«Электротехника с основами электроники»

Лабораторная работа№1

Изучение особенностей изменения тока и напряжения при последовательном и параллельном соединении резисторов

Специальности

2-02 06 31 Технический труд и черчение

2-36 01 06-02 Оборудование и технологии сварочного производства (по направлениям)

2-52 05 31 Оборудование и технологии мебельного производства (по направлениям)

Инструкционная карта по выполнению лабораторной работы № 1

1.Тема учебной программы: «Электрические цепи постоянного тока».

2.Тема работы: «Изучение особенностей изменения тока и напряжения при последовательном и параллельном соединении резисторов».

3.Цель работы: Сформировать умение собирать электрические цепи и измерять электрические величины, анализировать особенности и закономерности последовательного и параллельного соединения.

4.Материально-техническое оснащение:

лабораторный стол с комплектом оборудования, электроизмерительные приборы, соединительные провода.

5.Теоретическая часть:

Электрическое сопротивление - это физическая величина, характеризующая свойства вещества препятствовать свободному, без потерь, прохождению электрического тока через него. Значительное число приемников, включенных в электрическую цепь (электрические лампы, электронагревательные приборы и др.), можно рассматривать как элементы, имеющие определенное сопротивление. Это дает возможность при составлении и изучении электрических схем заменять конкретные приемники резисторами с определенными значениями сопротивлений. Различают последовательное, параллельное и смешанное соединения резисторов (приемников электрической энергии).

Узел – место соединения в электрической цепи трех и более проводников.

Ветвью называется участок цепи, между двумя ближайшими узлами, обтекаемый одним и тем же током.

Основными законами электрических цепей являются закон Ома, законы баланса токов в узлах (первый закон Кирхгофа) и баланса напряжений на замкнутых участках цепи (второй закон Кирхгофа).

Согласно закону Ома: сила тока на участке цепи зависит от напряжения электрического поля и сопротивления участка цепи I=U/R

В соответствии с первым законом Кирхгофа, алгебраическая сумма токов в любом узле цепи равна нулю. Если токам, направленным к узлу п рисвоим знак "плюс", а токам, направленным от узла, знак "минус", то получим следующее уравнение первого закона Кирхгофа:

или

Согласно второму закону Кирхгофа, алгебраическая сумма ЭДС (E) вдоль любого замкнутого контура равна алгебраической сумме падений напряжений в этом контуре

∑E =∑U.

При последовательном соединении нескольких резисторов конец первого резистора соединяют с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. При последовательном соединение через все участки проходит одинаковый ток. Если пренебречь внутренним сопротивлением источника, то, например, для трех последовательно соединенных резисторов согласно второму закону Кирхгофа можно составить уравнение:

E =U₁+U₂+U₃ = IR₁ + IR₂ + IR₃ = I(R₁ + R₂ + R₃) = IR_экв,

где R_экв = R₁ + R₂ + R₃.

Напряжения на отдельных участках цепи согласно закону Ома:

U₁=IR₁; U₂ = IR₂, U₃ = IR_з, U = U₁ + U₂ +U_3,

При последовательном соединении выключение или обрыв электрической цепи в одном из приемников и в остальных приемниках прекращает ток.

При параллельном соединении нескольких приемников они включаются между двумя узлами (точками) электрической цепи, образуя параллельные ветви. При параллельном соединении приемников, все они находятся под одним и тем же напряжением, и режим работы каждого из них не зависит от остальных. Поэтому согласно закону Ома:

I₁=U/R₁; I₂=U/R₂; I₃=U/R₃.

Ток в неразветвленной части цепи согласно первому закону Кирхгофа:

I = I₁+I₂+I₃ = U / R₁ + U / R₂ + U / R₃ = U (1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃) = U / R_экв.

Следовательно, эквивалентное сопротивление рассматриваемой цепи при параллельном соединении трех резисторов определяется формулой:

1/R_экв = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток. Проводимость и сопротивление участка цепи связаны соотношением g=1/R. Эквивалентная проводимость параллельной цепи равна сумме проводимостей параллельно соединенных резисторов:

g_экв=g₁+g₂+g₃

Таким образом, при увеличении числа параллельно включаемых резисторов результирующая проводимость электрической цепи увеличивается, а результирующее сопротивление уменьшается. При отключении или выходе из строя любого приемника остальные приемники остаются работающими.

В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой. Мерой количества энергии является работа. Приемники электрической энергии превращают электрическую энергию в другие виды энергии — тепловую, механическую, химическую, лучистую и пр.

Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 секунды, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется джоулем (Дж).

Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 секунды, называется мощностью.

Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). Мощность Р при неизменных значениях U и I равна произведению напряжения U на силу тока I:

P = UI =I²R = U²/R = U²g

При любом способе соединения резисторов для участка цепи выполняется уравнение баланса мощностей

Р_экв=Р₁+Р₂+Р₃+…

6.Практическая часть:

-сборка цепей последовательного и параллельного соединения резисторов;

- анализ особенностей и закономерностей этих соединений.

6.1.Техника безопасности при выполнении работы:

Перед выполнением сборки цепей убедиться, что лабораторный стол обесточен. При выполнении работы не прикасаться к неизолированным проводам, соединительным зажимам и другим частям цепей, которые могут оказаться под напряжением. Любые изменения в схеме производить только после отключения питания. При возникновении во время выполнения работы неисправностей оборудования или приборов немедленно выключить напряжение питания и сообщить о неисправности преподавателю.

