Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Воронежский государственный университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

pdf_labs / may05012

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

21.05.2015

Размер:

337.78 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

ЛА БО РА Т О РН Ы Й ПРА К Т И К У М ПО ЭЛЕ К Т РИ ЧЕ СТ В У И М А ГН Е Т И ЗМ У

Часть5 У чебно-методическоепособие

Специальности: 010701 (010400) – ф изика, 010801 (013800) – р адиоф изика и электр оника, 010803 (014100) – микр оэлектр оника и полупр оводниковы епр и- бор ы

В О РО Н Е Ж

2005

У твер ж дено научно-методическим советом ф изическогоф акультета

(27.02.05 г., пр отокол№ 2)

Составители: А лейников Н . ., А лейников А .Н .

У чебно-методическоепособиепо электр ичеству и магнетизму (часть 5) подготовленона каф едр еобщ ей ф изикиф изическогоф акультета В ор онеж ского государ ственного универ ситета. Рекомендуется для аудитор ной и самостоя - тельной подготовки студентов 2 кур са дневного и вечер него отделений ф и- зическогоф акультета.

Лабор атор ная р абота № 9

З У Ч Е НИ

Е Ц Е П Е Й

П Е РЕ М

Е ННО ГО

Т О К А

Ц ел ь

работы:

ознакомиться

из мер ения ми

активны х

р еактивны х

сопр отивлений,

я влением электр ического р езонанса, пр овер ить закон О ма для

пер еменноготока.

Пер еменны й ток– этоток,

котор ы й изменя ется совр еменем повеличине

и напр авлению.

Н а пр актикев больш инствеслучаев имеют дело с токами,

котор ы еизменя ются погар моническому закону

I = I0 cos(ω t+ϕо )

(1),

гдеI –

мгновенноезначениетока в момент вр емени t,

I0 – амплитуда тока,

ω t+ϕо –

ф аз а

колебаний, ϕо – начальная

ф аз а,

ω –

циклическая частота

колебаний.

И спольз уемы едля цепей постоя нноготока закон О ма ипр авила К ир хгоф а

могут

пр именя ться для

цепей

пер еменного тока

только в

случая х, когда

вы полня ется условиеквазистационар ности

T >>

2π

c ,

гдеT =

– пер иод колебаний пер еменноготока, l – длина контур а, покотор о-

c –

му р аспр остр аня ется

электр ический

сигнал,

скор ость р аспр остр анения

электр ическогосигнала. Т акиетокиназы ваются квазистационар ны ми.

В р аботер ассматр иваются

только случаи сквазистационар ны ми токами.

Расчеты электр ических цепей с пер еменны ми токами услож ня ются

тем, что в

р азветвленны х

цепя х

токи и

напр я ж ения

на р азличны х

участках могут

отличаться

ф азами.

А налитические

р еш ения

систем

ур авнений с

использованием

пр авил К ир хгоф а могут

пр едставля ть довольно слож ны е и

гр омоздкиенабор ы тр игонометр ических ф ункций. Н агля днееи удобнееделать этогр аф ически, использ уя такназы ваемы й метод вектор ны х диагр амм. О снован этот метод на следующ ем. Н есмотр я на точтои токи напр я ж ение– величины скаля р ны е, их аналитическиевы р аж ения , подобны е(1), ф ор мальносовпадают с ур авнения ми пр оекций вектор а ā, вр ащ ающ егося с угловой скор остью ω

x=acos(ω t+ϕо) или y=asin(ω t+ϕо).	содер ж ащ их активное
Рассмотр им пр имер ы пр остейш их цепей,	содер ж ащ их активное
сопр отивлениеR, индуктивность L, емкостьС.
1. Пер еменны й токв цеписактивны м сопр отивлением R.
Пусть в схемер ис.1а с источником пер еменной эдс Е	чер ез сопр отивлениеR

идет токIR=I0R cosω t. Позакону О ма напр я ж ениеUR на сопр отивленииR

UR=IR R=I0R Rcosω t= U0R cosω t.
И з последнего вы р аж ения следует, что напр я ж ениеUR	и ток IR изменя ются
синф азно (р ис.1б). Соответствующ ая этому случаю	вектор ная диагр амма
пр иведена на р ис.1в.

