лабораторная работа. Физика. Часть 2_89-end. Лабораторная работа Кол3 цепи переменного тока. Реактивные сопротивле ния цель работы
 Скачать 0.64 Mb.
|
|
107 Лабораторная работа №Кол3 ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. РЕАКТИВНЫЕ СОПРОТИВЛЕ- НИЯ Цель работы: - ознакомиться с основными элементами электрических цепей синусоидального тока; - освоить методы электрических измерений в цепях синусои- дального тока; - получить экспериментальное подтверждение закона Ома для цепей переменного тока. Приборы и принадлежности: - генератор звуковых частот ЗГ1; - амперметр-вольтметр АВ1; - стенд с объектами исследования С3-ЭМ01; - комплект проводников. Теоретическая часть В широком смысле «переменным» называют любой ток, который изменяется с течением времени по величине и направлению. В технике переменным называют ток, который изменяется со временем по гар- моническому закону. Такой ток мы и будем рассматривать. Поэтому в качестве определения переменного тока запишем. Переменный ток – это ток, мгновенные значения которого периодически изменяются по величине и по направлению (т.е. переменный ток – это колебательное движение носителей заряда): cos m i I t = Переменный ток представляет собой вынужденные электромаг- нитные колебания, которые возникают при подключении какого-либо прибора к сети переменного напряжения: cos m u U t = Обычно начало отсчета времени выбирают так, чтобы для напря- жения электрической сети начальная фаза была равна нулю. Поэтому 108 в выбранных формулах начальная фаза отсутствует. , i u – мгновенные значения силы тока и напряжения, , m m I U – амплитудные значения силы тока и напряжения. Кроме мгновенных и амплитудных значений для характеристики переменного тока пользуются эффективными или действующими (средними квадратичными за период) значениями напряжения и тока, которые обычно и указываются на шкале измерительных приборов. Для синусоидального переменного тока: 0.71 2 m эфф m I I I = = и 0.71 2 m эфф m U U U = = Рассмотрим протекание переменного тока по цепи с различными элементами, включенными в нее. а) ЦПТ с резистором (активным сопротивлением R a ). ЦПТ, со- держащая резистор, не представляет особенностей. В ней выполняется закон Ома, который может быть применен как к мгновенным, так и эффективным значениям напряжения и тока: U I R = Резистором называется проводник, не обладающий индуктивно- стью и емкостью. Активное сопротивление R a – это сопротивление, в котором происходит необратимая потеря энергии, которая переходит в теплоту (рис. 31). Рис. 31 ЦПТ с резистором В цепи подается входное напряжение cos ВХ m U U t = . Чтобы узнать напряжение на резисторе, вольтметр подключают параллельно ему, для того чтобы узнать силу тока, амперметр включают последо- вательно с резистором. 109 Напряжение на резисторе R ВХ U U = : cos R m U U t = . Колебания напряжения и тока в цепи с чисто активным сопротив- лением происходят в одной фазе (график, векторная диаграмма): cos R m I I t = . На рис. 32 приведена векторная диаграмма, однако на практике пользуются векторной диаграммой, которую строят так: на плоскости выбирают т. О и из неё проводят вектор I , затем из этой же точки про- водят вектор U под углом, равным сдвигу фаз между током и напря- жением. Рис. 32 Колебания напряжения и тока; векторная диаграмма. б) ЦПТ с катушкой индуктивности. Рассмотрим явления, проис- ходящие в цепи переменного тока с индуктивностью. Подключим к пе- ременному напряжению cos ВХ m U U t = катушку с индуктивностью (рис. 33) «L», активным сопротивлением которой за малостью можно пренебречь. L BX U U = , т.