• No results found

Лабораторні роботи з електрики НА ОСНОВІ ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ досліджуваних процесів.

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Лабораторні роботи з електрики НА ОСНОВІ ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ досліджуваних процесів."

Copied!
32
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка

Лабораторні роботи з електрики

НА ОСНОВІ ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ досліджуваних процесів.

Методичні вказівки студентам очної, дистанційної та заочної форм навчання

Затверджено

на засіданні Методичної ради ННІ ПХВ

Протокол № 5 від 26.01.2018р.

Харків, 2018

(2)

Автори-укладачі:

Гайдусь А.Ю., доцент., к.т.н., Прихода М.О. асистент (Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенка).

Лабораторні роботи з електрики на основі імітаційного

моделювання досліджуваних процесів. Методичні вказівки

студентам очної, дистанційної та заочної форм навчання –

Х.:ХНТУСГ, 2018.- 28 с.

(3)

ВСТУП

Комп´ютерна програма "Начала Электроники" призначена для вивчення розділів курсу фізики "Електрика". Вона природним чином доповнює класичну схему навчання, а також призначена для студентів дистанційної форми навчання, що складається із засвоєння теоретичного матеріалу і вироблення практичних навичок експериментування у фізичній лабораторії.

Програма представляє собою електронний конструктор, що дозволяє імітувати на екрані монітора процеси складання електричних схем, досліджувати особливості їх роботи, проводити вимірювання електричних величин так, як це робиться в реальному фізичному експерименті.

За допомогою конструктора можна:

вивчати залежність опору провідників від питомого опору його матеріалу, довжини і поперечного перерізу;

вивчати закони постійного струму - закон Ома для ділянки кола і закон Ома для повного кола;

вивчати закони послідовного і паралельного з'єднання провідників, конденсаторів і котушок;

вивчати принципи використання запобіжників в електронних схемах;

вивчати закони виділення теплової енергії в електронагрівальних та освітлювальних приладах, принципи узгодження джерел струму з навантаженням;

ознайомитися з принципами проведення вимірювань струму і напруги в електронних схемах за допомогою сучасних вимірювальних приладів (мультиметр, двоканальний осцилограф), спостерігати вид змінного струму на окремих деталях, зрушення фаз між струмом і напругою в ланцюгах змінного струму;

вивчати прояв ємнісного та індуктивного опорів в ланцюгах змінного струму, їх залежність від частоти генератора змінного струму і номіналів деталей;

вивчати виділення потужності в ланцюгах змінного струму;

досліджувати явище резонансу в ланцюгах з послідовним і паралельним коливальним контуром;

визначати параметри невідомої деталі;

досліджувати принципи побудови електричних фільтрів для ланцюгів змінного струму.

Конструктор можна також використовувати в рамках його можливостей і для інших завдань, насамперед у дистанційній формі навчання студентів, що дає зовсім нові можливості для творчості, знаходження і закріплення різних професійних навичок. Тому в системі Moodle є можливість завантажити комп’ютерну програму та встановити на ПК, а також за допомогою програми Excel провести розрахунки, згідно роботам,

(4)

Однією з головних особливостей комплексу є максимально можлива імітація реального фізичного процесу. Для цієї мети передбачено, наприклад, наступне:

зображення деталей конструктора і вимірювальних приладів приводиться не схематично, а в такому вигляді, як "насправді";

при перевищенні номінальної потужності електричного струму, що протікає через резистор, останній "згорає" і набуває вигляду почорнілої деталі;

лампочка і електронагрівальний прилад при номінальній потужності починають світитися і "перегорають", якщо потужність, що розсіюється на них, перевищує робоче значення;

при перевищенні робочої напруги на конденсаторі, останній також

"виходить з ладу";

при перевищенні номінального робочого струму через запобіжник, він

"перегорає";

більшість операцій і їх результати супроводжуються звуковими ефектами.

Це робиться для того, щоб студент наочно бачив наслідки своїх помилок, навчався розбиратися в причинах того чи іншого невдалого експерименту і виробляв необхідні навички попереднього аналізу схеми.

Для користування програмою досить початкових навичок роботи в системі Windows а також работи з пакетом Microsoft Office.

При запуску програми, на екран монітора комп'ютера виводяться:

монтажний стіл з контактними майданчиками, на якому можна збирати і аналізувати роботу електричних схем (в центрі екрану);

панель деталей, що містить набір електричних елементів (в правій частині екрану);

"Кошик для сміття", куди викидаються перегорілі і непотрібні деталі (вона розташована в лівому нижньому кутку екрану);

панель управління програмою з кнопками для виклику допоміжних інструментів (розташована в верхній частині екрану);

панель коментарів (в нижній частині екрана).

