Контрольные вопросы

1. Как изменяются электрические параметры исследованных элементов в зависимости от изменения действующего значения приложенного к ним напряжения?

2. Как изменяются электрические параметры исследованных элементов в зависимости от изменения частоты приложенного к ним напряжения?

3. Резистор подключается:

а) к источнику постоянного напряжения;

б) к источнику переменного (синусоидального) напряжения Величина постоянного напряжения равна действующему значению

переменного напряжения. В каком случае будет наблюдаться больший

ток (по действующему значению)?

4 То же для катушки индуктивности.

5. То же для конденсатора.

6. Какие показания (и почему) давал ваттметр в опыте данной лабораторной работы при исследовании конденсатора?

7. Оценить изменение величины сопротивления R_K катушки индуктивности в случае изменения (увеличения или уменьшения) в два раза:

а) диаметра провода катушки;

б) числа витков катушки;

в) действующего значения приложенного напряжения;

г) частоты приложенного напряжения.

8. В этих же случаях оценить изменение индуктивности L катушки.

9. В этих же случаях оценить изменение индуктивного сопротивления X_L катушки.

10. В этих же случаях оценить изменение полного сопротивления Z катушки.

11. Оценить изменение емкостного сопротивления Х_с конденсатора при изменении (увеличении или уменьшении) в два раза:

а) действующего значения приложенного напряжения;

б) частоты приложенного напряжения.

12. Как изменяется показания ваттметра в данной лабораторной работе при исследовании катушки индуктивности в случае увеличения в два раза:

а) действующего значения приложенного напряжения?

б) частоты приложенного напряжения?

13. Как по графикам вольт-амперных характеристик резистора, катушки индуктивности и конденсатора определить величины электрических параметров этих элементов?

23

Таблица 2.1

Лабораторная работа №2

Резистор, катушка индуктивности и конденсатор в цепи переменного тока.

Цель работы: изучение закономерностей изменения мгновенных значений напряжения и тока резистора, катушки индуктивности и конденсатора; приобретение навыков исследования периодических процессов в электрических цепях

Данная лабораторная работа является непосредственным продолжением предыдущей работы. Схема измерительного стенда (см. рис 1.1) и состав элементов остаются без изменения. При подготовке к лабораторной работе выполняется расчетное задание, результаты которого проверяются в процессе проведения лабораторных исследований.

Расчетное задание

1. Для резистора, катушки индуктивности и конденсатора на основании известных значений их параметров (см. табл. 1.4) определить:

действующее значение I тока;

сдвиг по фазе <р между синусоидальными напряжением U и током /.

2. Записать выражения для мгновенных значений напряжения IX и тока /. ;.;

3. Построить векторную диаграмму напряжения и тока.

Величинами действующего значения U и начальной фазы ¥_и напряжения, подаваемого на каждый рассматриваемый элемент, следует задаться. При этом должны быть учтены реальные диапазоны изменения напряжения на исследуемых элементах (см. табл. 1.1, 1.2 и 1.3).

Расчет проводится только для одного (любого) значения сопротивления резистора; одного (любого) значения индуктивности (и сопротивления R_K) катушки индуктивности и для одного (любого) значения емкости конденсатора. Следовательно, переключатели этих трех элементов остаются в одном (любом) положении.

Полученные для каждого элемента значения величин U и ср заносятся в таблицу 2.1 в графу «Расчет». В таблице 2.1 также указываются значения параметров исследуемых элементов, отвечающие выбранным положениям их переключателей.

24

Напряжения, токи и фазовые сдвиги исследуемых элементов I i Катушка ,, _. г. I Конденсатор Резистор К - индуктивности l -; г

U, B

I, A

φ, град

U, B

I, A

φ, град

U, B

I, A

φ, град

Расчет

Эксперимент

Погрешность

Эксперимент

Определение закономерностей изменения напряжения и тока исследуемых элементов

Исследование быстро изменяющихся электрических сигналов осуществляется с помощью осциллографа. Для того, чтобы на экране осциллографа наблюдать изменяющуюся во времени величину, необходимо на вход вертикального отклонения луча осциллографа (вход Y) подать сигнал (напряжение), равный или пропорциональный исследуемой величине. Нас будут интересовать две электрические величины, изменяющиеся во времени с частотой f= 50 Гц (ш = 314 рад/с):

• напряжение U = U_т sin(ωt+) где U _т и - амплитуда и начальная фаза напряжения;

♦ ток i = , где и - амплитуда и начальная фаза тока.

Сигнал, соответствующий напряжению на исследуемом элементе (сигнал по напряжению), можно снять непосредственно с этого элемента, те с клемм 1 и 2 (см. рис. 1.1).