е. cos L m U U t = Рис. 33 ЦПТ с катушкой индуктивности При прохождении переменного тока по катушке в ней создается эдс самоиндукции L dI L dt = − . Мгновенные значения напряжения на катушке и эдс индукции уравновешиваются L L U = − : 110 sin m dI U t L dt = , откуда cos m U dI tdt L = Интегрирование дает sin cos 2 m L m U I t I t L = = − , при m m U I L = Из полученной формулы видим, что сила тока в катушке индук- тивности отстает от напряжения по фазе на 2 Сопротивление катушки индуктивности в цепи переменного тока называют индуктивным сопротивлением. Его величину можно найти по формуле: L X L = Физический смысл индуктивного сопротивления состоит в том, что оно учитывает влияние на силу тока в цепи эдс самоиндукции, про- тиводействующей приложенному напряжению. Индуктивное сопро- тивление не вызывает потерь энергии в цепи и поэтому его называют реактивным сопротивлением. Графики напряжения и тока в цепи с индуктивностью показаны на рисунке 34. На векторной диаграмме показано фазовое соотношение векторов амплитуд тока I L и напряжения U L : ток отстает на угол 2 (углы отсчитываются по направлению против часовой стрелки). Рис. 34 Колебания напряжения и тока; векторная диаграмма. В цепи, содержащей индуктивное и активное сопротивление, угол запаздывания тока по фазе будет меньше и в зависимости от соотно- шения между ними может иметь значения в пределах от 0 до 2 111 в) ЦПТ с конденсатором. Определим характер переменного тока в цепи с конденсатором (рис. 35), к которой приложено переменное напряжение cos ВХ m U U t = Рис. 35 ЦПТ с конденсатором. Вместе с изменением напряжения будет изменяться и заряд кон- денсатора, а в подводящих проводах возникает ток. Заряд конденса- тора связан с напряжением в цепи соотношением C q U C = , следовательно cos m q U C t = Сила тока в цепи: cos cos 2 m m I q U C t I t = = − = + Формула показывает, что ток в цепи с конденсатором опережает по фазе напряжение на 2 , или напряжение на конденсаторе отстает по фазе от тока на 2 . Графики напряжения и тока в цепи с конденсатором показаны на рисунке 36. Рис. 36 Колебания напряжения и тока; векторная диаграмма. 112 Сопротивление конденсатора в цепи переменного тока называется емкостным сопротивлением. Его величину можно найти по фор- муле: 1 m m m m C U U I U C X C = = = , соответственно 1 C X C = В цепи, содержащей емкость и активное сопротивление, угол сдвига фазы тока будет меньше и в зависимости от соотношения между ними может иметь значения от 0 до 90 0 В чисто емкостном сопротивлении потерь энергии не происходит, в связи, с чем его так же называют реактивным. Применение цепей переменного тока в сельском хозяйстве. Электрификация в сельском хозяйстве крайне важна. Это интересная сфера, касающаяся не только лампочек на фермах или освещения для охраняемых полей. Сейчас существует огромное количество иннова- ционных концепций, постепенно внедряемых в большое количество сфер этой важной для каждой страны индустрии. Но необходимо по- нимать целесообразность внедрения этих инноваций на каждом этапе или в определенном направлении. Приведем некоторые интересные инновационные методы, позволяющие добиться качественных резуль- татов. Фермерские хозяйства продуцируют большое количество орга- ники, способной выделять при прении большое количество тепла и практически чистого метана. Этот взрывоопасный газ используется для генерации электричества на мини-теплоэлектростанциях, а также он позволяет сделать отвод тепловых калорий в сторону ферм для их круглогодичного отопления. На выходе из генератора все органиче- ские остатки просто истлевают, а потом образуется питательный ком- пот. Хозяйства получают двойную пользу. Электромагнитная стимуляция роста растений. Данная концепция только набирает обороты, но считается, что именно она позволит по- лучать рекордные урожаи. В советское время огороды и дачи часто раздавали под не используемыми площадями высоковольтных линий 113 электропередач. Многие огородники отмечали, что растения чув- ствуют себя под постоянным воздействием магнитных полей намного увереннее, а плоды вызревают быстрее. Это имеет определенный смысл, но для достижения искусственной подобной среды необходимо сплошное покрытие оранжерей. Это позволит получить большие уро- жаи без внесения удобрений. Затраты электричества на генераторы магнитных полей невелики. Описание установки Для исследования закона Ома в цепях переменного тока использу- ется модульный учебный комплекс МУК-ЭМ1(2) (рис. 37). Рис. 37 Экспериментальная установка для проведения опыта. В качестве источника переменного напряжения используется ге- нератор звуковых частот ЗГ1. В качестве измерительного прибора ис- пользуется амперметр-вольтметр АВ1. Порядок выполнения работы I. Участок цепи, содержащей сопротивление. 