Лабораторная работа № 4
Прохождение гармонического сигнала через катушку индуктивности
1. Целью лабораторной работы является:
1.1 Экспериментальное определение фазовых соотношений между токами и напряжениями в процессе прохождение гармонического сигнала через катушку индуктивности и их соответствие теоретическим представлениям
1.2.Экспериментальное определение амплитудных соотношений между токами и напряжениями в процессе прохождение гармонического сигнала через катушку индуктивности и ее соответствие теоретическим представлениям
Содержание работы
Содержанием практической части работы является экспериментальное определение фазовых и амплитудных соотношений между токами и напряжениями в процессе прохождение гармонического сигнала через катушку индуктивности и их соответствие теоретическим представлениям
Выполнение лабораторной работы проводится на ПЭВМ с использованием прикладных программ «EWB5.12» или «Micro-CaP8».
Правила безопасности при выполнении лабораторной работы являются типовыми.
2 Краткие теоретические сведения
2.1 Катушка индуктивности в цепи переменного тока
Самой распространенной формой сигнала в схемотехнике аналоговых электронных устройств является гармонический (синусоидальный или косинусоидальный) сигнал, а в цифровой схемотехнике – сигнал в виде прямоугольных импульсов. Однако прямоугольные импульсы также являются суммой гармонических сигналов (ряд Фурье). Поэтому в радиотехнике такое большое внимание уделяется изучению прохождения гармонических сигналов через различные цепи.
В этот раз рассмотрим прохождение гармонического сигнала через катушка индуктивности
Если катушка индуктивности включена в цепь переменного тока, то в такой цепи, фаза тока всегда отстает от фазы напряжения. Разберем причины этого отставания на простейшем примере, когда в цепи имеется только индуктивное сопротивление, а омического сопротивления нет вовсе, или вернее омическим сопротивлением провода катушки самоиндукции можно пренебречь, так как оно мало.
Для удобства рассмотрения явлений будем считать, что мы присоединяем катушку индуктивности к источнику переменного тока в тот момент, когда напряжение U на его зажимах имеет максимальное амплитудное значение (рисунок 1). Этот момент будем считать началом периода.
В момент включения катушки в ней немедленно возникнет электрический ток. Но ток не может сразу достичь своего амплитудного значения потому, что при его возникновении вокруг катушки начнет появляться магнитное поле, которое будет наводить в катушке ЭДС самоиндукции, направленную против внешнего напряжения, т. е. напряжения источника переменного тока. Электродвижущая сила самоиндукции будет препятствовать быстрому нарастанию силы тока в катушке. Поэтому нарастание тока будет длиться целую четверть периода.
По мере приближения к концу первой четверти периода скорость нарастания тока в катушке постепенно уменьшается. Но вместе с тем ослабевает и ЭДС самоиндукции, так как величина ее зависит от скорости изменения силы тока.
Итак, в конце первой четверти периода внешнее напряжение, приложенное к катушке, будет равно нулю, ЭДС самоиндукции также будет, равна нулю, а ток в катушке и магнитный поток вокруг нее будут иметь максимальные амплитудные значения. В магнитном поле катушки будет запасено некоторое количество энергии, полученной от источника тока.
Рисунок 1 - Соотношения фаз тока, напряжения и ЭДС самоиндукции при включение катушки индуктивности в цепь переменного тока
С началом второй четверти периода внешнее напряжение, переменив свое направление, будет возрастать, вследствие чего ток в катушке, текущий все еще в прежнем направлении, начнет уменьшаться. Но теперь в катушке снова возникнет ЭДС самоиндукции, обусловленная уменьшением магнитного потока, которая будет поддерживать ток в прежнем направлении.
В течение всей второй четверти периода внешнее напряжение будет увеличиваться, а сила тока — уменьшаться. Скорость уменьшения силы тока, оставаясь небольшой в начале второй четверти, станет постепенно нарастать и в конце этой четверти достигнет наибольшей величины.
Итак, к концу второй четверти периода внешнее напряжение приближается к амплитудному значению, а сила тока и магнитный ноток приближаются к нулю, убывая все с большей скоростью, вследствие чего ЭДС самоиндукции достигает своего амплитудного значения. Направление ЭДС самоиндукции, как всегда, остается противоположным направлению внешнего напряжения. Энергия, запасенная в магнитном поле за первую четверть периода, теперь возвращается обратно в цепь.
В течение второй половины (третья и четвертая четверти) периода все явления будут происходить в том же порядке, с той лишь разницей, что направления тока, внешнего напряжения и ЭДС самоиндукции изменяются на противоположные (рисунок 1).
Таким образом, фаза тока все время отстает от фазы напряжения, причем нетрудно заметить, что сдвиг фаз тока и напряжения равен 90°.