ГОУ СПО НТЭТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению практических работ

по дисциплине «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»

2013

Рассмотрено

на заседании ЦМК

механических дисциплин

протокол №___

от «___» __________ 2013г

председатель ЦМК:

____________ С.В. Левченко

Автор:

Преподаватель ГОУ СПО НТЭТ ___________________ И.Г. Бакаева

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

Расчет характеристик электрического поля

Цель работы:

1. Научиться применять основные законы и константы при определении характеристик электрического поля;

2. Научиться определять емкость плоского конденсатора;

3. Научиться определять эквивалентную емкость цепи со смешанным соединением конденсаторов

Краткие теоретические положения:

Напряженность электрического поля

Электрическое поле – это одна из двух сторон электро­магнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорцио­нальной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.

Векторную величину, характеризующую электрическое поле и определяющую силу, действующую на заряженную частицу со стороны электрического поля, называют на­пряженностью электрического поля в данной точке:

Напряженность электрического поля точечного заряда (В/м):

где r, (м) – расстояние между зарядом и точкой, в которой определяется напряженность поля;

ε₀ = 8,85∙10^-12, (Ф/м) – электрическая постоянная (абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума равна).

ε – относительная диэлектрическая проницаемость других сред:

Диэлектрик	ε		Диэлектрик	ε		Диэлектрик	ε
Воздух	1		Плексиглас	3,3		Электрокартон	5,0
Вода	81		Слюда	6,0		Эбонит	4,3
Керосин	2,1		Спирт	33		Фарфор	5,5
Парафин	2,1		Стекло	7,0		Янтарь	2,8
Парафиновая бумага	2,0		Трансформ. масло	2,3

Закон Кулона

Сила взаимодействия двух точечных пробных зарядов Q₁ и Q₂, выражаемая в ньютонах (Н), определяется по закону Кулона:

где Q₁ и Q₂, (Кл) – электрические заряды;

r, (м) – расстояние между зарядами.

Электрическое напряжение и потенциал

При переме­щении заряда Q в равномерном поле на расстояние l по направлению сил поля совершается работа

A=F∙l=E∙Q∙l

При этом между крайними точками перемещения заряда существует напряжение U – скалярная величина, харак­теризуемая работой, которая производится при переме­щении единицы положительного заряда между двумя точ­ками поля:

U=A/Q или U=E∙l

Напряжение между данной точкой электрического поля и другой произвольно выбранной точкой поля, потенциал которой условно принят равным нулю, называют потенциа­лом φ данной точки поля. В электротехнике нулевым потенциалом принято считать потенциал земли.

Напряжение между двумя точками электрического поля (В), имеющими потенциалы φ₁ и φ₂:

U = φ₁ – φ₂

В веществе, помещаемом в электрическое поле, под действием сил электрического поля возникает направленное движение носителей зарядов (электронов, ионов) – элект­рический ток. Это свойство называют электропроводностью вещества. Степень электропроводности вещества оценивают удельной электрической проводимостью материала.

Напряженность поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называют электрической прочностью диэлектрика E_пр, а напряжение при пробое – пробивным напря­жением U_пр, причем

E_пр = U_пр /d,

где d – толщина диэлектрика.

Электрическая емкость конденсатора

Электрический конденсатор – это система из двух проводников (обкладок, пластин), разделенных диэлектриком.

Конденсаторы обладают свойством накапливать на своих обкладках электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку.

Электрический заряд Q каждой из обкладок пропорцио­нален напряжению U между ними:

Q = C∙U

Величину С назы­вают электрической емкостью конденсатора и выражают в Фарадах (Ф).

Емкость конденсатора зависит от геометрических раз­меров, формы, взаимного расположения и расстояния между обкладками, а также от свойств диэлектрика. Наи­более распространенным в технике является плоский кон­денсатор.

Емкость плоского конденсатора:

где S, (м²) – площадь каждой обкладки, пластины;

d, (м) – расстояние между обкладками.

Напряженность электрического поля плоского конден­сатора:

E=U/d

где U, (В) – напряжение, приложенное к зажимам конденса­тора.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

При последовательном соединении на обкладках всех конденсаторов будут одинаковые по вели­чине заряды, напряжения на конденсаторах будут различны.

Q = Q₁ = Q₂ = Q₃ = … = Q_n;

U = U₁ + U₂ + U₃ + … + U_n.

Эквивалентная емкость при последовательном соединении:

При параллельном соединении напряжения на всех конденсаторах будут одинаковые, заряды на обкладках конденсаторов будут различны.

U = U₁ = U₂ = U₃ = … = U_n;

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + … + Q_n.

Эквивалентная емкость при параллельном соединении:

C = C₁ + C₂ + C₃ + … + C_n.

Энергия электрического поля, (Дж):

Задача 1

Два заряда Q₁ и Q₂, находящиеся на расстоянии r = 25 см и взаимодействуют с силой F=0,1 Н. Заряд Q₁ = 1,5 ∙10^-6 Кл, определить заряд Q₂, если заряды помещены: 1) в стекло; 2) в плекси­глас; 3) в янтарь; 4) в эбонит; 5) в воду; 6) в фарфор; 7) в воздух; 8) в спирт; 9) в керосин; 10) в парафин.

