книги / Электрические цепи

3. Включить источник питания Е2 и установить заданное напряжение питания цепи. Вольтметром V, поочередно подключаясь к соответствующим точкам электрической цепи, измерить напряжение U на входе цепи, напряжение U1 – между точками 1 и 2, напряжение U23 – между точками 2 и 3. Амперметрами РА1, РА2 и РА3 измерить токи I1, I2 и I3 во всех ветвях цепи. Измерения напряжений и токов в электрической цепи провести для трех значений напряжения источника: U = E2; U = 0,7 E2; U = 0,5 E2. Данные измерений занести в табл.2. Выключить электропитание.

4.Вычислить мощность PИ источника питания и мощности P1, P2 и Р3 резистивных приемниковэнергии. Определить сопротивления резисторов R1, R2, R3 и рассчитать эквивалентные сопротивления RЭ и RЭ расч всей цепи. Результаты вычислений занести в табл. 2.

5.Построить в одной координатной системе вольтамперные характеристики Ii = f (Ui) резисторов R1, R2, R3 и всей цепи.

6.Сделать выводы о выполнении первого и второго законов Кирхгофа и

выполнении баланса мощностей.

11

Формулыдля расчёта

Мощность источника – PИ= U .I1;

Мощности резистивных приемников – P1= U1 .I1, P2= U23. I2, P3= U23 .I3; Суммарная мощность приемников – Σ Pпр =P1+P2+P3;

RЭ =U / I1 – эквивалентное сопротивление цепи, вычисленное по показаниям приборов;

R1= U1 / I1; R2= U23 / I2; R3= U23 / I3 – сопротивления участков цепи;

RЭ расч = R1+ R2∙R3/(R2+R3) – эквивалентное сопротивление цепи, рассчитанное по сопротивлениям участков цепи;

Баланс мощностей: PИ = Σ Pпр.

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

-наименование работы и цель работы;

-схему исследуемой цепи;

-таблицы с результатами опытов и вычислений;

-расчетные соотношения;

-вольтамперные характеристики резисторов I1= f (U1), I2= f (U23), I3=f (U23) и всей цепи I1 = f (U);

-выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Как по показаниям амперметра и вольтметра определить величину сопротивления участка электрической цепи и потребляемую им мощность?

2.Нарисуйте схемы для измерения методом амперметра и вольтметра больших и малых электрических сопротивлений.

3.Как определить величину эквивалентного сопротивления для исследуемой цепи?

4.Составить систему уравнений с использованием законов Кирхгофа для

расчета исследуемой электрической цепи.

12

5.Как по вольтамперной характеристике определить величину сопротивления цепи?

6.Как изменится мощность источника питания исследуемой цепи, если увеличить сопротивление резистора R2?

7.Как изменится мощность источника питания электрической цепи, если увеличить его напряжение в 2 раза?

8.Как изменится ток резистора R1 исследуемой цепи, если при неизменном напряжении питания увеличить сопротивление резистора R3?

9.Как изменится мощность источника питания исследуемой цепи, если увеличить сопротивление резистора R1?

10.Как изменится ток резистора R3, если в исследуемой цепи уменьшить сопротивление резистора R1?

13

Работа №2 Исследование цепи переменного тока с последовательным

соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости. Резонанс напряжения

Цель работы: изучение свойств цепи переменного тока при последовательном соединении активного, индуктивного и емкостного сопротивлений, исследование режима резонанса напряжений, анализ цепи с помощью векторных диаграмм.

Общие сведения

Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением индуктивности, активного сопротивления и емкости проводится по схеме, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Цепь с последовательным соединением индуктивности, активного сопротивления и емкости

Для данной цепи справедливы следующие соотношения:

I Uz ; arctg rx ,

где U, I – действующие значения напряжения источника и тока цепи; z – полное сопротивление цепи;

r– активное сопротивление цепи;

–индуктивное сопротивление цепи;

14

–емкостное сопротивление цепи;

–реактивное сопротивление цепи;

φ– угол сдвига фаз между напряжением и током цепи; ω – угловая частота;

–частота тока;

–индуктивность цепи;

–емкость цепи.

Режим работы цепи может быть проанализирован с помощью

При равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений в цепи возникает особый режим, называемый резонансом напряжений.

Свойства цепи при резонансе напряжения:

1.Реактивное сопротивление цепи х= 0.

2.Полное сопротивление цепи z = r, и минимально по величине.

3.Ток имеет максимальную величину, так как сопротивление цепи минимально:

I Ur Imax .

