3 Дослідження rl- та rc- кіл при синусоїдній дії

3.1 Мета роботи

Експериментальна перевірка основних законів електричних кіл при дії синусоїдної напруги на послідовне та паралельне з‘єднання RL та LC елементів в установленому режимі; оцінка впливу частоти джерела електричної енергії на величини струмів, напруг та на фазові співвідношення у колах, що досліджуються.

3.2 Підготовка до виконання лабораторної роботи

3.2.1 Вивчити метод комплексних амплітуд у конспекті лекцій та літературі [1, с. 119–203].

3.2.2 Згідно з табл.3.1 і рис.3.1 зобразити схеми RL-таRC-кіл. Номер варіанта співпадає з номерами бригади. Продумати спосіб з'єднання елементів лабораторного макету для отримання потрібних схем (рис.3.2). Вигляд передньої панелі лабораторного макета наведено на рис.3.1.

3.2.3 Вважаючи початкову фазу джерела ЕРС нульовою (тобто ), а параметри елементів– згідно з табл.3.1, розрахувати для частоти f₁ комплексні опори, комплексні діючі значення струмів та напруг для заданих в табл.3.1 і відповідно зображених на рис.3.1 однієї схеми з послідовним та однієї схеми з паралельним з'єднанням елементів.

Таблиця 3.1–Варіанти та параметри схем відповідно номерам макетів

Варiант	Номер макету	, В	L, мГн	C, мкФ	R, кОм	Номера рисункiв	f1, Гц	f2, кГц
1 а б в	1 1 1	4,0 5,0 6,0	343 343 343	0,11 0,11 0,11	=0,9 =1,2 =1,5	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в	400 450 420	4,0 4,5 4,2
2 а б в	2 2 2	5,0 4,0 5,5	375 375 375	0,08 0,08 0,08	=1,2 =1,7 =1,0	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г	500 540 580	5,0 5,4 5,8
3 а б в	3 3 3	3,0 4,0 5,0	351 351 351	0,07 0,07 0,07	=1,1 =1.0 =1,3	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в	550 500 600	5,5 5,0 6,0
4 а б в	4 4 4	4,5 5,5 6,0	323 323 323	0,1 0,1 0,1	=1,1 =1,6 =1,3	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г	500 450 550	5,0 4,5 5,5
5 а б в	5 5 5	4,0 3,0 6,0	377 377 377	0,05 0,05 0,05	=1,2 =1,3 =1,6	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в	400 470 500	4,0 4,7 5,0
6 а б в	6 6 6	5,0 6,0 4,0	290 290 290	0,07 0,07 0,07	=1,3 =1,5 =1,1	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г	440 450 520	4,4 4,5 5,2
7 а б в	7 7 7	4,0 6,0 5,0	317 317 317	0,11 0,11 0,11	=1,0 =1,6 =1,2	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в	400 470 500	4,0 4,7 5,0
8 а б в	8 8 8	4,5 5,5 6,5	438 438 438	0,07 0,07 0,07	=1,2 =1,5 =1,3	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г	500 450 400	5,0 4,5 4,0
9 а б в	9 9 9	6,0 5,0 4,0	312 312 312	0,11 0,11 0,11	=1,1 =1,0 =1,5	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в	600 450 550	6,0 4,5 5,5
10 а б в	10 10 10	4,0 5,0 6,0	375 375 375	0,08 0,08 0,08	=1,6 =1,3 =1,0	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г	410 460 510	4,1 4,6 5,1
11 а б в	11 11 11	8,0 7,0 7,5	470 470 470	0,1 0,1 0,1	=2,15 =2,1 =2,1	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в	500 450 400	5,0 4,5 4,0
12 а б в	12 12 12	7,0 8,5 8,0	485 485 485	0,10 0,10 0,10	=1,93 =2,1 =2,1	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г	400 550 500	4,0 5,5 5,0

3.2.4 Згідно з результатами розрахунків побудувати векторні діаграми схем, що досліджуються. На кожній діаграмі зображають у масштабі вектори усіх розрахованих струмів та напруг, а також заданого .

3.2.5 За результатами розрахунків записати аналітичні вирази миттєвих значень струмів та напруг.

3.2.6 Продумати, як впливає зміна частоти на величини струмів, спадів напруг та зсувів фаз в інших схемах, які не розраховувались в даному варіанті.

3.2.7 Ознайомитись із описом приладів: генератор типу ГЗ–33 (див. додаток А), вольтметр ВЗ–13 (див. додаток Б), осцилограф типу С1–68 (див. додаток В).

3.2.8 Відповісти на контрольні запитання, наведені в кінці методичних вказівок до цієї роботи.

3.3 Суть роботи

В роботі експериментально визначають струми у вітках, вимірюють спади напруг на елементах та зсуви фаз між вхідною напругою і струмами або спадами напруг в колах, що досліджуються, а також аналізують часові діаграми струмів та напруг.