Монтажний стіл являє собою набір з 7 х 7 = 49 контактних майданчиків, до яких приєднуються електричні деталі, для складання різних електричних схем. Кожна деталь може розташовуватися лише між двома найближчими контактними майданчиками або вертикально або горизонтально. До деталей, в точки їх з'єднання з контактними майданчиками, можна підключати щупи вимірювальних приладів. Вибір деталей з набору конструктора і "пайка" їх на робочому столі виробляється за допомогою маніпулятора "миша". Це робиться стандартним для Windows - додатків способом - необхідно помістити покажчик "миші" на потрібну деталь (покажчик набирає вигляду пінцета), потім натиснути ліву кнопку

"миші" і, утримуючи її в натиснутому стані, перемістити деталь в потрібне місце монтажного столу. Після звільнення лівої кнопки "миші", деталь буде

(5)

встановлена в зазначеному місці. Непотрібні і "зіпсовані" деталі можна видалити зі столу в "кошик для сміття" таким же чином.

На столі одночасно не можуть бути розташовані джерела змінного і постійного струму.

(6)

ВИВЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ОПОРУ РЕАЛЬНИХ ПРОВІДНИКІВ ВІД ЇХ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ І ПИТОМИХ ОПОРІВ

МАТЕРІАЛІВ

1. Мета роботи

Визначити питомий опір провідника і порівняти його з табличним значенням.

2. Теоретичні відомості

Німецький фізик Георг Ом (1787-1854) в 1826 році виявив, що відношення напруги U між кінцями металевого провідника, що є ділянкою електричного кола, до сили струму I в ланцюзі є величина постійна:

const I

R U  (1)

Цю величину R називають електричним опором провідника.

Електричний опір вимірюється в Омах. Електричним опором 1 Ом володіє така ділянка ланцюга, на якому при силі струму 1 А напруга дорівнює 1 В:

А 1

В Ом 1

1 

Досвід показує, що електричний опір провідника прямо пропорційний його довжині L і обернено пропорційно площі S поперечного перерізу провідника:

S R   L

(2)

Постійний для даної речовини параметр  називається питомим електричним опором речовини. Питомий опір вимірюється в Ом м.

3. Порядок виконання роботи

1. Зберіть на монтажному столі електричну схему, показану на рисунку:

(7)

Рис.1.

2. Виберіть матеріал провідника - нікель, встановіть значення довжини і площі поперечного перерізу:

L = 100 м; S = 0.1 мм2;

3. Визначте експериментально за допомогою мультиметра напругу на провіднику. Для цього необхідно підключити паралельно провіднику мультиметр в режимі вимірювання постійної напруги, дотримуючись полярності. Запишіть показання мультиметра.

4. Визначте експериментально за допомогою мультиметра силу струму в ланцюзі.

Увімкніть мультиметр в режимі вимірювання постійного струму послідовно в ланцюг, дотримуючись полярності.

Запишіть показання мультиметра.

5. Розрахуйте опір провідника за формулою (1).

6. Визначте питомий опір нікелю за формулою (2).

7. Виконайте пункти 3 -6. змінюючи довжину, але, не змінюючи площу поперечного перерізу і матеріал провідника.

8. Результати вимірювань занесіть в таблицю. Таблицю побудувати у

(8)

При розрахунках формул 1 та 2 використовувати тільки «мастер функцій»

9. Знайдіть середнє значення питомого опору ( його потрібне знайти у комірки F7 використовуючи фунццию «СРЗНАЧ» і порівняйте його з табличним значенням, яке можно подивитися у довідкових матеріалах комп’ютерної програми у розділі «Закон Ома для ділянки кола».

10. Виміряйте опір провідника безпосередньо за допомогою омметра.

Для цього на монтажному столі проведіть виміри.

У табличному редактору Excel зробить додаткову колонку для внесення вимірів. Порівняйте отримані результати.

(9)

Сформулюйте висновки по виконаній роботі.

4. Контрольні питання.

1. Що називають питомим опором провідника?

2. Як залежить опір провідника від його довжини?

(10)

ДОСЛІДЖЕННЯ ОПОРІВ ПРОВІДНИКІВ ПРИ ПАРАЛЕЛЬНОМУ І ПОСЛІДОВНОМУ З'ЄДНАННІ

1. Мета роботи

Вивчити закони протікання струму через послідовно і паралельно з'єднані провідники і визначити формули розрахунку опорів таких ділянок.

2. Теоретичні відомості

Провідники в схемах можуть з'єднуватися послідовно (Рис.1.) і паралельно (Рис.2.).

Рис. 1

Рис. 2

Розглянемо схему послідовного з'єднання провідників, зображену на Рис. 1.

