Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы электротехники. Учебно-методическое пособие для СПО
.pdf
В реальном источнике тока присутствует внутренняя проводимость
U
I
=
g
вн
, ри-
сунок 1.4 б). С ростом напряжения на нагрузке растет ток, ответвляющийся во
внутреннюю проводимость, и уменьшается ток во внешней цепи. Вольт-амперная
характеристика реального источника тока показана на рисунке 1.5 б).
Пассивные элементы.
В цепях постоянного тока пассивными элементами цепи являются сопро-
тивления проводов и приемников электрической энергии или нагрузки, в которых
происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в теп-
ловую или другого вида энергию. При рассмотрении основных процессов, проис-
ходящих в электрических цепях постоянного тока, в качестве пассивных элемен-
тов цепи (нагрузки) используют, как правило, резисторы. Условное графическое
обозначение резисторов приведено на рисунке 1.4.
Рисунок 1.6 – Условное графическое обозначение нерегулируемого (а)
и регулируемого (б) резисторов
Электрическое сопротивление резистора равно отношению напряжения на
участке электрической цепи к току в нем, при отсутствии на этом участке ЭДС
R
. (1.3)
Определение величины электрического сопротивления резисторов по из-
вестным значениям напряжения и тока носит название метода амперметра и
вольтметра.
Величина обратная электрическому сопротивлению называется электри-
ческой проводимостью и может быть рассчитана следующим образом:
11
,
I
R U
2
P R I
= ⋅
2
P G U
= ⋅
пр R
P U I
=
g
= =
1
1/Ом = См (Сименс). (1.4)
Резистором потребляется мощность Pпр, определяемая по формулам:
пр
где
UR
- напряжение на резисторе.
1.3 Описание лабораторной установки
Источниками электрической энергии являются реальные источники пита-
ния постоянного тока Б5-44А (источник ЭДС) и модель идеального источника то-
ка (J= 10 мА, U = (0 -60) В). В качестве приемника электрической энергии исполь-
зуется переменный резистор
перметр М42300 с пределом измерения до 100 мА. Для измерения напряжений
;
пр
R
. Для измерения токов применяется миллиам-
1
;
,
используется цифровой мультиметр ВР-11А.
1.4 Рабочее задание
1.4.1 Исследование идеального и реального источника тока.
1.4.1.1 Собрать электрическую цепь в соответствии с рисунком 1.7, и после
проверки ее преподавателем, подключить к модели идеального источника тока:
J
= 10 мА, U = (0 ÷ 60) В.
тока
Рисунок 1.7 – Электрическая схема для исследования идеального источника
12
1.4.1.2 Изменяя значения сопротивления R1 снять 6-7 значений тока и на-
пряжения на резисторе. Результаты измерений свести в таблицу 1.1.
Таблица 1.1 - Результаты измерений
I,
U
R
g
А
, В
, Ом
1
, См
1
1.4.1.3 Собрать электрическую цепь в соответствии с рисунком 1.8. Изме-
няя значения сопротивления R1 снять 6-7 значений тока и напряжения на резисто-
ре. Результаты измерений свести в таблицу 1.2.
Рисунок 1.8 – Электрическая схема для исследования реального источника
тока
Таблица 1.2 - Исследование реального источника тока
Эксперимент Расчет
I
1
I2 I3 U R
1
А А А В Ом Ом
R2
13
1.4.2 Исследование идеального и реального источника ЭДС
R
AVW
*
1.4.2.1 Собрать электрическую цепь в соответствии с рисунком 1.9, и после
проверки ее преподавателем, подключить к источнику питания постоянного тока
напряжением 15 В.
1.4.2.2 Установить тумблер резистора
R
в положение при котором ампер-
1
метр покажет номинальный ток. Измерить ток источника и напряжение на его за-
жимах в замкнутой электрической цепи. После этого перевести тумблер рези-
стора
R
при котором амперметр покажет ноль. Измерить ЭДС источника. Ре-
1
зультаты измерений занести в таблицу 1.3.
Таблица 1.3 – Определение параметров активного элемента цепи
Измерено Вычислено
Е, В UН, В IН, А P, Вт r0, Ом
1.4.2.3 Собрать электрическую цепь в соответствии с рисунком 1.9, и после
проверки ее преподавателем, подключить к регулируемому источнику питания
постоянного тока.
*
+
=
E
-
Рисунок 1.9 – Исследуемая электрическая схема
1.4.2.4 Плавно регулируя напряжение источника снять 6-7 значений тока,
напряжения на резисторе и мощность. Результаты измерений свести в таблицу 1.4.
14
Таблица 1.4 - Определение характеристики пассивного элемента цепи
Измерено Вычислено
E U
R
I P R
1
g
1
P
ист
В В А Вт Ом См Вт Вт
1.5 Обработка результатов опытов
P
пр
1.5.1 По данным таблицы 1.1 рассчитать:
- сопротивление
- проводимость
R
1 ;
g1;
1.5.2 По данным таблицы 1.1 построить вольт-амперную характеристику
модели идеального источника тока.
1.5.3 По данным таблицы 1.4 построить вольт-амперную характеристику
пассивного элемента (резистора).
1.5.4 По данным таблицы 1.4 рассчитать:
- сопротивление
- проводимость
R
1 ;
g1;
- мощность, отдаваемую в цепь источником
значение с показанием ваттметра;
P
,
сравнить полученное
ист
- мощность, потребляемую резистором
P
, сравнить полученное значение
пр
с показанием ваттметра.
15
1.6 Контрольные вопросы
1.6.1 Что называют активным элементом электрической цепи? Какими ос-
новными параметрами он характеризуется?
