь следует собирать силовую (токовую) часть цепи, к которой затем подключается параллельные ветви, если они имеются в схеме. Слаботочные ветви, состоящие из вольтметров, параллельных обмоток ваттметров, осциллографов и т.п. собираются в последнюю очередь.

Наличие ошибок в цепи может привести к порче приборов и оборудованию или к несчастному случаю, поэтому каждый раз собранную цепь необходимо показать руководителю для проверки.

Включение цепи и определение неисправностей. Для обеспечения минимального тока в цепи, перед ее включением движки реостатов следует установить в такое положение, в котором их сопротивление максимально. Переключатели многопредельных приборов установить на внешний предел, рукоятки регуляторов напряжения, установить на нулевую отметку. Проверить и при необходимости с помощью корректора установить все стрелки приборов на нулевую отметку.

После схему включают и наблюдают за показаниями приборов, медленно регулятором увеличивают напряжение на входе схемы до нужного значения. Если стрелка амперметра не отклоняется это означает, что в неразветвленной части цепи имеется обрыв или неправильно включен прибор. Если стрелка амперметра даже при малом напряжении отклоняется до конца или срабатывает автоматический выключатель – это указывает на короткое замыкание в цепи. В этих случаях источники питания следует отключить и еще раз проверить цепь или обратится за помощью к преподавателю.

Иногда, даже при правильно собранной цепи ток отсутствует во всей цепи или в отдельной ее части. В этом случае следует найти обрыв, который может быть на контактах, соединительных проводах, амперметре или нагрузке. Для отыскания неисправностей можно воспользоваться, например, таким способом. После включения цепи вначале проверяем вольтметром наличие напряжения на зажимах источника, затем поочередно подключаем зажимы вольтметра к началу и концу каждого провода, амперметра и реостатов. Если напряжение на контролируемом участке (за исключением реостата) окажется на равном нулю, то это означает, что обрыв произошел на данном участке. Такой способ не выявляет двойного обрыва, но исключает короткое замыкание в случае неправильных действий с прибором и позволяет определить обрыв внутри реостата. Двойной обрыв можно отыскать предлагаемым способом после устранения найденного первого обрыва.

Проведение опыта. При исправной цепи можно приступать к проведению опытов. Вначале выполняют все действия, предусмотренные программой работы, но без записей результатов. Такое опробование необходимо, поскольку дает возможность убедится в том, что приборы выбраны правильно, а если есть необходимость, можно их заменить на более подходящие.

Во время проведения эксперимента обязанности в бригаде лучше разделить: один человек измерят напряжение, сопротивление и т.п. и наблюдает за приборами, другой – записывает результаты в подготовленную заранее таблицу. В последующих работах обязанности членов бригады меняются.

В ходе проведения эксперимента измеряемая величина должна фиксироваться равномерно по всему своему диапазону изменения, включая начальную, конечную и точку экстремума, если последняя существует. Показания приборов нужно снимать внимательно и записывать карандашом. Если сразу трудно определить измеряемые значения в именованных единицах, то можно зафиксировать количество делений шкалы прибора, а после окончания опыта пересчитать их в именованные единицы. После эксперимента нужно проанализировать полученные результаты и проверить правильность отсчета измеренных значений: 1) по закону Кирхгофа; 2) балансу мощностей; 3) другим теоретическим формулам.

Не торопитесь разбирать цепь, покажите вначале свои результаты преподавателю, так как может быть вам придется проделать работу заново.

Составление отчета. Защита лабораторной работы. Отчет является документом о проделанном эксперименте, поэтому в нем должны содержаться все необходимые сведения для проверки результатов опыта и расчета. Составление отчета – индивидуальная работа каждого члена бригады. Отчет выполняется чернилами (пастой). Текст должен быть написан четким, понятным почерком. Схемы, таблицы, графики и другие построения выполняются карандашом с применением чертежного инструмента или специальных шаблонов. При начертании электрических схем должны соблюдаться ГОСТы на графические и буквенные обозначения их элементов (см. приложение). В одной системе координат можно изображать несколько кривых различая их, например, по цвету.