	4
	I U
	UR
R	IR
R			U0R= R
E		t	U0R= R
a	б		в
	Рис.1
2. В	цепи с индуктивностью (р ис.2а)	пр и изменении тока IL=I0Lcosω t

возникает эдссамоиндукции Е s = − L dIdt . Пр именим закон О ма для полной цепи

IR=E+Es. Считая индуктивностьидеальной, для котор ой активноесопр отивле-

ниеR=0, получим E= –Es=L dI/dt= –I0LωLsinωt= I0LωLcos(ωt+π/2). Т .к. напр я -

ж ениена индуктивностир авноэдсисточника E, получим

UL= I0LωLcos(ω t+π/2) = U0Lcos(ω t+π/2),

откуда следует, что напр я ж ениеUL опер еж ает по ф аз еток IL на величину π/2 (р ис.2б). Н а р ис.2в пр иведена соответствующ ая вектор ная диагр амма. В еличина XL=ωL я вля ется индуктивны м сопр отивлением.

I	U	U0L= ωL
L	π IL	+ π2
L	2	+ π2
E		t
		UL
a	б	в

Рис.2

3. В цепи с емкостью С (р ис.3а) ток чер ез конденсатор IC =I0C cosω t обусловлен изменением зар я да на обкладках конденсатор а IC = dq/dt. И нтегр и-

р уя IС, получим

qdt = II0С sinωt

ò С

Н апр я ж ениеUC на конденсатор еопр еделя ется зар я дом на его обкладках

UC = q/C, т.е.

I0C

ωt

I0C

cos(ω π

)

sincos(ωtt−π

)

U =

−=

ωC

ωС

откуда следует, чтонапр я ж ениена конденсатор еUC отстает поф аз еот тока IC

на π/2 (р ис.3б). Соответствующ ая

вектор ная

диагр амма пр иведена на р ис.3в.

В еличина XС=1/ωC пр едставля ет емкостноесопр отивление.

		5
I	U
C	I	U	_ π
C	I	U	2
E	π	t	/ ω
E	2	t	/ ω
a		б	в
		Рис.3

4. О бобщ енны й закон О ма для пер еменноготока.

Пр и последовательном включенииактивногосопр отивления R, индуктив-

ностиL иемкостиC

в цепьпер еменноготока (р ис.4а) токиIR, IL иIC одинаковы

и одновр еменно достигают амплитудны х значений,

т.е. I0R

=I0L =I0C

=I0. Н а

вектор ной диагр амме (р ис.4б) амплитуда напр я ж ения U0R = синф азна сI0, а ам-

плитуды напр я ж ений U0L=I0ωL и U0C =I0 /ωC сдвинуты

по ф аз еотносительно

тока I0 соответственно на +π/2 и –π/2. А мплитуда полного напр я ж ения U0 есть

р езультат вект

ор ногослож ения величин U0R , U0L иU0C , т.е.

ω=

−

ωC+()2

, / L1 UR

или I0 =

U 0

(2).

2 + ω − ωRC()2

/ L1

У р авнение(2) я вля ется обобщ енны м законом О ма для пер еменного тока.

В еличина

я/ вляL1Z етсRя полны м сопр отивлением для

данной

ω =− ωC+()2

схемы и назы вается

импедансом. Сдвиг ф аз ϕ меж ду током и напр я ж ением на

вектор ной диагр аммеопр еделя ется отнош ением катетов I0 (ωL – 1/ωC) иI0R, т.е.

tgϕ = ωL −1/ωC .

U0L= ωL

1 ω

U0R

		/ω
a		б
		б
		Рис.4
		Рис.4

5. Резонанснапр я ж ений.