1.6.2 Что называется электрическим током, в каких единицах он измеряет-
ся?
1.6.3 Приведите уравнение и график ВАХ резистивного элемента.
1.6.4 Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС?
1.6.5 Чему равно внутреннее сопротивление идеального источника тока?
1.6.6 Чем отличаются реальные источники от идеальных?
1.6.7 Назовите основные элементы простейшей электрической цепи и пояс-
ните их назначение.
1.6.8 Как включается в электрическую цепь амперметр? Какому основному
требованию он должен удовлетворять?
1.6.9 Что произойдет, если включить амперметр параллельно источнику
(нагрузке)?
1.6.10 Дайте определение резистивного элемента электрической цепи. Какие
процессы происходят в нем при протекании электрического тока?
1.6.11 Как включается в электрическую цепь вольтметр? Какому основно-
му требованию он должен удовлетворять?
1.6.12 Приведите уравнения и графики внешних характеристик идеального
и реального источников ЭДС.
1.6.13 Что называют генераторным режимом работы источника и чем он ха-
рактеризуется?
1.6.14 Что называют электрическим напряжением? Каким прибором, и в
каких единицах оно измеряется?
1.6.15 Дайте определение электрической проводимости. В каких единицах
она измеряется?
16
2 Лабораторная работа №2. Исследование законов Кирхгофа
2.1 Цель работы: экспериментально проверить справедливость законов
Кирхгофа, освоить методики измерения потенциалов точек цепи и построения
потенциальной диаграммы.
2.2 Основные теоретические положения
2.2.1 Основные топологические понятия и соотношения
Под топологией (геометрией) понимают способ соединения элементов:
последовательное, параллельное.
Схема электрической цепи – графическое изображение электрической це-
пи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее соединения
этих элементов.
В схеме выделяют ветви, узлы и контуры.
Ветвью называют участок электрической цепи в котором, ток имеет одно и
то же значение.
Узел – место соединения трех и более ветвей.
На схеме узел представляют в виде жирной точки.
Соединение (электрическое) – место соединения элементов электрической
цепи между собой.
Контур – последовательность ветвей электрической цепи, образующая
замкнутый путь, в которой один из узлов одновременно является началом и кон-
цом пути, а остальные встречаются только один раз.
Независимый контур – контур, отличающийся от других хотя бы одной
новой ветвью.
17
1
0
k
=
Рисунок 2.1 – Электрическая схема
Для схемы, приведенной на рисунке 2.1, число узлов у = 4, число ветвей в
= 7, седьмая ветвь содержит источник тока. Узлы вида 1 и 3 называют разнесен-
ными.
2.2.2 Законы Кирхгофа
Электрический процесс в любой сложной цепи может быть описан с по-
мощью уравнений, составленных по первому и второму законам Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа относится к узлам, является следствием закона со-
хранения заряда, согласно которому в узле заряд одного знака в любой момент
времени не может ни накапливаться, ни убывать. Первый закон Кирхгофа фор-
мулируется так:
Первая формулировка: Алгебраическая сумма токов в узле равна нулю.
n
I
∑
k
=
При этом токи, направленные от узла принято записывать с одним знаком,
а направленные к узлу с противоположным знаком. Например, для узла электри-
.
18
ческой цепи, представленного на рисунке 1.2, уравнение, составленное по перво-
1 2 3 2 1 4
0
− − − + + =
1 2 3 4 2 1
I I I I J J
− − + = −
1 1 4 2 2 3
J I I J I I
+ + = + +
k k n
k n
R I E
⋅ =
∑ ∑
му закону Кирхгофа, имеет вид:
Рисунок 2.2 – Узел электрической цепи.
I I I J J I
Если токи источников перенести в правую часть, то получим:
Вторая формулировка: Сумма подтекающих к любому узлу токов равна
сумме утекающих от узла токов.
Для рисунка 2.2:
Второй закон Кирхгофа относится к замкнутым контурам, формулирует-
ся следующим образом:
В любом замкнутом контуре алгебраическая сумма падений напряжений
на сопротивлениях равна алгебраической сумме ЭДС, входящих в этот контур.
.
.
.
С плюсом берут те слагаемые, которые совпадают с направлением обхода
контура, выбранным произвольно, а с минусом – против обхода.
Если сложная цепь имеет в - ветвей и у - узлов, то для ее расчета необхо-
димо составить m независимых уравнений. По первому закону можно составить
(у – 1) - независимых уравнений для любых узлов. Остальные k = в – у + 1
уравнения, составляются по второму закону для независимых контуров.
.
19
Примечание: Если электрическая цепь содержит ветвь с идеальным источ-
ником тока, то количество уравнений в системе, составленной по законам Кирх-
гофа, будет на одно меньше, чем количество ветвей. Это объясняется тем, что ко-
личество уравнений должно быть равно количеству неизвестных токов, а в ветви
с идеальным источником тока значение тока известно, оно равно значению ис-
точника тока.
2.2.3 Алгоритм расчета токов по законам Кирхгофа
1. Пронумеровать и обозначить узлы схемы.
2. Выбрать и обозначить на схеме направления неизвестных токов в ветвях.
3. Выбрать независимые контуры и обозначить на схеме направления их
обхода.
4. Составить систему уравнений по законам Кирхгофа, в которой:
- (у – 1)
- уравнений составляются по первому закону Кирхгофа;
- (в – вит)-(у – 1)
5. Решить полученную систему уравнений любым методом и найти
неизвестные токи.
Пример:
Для схемы, представленной на рисунке 2.3 записать систему уравнений по
законам Кирхгофа.
- по второму закону Кирхгофа.
Рисунок 2.3 – Схема электрической цепи.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]