4.Ток совпадает по фазе с напряжением источника, следовательно, угол сдвига фаз φ = 0.

5.Реактивная мощность цепи равна нулю, Q = QL - QC = 0.

6.Полная мощность цепи равна активной мощности, S =P.

7.Коэффициент мощности цепи cos φ = P/S = 1.

8.Падение напряжения на активном сопротивлении катушки равно напряжению источника

U Ur I r .

15

9. Напряжения на индуктивном и емкостном сопротивлениях цепи равны между собой и взаимно компенсируют друг друга.

UL I xL I xC UC .

Домашнее задание

1.Изучить теоретический материал «Последовательное соединение элементов в цепи переменного тока».

2.Подготовить таблицу 3 для записи опытных данных и ответы на контрольные вопросы к данной работе.

Рабочее задание

1.Ознакомиться с лабораторной установкой.

2.Собрать электрическую цепь с последовательным соединением реальной катушки индуктивности L и конденсатора C (рис. 3), используя элементы стенда в соответствии с заданным вариантом (табл. 2).

Рис. 3. Электрическая цепь с последовательным соединением катушки индуктивности и конденсатора

Реальная катушка индуктивности в электрической цепи представлена схемой замещения из двух последовательно соединенных элементов: индуктивности катушки Lк и активного сопротивления катушки rк.

16

В табл. 2 в качестве индуктивности L используются реальные катушки индуктивности L1 и L2. В качестве емкостного элемента C используются конденсаторы С1 и С2. Емкости конденсаторов С1 и С2 изменяются с помощью тумблеров, которые имеют 5 положений: 1-2-3-4-5. После сборки цепи схему представить для проверки преподавателю.

3.Включить источник питания E3 и установить величину напряжения питания 10 В.

4.Определение режимных параметров цепи при резонансе напряжений.

Нажимая кнопку на измерительном приборе PP1 вывести на экран в четвертой строке значение угла φ. Изменяя регулятором частоту f напряжения источника питания, установить значение угла φ=0. Снять с прибора показания напряжения U, тока I и мощности P. Затем повторными нажатиями кнопки на приборе PP1 вывести на экран значения коэффициента мощности cos φ и частоты тока f. Напряжения UK и UC измеряются вольтметром стенда путем его подключения к точками 1-2 и 3-4 схемы. Результаты измерений занести в табл. 3, заполнив строчку для угла φ=0.

5.Изменяя регулятором частоту f напряжения источника питания с шагом f = (30-40) Гц проделать опыты еще для шести значений угла φ: трех

отрицательных углов φ < 0 при f < fрез и трех положительных углов φ > 0 при f > fрез. Результаты измерений занести в табл. 3. Выключить источник питания E3

17

7.Построить в общей системе координат зависимости:

U, UC , UK , ULK = F( f ); I , P, = F( f ); z , φ , cos φ = F( f ).

8. Построить в масштабе три векторные диаграммы напряжений и тока для опытов:

1.;

2.;

3..

18

Расчетные формулы

Полное сопротивление цепи

z UI .

Полное сопротивление катушки

zK UIK .

Активное сопротивление катушки

rK IP2 .

Индуктивное сопротивление катушки

xLK zK2 rK2 .

Емкостное сопротивление конденсатора

xC UIC .

Индуктивность катушки

LK xLK ,

где ω=2πf.

Емкость конденсатора

C 1xC .

Активная составляющая напряжения на катушке

U rK rK I ..

Индуктивная составляющая напряжения на катушке

U LK xLK I .

19

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

–наименование работы и цель работы;

–схему исследуемой цепи;

–таблицы с результатами опытов и вычислений;

–расчетные соотношения;

–графики режимных параметров цепи U, UC , UK , ULK = F( f );

I, P, = F( f ); z , φ , cos φ = F( f );

–три векторные диаграммы для опытов:

1.;

2.;

3.;

– выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.В чем основные различия физических явлений в цепях переменного и постоянного тока?

2.Чем физически объясняется отставание тока в цепи индуктивной катушки от напряжения, приложенного к ее зажимам?

3.Чем объясняется опережение тока в цепи конденсатора относительно напряжения, приложенного к его обкладкам?

4.Сформулируйте закон Ома для цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости.

5.В какой цепи и при каком условии наступает резонанс напряжений?

6.Объясните энергетические процессы, протекающие в электрической цепи при резонансе напряжений.

7.Объясните, почему при резонансе напряжений ток в цепи максимален.

8.Как изменится резонансная частота в цепи с последовательным соединением r, L и C, если емкость C увеличить в 4 раза?

20