Масштаб на графиках предпочтительно выбирать равным 1*10ⁿ, 2*10ⁿ, 5*10ⁿ. Математическую обработку экспериментальных данных проводят в отчете полностью или частично, но в любом случае обязательно указывают расчетные формулы. Не исключено, что опытные и расчетные данные не совпадут на 5*10ⁿ. Это возможно из-за колебаний напряжения в сети, погрешности при изменениях, нестабильности параметров цепи. Такие отклонения считаются доступными.

В заключении своей работы делается вывод по выполнении задачи, в указанной цели работы, подтверждении опытным путем тех законов, правил и формул, которые изучались в теоретическом курсе. Выводы должны быть конкретными.

Каждая работа должна быть защищена студентом. В ходе защиты студент должен показать знания теории по теме работы, умение собирать цепь, рассказать ход лабораторной работы, пояснить как проводился расчет, уметь проанализировать полученные результаты и объяснить причины расхождения расчетных и опытных данных. Защита лабораторных работ проводится систематически в течении учебного семестра, как правило, на следующем лабораторном занятии, назначенном преподавателем.

Основные правила безопасности при работе в электрических лабораториях. Согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) для помещений без повышенной опасности поражения током, к которым относятся лаборатории электротехники, безопасным считается напряжение 42 В. Сопротивление тела человека определяется в основном сопротивлением кожного покрова и равно примерно 200-500 кОм. Увлажнение или повреждение кожи снижает сопротивление до 600–800 Ом. Большое влияние на сопротивление тела оказывает также общее состояние организма нервной системы. Таким образом, при нормальных условиях при напряжении 42 В по телу человека будет протекать ток 0, 1 0, 3 mА. Величина тока в 50 mА может привести к электротравме, а в 100 mА – смертельному исходу. Случается, что при токах даже меньше 50 mА мышцы кистей рук непроизвольно сокращаются и токоведущая часть может оказаться зажатой в кулаке, при этом самостоятельно не удается разжать кисть руки и прервать ток через тело.

В лабораториях электротехники используются напряжения до 250 В, поэтому меры предосторожности следует соблюдать особенно тщательно.

Основные правила по технике безопасности следующие:

1. Перед началом сборки цепи следует убедиться, что выключатель находится в выключенном состоянии, а вилки вынуты из штепсельных разъемов.

2. Не допускается использование приборов и аппаратов с неисправными клеммами, Проводов с поврежденной изоляцией, неисправных реостатов и т.п.

3. Перед тем как, присоединить конденсатор, его необходимо разрядить, замкнув выводы проводником накоротко.

4. Собранную цепь включают, только получив разрешение руководителя занятия.

5. Пред включением цепи следует убедиться, что никто не прикасается к открытым токоведущим частям.

6. Все необходимые пересоединения нужно производить только при снятом напряжении.

7. Запрещается самостоятельно производить какие-либо переключения на главном распределительном щите лаборатории, за исключением случаев экстренного отключения.

8. Если во время проведения опытов возникают повреждения, появляется дым, специфический запах горящей изоляции или накаляются реостаты – следует быстро отключить напряжение и сообщить преподавателю о случившемся.

9. Если кто-либо попадает под напряжение и не сможет самостоятельно оторваться от токоведущих частей, то не пытайтесь оттащить его – вы сами будете поражены током. Быстро выключите напряжение на стенде или главном распределительном щите. Сообщите преподавателю о случившемся.

10. Студентов допускают к лабораторным работам после ознакомления с настоящими правилами, что должно быть зафиксировано в специальном журнале.

Пояснения к работе

При любом измерении результат отличается от истинного значения величины вследствие наличия погрешностей. Погрешность прибора определяет степень близости от показаний к действительному значению измеряемой величины, которое при изменениях всегда остается неизвестным. За действительное значение измеряемой величины А_д принимают ее значение, полученное при измерении образцовым прибором.

