Лабораторные работы / Лабораторная работа №1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ РЕЗИСТОРОВ.

Цель работы:

1. Приобрести навыки сборки простейших электрических цепей.

2. Научиться пользоваться электроизмерительными приборами.

3. Закрепить теоретические сведения о методах анализа электрических цепей с последовательным соединением резисторов (потребителей).

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электрической цепью называют совокупность источников и потребителей электрической энергии соединения между собой с помощью проводников.

I

R₁

R₂

R₃

U

Рис. 1

I₁

I₂

I₃

a

Рис. 2

Последовательным соединением элементов (или участков) электрической цепи называется соединение, при котором по цепи проходит один и тот же ток. т.е. к концу каждого предыдущего элемента подключается начало следующегî (рис.1). Такой участок электрической цепи называется ветвью.

Узлом называется точка соединения между собой более двух ветвей. Точка «а» на рисунке 2.

I₁

R₁

R₂

R₃

Рис. 3 313

R₄

I₂

I₃

I₄

a

b

c

d

Совокупность соединенных между собой ветвей называется контуром. На рисунке 3 показан контур abcd.

В данной работе исследуется электрическая цепью одним источником ЭДС. В качестве потребителей электрической энергии в работе использованы резисторы.

I

R

U

Рис. 4

Н апряжение U на зажимах резистора с сопротивлением R (рис.4) и ток I, проходящий через него, связаны законом Ома :

I = U/R.

Наряду с законом Ома при анализе электрических цепей используют первый и второй законы Кирхгофа.

Формулировка первого закона Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле электрической цепи, равна нулю.

I₁+I₂+...+I_N=0,

где: N – число ветвей, сходящихся в узле.

Причем, перед соответствующим током ставится знак «+» если этот ток входит в узел, и знак «–», если ток выходит из узла.

Поэтому можно дать еще одну формулировку первого закона Кирхгофа: алгебраическая сумма токов входящих в любой узел равна алгебраической сумме токов выходящих из этого узла.

Формулировка второго закона Кирхгофа: в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжений на его элементах равна алгебраической сумме ЭДС, входящих в этот контур.

E₁+E₂+...+E_P=I₁(R₁+...+R_K)+I₂(R₁+...+R_L)+...+I_N(R₁+...+R_M),

где: N – число ветвей, образующих замкнутый контур;

Р – число источников э.д.с., входящих в данный контур;

K, L, M – число элементов в соответствующих ветвях.

Рассмотрим применение указанных законов на примере электрической цепи, представленной схемой, изображенной на рисунке 5. Применительно к этой схеме (последовательное соединение элементов) второй закон Кирхгофа может быть сформулирован следующим образом:

I

R₁

R₂

R₄

U

Рис. 5

R₃

U₁

U₂

U₃

U₂

U₄

Общее напряжение на участке с последовательным соединением элементов равно сумме напряжении на каждом элементе.

Таким образом:

U=U₁+U₂+U₃+U₄

В соответствии с законом Ома для отдельных элементов и для всей цепи

R₁=U₁/I; R₂=U₂/I; R₃=U₃/I; R₄=U₄/I; R_ýê=U/I=R₁+R₂+R₃+R₄.

При заданных значениях общего напряжения U и сопротивлении всех элементов анализ последовательной цепи проводят в следующем порядке:

• определяют эквивалентное сопротивление всей цепи

R _эк=R₁+R₂+R₃+R₄ ;

• по закону Ома находят ток в цепи : I=U/R _эк;

• рассчитывают напряжения на каждом элементе;

U₁=R₁I, U₂=R₂I, U₃=R₃I, U₄=R₄I;

• проверяют выполнение равенства

U=U₁+U₂+U₃+U_{4 .}

Если по участку электрической цепи с сопротивлением R проходит постоянный ток I, создающий на этом участке падение напряжения U, то выделяемая здесь активная мощность Р определяется по одному из следующих выражений:

P=UI , Р=I²R, Р=U²/R.

Например, для цепи, представленной на рисунке 5, мощность, рассеиваемая на резисторе R₂ будет равна P₂=U₂I=IR²₂=U²₂/R_2, а мощность потребляемая всей схемой – P=UI=IR²_эк=U²₂/R _ýê.

Для измерения электрических параметров цепи (тока, напряжения сопротивления ) используются электроизмерительные приборы.

I

R

Рис. 6

А

I

R

Рис. 7

V

Сила тока в цепи измеряется амперметром, включаемым последовательно с тем участком цепи, где необходимо измеришь силу тока (рис.6). Амперметр обладает малым внутренним сопротивлением поэтому его включение практически не изменяет сопротивление цепи.

Напряжение на некотором участке электрической цепи измеряется вольтметром, который подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение (рис.7). Вольтметр имеет очень большое внутреннее сопротивление поэтому его подключение не влияет на режим работы цепи.

R

Рис. 8



Для измерения сопротивления используется омметр. Этот электроизмерительный прибор содержит собственный источник питания, поэтому при замере сопротивлений цепь необходимо обесточить. Его входные клеммы подключаются к той паре точек электрической цепи, между которыми измеряется сопротивление (рис.8). Перед использованием прибора должна быть произведена установка его на нуль.

ОБЬЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования является последовательная цепь, состоящие из резисторов R₁–R₄ смонтированных на плате № 4.

Источником питания служит источник постоянного тока с регулируемой величиной ЭДС. Выходные гнезда источника расположены на центральной панели стенда и обозначены ‘+’ и ‘-‘ Внутреннее сопротивление источника не учитывается, т. е. источник ЭДС полагается идеальным.

В качестве электроизмерительных приборов используются многопредельные миллиамперметры Э377, а так же цифровой или стрелочный многопредельный электронный вольтметр. Выбор предела измерения миллиамперметра осуществляется нажатием одной из клавиш, размещенных под прибором. Цифра под клавишей указывает предел измерении (ПИ) в миллиамперах.

Тогда, для того, чтобы определить значение тока по отклонению стрелки (ОС) необходимо:

• вычислить цену деления (цд) прибора ЦД=ПИ/КДП, отметим, что для миллиамперметров Э377 количество делений прибора (КДП) равно 100;

• вычислить ток в амперах [ I ]=1000*ЦД*ОС.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1.Собрать с помощью монтажной схемы (рис.9) последовательную цепь в соответствии с рисунком 10.

2. 

   А

   

   +

   -

   

   R₁

   

   R₂

   R₄

   

   R₃

   

   V

   

   a

   b

   c

   e

   f

   Рис. 9

   После проверки цепи преподавателем подать на неё напряжение, для чего:

• на плате ¹ 3 ëåвой панели стенда поставить тумблер ВЗ-1 в положение "Вкл.", а тумблер В3-2 - в положение II;

• включить тумблеры В1 и Â2 на центральной панели стенда.

3. Подключив вольтметр к гнёздам а и f , с помощью ручки "Рег. U_вх" на плате № 3 установить указанную преподавателем величину напряжения U _af и записать ее в табл. 1.

4. Записать в табл. 1 показания амперметра, измеряющего ток I в цепи.

5. Измерить с помощью вольтметра напряжения на каждом резисторе R₁ и R₄, а также U_af и записать их значения а табл. 1.

6. Снять напряжение, отключив тумблеры В1 и В2 и отсоединить цепь от гнезд "+" и "-" источника питания.

7. Используя электронный измерительный прибор в режиме омметра измерить сопротивление каждого резистора, а также R_af . Результаты записать в табл. 1.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Используя закон Ома, рассчитать значение сопротивлении R₁, R₂, R₃, R₄ и R_af Результаты занести в табл. 2.

2. Вычислить мощность на каждом резисторе и мощность всей цепи. Результаты занести в табл. 2.

3. Расчетным путем определить ток I и напряжения на каждом резисторе U₁-U_{4 ,} считая известным напряжение U_af и сопротивления R₁-R₄ (значения U_af и R₁-R₄ взять из табл. 1).

4. Сравнить результаты измерений и расчетов, сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1. Дать определение электрической цепи.

2.Что называется последовательным и параллельным соединением? Привести примеры.

3. Сформулировать закон Ома и законы Кирхгофа.

4. Êàê связаны общее напряжение, приложенное к последовательной цепи, с напряжениями на каждом элементе цепи?

5. Как зависит эквивалентное сопротивление последовательной цепи от сопротивлений ее элементов?

6. Как изменится напряжение U₂ (рис. 5), если уменьшить сопротивление R₃, при постоянном значении U ?

7. Как изменится напряжение U₂ (рис. 5), если уменьшить сопротивление R₂ при постоянном значении U ?

8. Определить напряжение между точками b и e (рис.9), если U=100 В, R₁=10 0м, R₂=15 0м, R₃= 20 0м, R₄=5 Ом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Электротехника /Под ред. В. Г. Герасимова.- М.; Высшая школа, 1985,- С.17-28.

2. Каяеткин А.С., Немцов Ы.В. Электротехника - М.г Энерго-атомиздат, 1983 - Г. 19-26.

3. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н», Зорин Ь.И. Электротехника. - М.: Энергоатомйздат, 1985. С. 25-35.

4. Волынский Б.А,, Зейн Е.Н., .Цатерникоя 3.Е. Электротех-ника. - Ì.: Энергоатомиздат, 1997. - С. 35-42.

Приложение

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

К лабораторной работе ¹1. Исследование линейных электрических цепей постоянного тока с последовательным соединением резисторов.

R₁

R₂

R₄

R₃

a

b

c

e

f

Рис. 10

А

U_af

Таблица 1

Измеренные параметры	Участок цепи
параметры	аb	bс	се	ef	af
U, В
I, А
R, Oì

РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Таблица 2

Рассчитанные	Участок цепи
параметры	аb	bс	се	ef	af
R, Oì
Р, Вт

Расчётные формулы:

Расчет последовательной цепи.

Дано: Определить:

Расчет:

Краткие выводы по работе:

Группа _______ Студент ________ «__» _______ 199__ г.

Преподаватель__________________________