- •Лабораторна робота № 11
- •Визначення індуктивності котушки, ємності
- •Конденсатора та перевірка закону ома для
- •Електричного кола змінного струму
- •Ііі. Теоретичні питання програми, знання яких необхідне для виконання роботи
- •IV. Теоретичні відомості та опис установки
- •V. Завдання та хід виконання роботи
- •VI. Література
- •VII. Запитання для самоконтролю і контролю
V. Завдання та хід виконання роботи
а). Вимірювання індуктивності котушки.
Із формули (11.12) випливає, що індуктивність котушки:
, (11.15)
де , (11.16)
аактивний опір . (11.17)
1. Збирають електричне коло за схемою, поданою на рис. 11.1 (Реостат r відіграє тут роль тільки запобіжника).
2. Для визначення активного опору Rа з’єднують за допомогою ключа К коло котушки з джерелом постійного струму і вимірюють амперметром та вольтметром Іпост та Uпост.
3. Вимірювання проводять ще для шести значень напруги; дані заносять у таблицю 11.1.
4. Розраховують Rа для кожного рядка таблиці 11.1 за формулою (11.17), проводять обробку даних за програмою 1 (додаток 3) і записують остаточний результат
= <> ± ∆.
5. Для знаходження сумарного опору Z1 кола з’єднують його ключем К з джерелом змінного струму і вимірюють вольтметром та амперметром Іеф.та Uеф.
Tаблиця11.1
№ п/п |
Uпост. |
Іпост |
Α |
tα,n |
S<> |
∆ |
E | |||
поділки |
В |
поділки |
А |
Ом |
- |
- |
Ом |
Ом |
% | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для сімох напруг. Дані заносять у таблицю 11.2.
За формулами (11.16) і (11.15) обчислюють сумарний опір Z1 кола та індуктивність котушки L за програмою 1 (додаток 3), і записують остаточний результат
L = <L> ± ∆L.
Таблиця 11.2
№ п/п |
Uеф |
Іеф |
α |
tαn |
S<L> |
∆L |
EL | |||||
Ом |
под |
В |
под |
А |
Ом |
Гц |
- |
- |
Гц |
Гц |
% | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. Циклічну частоту ω (для таблиці 11.2) обчислюють за формулою ω=2πυ, де лінійна частота змінного струму υ=50 Гц.
8. Роблять висновки за результатами таблиць 11.1 та 11.2.
б). Визначення ємності конденсатора.
Ємність конденсатора С може бути визначена за формулами (11.13)
, (11.18)
де - сумарний опір кола;
(11.18’)
Rа – омічний (активний) опір кола;
ω – циклічна частота.
Остання формула значно спрощується, якщо вимірюється безпосередньо на обкладках конденсатора, бо тоді омічний опір практично рівний нулеві (при виключеному магазині опорів (рис.11.1)). В цьому випадку
. (11.19)
1. Замість котушки вмикають у коло (рис. 11.1) досліджуваний конденсатор.
2. Замикають перемикач на змінний струм і за амперметром і вольтметром вимірюють струм і напругу. Дані заносять у таблицю 11.3.
3. Змінюючи , вимірювання повторюють сім разів. Для збільшення точності вимірювання покази приладів повинні бути у другій половині шкали.
4. Частота ω, як і раніше, рівна ω=2πυ=314 с-1.
5. Для кожного рядка таблиці 11.3 розраховують повний опір Z2 та ємність конденсатора С за формулами (11.18’) та (11.19).
6. Проводять статистичну обробку даних для С за програмою 1 (додаток 3);і записують остаточний результат:
С = <С> ± ∆С.
7. Роблять висновок з проведеного дослідження ємності конденсатора.
Таблиця 11.3
№ п/п |
ω |
Uеф. |
Іеф. |
С |
α |
tαn |
S<С> |
∆С |
EС | |||
Гц |
под |
В |
под |
А |
Ом |
Ф |
- |
- |
Ф |
Ф |
% | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в). Перевірка закону Ома для кола змінного струму.
Якщо в коло змінного струму увімкнені послідовно омічний (активний) опір, індуктивність та ємність, то повний опір кола (імпеданс) визначається за формулою
. (11.20)
Активний опір (омічний) Rа не зміщує фази струму відносно фази напруги (формули (11.1), (11.2)). За допомогою векторної діаграми це зображують так (рис.11.2):
І U
Рис.11.2
Як видно з формули (11.3) напруга у колі змінного струму при Rа →0 (формула 11.5) tgφ→∞ і φ=90˚ (рис.11.3).
UL
І
Рис.11.3
Аналогічно для конденсатора можна прийти до висновку (формули (11.6) і (11.8)), що в ньому напруга відстає від струму на величину фази φ=90˚ при (Rа =0) (рис.11.4).
І
UС
Рис.11.4
Зсув фази між струмом і напругою у колі змінного струму легко визначити з так званої векторної діаграми кола.
Нехай коло складається з послідовно з’єднаних резистора, котушки і конденсатора (рис. 11.5). Причому котушку будемо вважати ідеальною, тобто, такою,
Рис.11.5.
що не має омічного опору. Її омічний опір виділимо окремо як активний опір кола Rа.
Побудову векторної діаграми розпочинають з вибору напрямку осі струму, наприклад, горизонтальною, як показано на рис.11.6.
Падіння напруги в активному опорі Uа відкладають вздовж осі І , бо φ=0.
Падіння напруги в UL відкладають під кутом 90˚ до напрямку І (в бік випередження), а UС - під кутом 90˚ до напрямку І у бік відставання.
UL
U
UL- UС
φ Uа І
UС
Рис.11.6
Довжини векторів Uа, UL та UС для даної сили струму визначаються відповідними – активним Rа, індуктивним RL=ωL та ємнісним - опорами.
Далі геометрично додають вектори Uа, UL та UС.
Спочатку зручніше додати вектори UL та UС, оскільки вони лежать на одній прямій. Потім, додають UL -UС з Uа і отримують вектор U, величина і напрямок (зсув фаз) якого визначаються з діаграми.
З рисунка 11.6 за теоремою Піфагора:
U2= Uа2+( UL -UС)2 або (ІZ)2=(І Rа)2+І2·(RL -RС)2
звідки (11.20)
Перевірка справедливості цієї формули і є метою даного завдання.
1. Вмикають в коло котушку індуктивності і послідовно з нею конденсатор. Омічний опір котушки індуктивності, її індуктивність та ємність конденсатора були визначені у завданнях а), б).
2. Замикають перемикач на змінний струм, і вимірюють Uеф. та Іеф. сім разів, змінюючи лабораторним автотрансформатором Uеф.
3. Дані заносять у таблицю 11.4, і для кожного її рядка обчислюють повний опір кола за формулою:
Таблиця 11.4
№ п/п |
Uеф |
Іеф |
<Z> |
α |
tαn |
S<Z> |
∆Z |
EZ | ||||
Ом |
под |
В |
под |
А |
Ом |
Ом |
- |
- |
Ом |
Ом |
% | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Проводять статистичну обробку результатів за програмою 1 (додаток 3) і записують остаточний результат
Z = <Z> ± ∆Z.
5. Знаючи ω, С, L, Ra, розраховують Z за теоретичною формулою (11.20), і проводять порівняння результату, одержаного експериментально, та розрахованого теоретично. Роблять висновок.