Напруга на кінцях всього ланцюгу складається з напруг на кожному провіднику:

3 2

1 U U

U

U    , (1)

Згідно із законом Ома для ділянки кола:

RI U I;

R U I;

R U I;

R

U11 22 33, (2)

де R - повний опір ланцюга,

I - загальний струм, поточний в ланцюзі.

З виразів (1) і (2), отримуємо:

(11)

I R I R I R

RI 123 ,

звідки повний опір ланцюга послідовно з'єднаних провідників:

3 2

1 R R

R

R    , (3)

При послідовному з'єднанні провідників їх загальний опір дорівнює сумі електричних опорів кожного провідника.

Розглянемо тепер схему паралельного з'єднання провідників, зображену на Рис. 2. Через ланцюг тече повний струм I:

3 2 1

+ I + I I

=

I

. (4)

Згідно із законом Ома для ділянок ланцюга:

RI, U , I R U , I R U , I R

U 1 12 23 3  (5)

З виразів (4) і (5), отримуємо:

3 2

1 U R U R

R U R

U      

 звідки:

3

1 2 R

1 R 1 R

1 R

1    (6)

При паралельному з'єднанні провідників величина, зворотна опору ланцюга, дорівнює сумі зворотних величин опорів всіх паралельно з'єднаних провідників.

3. Порядок виконання роботи.

1. Зберіть на монтажному столі електричну схему, показану на малюнку:

Рис. 3

Виберіть номінали опорів наступними:

R1 = 1 кОм; R2 = 2 кОм; R3 = 3 кОм; R4 = 4 кОм;

(12)

2. Визначте експериментально за допомогою мультиметра (в режимі вимірювання опорів) опір між точками:

А та С; С і D; B і D; A і D. Запишіть ці данні.

3.Розрахуйте теоретичні значення опорів між зазначеними точками схеми і порівняйте їх з виміряними.

4.Які висновки можна зробити з цього досвіду?

5. Виміряйте за допомогою мультиметра (в режимі вимірювання струму) струми, поточні через кожний опір. Запишіть показання приладу.

6. Перевірте експериментально, що в послідовному ланцюзі струм однаковий через всі опори, а в паралельній ланцюзі розділяється так, що сума всіх струмів через паралельно з'єднані елементи, дорівнює повному струму через всю ділянку.

7. Виміряйте за допомогою мультиметра (в режимі вимірювання постійної напруги) напруги на кожному опорі. Запишіть показання приладу.

8.Перевірте експериментально, що в послідовному ланцюзі напруги на всій ділянці дорівнює сумі напруг на кожному елементі, а в паралельному ланцюзі, напруга одне і те ж на кожному елементі.

4. Контрольні питання.

1. Чи може опір ділянки двох паралельно з'єднаних провідників бути більше (менше) будь-якого з них? Поясніть відповідь.

2. Які закони збереження використовуються для виведення формул опору паралельного і послідовного з'єднання провідників?

3. Проаналізуйте аналогію між формулами в лабораторної і формулою для розрахунку опору одного провідника через його геометричні параметри.

У чому полягає ця аналогія?

(13)

ЕРС І ВНУТРІШНІЙ ОПІР ДЖЕРЕЛ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ.

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОВНОГО КОЛА

1. Мета роботи

Визначити внутрішній опір джерела струму і його ЕРС.

2. Теоретичні відомості

Електричний струм в провідниках викликають так звані джерела постійного струму. Сили, що викликають переміщення електричних зарядів всередині джерела постійного струму проти напрямку дії сил електростатичного поля, називаються сторонніми силами. Ставлення роботи Астор., яку здійснюють сторонніми силами по переміщенню заряду q уздовж ланцюга, до значення цього заряду називається електрорушійної силою  джерела (ЕРС):

q Астор

 

 (1)

Електрорушійна сила виражається в тих же одиницях, що і напруга або різниця потенціалів, тобто в Вольтах.

Робота - це міра перетворення енергії з одного виду в інший. Отже, в джерелі стороння енергія перетворюється в енергію електричного поля

q

W   

(2)

Під час руху заряду q на зовнішній ділянці ланцюга перетворюється енергія стаціонарного поля, створеного і підтримуваного джерелом:

q U

W

1

 

(3)

а на внутрішній ділянці:

q U

W

2

вн

(4)

Згідно із законом збереження енергії

2

1 W

W

W   или q UqUвн q (5)

Скоротивши на q, отримаємо:

(14)

U Uвн

 (6)

тобто електрорушійна сила джерела дорівнює сумі напруг на зовнішньому і внутрішньому ділянці ланцюга.

