- •Оглавление
- •Введение
- •Условные обозначения в электрических схемах
- •Инструкция № 40
- •Общие положения
- •Правила поведения и обязанности студентов при выполнении лабораторных работ в учебных лабораториях кафедры
- •Подготовка к лабораторной работе
- •Порядок допуска к выполнению лабораторной работы
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Форма представления результата
- •Форма представления результата
- •Построение графиков
- •Пример построения графика
- •График зависимости длины стержня от растягивающей нагрузки
- •1. Электростатическое поле
- •1.1. Напряженность электрического поля
- •1.2. Потенциал
- •1.3. Связь между напряженностью и потенциалом
- •1.4. Линии напряженности и поверхности равного потенциала
- •1.5. Проводники в электростатическом поле
- •1.6. Электроемкость
- •1.7. Диэлектрики в электростатическом поле
- •Лабораторная работа №1 изучение электростатического поля
- •Методика и техника эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •1. Дно ванны заполните водой.
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №2 изучение электроемкости конденсаторов
- •Методика и техника эксперимента
- •Задание 1. Определение баллистической постоянной
- •Задание 2. Определение емкостей исследуемых конденсаторов
- •Задание 4. Измерение емкости последовательно соединенных конденсаторов
- •Контрольные вопросы
- •II. Постоянный электрический ток
- •2.1. Электрический ток, его характеристики и условия существования
- •2.2. Закон Ома в дифференциальной форме с точки зрения классической теории проводимости металлов (ктпм)
- •2.3. Обобщенный закон Ома
- •2.4. Закон Джоуля-Ленца
- •2.5. Разветвлённые цепи. Правила Кирхгофа
- •Лабораторная работа №3 исследование цепи постоянного тока
- •Методика и техника эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №4 экспериментальное изучение правил кирхгофа
- •Методика и техника эксперимента
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы
- •Вариант 1
- •I. Определение сопротивления r1
- •II. Определение сопротивления r2.
- •IV. Определение общего сопротивления при параллельном соединении сопротивлений r1 и r2
- •Вариант 2
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №7 определение удельного сопротивления нихромовой проволоки
- •Методика эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •Измерения и вычисления для схемы 1
- •Измерения и вычисления для схемы 2
- •Справочные данные и параметры установки
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №8 изучение температурной зависимости сопротивления проводников
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •III. Электрический ток в вакууме
- •Лабораторная работа №9. Определение работы выхода электрона из металла
- •Методика и техника эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №10. Изучение работы трехэлектродной лампы
- •Методика и техника эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •IV. Постоянное магнитное поле
- •4.1. Магнитное поле и его характеристики. Закон Ампера.
- •(Нерелятивистский случай)
- •4 .3. Закон Био-Савара-Лапласа
- •4.4. Индукция магнитного поля соленоида
- •4.5. Магнитный поток
- •4.6. Действие магнитного поля на заряды
- •4.7. Электромагнитная индукция
- •V. Магнитное поле в веществе
- •5.1. Магнитные моменты электронов и атомов
- •5.3. Намагниченность
- •5.4. Магнитное поле в веществе
- •5.5. Ферромагнетики
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 12. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 13. Определение удельного заряда электрона
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 14. Изучение явления взаимной индукции
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 15. Определение индуктивности катушки с помощью моста максвелла
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 16. Изучение работы трансформатора переменного тока
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 17. Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •VI. Электромагнитные колебания
- •6.1. Колебательный контур
- •6.2. Затухающие колебания
- •6.3. Вынужденные колебания
- •6.4. Резонанс
- •Лабораторная работа № 18. Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 19. Изучение вынужденных колебаний в колебательном контуре
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 20. Измерение мощности переменного тока и сдвиг фаз между током и напряжением
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 21. Выпрямление переменного тока с помощью мостовой схемы
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Приложение Основные физические постоянные (округленные значения)
- •Работа выхода электронов
- •Греческий алфавит
- •Множители и приставки
- •Электричество и магнетизм
- •664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83
Контрольные вопросы
1. Какую физическую величину называют индуктивностью? От чего она зависит? Каковы единицы измерения индуктивности в системе СИ?
