Экспериментальное исследование эц переменного тока

I. Установка для исследования сдвига фаз колебаний силы тока и напряжения с помощью компьютера и осциллографа-приставки

Прибор смонтирован в прямоугольной коробке 30 х 15x5см (см. фото).

Панель прибора	Схема колебательного контура

В состав последовательного колебательного контура входят резисторы r = 10 Ом и R= 300 Ом, конденсатор С= 9,4 мкФ (два соединённых параллельно конден­сатора по 4,7 мкФ марки К73 - электролитический конденсатор в цепи переменного тока использовать нельзя, так как он полярный) и катушка индуктив­ности L= 0,9 Гн (дроссель из набора по электронике для практикума). Резистор r нужен для демонстра­ции на дисплее компьютера графика зависимости силы тока от времени: поскольку его сопротивле­ние примерно в 30 раз меньше сопротивления каж­дого из остальных элементов цепи на частоте 55 Гц (R≈Х_с≈X_L≈ 300 Ом), на общее сопротивление цепи и силу тока в ней оно почти не влияет.

Общий вид установки

Приставка «Осциллограф» к измерительному блоку

Для подключения осциллографа на передней па­нели прибора в местах соединения отдельных элементов цепи установлены однополюсные гнезда. На прибор подаётся переменное (20-100 Гц) напря­жение 2-5 В от ГНЧ.

Такая низкая частота вы­брана потому, что максимальная «частота развёрт­ки» осциллографа-приставки 20 Гц.

Перед демонстрацией подключите осциллограф- приставку ко входу 1 измерительного блока, а сам блок - к компьютеру. Включите компьютер, запу­стите программу L-физика и откройте в меню сле­дующие пункты:

электродинамика → осцилло­граф → проведение эксперимента → настройка.

В разделе настройка сделайте установки: режим работы - ждущий; развёртка - 0,005 с/дел; канал запуска - 1;характер сигнала - возрастание; 1 ка­нал, чувствительность - 2 В/дел; 2 канал, чувстви­тельность - 0,1 В/дел.

При получении графика сдвига фаз на одном из трёх элементов цепи два остальных надо замкнуть Проводником со штекерами на концах. Для полу­чения графика напряжения u(t) 1-й канал осцилло­графа 1 подключите к выходу ГНЧ (функциональный генератор /ФГ-100/). Указанные на схеме цвета наконечников однополюсных вилок осциллографа следует соблюдать обязательно.

Демонстрация отсутствия сдвига фаз между током и напряжением на резисторе.

На 2-й канал осциллографа-приставки подайте напряжение с резистора r, которое прямо пропорциональна про­текающему через него току, поскольку на активном со­противлении нет сдвига фаз между колебаниями тока (красная кривая на фото) и напряжения (голубая кри­вая).

Демонстрация сдвига фаз между током и на­пряжением на катушке и на конденсаторе.

На фото внизу показаны виртуальные осциллограм­мы тока и напряжения на катушке (фото а - сдвиг фаз -π/2, колебания силы тока отстают от коле­баний напряжения), на конденсаторе (фото б - сдвиг фаз +π/2, колебания силы тока опережают колебания напряжения на π/2), а также колеба­ния напряжений на катушке и на конденсаторе.

В последнем случае надо установить одинаковую чувствительность обоих каналов (2 В/дел) и, увеличивая частоту генератора от 20 до 100 Гц, убедиться, что независимо от частоты колебания напряжений остаются в противофазе: когда ам­плитуда напряжения на конденсаторе уменьша­ется, на катушке она растёт.

Демонстрация зависимости сдвига фаз меж­ду током и напряжением в последовательном колебательном контуре от частоты.

Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц, убеждаемся, что при частоте меньше резонансной (~55 Гц) ко­лебания силы тока опережают колебания напря­жения (график тока сдвинут влево относитель­но графика напряжения), а при частоте больше резонансной наоборот - колебания тока отстают по фазе от колебаний напряжения (график тока сдвинут вправо). При резонансе контур облада­ет только активным сопротивлением, поэтому сдвига фаз нет.

С помощью данного прибора можно убедиться, что с учётом сдвига фаз общее напряжение на по­следовательном колебательном контуре надо нахо­дить по правилу сложения векторов:

Для большей точности измерять напряжения лучше не по сетке осциллографа, а с помощью циф­рового вольтметра или мультиметра.