При розімкнутому ланцюзі

U

вн

 0

, то

U

(7) Підставивши в рівність (6) вираження для U та Uвн за законом Ома для ділянки кола

r I U

; R I

U  

вн

 

отримаємо:

) r R ( I r I R

I      

(8)

Звідси

r I R

 

(9)

Таким чином, сила струму в ланцюзі дорівнює відношенню електрорушійної сили джерела до суми опорів зовнішнього і внутрішнього ділянок ланцюга. Це закон Ома для повного кола. У формулу (9) входить внутрішній опір r.

Рис.1

Нехай відомі значення сил струмів I1 і I2 і падіння напруги на реостате U1 і U2 (див. Рис.1.). Для ЕРС можна записати:

(15)

) r R ( I

1

1

 I2 (R2 r) (10)

Прирівнюючи праві частини цих двох рівностей, отримаємо

) r R ( I ) r R (

I11  22

або

r I R I r I R

I111  222

1 1 2 2 2

1 r I r I R I R

I       

Оскільки I1 R1 = U1 і I2 R2 = U2, то можна остання рівність записати так

1 2 2

1 I ) U U

I (

r   

Звідки

1 2

1 2

I I

U r U

  (11)

3. Порядок виконання роботи.

1. Зберіть коло за схемою, зображеної на малюнку 1. Встановіть опір реостата 7 Ом, ЕРС батарейки 1,5 В, внутрішній опір батарейки 3 Ом.

2. За допомогою мультиметра визначте напругу на батарейці при розімкнутому ключі. Це і буде ЕРС батарейки відповідно до формули (7).

3. Заблокуйте ключ і виміряйте силу струму і напругу на реостате.

Запишіть показання приладів.

4. Змініть опір реостата і запишіть інші значення сили струму і напруги.

5. Повторіть вимірювання сили струму і напруги для 6 різних положень повзунка реостата і запишіть отримані значення в таблицю.

6. Розрахуйте внутрішній опір по формулі (11).

7. Визначте абсолютну і відносну похибка вимірювання ЕРС і внутрішнього опору батареї.

4. Контрольні питання.

1. Сформулюйте закон Ома для повного кола.

2. Чому дорівнює ЕРС джерела при розімкнутому ланцюзі?

3. Чим обумовлен внутрішній опір джерела струму?

4. Чим визначається сила струму короткого замикання батарейки?

(16)

ДОСЛІДЖЕННЯ СКЛАДНИХ ЛАНЦЮГІВ ПОСТІЙНОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

1. Мета роботи

Вивчити прийоми розрахунку складних електричних ланцюгів постійного струму.

2. Теоретичні відомості

Складні ланцюги не завжди вдається представити у вигляді блоків послідовно і паралельно з'єднаних опорів. Як же знаходити опір таких ланцюгів? Іноді це завдання можна істотно спростити, якщо схема має симетрію.

Розглянемо як приклад такий ланцюг ділянки металевої сітки з однаковими опорами r:

Рис.1 Який опір між точками А і В?

Уявити цей ланцюг у вигляді блоків послідовно і паралельно з'єднаних опорів не вдається. Як же бути?

Нехай до точок А і В підключено джерело струму.

Рис.2

Подивимося на струми, які будуть текти через елементи металевої сітки.

(17)

Рис.3

З симетрії ясно, що струми через елементи CO і DO повинні бути однакові і рівні струмам, поточним через елементи OF і OE. А раз так, то в точці О ланцюг можна розірвати, при цьому струми через елементи сітки не зміняться:

Рис.4

Останню схему вже можна представити у вигляді блоків послідовно і паралельно з'єднаних опорів і визначити повний опір RAB ланцюга:

2r ) 3 r r 2 2(

RAB  1  

3. Порядок виконання роботи.

1. Зберіть на монтажному столі схему, показану на рис. 3. Передбачте вимикач, що з'єднує точки О і О'. Виберіть значення опорів однаковими і рівними 1 кОм.

2. Виміряйте за допомогою омметра опір між точками А і В при замкнутому і розімкнутому положенні вимикача. Поясніть результати вимірювань.

3. Підключіть батарейку з ЕРС 1.5 вольта і послідовно з нею амперметр між точками А і В зібраної Вами схеми. Виміряйте силу струму при розімкнутому і замкнутому ключі. Виміряйте напругу між точками О і О' при розімкнутому ключі і підключеної батарейці до точок А і В.

Точки схеми, напруга між якими дорівнює нулю, можна з'єднувати і таке з'єднання не змінить струмів, поточних по елементам схеми. Іноді таке з'єднання може істотно спростити схему.

(18)

4. Контрольні питання.

1. Які властивості схеми можуть виявитися корисними при розрахунку складних схем?

2. Між якими точками схеми, зображеної на рис.3, напруга дорівнює нулю?

3. Досліджуйте аналогічним способом опір між протилежними вершинами дротяного куба? Чому дорівнює опір між цими точками?