2. Объяснить причину индуктивного сопротивления катушки в цепи переменного тока. Каким соотношением описывается индуктивное сопротивление? В каких единицах оно измеряется?
3. Как применяется мост Максвелла для измерения индуктивности катушки? Вывести условия равновесия моста.
Лабораторная работа № 16. Изучение работы трансформатора переменного тока
Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы трансформатора, определение коэффициента трансформации понижающих и повышающих трансформаторов, изучение зависимости коэффициента трансформации от нагрузки.
Приборы и принадлежности: вольтметр на 6В, вольтметр на 300 В, вольтметр на 450 В, миллиамперметр на 600 мА, лабораторный автотрансформатор, лампы накаливания – 6 шт., исследуемые трансформаторы – 3 шт.
Методика эксперимента
Трансформатором называют техническое устройство, предназначенное для преобразования амплитудных значений переменных токов или напряжений при неизменной частоте. Конструкция трансформатора зависит от его назначения и частоты переменного тока цепи, где он включен. Трансформаторы, включаемые в цепи промышленной частоты (ν = 50 Гц), состоят из двух или более электрически изолированных обмоток, надетых на общий замкнутый сердечник 1 из магнито-мягкого ферромагнетика (рис. 5.19). Концы одной из обмоток, называемой первичной n1, подключаются к сети питающего переменного тока с ЭДС Е (вход трансформатора), а концы других обмоток n2, называемых вторичными, подключаются к потребителям электрической энергии (осветительные и электронагревательные приборы), электродвигатели, радиоприемники и т.п. (см. рис. 5.19).
Е сли ЭДС в первичной обмотке изменяется по гармоническому закону:
ЕI = Em cosωt,
где Еm – амплитудное значение ЭДС, ω = 2 πv круговая частота, то в цепи первичной обмотки потечет переменный ток I = Im cos(ωt + φ) с той же частотой. Этот переменный ток первичной обмотки вызовет появление переменного магнитного поля, а следовательно, и переменного магнитного потока Ф = Фcоs(ωt + φ). Большая часть магнитного потока Ф, замкнувшись по ферромагнитному сердечнику, сопротивление которого магнитному потоку мало, будет охватывать все обмотки трансформатора и наводить в них в соответствии с законом электромагнитной индукции ЭДС индукции : ;
где n1 и n2 число витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно.
Обычно стремятся выполнить трансформаторы так, чтобы поток рассеяния первичной обмотки был мал, то есть Ф' < Ф. Применяя к обмоткам трансформатора закон Ома, необходимо мгновенное значение ЭДС на входе трансформатора, равное алгебраической сумме ЭДС индукции Ei1 и внешней ЭДС Ei:
и на выходе трансформатора:
.
Обычно технические трансформаторы изготовляют так, чтобы омическое сопротивление обмоток было мало, то есть R1 → 0, тогда и R1I1→ 0 в режиме холостого хода, когда цепь вторичной обмотки разорвана и I2 = 0, получим соотношение для мгновенных значений:
и .
Отношение ЭДС во вторичной обмотке Е2, к ЭДС в первичной обмотке E1, взятое по модулю, равно отношению числа витков во вторичной обмотке n2 к числу витков в первичной обмотке n1, и называется коэффициентом трансформации K:
.
Тогда мгновенное значение ЭДС во вторичной обмотке:
Е2 = – K∙El = – K∙Eml сosωt = K∙Emlсos (ωt + π),
то есть ЭДС в первичной и вторичной обмотках изменяются в противофазе (сдвинуты по фазе на 180o). Когда к трансформатору подключена нагрузка и во вторичной обмотке протекает ток I2, то, пренебрегая потерями энергии в трансформаторе, в соответствии с законом сохранения энергии для мгновенных значений мощностей, развиваемых в первичной и вторичной обмотках можно записать:
P1 = E1 ∙ l1 = E2∙ l2 = P2
или:
.