Всі виміри проводять на двох частотах (f₁, f₂). Результати вимірів для частоти f₁ порівнюють з попередніми розрахунками для цієї частоти.

3.4 Опис лабораторної установки

Лабораторна установка (рис.3.2) являє собою блок (макет), в якому розміщені елементи кіл (котушка індуктивності, конденсатори, резистори), а також вимірювальні опори R_u=10 Ом, які призначені для вимірювання діючих значень струмів за допомогою вольтметра. На передній панелі макету зображені елементи R, L, C та спеціальні гнізда, які дозволяють за допомогою гнучких перемичок складати схеми кіл (рис.3.1) та вмикати до потрібної ділянки кола вимірювальні прилади.

На лівій боковій панелі макету встановлено два (верхня та нижня) гнізда Г1 (на окремих макетах позначені як Х1), до яких підключають джерело напруги. Ці ж гнізда виведено на передню панель макету (рис.3.1), де вони позначені відповідно верхнє – Г₁, нижнє – . В якості джерела напруги використовують генератор сигналів звукової та ультразвукової частот типу ГЗ–33. Для вимірювання напруги використовується ламповий мілівольтметр типу ВЗ–13. Зсуви фаз експериментально визначають за допомогою осцилографа типу С1–68.

3.5 Порядок виконання роботи

3.5.1 Увімкнути прилади.

3.5.2 Встановити режим внутрішнього навантаження генератора., внутрішній опір генератора R_i=600 Ом та згідно з варіантом частоту генератора f₁.

3.5.3 Зібрати згідно з варіантом схему із послідовним з’єднанням елементів.

3.5.4 Підключити вихід генератора до гнізд Г1.

3.5.5 Встановити за допомогою вольтметра напругу на затискачах генератора (вхідна напруга схеми) , згідно з варіантом, виміряти спади напруг на всіх елементах кола.

При всіх вимірах слідкувати, щоб "земляні" клеми генератора та вимірювальних приладів були з‘єднані в одну точку. При необхідності можна перемикати "земляну" клему генератора з нижнього гнізда до верхнього або навпаки.

6. Визначити струм в схемі, скориставшись непрямим методом, для чого вимірити спад напруги на вимірювальному опорі R_и=10 Ом, який вмикається послідовно з елементами схеми. Струм при цьому визначається згідно закону Ома ().

3.5.7 Виміряти зсуви фаз між вхідною напругою та спадами напруг на елементах кола, між вхідною напругою та струмом. При визначенні зсуву фаз між вхідною напругою та струмом скористатись тим, що початкові напруги та струми на активному опорі збігаються, тому вимірюють зсув фаз між вхідною напругою та спадом напруги на вимірювальному опорі. Вимірювання зсуву фаз проводити за допомогою осцилографа С1-68.

3.5.8 Повторити всі виміри, встановивши на генераторі частоту f₂.

3.5.9 Зібрати згідно з варіантом схему із паралельним з’єднанням елементів та виміряти на частотах f₁, f₂ непрямим методом діючи значення загального струму, та струмів у вітках. Виміряти зсуви фаз між вхідною напругою та всіма струмами.

3.6 Обробка та оформлення результатів вимірів

При обробці результатів експериментів необхідно:

1) порівняти результати розрахунків та вимірів на частоті f₁;

2) згідно з експериментами побудувати векторні діаграми напруг та струмів для частоти f₂. Результати розрахунків та вимірів оформити у вигляді звіту.

Звіт повинен містити:

1) схеми кіл;

2) розрахункові формули, а також розрахункові та експериментальні дані, зведені в таблицю;

3) векторні діаграми струмів і напруг (розрахункові та експериментальні);

4) висновки та критичну оцінку отриманих результатів.

3.7 Контрольні запитання та завдання

Пояснити основні параметри, що описують синусоїдні коливання: амплітуда, фаза (повна і початкова), період, частота (циклічна і кутова).

Що таке фазовий зсув струму відносно напруги? Чи залежить фазовий зсув від вибору початку відліку часу?

Як називаються фазові зсуви, що дорівнюють 0, ,? Пояснити їхзміст.

Яке співвідношення між діючим і амплітудним значеннями синусоїдних струмів і напруг?

Що називається комплексною амплітудою, комплексним діючим значенням синусоїдного струму, напруги, ЕРС?

Що таке векторна діаграма?

Як перейти від миттєвих значень до комплексних і зворотно?

Два комплексних опори сполучені послідовно. Миттєві значення напруг на цих опорах дорівнюють: , В;, В. Знайти комплексну амплітуду і миттєве значення загальноїнапруги.

Відповідь: В;, В.

Два комплексних опори сполучені паралельно. Миттєві значення струмів в цих опорах дорівнюють: , мА;, мА. Знайти комплексну амплітуду і миттєве значення загальногоструму.

Відповідь: мА;, мА.