(19)

ПОТУЖНІСТЬ В ЛАНЦЮЗІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

1. Мета роботи

Вивчити закони виділення потужності в ланцюгах постійного струму і узгодження джерел струму з навантаженням.

2. Теоретичні відомості

Будь-яке реальне джерело струму має внутрішній опір. Тому при підключенні джерела струму до навантаження, тепло буде виділятися як в навантаженні, так і всередині джерела струму (на його внутрішньому опорі).

На якому навантаженні, підключеної до даного джерела струму, буде виділятися максимальна потужність?

Розглянемо схему, зображену на рисунку 1.

Рис.1

Сила струму, поточного в контурі, визначається із закону Ома для повного кола:

r I R

 

(1)

де

- ЕРС джерела струму, r - внутрішній опір джерела, R - опір навантаження.

Напруга U на навантаженні R дорівнюватиме:

r R I R R

U 

 

 (2)

а потужність P, що виділяється на опорі R, буде дорівнює:

2 2

) r R ( I R U P

 

 (3)

(20)

Як видно з формули (3), що виділяється на навантаженні R потужність буде мала, якщо опір R навантаження буде мало (R << r). Потужність також буде мала при дуже великому опорі навантаження (R >> r). Розрахунок показує, що максимальна потужність буде виділятися на навантаженні при рівності внутрішнього опору r і опору навантаження R = r. В цьому випадку:

R P 4

2 max

  (4)

3. Порядок виконання роботи.

1. Зберіть на монтажному столі схему, показану на рис.2.

Рис.2

Виберіть значення параметрів елементів наступними:

Батарейка:  = 1.5 В; r = 10 Ом;

Реостат: R = 20 Ом

2. Змінюючи положення движка реостата, вимірюйте силу струму в колі і напругу на реостате (навантаженні).

3. Занесіть отримані дані (опір реостата R, силу струму I і напруга U) в таблицю.

4. Розрахуйте потужність Р, що виділяється на навантаженні для різних значень опору реостата, по формулі PUI.

5. Побудуйте графік залежності потужності від опору навантаження.

6. Визначте з графіка значення опору навантаження, на якій виділяється максимальна потужність.

7. Порівняйте отримане Вами значення з теоретичним (4). Зробіть висновки.

4. Контрольні питання.

1. Чому при збільшенні опору навантаження напруга на ній зростає?

2.Об'ясніте, чому виділяється на навантаженні потужність мала, якщо опір навантаження сильно відрізняється від внутрішнього опору джерела?

Зверніть увагу на формули для сили струму (1) і напруги (2) на навантаженні.

(21)

ПРИНЦИПИ РОБОТИ ПЛАВКИХ ЗАПОБІЖНИКІВ В ЕЛЕКТРИЧНИХ ЛАНЦЮГАХ

1. Мета роботи

Розрахувати запобіжники для захисту електричної мережі з напругою 220 В, що живить освітлювальні і електронагрівальні прилади.

2. Теоретичні відомості

Електричні ланцюги завжди розраховані на певну силу струму. Якщо з тієї чи іншої причини сила струму в ланцюзі стає більше допустимої, то дроти можуть значно нагрітися, а покрита їх ізоляція - спалахнути.

Причиною значного збільшення сили струму в мережі може бути або одночасне включення потужних споживачів струму, наприклад електричних плиток, або коротке замикання. Коротким замикання називають з'єднання кінців ділянки ланцюга провідником, опір якого дуже малий в порівнянні з опором ділянки ланцюгу.

Опір ланцюга при короткому замиканні незначний, тому в ланцюзі виникає велика сила струму, дроти при цьому можуть сильно нагрітися і стати причиною пожежі. Щоб уникнути цього, в мережу включають запобіжники.

Призначення запобіжників - відразу відключити лінію, якщо сила струму раптом виявиться більше допустимої норми. Розглянемо пристрій запобіжників, які застосовуються в квартирній проводці. Головна частина запобіжника - дріт з легкоплавкого металу (наприклад, зі свинцю), що проходить всередині порцелянової пробки. Пробка має гвинтову нарізку і центральний контакт. Нарізка з'єднана з центральним контактом свинцевим дротом. Пробку ввинчивают в патрон, що знаходиться всередині порцелянової коробки.

Свинцевий дріт являє, таким чином, частину загального ланцюга.

Товщина свинцевих дротів розрахована так, що вони витримують певну силу струму. Якщо сила струму перевищить допустиме значення, то свинцевий дріт розплавиться і ланцюг виявиться розімкнутим.

Запобіжники з плавким провідником називають плавким запобіжником.