Для формирования сигнала (напряжения), соответствующего току в элементе (сигнал по току), последовательно с этим элементом включен резистор с относительно небольшим сопротивлением R₀ (см, рис. 1.1). По закону Ома ток /_я через сопротивление R₀ и напряжение U₀ на нем связаны соотношением

25

С другой стороны, ток через резистор R₀ равен току через исследуемый элемент (они включены последовательно):

Таким образом, напряжение U₀ в любой момент времени пропорционально исследуемому току i и поэтому может быть сигналом по току Напряжение U₀ снимается с клемм 2 и 3.

В лабораторной работе используется двухлучевой осциллограф, имеющий два входа вертикального отклонения (Y1 и Y2). Подавая на один вход осциллографа сигнал по напряжению, а на второй вход -сигнал по току (напряжение U₀), будем на экране осциллографа в едином масштабе времени наблюдать две кривые: кривую мгновенного значения напряжения и и кривую мгновенного значения тока I.

Можно показать, что напряжение U₁₂ (сигнал по напряжению, снимаемый с клемм 1 и 2) и напряжение U₂₃ = U₀ (сигнал по току, снимаемый с клемм 2 и 3) на экране осциллографа кривые приобретают дополнительный сдвиг по фазе, равный л. Для исключения указанного дополнительного сдвига по фазе сигнал по напряжению следует снимать не с клемм 1 и 2, а с клемм 1 и 3. Вычитаемая при этом погрешность в измерение напряжения на исследуемом элементе несущественна ввиду малости сопротивления R₀.

Подключение двухлучевого осциллографа к измерительному стенду (см. рис. 1.1) изображено на рисунке 2.1. Характер кривых, наблюдаемых на экране осциллографа, показан на рисунке 2.2. По осциллограммам определяется сдвиг по фазе φ(в град) между напряжением U и током I:

величины l и ∆/, измеряемые в миллиметрах по экрану осциллографа, пояснены на рисунке 2.2.

В процессе выполнения лабораторной работы к ™££^ и схемы поочередно подключаются Р^истор «атуижа индукт конденсатор, имеющие именно те параметры, Р

использованы в расчетном задании. _{вепмцинь(} м | _{и ф и} заносятся в

с«ся на Гл*', осциллографы иалряжени. U* то«а ,

Рисунок 2.2. Кривые напряжения и тока на экране двухлучевого осциллографа.

Расхождение экспериментальных (X.) и расчетных (Х_р) данных оценивается величиной погрешности 5:

и заносятся в таблицу 2 1 в графу «Погрешность».

(2.1)

26

Рисунок 2.1. Схема подключения

двухлучевого осциллографа к

измерительному стенду

Контрольные вопросы

1 Каковы основные причины имевших место в данной лабораторной работе расхождений расчетных и экспериментальных

данных?

2. Можно ли по полученным осциллограммам напряжения и тока

исследованных элементов определить величины их электрических

параметров?

3. Полагая R₀ = 5 Ом, оценить величину погрешности в определении величины фазового сдвига между напряжением и током резистора, исследованного в данной лабораторной работе.

4. То же для катушки индуктивности

27

5. То же для конденсатора.

6 Оценить изменение величины фазового сдвига между напряжением и током исследованного резистора в случае изменения (увеличения или уменьшения) в два раза:

а) действующего значения приложенного напряжения;

б) частоты приложенного напряжения.

7. То же для катушки индуктивности.

8. То же для конденсатора

9. Оценить изменение величины фазового сдвига между напряжением и током исследованной катушки индуктивности в случае изменения (увеличения или уменьшения) в два раза:

а) диаметра провода катушки;

б) числа витков катушки.

10. Фазовый сдвиг между напряжением и током катушки

индуктивности оказался равным π/3. Определить соотношение между активным и индуктивным сопротивлением этой катушки

11 Вычислить величину фазового сдвига между входными напряжением и током в следующих электрических цепях, составленных из элементов, исследованных в данной лабораторной работе:

э) резистор и конденсатор включены последовательно;

б) катушка индуктивности и конденсатор включены последовательно;

в) резистор и конденсатор включены параллельно;

г) катушка индуктивности и резистор включены параллельно;

д) катушка индуктивности и конденсатор включены параллельно;

е) резистор, катушка индуктивности и конденсатор включены последовательно.

12. Для резистора, исследованного в данной лабораторной работе, построить векторную диаграмму напряжения и тока для подключения этого резистора к источнику напряжения и = 20sin(314t + π/4).

13. То же для катушки индуктивности.

14. То же для конденсатора.

15. Полагая, что ток i = 0,2sin(314t-π/6) есть ток через резистор, исследованный в данной лабораторной работе, записать выражение для мгновенного значения напряжения на этом резисторе.

16. То же для катушки индуктивности.

17. То же для конденсатора.