Задача 2

Определить емкость плоского конденсатора, параметры которого приведены в таблице.

№ варианта	Площадь обкладок	Расстояние между обкладками	Материал диэлектрика
1	20 см2	0,8 см	Воздух
2	25 см2	0,4 см	Стекло
3	100 см2	0,01 см	Электрокартон
4	160 см2	0,4 мм	Эбонит
5	200 см2	2,0 мм	Плексиглас
6	240 см2	5,0 мм	Парафиновая бумага
7	250 см2	6,0 мм	Слюда
8	20 см2	0,8 см	Электрокартон
9	100 см2	0,01 см	Воздух
10	240 см2	5,0 мм	Фарфор

Задача 3

Определить эквивалентную емкость цепи для своего варианта

№ варианта		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
№ рисунка		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Емкости конденсаторов	С1, мкФ	1	1	2	3	2	2	6	4	2	10
	С2, мкФ	1	2	1	2	2	4	3	4	5	4
	С3, мкФ	2	3	1	1	1	4	6	8	8	2

рис. 1	рис. 2
рис. 3	рис. 4
рис. 5	рис. 6
рис. 7	рис. 8
рис. 9	рис. 10

Практическая работа №2 Расчет характеристик и параметров постоянного тока

Цель работы:

1. Научиться применять основные законы и константы при определении параметров цепей постоянного тока;

2. Научиться определять электрическое сопротивление проводников заданных размеров, изготовленных из различных материалов;

3. Определить длину проводов для нагревательных элементов с заданным напряжением и током.

Краткие теоретические положения:

Электрический ток – это направленное движение носителей зарядов.

Сила тока определяется количеством электричества (зарядом), проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

Плотность тока:

где I – ток в проводнике, A;

S – площадь поперечного сечения, мм².

Закон Ома для участка цепи: ток, проходящий по участ­ку цепи, прямо пропорционален напряжению U, приложен­ному к этому участку, и обратно пропорционален его со­противлению R, т. е.

где U – в вольтах (В); R –в омах (Ом).

Закон Ома для всей цепи:

где Е – ЭДС источника электрической энергии, В;

R – сопротивление внешней цепи, Ом;

r – внутреннее сопротивление источника, Ом.

Электрическое сопротивление проводника по Закону Ома:

Величину, обратную сопротивлению, называют про­водимостью G и выражают в Сименсах (См), ;

Сопротивление провода заданных размеров:

где ρ – удельное сопротивление, ;

Материал	ρ		Материал	ρ,		Материал	ρ,
Алюминий	0,029		Нихром	1,1		Серебро	0,016
Вольфрам	0,056		Манганин	0,42		Сталь	0,12
Константан	0,48		Платина	0,1		Фехраль	1,4
Латунь	0,071		Ртуть	0,958
Медь	0,0175		Свинец	0,21

l — длина проводника, м;

S — площадь его поперечного сечения, мм².

Величину, обратную удельному сопротивлению, назы­вают удельной проводимостью, :

Зависимость сопротивления проводника от температуры:

где R₁ – сопротивление проводника при температуре ϴ₁, Ом;

R₂ – сопротивление проводника при температуре ϴ₂, Ом;

α – температурный коэффициент сопротивления, чис­ленно равный относительному приращению сопротивления при нагревании проводника на 1° С.

Мощность потребителя:

Мощность источника или генератора:

Баланс мощностей в электрических цепях:

Закон Джоуля – Ленца

Количество теплоты (Дж), выделенное при прохождении постоянного тока в провод­нике,:

Q=I²∙R∙t, (Дж), или Q=0,24∙I²∙R∙t, (Калорий)

Задача 1

Определить время прохождения заряда Q=0,6 Кл по проводнику при заданном значении тока: 1) I=0,5 А; 2) I=0,03 А; 3) I=2 мА, 4) I=15 А; 5) I=50 мА; 6) I=2 А; 7) I=300мА; 8) I=1 А; 9) I=0,01 А; 10) I=100мА.

Задача 2

По проводнику с поперечным сечением S=0,24 мм² проходит ток, плотность которого J=5 А/мм². Определить ток и заряд, прошедший через проводник за время: 1) 0,005 с; 2) 1 с; 3) 100 мкс; 4) 20 мс; 5) 0,4 с; 6) 5 с; 7) 6 мс; 8) 100 мс; 9) 10 с; 10) 500 мкс.

Задача 3

Определить сопротивление провода, имеющего длину l=150 м и диаметр d = 0,2 мм, выполненного из: 1) константана; 2) латуни; 3) стали; 4) фехраля; 5) пла­тины; 6) алюминия; 7) меди; 8) вольфрама; 9) манганина; 10) серебра.

Задача 4

Определить длину провода диаметром d = 0,5 мм для нагревательного элемента при включении его в сеть с напряжением U=220 В при токе потребления I = 6,5 А; из: 1) нихрома; 2) константана; 3) фехраля; 4) стали; 5) алюминия; 6) манганина; 7) латуни; 8) меди; 9) серебра; 10) свинца.