Разность между показаниями прибора А_из и действительным значением измеряемой величины А_д называется абсолютной погрешностью DА, имеющей размерность измеряемой величины.

DА=А_из – А_д.

Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, представляет собой поправку К.

К= – DА.

Поправка есть та величина, которую следует алгебраически прибавить к показаниям прибора, чтобы получить действительное значение измеряемой величины.

Погрешность измерений оценивается также относительной погрешностью g₀. Относительная погрешность g₀ представляет отношение модуля абсолютной погрешности |Δ А| к действительному значению А_д измеряемой величины.

Степень точности прибора определяют приведенной погрешностью, которая представляет отношение модуля абсолютной погрешности |Δ А| к наибольшему значению шкалы прибора А_н

ГОСТ 18454-59 приборы непосредственной оценки по степени точности делит на восемь классов: 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5; 4. Класс точности обозначает наибольшую основную приведенную погрешность прибора, выраженную в процентах.

При эксплуатации могут иметь место износ отдельных частей прибора и разного рода повреждения. Это приводит к появлению недопустимо больших погрешностей при измерениях, поэтому необходимо периодически поверять приборы во время их эксплуатации. Поверку производят органы Государственной и ведомственной метрологической службы.

Поверка – это определение погрешностей прибора и установление его пригодности к применению. Она включает в себя внешний осмотр поверяемого прибора, выбор образцового прибора, поверку показаний прибора и оформление документов. Внешний осмотр прибора имеет целью выяснить дефекты, препятствующие дальнейшему применению прибора, например, повреждение стекла, корректора, стрелки или наличие отсоединившихся деталей и т.д.

Образцовый прибор выбирают по роду тока, по номинальным значениям величин к классу точности. Верхний предел измерения образцового прибора должен быть близок к верхнему пределу поверяемого прибора, а приведенная погрешность, по крайней мере, в 3 раза меньше приведенной погрешности поверяемого.

Поверку технических приборов производят путем сравнения их показаний с показаниями образцовых приборов.

Регулировку тока или напряжения следует вести так чтобы, показания поверяемого прибора сначала постепенно увеличивались до номинального, а затем плавно уменьшались до нуля. При этом стрелку поверяемого прибора необходимо точно устанавливать на основные деления шкалы и производить запись показаний обоих приборов (поверяемого и образцового).

Для поверки амперметра и вольтметра собирают схемы в соответствии с рис.1.1, 1.2.

Рис. 1.1. Схема установки для поверки амперметра

Поверку амперметра производят при напряжении сети не более 36 В.

Рис. 1.2. Схема установки для поверки вольтметра

Порядок выполнения работы

1. Подобрать приборы и оборудование.

2. Собрать электрическую схему установки согласно рис.1.1.

3. Произвести поверку амперметра. Результаты измерений занести в табл. 1.1.

Таблица 1.1

№ п/п	Показания прибора	Погрешности	Поправка К
Поверяемого	Образцового	Абсолютные	Приве-денные
ход вверх	ход вниз	среднее значение
	А	А	А	А	А	%	А
…

4. Собрать электрическую схему согласно рис. 1.2.

5. Произвести поверку вольтметра, результаты измерений свести в табл. 1.2.

Таблица 1.2

№ п/п	Показания прибора	Погрешности	Поправка К
Поверяемого	Образцового	Абсолютные	Приве-денные
ход вверх	ход вниз	среднее значение
	В	В	В	В	В	%	В
…

6. По данным опытов к расчетным данным построить графики зависимости поправок от показаний поверяемого прибора.

7. Дать заключения о поверяемом приборе.

Контрольные вопросы

1. Что такое точности прибора?

2. Какие погрешности существуют у электроизмерительных приборов?

3. Назовите преимущества и недостатки приборов магнитоэлектрической системы.

4. Почему прибор магнитоэлектрической системы не пригоден для измерения в цепях переменного тока?

5. Приборы, какой системы могут работать только на переменном токе?