Плавкі запобіжники повинні забезпечувати нормальну роботу електроприймачів при тривалому проходженні по ним номінального струму і негайно відключати їх при перевантаженнях і коротких замиканнях. Тому запобіжники вибирають з урахуванням наступних обставин:

1) номінальний струм плавкої вставки повинен задовольняти вимогу Iвст •Iр, де Iр - розрахунковий струм на захищеної ділянці ланцюга;

2) кожен запобіжник повинен спрацьовувати лише тоді, коли відбудеться коротке замикання на ділянці ланцюга, який він захищає, тобто

(22)

3. Порядок виконання роботи.

1. Складіть електричний ланцюг, зображений на рисунку:

Рис.1

2. Виберіть напругу генератора мережі рівним 220 В, потужності електричних лампочок - 60 і 150 Вт, а робочу напругу - 240 В. Виберіть потужності електронагрівальних приладів - 600 і 1000 Вт, а робочу напругу - 240 В.

3. Визначте розрахунковий струм для кожного електроприймача за формулою. Результати занесіть у таблицю.

4. Розрахуйте номінальні значення струмів плавких запобіжників, що захищають окремо електроосвітлювальну мережу (Пр.3) і мережу, що живить електронагрівальні прилади (Пр.2), а також ток для загального запобіжника (Пр.1), що захищає всі електричні прилади.

5. Заблокуйте ключі К1 і К4, К5. Переконайтеся, що лампи загорілися, а запобіжники Пр.1 і Пр.3 не перегорають.

6. Заблокуйте ключі К1 і К2, К3. Переконайтеся, що нагрівачі включилися, а запобіжники Пр.1 і Пр.2 не перегорають.

7. Заблокуйте всі ключі. Переконайтеся, що всі електроприлади включилися, а все запобіжники не перегорають.

4. Контрольні питання.

1. Яка мета установки запобіжників в електричних ланцюгах?

2. Як розраховується номінальний струм плавкої вставки запобіжника?

3. Чому правилами техніки безпеки забороняється установка так званих

"жучків" - випадково обраних провідників замість цілих запобіжників?

(23)

ЕЛЕМЕНТИ ЛАНЦЮГІВ ЗМІННОГО СТРУМУ. ЄМКІСНИЙ І ІНДУКТИВНИЙ ОПОРИ, ЇХ ЗАЛЕЖНІСТЬ ВІД ЧАСТОТИ

ЗМІННОГО СТРУМУ І ПАРАМЕТРИ ЕЛЕМЕНТІВ

1. Мета роботи

Вивчити залежність ємнісного та індуктивного опорів від частоти змінного струму і параметрів елементів.

2. Теоретичні відомості

У колі змінного струму крім резисторів можуть використовуватися котушки індуктивності і конденсатори. Для постійного струму котушка індуктивності має тільки активний опір, яка зазвичай невелика (якщо котушка не містить велику кількість витків). Конденсатор ж в ланцюзі постійного струму представляє "розрив" (дуже велике активний опір). Для змінного струму ці елементи мають специфічний реактивний опор, який залежить як від номіналів деталей, так і від частоти змінного струму, що протікає через котушку і конденсатор.

1. Котушка у колі змінного струму.

Розглянемо, що відбувається в ланцюзі, що містить резистор і котушка індуктивності. Коливання сили струму, що протікає через котушку:

) t cos(

I

i 

m

 

викликають падіння напруги на кінцях котушки відповідно до закону самоіндукції і правила Ленца:

) 2 / t cos(

LI )

t sin(

I dt L

Ldi

UL    m   m  

тобто коливання напруги випереджають по фазі коливання сили струму на /2, а LIm є амплітудою коливання напруги:

m L

LI U  

Добуток циклічної частоти на індуктивність називають індуктивним опором катушки:

L

XL  (1)

(24)

тому зв'язок між амплітудами напруги та струму на котушці співпадає за формою із законом Ома для ділянки постійного струму:

m L

L X I

U  (2)

Як видно з виразу (1), індуктивний опір не є постійною величиною для даної котушки, а пропорційно частоті змінного струму через котушку. Тому амплітуда коливань сили струму Im в провіднику з індуктивністю L при постійній амплітуді UL напруги зменшується обернено пропорційно частоті змінного струму:

L I

m

U

m

 

2. Конденсатор у колі змінного струму.

При зміні напруги на обкладках конденсатора за гармонійним законом:

) t cos(

U

UCm

заряд q на його обкладках змінюється також за гармонійним законом:

) t cos(

CU CU

q 

c

m

Електричний струм в ланцюзі виникає в результаті зміни заряду конденсатора, тому коливання сили струму в ланцюзі відбуватимуться за законом:

) 2 / t cos(

CU )

t sin(

dt CU

i dq  m   m  

Видно, що коливання напруги на конденсаторі відстають по фазі від коливань сили струму на /2. Тому CUm є амплітудою коливань сили струму:

m

m

CU

I  

Аналогічно тому, як було зроблено з індуктивністю, введемо поняття ємнісного опору конденсатора:

(25)

C XC 1

  (3)

Для конденсатора отримуємо співвідношення, аналогічне закону Ома:

m C C

X I

U 

(4)

Формули (2) і (4) справедливі і для ефективних значень струму і напруги.