6.2.Описание выполнения задания:

Ознакомиться с измерительными приборами:

- определить предел измерения и цену деления приборов;

- определить технические характеристики приборов.

6.2.1.Собрать электрическую цепь по схеме (рис.1);

-предъявить собранную электрическую цепь преподавателю для проверки;

-убедиться, что указатель лабораторного автотрансформатора на рабочем столе установлен в положение «0 постоянный ток»;

-включите цепь, установить вращением ручки лабораторного автотрансформатора, указанное преподавателем рабочее напряжение, показания вольтметра записать таблицу 1:

Таблица1

№ п/п

Измерено

Вычислено

U

I

I1

I2

I3

R1

R2

R3

Rэ

g1

g2

g3

gэ

P1

P2

P3

Pэ

В

А

А

А

А

Ом

Ом

Ом

Ом

См

См

См

См

Вт

Вт

Вт

Вт

1

-определить общую силу тока цепи по показаниям амперметра, записать полученное значение в таблицу1отключить цепь от источника питания;

-включить амперметр последовательно с первой лампой, подключить цепь к источнику питания, напряжение цепи не изменять;

-измерить е силу тока в первой лампе, записать полученное значение в таблицу1, отключить цепь от источника питания;

- измерить также силу тока в остальных ветвях (лампах), каждый раз соединяя амперметр последовательно с лампами Л2, Л3.

-перед переустановкой амперметра в цепи отключать цепь от источника питания; результаты измерений записать в таблицу 1.

- после всех измерений отключите цепь от источника.

6.2.2. Собрать цепь последовательного соединения резисторов (ламп) по схеме (рис.2):

-показать собранную цепь преподавателю для проверки;

-убедиться, что указатель лабораторного автотрансформатора на рабочем столе установлен в положение «0 постоянный ток»;

-включите цепь, установить вращением ручки лабораторного автотрансформатора указанное преподавателем рабочее напряжение, записать полученное значение в таблицу 2:

Таблица 2

№ п/п

Измерено

Вычислено

I

U

U1

U2

U3

R1

R2

R3

Rэ

P1

P2

P3

Pэ

А

В

В

В

А

Ом

Ом

Ом

Ом

Вт

Вт

Вт

Вт

1

-определить общую силу тока в цепи по показаниям амперметра, записать полученное значение в таблицу 2, отключить цепь от источника питания;

-включить вольтметр параллельно с первой лампой, подключить цепь к источнику питания;

-определить напряжение на первой лампе по показаниям вольтметра, записать полученное значение в таблицу 2, отключить цепь от источника питания;

-измерить напряжение в остальных ветвях (лампах), каждый раз подключая вольтметр параллельно исследуемому участку (лампочкам Л2, Л3), перед переустановкой вольтметра в цепи отключать питание;

- после всех измерений отключить цепь от источника.

6.3.Требования к оформлению отчета:

Отчет о лабораторной работе выполнить в тетради для лабораторных работ или на листах формата А4. В отчет должны быть внесены: № группы, ФИО учащегося. Отчет должен содержать название раздела, темы работы, цели работы, схемы, графики, таблицы, основные расчетные формулы; таблицы и схемы электрических цепей чертить карандашом с применением чертежных инструментов.

-перечертить в отчет схему электрической цепи последовательного соединения (рис.1) и таблицу1;

-выполнить расчеты сопротивлений, применив формулы: R_э=U/I, R₁=U/I₁, R₂=U/I₂ , R₃=U/I₃, результаты вычислений записать в таблицу1;

-выполнить расчеты проводимостей, применив формулы: g=1/R, g₁=1/R₁ , g₂=1/R₂, g₃=1/R₃, результаты вычислений записать в таблицу1;

-выполнить расчеты мощности, применив формулы: P_экв=UI , Р₁=I²R₁=UI₁, Р₂=I²R_2, Р₃=I²R_{3. ,} результаты вычислений записать в таблицу1;

- проверить выполнение уравнения баланса мощностей Рэ=Р₁+Р₂+Р₃+…, записать вывод;

- проверить выполнение первого закона Кирхгофа I=I₁+I₂+I₃+…, записать вывод;

- проверить выполнение уравнения для сопротивлений 1/R_экв = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃, записать вывод;

-перечертить в отчет схему электрической цепи параллельного соединения (рис.2) и таблицу2;

-выполнить расчеты сопротивлений, применив формулы: R_экв=U/I R₁=U₁/I; R₂=U₂/I; R₃=U₃/I, результаты вычислений записать в таблицу2;

-выполнить расчеты мощности каждого элемента: P₁=U₁I=U²₁/R₁ , P₂=U₂I=U²₂/R₂, P₃=U₃I=U²₃/R₃., результаты вычислений записать в таблицу 2;

- проверить выполнение уравнения баланса мощностей Рэ=Р₁+Р₂+Р₃+…, записать вывод;

- проверить выполнение уравнения для напряжений: U=U₁+U₂+U₃, записать вывод;

6.4.Контрольные вопросы:

Записать формулу для вычисления электрического сопротивления.

Записать формулу эквивалентного сопротивления цепи при последовательном и параллельном соединении потребителей.

Сформулировать и записать законы Ома для участка и полной цепи, содержащей ЭДС.

Сформулировать 1-й закон Кирхгофа.

Привести примеры проводниковых материалов.

6.5.Используемая литература:

Свириденко Э. А., Китунович Ф.Г. Основы электротехники и электроснабжение. Мн., 2008.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Республиканский институт профессионального образования»

Филиал «Индустриально-педагогический колледж»

Учебная дисциплина