114 Соберите электрическую схему рис. 38. В качестве сопротивления используйте резистор 3 R и 1x R . На амперметре установите измерения силы тока в мА. Кнопка переменный ток должна быть нажата. Рис. 38 ЦПТ с резистором 1. Установите частоту генератора звуковых частот 5 кГц. 2. Изменяя напряжение генератора от 0 до 10 В, измерьте значения тока, полученные данные занесите в таблицу 10. 3. Выполните опыт для двух резисторов 3 R и 1x R 4. По закону Ома рассчитайте сопротивление исследуемых рези- сторов, сравните полученные значения с теми, что указаны на стенде. Таблица 10 3 R = U, В I, мА R, Ом 1x R = I, мА R, Ом 3. Постройте график зависимости ( ) I f U = 4. Установите выходное напряжение генератора 5 B. Установлен- ное значение напряжения необходимо поддерживать в течении всего эксперимента. 115 5. Изменяя частоту в диапазоне от 1 до 10 кГц, измерьте значения тока, полученные данные занесите в таблицу. Работать необходимо в диапазонах генератора частот №4, 5, 6. Опыт проводить только для од- ного сопротивления 4 820 Ом R = , полученные данные занесите в таб- лицу 11. Таблица 11 4 820 Ом R = 5 В U = , кГц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I, мА 6. Постройте график зависимости ( ) I f = 7. Сформулируйте вывод по проделанному опыту. II. Участок цепи, содержащей индуктивность. Соберите электрическую схему рис. 39. В качестве ограничитель- ного сопротивления R используйте резистор 3 680 Ом R = Рис. 39 ЦПТ с катушкой индуктивности 1. Установите частоту генератора звуковых частот 5 кГц. 2. Изменяя напряжение генератора, измерьте значения тока, полу- ченные данные занесите в таблицу 12. Таблица 12 U, В I, мА 116 3. Постройте график зависимости ( ) I f U = 4. Установите выходной ток генератора 10 мА. Установленное зна- чение тока необходимо поддерживать в течении всего эксперимента. 5. Изменяя частоту в диапазоне от 1 до 10 кГц, измерьте значения напряжения на индуктивности, полученные данные занесите в таблицу 13. Таблица 13 3 680 Ом R = 10 мА I = , кГц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U, В 6. Постройте график зависимости ( ) I f = 7. Сформулируйте вывод по проделанному опыту. III. Участок цепи, содержащей ёмкость. Соберите электрическую схему рис. 40. В качестве ограничитель- ного сопротивления R используйте резистор 3 680 Ом R = Рис. 40 ЦПТ с конденсатором 1. Установите частоту генератора звуковых частот 5 кГц. 2. Изменяя напряжение генератора от 0 до 10 В, измерьте значения тока, полученные данные занесите в таблицу 14. 117 Таблица 14 U, В I, мА 3. Постройте график зависимости ( ) I f U = 4. Установите напряжение на ёмкости 1 В. Установленное значение напряжения необходимо поддерживать в течении всего экс- перимента. 5. Изменяя частоту в диапазоне от 1 до 10 кГц, измерьте значения тока, полученные данные занесите в таблицу 15. Таблица 15 3 680 Ом R = 1 В U = , кГц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I, мА 6. Постройте график зависимости ( ) I f = 7. Сформулируйте вывод по проделанному опыту. Контрольные вопросы 1. Какой ток называется переменным? 2. Запишите формулы для расчета эффективных значений силы тока и напряжения. 3. Какое сопротивление называется активным, реактивным? 4. Какое сопротивление называется индуктивным? 5. Как можно рассчитать индуктивное сопротивление? 6. Как индуктивное сопротивление зависит от частоты? 7. Какое сопротивление называется емкостным? 8. Как можно рассчитать емкостным сопротивление? 9. Как емкостным сопротивление зависит от частоты? 10. Что называется импедансом? |