Пр и последовательном соединении L и C (р ис.4а) сдвиг ф аз ϕ меж ду


током и напр я ж ением мож ет бы ть р авен нулю.		Т акое я	вление назы вается
р езонансом напр я ж ений. Пр оя вля ется	р езонанс в р ез ком		возр астании тока
(р ис.5а), огр аничиваемы м только	величиной	активного		сопр отивления .
О бъя сня ется это тем, что пр и достиж ении некотор ой частоты				ω0, назы ваемой
р езонансной частотой, напр я ж ения UL и UC, котор ы ер авны				по величине, но

сдвинуты по ф аз ена π, полностью компенсир уют др уг др уга (р ис.5б). Частота ω0 опр еделя ется из условия р езонанса ω0L=1/ω0C. Н а р ис.5в показана вектор ная

диагр амма для идеального случая	пр и нулевом	активном сопр отивлении. В
р еальном случае пр и R≠ 0 полная	компенсация	напр я ж ений не достигается
(р ис.5г).
IL

				t
ω	ω
a		б					г
6. Резонанстоков.			Рис.5
6. Резонанстоков.
Пр и пар аллельном соединении L и C (р ис.6а)						напр я ж ения		UL и UC
одинаковы , а колебания токов IL и IC пр отивоф азны (р ис.6б). Н а частотеω0, оп-
р еделя емой	условием р езонанса		ω0L=1/ω0C,		мож ет	наблюдаться		р езонанс
токов, котор ы й		пр оя вля ется	в р езком		уменьш ении тока			(р ис.6в),
огр аничиваемы м		величиной активного		сопр отивления			индуктивности Rа,
котор оена р ис.6а показанопунктир ом. В				идеальном случаепр и RА =0 токи I0L и
I0C могут полностью компенсир овать др уг др уга (р ис.6в). В							р еальны х случая х
активноесопр отивлениеиндуктивности Rа всегда отлично от нуля .								Поэтому
сумма токов I0C иI0L,R немож ет достигатьнулевогозначения (р ис.6г). Пр ичем с
увеличением сопр отивления Rа р езонанстоков пр оя вля ется слабее.
		,I
C	L
E			t			ω
		I			ω	ω
a		I			ω
a		б	Рис.6		в		г	д
			Рис.6

О писан ие м акета

220	mA	V
220

Рис.7

R C L

Н а р ис.7 изобр аж ен лабор атор ны й макет. М акет питается от сети пер е- менного напр я ж ения 220 В , 50 Гц. Н апр я ж ениесети подается на пониж ающ ий тр ансф ор матор . К клеммам на лицевой панели макета от источников тока подведено постоя нноеи пер еменноенапр я ж ение. Н а макетер асполож ены миллиампер метр и вольтметр постоя нногои пер еменноготока, р езистор R, конденсатор C, катуш ка индуктивности L. В качествер егулир уемой емкости пр именен магазин конденсатор ов, состоя щ ий из двух декад. Е мкостьпер вой декады мож - ноизменя тьот 5 до15 мкФ сш агом 1,0 мкФ , емкостьвтор ой декады – от 0 до1 мкФ сш агом 0,1 мкФ . Н а вы ходемагазина емкостиобеих декад склады ваются .

У пражн ен ие 1. И змер ениеактивногосопр отивления R.

Собр ать схему р ис.8. В ключить источник постоя нного тока и измер ить ток и напр я ж ение. В еличину R вы числитьпоз акону О ма R= U=/I=.Рез ультаты занести в таблицу 1.

У пражн ен ие 2.			О пр еделениеактивного Ra			и р еактивного XL сопр отивлений,
индуктивностиL катуш кииндуктивности.
	мА			мА			мА
					Rа
	E	V	R	E	V		V
	E			E		E

					L		C
							C

		Рис.8			Рис.9		Рис.10

Собр атьсхему р ис.9. Пр и включенном источникепостоя нноготока изме-

ритьтокинапр я ж ение. А ктивноесопр отивлениеRa катуш кииндуктивности(на

рис.9 показанопунктир ом) вы числитьпоф ор мулеRа=U= /I=. И змер ения повто-

р итьна пер еменом токеивы числитьполноесопр отивлениекатуш кииндуктивности Z = U≈ /I≈. Зная Ra и Z, вы числитьвеличину индуктивногосопр отивления