Пояснения к работе

Порядок выполнения работы

1. Собрать поочередно электрические схемы в соответствии с рис. 2.4; 2.6; 2.7 и произвести измерения величин токов и напряжений. В качестве приемников энергии использовать проволочные реостаты, одни и те же для всех трех схем, не изменяя их сопротивлений, при этом ползунки реостатов установить в положения, соответствующие максимальным значениям их сопротивлений.

2. Согласно измеренным величинам токов и напряжений, вычислить сопротивления каждого реостата и эквивалентное сопротивление каждой цепи относительно зажимов источников энергии. Полученные результаты свести в табл. 2.1.

3. Вычислить, исходя из величин r_1,r₂, r₃ эквивалентное сопротивление r_экв каждой из цепей. Сравнить полученные результаты с опытами.

4. Вычислить аналитическую силу токов в приемниках для всех трех схем, считая известными сопротивления приемников и напряжение источника питания. Полученные токи сравнить с измеренными.

5. Сделать выводы по работе.

Таблица 2.1

Соедине- ние

Измерения

Вычисления

U В

U₁ В

U₂ В

U₃ В

I А

I₁ А

I₂ А

I₃ А

r_экв Ом

r₁ Ом

r₂ Ом

r₃ Ом

Последова-тельное

Параллель-ное

Смешан- ное

Контрольные вопросы:

1. Какое соединение резисторов называется последовательным?

2. Чему равно эквивалентное сопротивление цепи с последовательно включенными резисторами?

3. При каких условиях применяется последовательное включение резисторов (приемников)?

4. Какое соединение резисторов называется параллельным?

5. Как определить для параллельного соединения эквивалентное сопротивление и эквивалентную проводимость?

6. При каких условиях можно включать параллельно приемники электрической энергии?

7. Почему схема параллельного включения приемников является основной?

8. Какое соединение резисторов называется смешанным?

9. Как определить для смешанного соединения эквивалентное сопротивление?

Пояснения к работе

Рассмотрим процессы в цепи с последовательным соединением катушки и конденсатора (рис. 3.1).

Рис.3.1. Схема цепи с последовательным соединением

катушки и конденсатора

Реальная катушка обладает индуктивным сопротивлением x_L=wL и активным сопротивлением r = r , где w – угловая частота переменного тока, L – индуктивность катушки, r – удельное электрическое сопротивление провода катушки, l – длина провода, S – площадь поперечного сечения провода. При прохождении тока через катушку, электрическая энергия расходуется на нагревание провода катушки. Скорость преобразования электрической энергии в тепловую учитывается с помощью величины, называемой активной мощностью P = rI². Измерив ток и активную мощность катушки, можно вычислить активное сопротивление катушки . Его можно определить также, пропуская через катушку постоянный ток. В цепи постоянного тока катушка обладает только активным сопротивлением, так как угловая частота w=2p¦=0 и x_L = wL=0. Поэтому , где U – постоянное напряжение, приложенное к катушке, а I – сила постоянного тока, протекающего через катушку.

Эквивалентная схема замещения катушки может быть представлена в виде последовательного соединения резистивного и индуктивного идеальных элементов (рис. 3.2).

Рис.3.2. Эквивалентная схема замещения катушки

Напряжение на катушке U_к можно разложить на две составляющие – активную U_ак и индуктивную U_L Векторная диаграмма напряжений и тока для катушки приведена на рис. 3.3.

Напряжение U_кможно измерить на выводах катушки с помощью вольтметра, ток I – с помощью амперметра. Угол сдвига фаз между током и напряжением катушки j_к можно определить из формулы P_к = U_к I cosj_к, если измерить с помощью ваттметра активную мощность катушки P_к. Составляющие напряжения U_к, U_L и U_ак можно вычислить из треугольника напряжений ОАВ (рис.3.3): U_ак=U_кcosj_кили определить графически, опустив перпендикуляр из конца вектора U_к (точка А на рис. 3.3) на линию вектора I.