3. Порядок виконання роботи

1. Зберіть ланцюг показану на рис. 1.

Рис.1.

2. Встановіть наступні значення параметрів:

Генератор - напруга (ефективне) 100 В, частота 100 Гц;

Конденсатор - робоча напруга 400 В, ємність 10 мкФ;

Резистор - робоча потужність 500 Вт, опір 100 Ом.

3. Змінюючи ємність конденсатора від 5 до 50 мкФ (через 5 мкФ), запишіть показання вольтметрів (напруга на конденсаторі і на резисторі).

4. Розрахуйте ефективне значення струмів, поточних в ланцюзі, в залежності від значення ємності конденсатора (для цього треба напругу на резисторі розділити на його опір).

5. Визначте значення ємнісних опорів конденсатора для відповідних значень його ємності і порівняйте їх з розрахованими по формулі (3).

6. Встановіть ємність конденсатора 10 мкФ. Змінюючи частоту генератора від 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторіть вимірювання і розрахунки ємнісного опору в залежності від частоти змінного струму.

(26)

Рис.2.

7. Зберіть ланцюг показану на малюнку 2.

8. Встановіть наступні значення параметрів:

Генератор - напруга (ефективне) 100 В, частота 100 Гц;

Котушка - індуктивність 50 мГн;

Резистор - робоча потужність 500 Вт, опір 100 Ом.

9. Змінюючи індуктивність котушки від 50 до 500 мГн (через 50 мГн), запишіть показання вольтметрів (напруга на котушці і на резисторі).

10. Розрахуйте ефективне значення струмів, поточних в ланцюзі, в залежності від значення індуктивності котушки (для цього треба напругу на резисторі розділити на його опір).

11. Визначте індуктивні опору котушки для відповідних значень її індуктивності і порівняйте їх з розрахованими по формулі (1).

12. Встановіть індуктивність котушки 100 мГн. Змінюючи частоту генератора від 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторіть вимірювання і розрахунки індуктивного опору в залежності від частоти змінного струму ..

13. Побудуйте графіки залежностей індуктивного і ємнісного опорів від частоти змінного струму.

4. Контрольні питання

1. Чому ємнісний опір зменшується зі збільшенням частоти змінного струму а, індуктивний опір - збільшується?

2. Які різниці фаз між струмом і напругою для котушки і конденсатора?

3. В яких одиницях вимірюються ємнісний і індуктивний опори?

4. Як записується аналог закону Ома для максимальних (ефективних) значень струму і напруги для реактивних елементів - конденсатора і котушки індуктивності?

(27)

ЯВИЩЕ РЕЗОНАНСУ В КОЛІ ЗМІННОГО СТРУМУ

1. Мета роботи

Вивчення сталих вимушених коливань в ланцюгах змінного струму.

Дослідження явища резонансу.

2. Теоретичні відомості

Розглянемо електричну схему на рис.1., В якій послідовно з'єднані конденсатор, резистор і котушка індуктивності підключені до генератора змінної напруги:

Рис.1.

У цьому ланцюзі виникають вимушені коливання сили струму і напруги на окремих її елементах. Амплітуда коливань сили струму в ланцюзі буде залежати від частоти прикладеної постійної напруги генератора, так як опору реактивних елементів - конденсатора і котушки індуктивності залежать від частоти.

При низькій частоті змінного струму ємнісний опір конденсатора

) C /(

1

XC буде дуже великим, тому сила струму в ланцюзі буде мала. У зворотному граничному випадку великої частоти w змінного струму більшим буде індуктивний опір котушки, і сила струму в ланцюзі знову буде мала.

Опір Z ланцюга, зображеної на рис.1., Визначається формулою:

2 2

C L 1 R

Z 

 



Якщо максимальна сила струму в ланцюзі буде відповідати такій частоті 0 прикладеного змінного напруги, при якій індуктивний і ємкісний опору будуть однакові:

(28)

) C /(

1

L 0

o  

 (1)

У разі рівного розподілу реактивних опорів котушки і конденсатора, амплітуди напруг на цих елементах також будуть однаковими UC UL. Коливання напруги на котушці і конденсаторі протилежні по фазі, тому їх сума при виконанні умови (1) буде дорівнювати нулю. В результаті напруга URна активному опорі R дорівнюватиме повного напрузі генератора U, а сила струму в ланцюзі досягає максимального значення. Циклічна частота коливань сили струму і Е.Р.С. при цьому дорівнює

LC 1

0

(2)

і збігається з циклічною частотою вільних незатухаючих електромагнітних коливань в електричному контурі.

Явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань сили струму в коливальному контурі при наближенні циклічної частоти зовнішньої змінної е.р.с. до частоти 0 вільних незгасаючих коливань в контурі називається резонансом в електричному ланцюзі змінного струму. Частота

0

називається резонансною циклічною частотою. Резонансна циклічна частота не залежить від активного опору R. Графік залежності Im від називається резонансною кривою. Резонансні криві мають тим більше гострий максимум, чим менше активний опір R:

Рис.2.

3. Порядок виконання роботи

1. Зберіть на монтажному столі схему, показану на рис. 1., попередньо обравши значення параметрів елементів наступними:

Генератор: Uеф = 100 В;  = 10 Гц;

Резистор: R = 200 Ом; Р = 500 Вт;

(29)

Котушка: L = 1 Гн.

2. Змінюючи частоту генератора від 10 Гц до 100 Гц через 10 Гц, за допомогою вольтметрів виміряйте напруги на котушці, конденсаторі, резистори і занесіть виміряні значення в таблицю. У наборі конструктора є лише два мультиметра, тому доведеться, змінюючи частоту генератора, провести вимірювання двічі - спочатку підключивши вольтметри до котушки і конденсатора, а другий раз - підключивши вольтметр до резистору.

3. Побудуйте графіки залежності напруг на резисторі, конденсаторі і котушці в залежності від частоти генератора.

4. Розрахуйте за формулою (2) частоту резонансу і порівняйте отримане значення з експериментальним.

5. Змініть параметри елементів і повторіть вимірювання і розрахунки.

6. Спробуйте пояснити експериментальні графіки залежності напруг на елементах від частоти змінного струму в ланцюзі.

4. Контрольні питання

1. Як залежать реактивні опори конденсатора і котушки індуктивності від частоти змінного струму?

2. Чому сила струму в послідовному ланцюзі з конденсатором, котушкою і резистором має максимум при певній частоті і прагне до нуля при дуже малій і дуже великій частоті.

3. Чому при резонансі напруга на резисторі дорівнює напрузі джерела змінного струму?

4. За якої умови настає резонанс в послідовному ланцюзі змінного струму?

5. Як використовується явище резонансу в побуті, техніці, науці?

(30)

ЗМІСТ

Лабораторні роботи:

Вступ...3

Вивчення залежності опору реальних провідників від їх геометричних параметрів і питомих опорів матеріалів...6

Дослідження опорів провідників при паралельному і послідовному з'єднанні...10

ЕРС і внутрішній опір джерел постійного струму. закон ома для повного кола...13

Дослідження складних ланцюгів постійного електричного струму...16

Потужність в ланцюзі постійного струму...19

Принципи роботи плавких запобіжників в електричних ланцюгах...21

Елементи ланцюгів змінного струму. ємкісний і індуктивний опори, їх залежність від частоти змінного струму і параметри елементів...23

Явище резонансу в колі змінного струму...27

(31)

Гайдусь А.Ю., Прихода М.О.

Лабораторні роботи з електрики

НА ОСНОВІ ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ досліджуваних процесів.

Методичні вказівки студентам очної, дистанційної та заочної форм навчання

Відповідальні за випуск: Гайдусь А.Ю.

Формат паперу 60х84 1/16 Обл. – вид.ар.

Тираж 5

(32)

References

Related documents

Моделювання процесів в нотації IDEF0» (виконаний розрахунок по завданню), усне опитування 4 Практичне завдання «Моделювання процесів в нотації IDEF3»

Starting from the target level of wealth and setting the idiosyncratic and weather shocks to their mean values, I observe that the introduction of insurance at time t ∗ determines

variables on the relationship between the regulatory assessment of risk (RWATA) and the economic risk, the interaction terms between asset volatility and capital regulation,

Unit III: INNOVATION PROCESS AND IMPLEMENTATION : innovation as a core business process – evolving models of the process – consequence of partial understanding of the

З огляду на зазначене вище, ми вважаємо, що для майбутнього вчителя в контексті готовності до професійно-педагогічної діяльності особливого значення

The technique combines static and dynamic analysis in the static analysis stage, the prevention technique represents in three level phases Malicious Text Detector, Field

In order to identify potential operational challenges arising from the flight segment of an ODM mission, three potential fight trajectories from Malibu to

1 On the one hand, random LDPC codes are constructed by non-deterministic computer algorithms under certain design criteria and, on the other hand, structured LDPC codes are