L =		2 X− Ra2 . ИZндуктивностьвы числитьпоф ор мулеL= XL /2πf, гдеf = 50 Гц–
частота напр я ж ения гор одской электр осети. Результаты занестив таблицу 1.
У пражн ен ие 3. О пр еделениеемкостногосопр отивления XС конденсатор а.
	Собр ать схему р ис.10. И змер ив пер еменны еток и напр я ж ение, опр еде-
лить емкостноесопр отивлениеXС =U≈ /I≈. В еличину емкости вы числить по
ф ор мулеС=1 / 2πfXС. Результаты занестив таблицу 1.
У пражн ен ие 4. Пр овер ка обобщ енногозакона О ма.
	Собр ать схему р ис.11. И змер ив ток и напр я ж ение,								вы числить величину
полного сопр отивления						цепи Zиз м =U≈ /I≈. И спольз уя р ез ультаты				пр еды дущ их
упр аж нений, вы числитьвеличину полногосопр отивления цепипоф ор муле
							/ L1+ ( R( R)
Zвы ч			2		ω − ωC+=)2		/ L1+ ( R( R)	занестив таблицу 1.
Zвы ч				a			. Результаты	занестив таблицу 1.
		мА			R	Rа	L C
					R	Rа	L C	мА	Rа	L
									Rа	L
		E
		E		V				E	C
				V

			Рис.11						Рис.12

Упражн ен ие 5. Резонаснапр я ж ений.

Впр еды дущ ей схеме(р ис.11) в качествер егулир уемой емкостивключить магазин конденсатор ов. В ольтметр мож но отключить. Сня тьзависимостьтока

от величины емкости, изменя я емкостьот от 5 до15 мкФ сш агом	С=1,0 мкФ .
В области экстр емума тока для более точного опр еделения	полож ения

экстр емума изменя ть емкость с ш агом С=0,1 мкФ , использ уя втор ую декаду магазина конденсатор ов. Постр оить гр аф ик зависимости I=f (C). По гр аф ику опр еделить значениеемкости С0, пр и котор ом ток пр инимает экстр емальное значение. И спольз уя условиер езонанса, вы числитьиндуктивностьпоф ор муле

Lвы ч= 4π 21f 2C .

Рез ультаты занестив таблицу 2.

У пражн ен ие 6. Резонанстоков.

Собр атьсхему р ис.12. В качествер егулир уемой емкости С использ овать магазин конденсатор ов. Повтор ить заданиеупр аж нения 5. Постр оить гр аф ик зависимостиI=f (C) для р езонанса токов.

Рез ультаты занестив таблицу 2.

Т а блица 1

I =

I ≈

U =

U ≈

Rа

Х L

Х C

Zиз м

Zвы ч

мA

О м

Гн

О м

мкФ

О м

У пр. 1

–

У пр. 2

–

У пр. 3

–

У пр. 4

–

Т а блица 2

Резонанс

С, мкФ

С0

Lвы ч

напр я ж ений

I, мA

Резонанс

С, мкФ

С0

Lвы ч

токов

I, мA

Реком ен даци при подготовке отчета оработе

О тчет долж ен содер ж ать:

1.К р аткиесведения оцепя х пер еменноготока.

2.Электр ическиесхемы всех упр аж нений.

3.Рез ультаты упр аж нений 1, 2, 3 и4, занесенны ев таблицу 1.

4.Рез ультаты упр аж нений 4 и5, занесенны ев таблицу 2.

5.Пр имер ы вы числений сопр отивления R в упр аж нении 1, индуктивности L в упр аж нения х 2, 5 и6, емкостиC в упр аж нении3.

6.В ектор ную диагр амму, постр оенную пор езультатам упр аж нения 4.

7.Гр аф икзависимостиI=f (C), отр аж ающ ий р езонаснапр я ж ений, постр оенны й пор езультатам упр аж нения 4.

8.Гр аф икзависимостиI=f (C), отр аж ающ ий р езонастоков, постр оенны й пор е- зультатам упр аж нения 5.