Рис.3.3. Векторная диаграмма напряжения и тока для катушки

Конденсатор в цепи переменного тока обладает емкостным сопротивлением , где C – емкость конденсатора. Следует указать, что в конденсаторе также имеются активные потери энергии в диэлектрике. Однако величина этих потерь настолько мала, что ими можно пренебречь. На схеме замещения конденсатор можно представит в виде идеального емкостного элемента с параметром С, равным емкости конденсатора.

Последовательное соединение катушки и конденсатора изображено в виде схемы замещения на рис. 3.4.

Рис.3.4. Схема замещения цепи с последовательным

соединением катушки и коденсатора

При подключении такой цепи под напряжение U в ней возникает ток I.

Вектор активной составляющей напряжений на катушке будет совпадать по направлению с вектором тока İ (рис.3.5), так как соответствующие синусоиды мгновенных значений совпадают по фазе:

i = I_msinwt и U = i r =I_m r sinwt. (3.1)

Вектор индуктивного напряжения =İ х_L опережает по фазе вектор тока İ на (рис. 3.6), так как синусоида напряжения U_L на индуктивности опережает по фазе синусоиду тока i на .

U_L = L = I_mwt sin(wt + 90˚ ). (3.2)

Вектор емкостного напряжения =İ х_C отстает по фазе от вектора тока İ на (рис. 3.7), так как синусоида напряжения на емкости при нулевых начальных условиях отстает от синусоиды тока i на .

. (3.3)

Рис.3.5. Векторная диаграмма напряжения и тока

при активной нагрузке цепи.

Рис. 3.6. Векторная диаграмма напряжения и тока

при индуктивной нагрузке цепи

Рис. 3.7. Векторная диаграмма напряжения и тока

при емкостной нагрузке цепи

Для рассматриваемой цепи уравнений по второму закону Кирхгофа имеет следующий вид:

, (3.4)

где

Согласно уравнению (3.4) и рис.3.5 – 3.7, векторная диаграмма напряжений цепи (рис.3.4) будет иметь вид, показанный на рис. 3.8, где вектор совпадает по фазе с вектором İ, а вектор опережает по фазе на 90˚ вектор тока İ. Сумма векторов и дает вектор напряжения катушки:

Опережающий по фазе ток на угол j_к.

Вектор отстает по фазе на 90˚ от вектора тока İ. Сумма векторов _{, ,}дает вектор напряжения сети , опережающий ток по фазе на угол j.

Разделив и умножив стороны треугольника (рис.3.8) на величину тока İ, получим подобные треугольники сопротивлений и мощностей (рис.3.9, 3.10).

Из треугольника сопротивлений (см. рис.3.9) найдем полное сопротивление Z и cosj цепи

Z= . (3.5)

cosj = . (3.6)

Рис. 3.8. Векторная диаграмма тока и напряжений

для цепи с последовательным соединением

элементов r, L, C при x_L> x_C

Рис. 3.9. Треугольник сопротивлений для цепи с последовательным

соединением элементов r, L, C.

Из векторной диаграммы напряжений (см.рис.3.8) получим формулу тока I, которая является выражением закон Ома для последовательной цепи переменного тока:

. (3.7)

Из диаграммы мощностей (рис.3.10) получим соотношение между полной S, активной P и реактивными Q_L и Q_c мощностями

. (3.8)

Рис. 3.10. Треугольник мощностей для цепи с последовательным

соединением элементов r, L, C.

Изменяя величину емкости в цепи, можно изменять соотношение между емкостными и индуктивными сопротивлениями и напряжениями:

и U_L=I ω L

и получать различные значения угла сдвига φ между вектором тока İ и вектора напряжения сети согласно уравнению (3.6). Если величина L> имеем: ω L> и U_L> U_C, т.е. в цепи преобладает индуктивное сопротивление x_L и напряжение , поэтому вектор тока İ отстает по фазе от вектора напряжение сетина угол φ (см.рис. 3.8).

Если L< , наоборот, преобладает емкостное сопротивление x_C и напряжение , поэтому вектор тока İ опережает по фазе вектор напряжения сети (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Векторная диаграмма тока и напряжений

для цепи с последовательным соединением

элементов r, L, C при x_L< x_C

При величине индуктивности

(3.9)

индуктивное сопротивление будет равно емкостному:

(3.10)

а, следовательно, будут равны между собою индуктивное и емкостное напряжения (рис. 3.12).