Если трансформатор, повышающий по напряжению (Е2 > E1 и K > 1), то по току он понижающий (I2 < I1). Поскольку ток во вторичной обмотке изменяется в противофазе к току первичной обмотки, то создаваемый им переменный магнитный поток будет уменьшать магнитный поток первичной обмотки Ф, что приведёт к снижению коэффициента трансформации нагруженного трансформатора, по сравнению с режимом холостого хода. Потери энергии в трансформаторе обуславливают его КПД и складываются из потерь в меди обмоток и стали сердечника. Потери в меди обмоток связаны с их нагревом при протекании электрического тока. Эти потери удается понизить уменьшением омического сопротивления обмоток, то есть выполняя их из провода большого сечения и малого удельного сопротивления. Потери в стали сердечника связаны с разогревом его вихревыми токами, а также расходом энергии на перемагничивание. Вихревые токи удается уменьшить, набирая сердечник из тонких листов стали, изолированных друг от друга лаком. Потери на перемагничивание уменьшают, используя специальные сорта электротехнической стали, представляющей собой магнито-мягкий ферромагнетик с узкой петлей гистерезиса. КПД современных трансформаторов достигает 99%. Наряду с трансформаторами с изолированными обмотками, применяются трансформаторы, у которых вторичная обмотка является частью первичной. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами (рис. 5.20 и рис. 5.21). Если вывод обмотки выполнить в виде подвижного контакта, то получится автотрансформатор с плавно изменяемым коэффициентом трансформации ЛАТР – лабораторный автотрансформатор.
Порядок выполнения работы
Установить ручки управления в исходное состояние, для чего:
а) выключатель S1 установить в положение «включено» (нижнее положение).
б) выключатель S2 установить в верхнее положение.
в) выключатели S4, S5, S6, S7 установить в положение «выключено» (нижнее положение).
г) ручку управления автотрансформатором (ЛАТР) T1 установить против часовой стрелки до упора.
Выключателем S1 включить установку в сеть переменного тока (рис. 5.20) (верхнее положение).
Определить коэффициент трансформации понижающего трансформатора T1 в режиме холостого хода, для чего:
установить переключатель S2 в верхнее положение;
с помощью автотрансформатора T1 установить на первичной обмотке трансформатора T1 последовательно 100, 150 и 200 В (вольтметр PV1);
показания вольтметра РV2 во вторичной обмотке записать в таблицу 5.9 и вычислить значение коэффициента трансформации для трех измерений; оценить погрешность его измерения.
Т а б л и ц а 5.9
V1, В |
V3, В |
K = V3/ V1 |
|
ΔK |
100 |
|
|
|
|
150 |
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
3. Определить коэффициент трансформации повышающего трансформатора Т2 в режиме холостого хода:
установить переключатель S2 в нижнее положение;
с помощью автотрансформатора T1 установить на первичной обмотке трансформатора последовательно 100, 150, 200 В (вольтметр PV1);
показания вольтметра PV2 во вторичной обмотке записать в табл. 5.10 и вычислить значение коэффициента трансформации для трех измерений, оценить погрешность его измерения;
определить среднее значение трансформации и оценить погрешность его измерений.
Т а б л и ц а 5.10
V1, В |
V2, В |
K = V2/ V1 |
|
ΔK |
100 |
|
|
|
|
150 |
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
4. Изучить зависимость коэффициента трансформации от величины нагрузки во вторичной обмотке:
– установить переключатель S2 в верхнее положение;
– с помощью автотрансформатора T1 установить в первичной обмотке трансформатора Т2 200 В (вольтметр PV1);
– последовательно увеличивая нагрузку во вторичной обмотке трансформатора Т3, путем включения выключателей 1, 2, 3 лампочек, снять показания вольтметра РV3 и миллиамперметра, и занести значения в табл. 5.11;
– по данным табл. 5.11 вычислить коэффициент трансформации трансформатора Т3 для каждого значения тока нагрузки;
– построить на миллиметровке график зависимости коэффициента трансформации от тока нагрузки во вторичной обмотке.
Т а б л и ц а 5.11
Число ламп |
V1, В |
V3, В |
I, 10-3 A |
K = V3/ V1 |
ΔK |
0 |
200 |
|
|
|
|
1 |
200 |
|
|
|
|
2 |
200 |
|
|
|
|
3 |
200 |
|
|
|
|