9.К р аткиевы воды пор аботе.

К он трол ь н ые вопросы

1.К вазистационар ны етоки. У словиекваз истационар ности. Почему закон О ма ипр авила К ир хгоф а непр именимы для цепей пер еменноготока, когда невы - полня ется условиеквазистационар ности?

2. О сновны е пар аметр ы пер еменного тока – частота, ф аз а, начальная ф аз а, пер иод, амплитудны еимгновенны езначения токов инапр я ж ений.

3.Поня тиеактивного и р еактивного сопр отивлений. Полноесопр отивление (импеданс) для участков цеписактивны м и индуктивны м сопр отивления ми,

активны м и емкостны м сопр отивления ми, с активны м, индуктивны м и емкостны м сопр отивления ми.

4.Сдвиг ф аз меж ду током инапр я ж ением в цепя х сактивны м, индуктивны м и емкостны м сопр отивлением.

	10
5.	Поня тие о методе вектор ны х диагр амм. В ектор ны е диагр аммы для
	р азличны х цепей сактивны м, емкостны м ииндуктивны м сопр отивления ми.
6.	Закон О ма для пер еменноготока. К акиер езультаты подтвер ж дают закон О ма

в данной р аботе?

7.Резонанс напр я ж ений. У словиер езонанса. В ид вектор ны х диагр амм в идеальном ир еальном случая х пр ир езонансенапр я ж ений.

8. Резонанстоков. У словиер езонанса. В ид вектор ны х диагр амм в идеальном и

р еальном случая х пр ир езонансетоков.

9.Пр актическоепр именениер езонанса напр я ж ений и р езонанса токов в электр отехнике.

Л итература

1.	К алаш ников С. Г. Электр ичество / С. Г. К алаш ников. – М ., 2004. – С. 290 –
	293; 507 – 517.
2.	Сивухин Д . В . О бщ ий кур сф изики: в 3–х т. / Д . В . Сивухин. – М ., 2004. Т .3:
	Электр ичество. – С. 540 – 560.

Лабор атор ная р абота № 15

И З У Ч Е НИ Е П О Л У П РО ВО ДНИ К О ВЫ Х ВЫ П РЯ М И Т Е Л Е Й

Ц ел ь работы: ознакомиться спр инципом р аботы полупр оводниковогодиода и р азличны ми схемами вы пр я мителей на полупр оводниковы х диодах, научиться собир атьпр остейш иеэлектр ическиесхемы и пр овер я тьих р аботоспособность, наблюдая ф ор му электр ическогосигнала пр ипомощ иосциллогр аф а.

В ы пр я мители – это устр ойства, пр еобр азующ ие пер еменны й ток в постоя нны й. В ентильны мисвойствамипр опускатьтокодногонапр авления ине пр опусатьтокдр угого напр авления обладают вакуумны едиоды (кенотр оны ) и полупр оводниковы е диоды . Полупр оводниковы е диоды имеют целы й р я д пр еимущ еств по ср авнению свакуумны ми диодами. В них нет накаливаемого

катода.	О ни менеехр упки, а следовательно, болеебезопасны , чем вакуумны е
диоды ,	вы полненны е в стекля нном кор пусе. Полупр оводниковы е диоды

обладают исключительновы сокой надеж ностью. Пр ипр авильной эксплуатации

ср ок их служ бы пр актически неогр аничен, в	то вр емя как в кенотр онах, в
р езультате вы сокой темпер атур ы катода,	эмиссионны е свойства катода

ухудш аются (катод из наш ивается ). Н емаловаж ны м достоинством полупр оводниковы х диодов я вля ется возмож ность их изготовления в микр оминиатюр ном исполнении.

1 / 21 2 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке pdf_labs

#
21.05.2015337.78 Кб17may05012.pdf
#
21.05.2015232.66 Кб15may05013.pdf
#
21.05.2015163.99 Кб16sep04027.pdf
#
21.05.2015174.34 Кб15sep04028.pdf
#
21.05.2015369.16 Кб17sep06025.pdf