Ix_L=Ix_С; U_L=U_C. (3.11)

Мы получим резонанс напряжения, т.е. полную взаимную компенсацию индуктивного и емкостного напряжений:

При резонансе напряжений угол сдвига φ =0, следовательно:

cos φ =1 (3.12)

Вектор напряжения (рис. 3.12).

Полное сопротивление цепи при резонансе z_рез принимает минимальное значение z_рез= r, так как x_L-x_C=0, а, следовательно, ток при резонансе I_рез и активная мощность принимают максимальные значения:

(3.13)

Рис. 3.12. Векторная диаграмма тока и напряжений

при резонансе напряжений (x_L= x_C)

Реактивная мощность равна нулю

Q = I(U_L-U_C)= 0; Q_L-Q_C=0. (3.14)

Индуктивное U_L и емкостное U_C напряжения в раз больше напряжения сети U:

Поэтому резонанс напряжений может оказаться опасным для установки. При испытании таких цепей требуется особая осторожность. Явление резонанса напряжений, т.е. взаимной компенсации реактивных напряжений (U_L-U_C= 0), а последовательно, и реактивных мощностей (Q_L-Q_C) объясняется тем, что мгновенные значения напряжений на индуктивности U_L и на емкости U_C в любой момент времени равны и имеют противоположные знаки. Отсюда следует, что если, например, индуктивность берет энергию из сети для создания магнитного поля, то в этот момент конденсатор, разряжаясь, отдает энергию в сеть.

Происходит взаимная компенсация энергии, потребляемой ими из сети.

Таким образом, при резонансе полная энергия, потребляемая из сети, расходуется только на нагревание резисторного элемента цепи.

Кривые зависимости Z сопротивления цепи от величины емкости С показаны на рис. 3.13. При величина Z минимальна и равна Z_рез= r.

На рис. 3.13 показана также кривая зависимости тока I и cosφ от величины емкости C. При C= C_рез ток I имеет максимальное значение , при всех других значениях емкости

Рис. 3.13. Графика зависимости полного сопротивления цепи Z

тока I и коэффициента мощности cosφ от емкости,

(при L= const)

Из выражения (3.10) видно, что резонанс напряжений в цепи может быть получен изменением индуктивности L или емкости C при неизменной частоте сети f или изменением частоты сети при заданных постоянных L и C.

Порядок выполнения работы.

1. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 3.15.

2. Произвести исследование явления резонанса напряжений по следующей методике.

Изменяя величину емкости включением тумблеров, установить емкость С₀, при которой ток в цепи I и активная мощность P имеют максимальные значения (явление близкое к резонансу напряжений). Произвести измерения напряжения U в цепи, напряжения на катушке U_к, напряжения на конденсаторе U_с, тока I в цепи и мощности P. Изменяя затем емкость ступенями на 1 – 2 мкф, произвести измерения для 3 – 4 точек при емкостях, меньших С₀, и для 3 – 4 точек при емкостях, больших С₀.

3. Результаты измерений для каждой установленной величины емкости занести в табл.3.1.

Таблица 3.1

№ п/п

Измерено

Вычислено

U, В

U_К, В

U_С, В

I, В

r, Ом

Z, Ом

P, Вт

X, Ом

cosφ

Х_C, Ом

С, мкФ

Z_К, Ом

X_L, Ом

L, мГн

cosφ _к

…

4. По данным опытов вычислить величины, указанные в табл. 3.1 (полное сопротивление цепи Z, активное сопротивление r, реактивное сопротивление x, коэффициент мощности цепи cosφ, емкостное сопротивление x_C, емкость C, полное сопротивление катушки z_к, индуктивное сопротивление катушки z_L, индуктивность катушки L, коэффициент мощности cosφ _к).

Формулы для вычислений

; ; ; ;

; ; ;

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