Министерство образования Российской Федерации

Ижевский государственный технический университет

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по разделу

“Электрические цепи”

Ижевск 2001

УДК 621. 3. 378 (07)

Составители: Артемьева Е. М., канд. техн. наук, доц.;

Барсуков В. К., канд. техн. наук, доц.;

Тихонова Л. Я., ст. преп.

Рецензент Барсуков В. К., канд. техн. наук, доц.

Методические указания к лабораторным работам по разделу “Электрические цепи”. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2001 - 68 с.

Методические указания содержат описание семи лабораторных работ по разделу “Электрические цепи” и предназначены для студентов специальностей 12.01, 12.02, 12.04, 12.05, 12.12, 18.13, 20.08, 21.03 высшего профессионального образования и специальностей 1804, 1806, 2014, 22.01, 2902 среднего профессионального образования.

С Артемьева Е. М.;

Барсуков В. К.;

Тихонова Л. Я.

С Издательство ИжГТУ, 2001.

Порядок выполнения работ в лаборатории

Лабораторные работы проводятся в следующем порядке:

а) каждая лабораторная работа выполняется на лабораторном стенде бригадой согласно графику выполнения работ;

б) перед началом выполнения лабораторной работы преподаватель проводит краткий опрос студентов. При неудовлетворительной подготовке к теме занятий студент не допускается к выполнению лабораторной работы;

в) студент допускается к выполнению следующей лабораторной работы после представления письменного отчета по предыдущей лабораторной работе и успешной защиты представленного отчета;

г) студенты, пропустившие занятия в лаборатории по уважительной причине, допускаются к выполнению пропущенной работы в свободное от занятий время в часы работы лаборатории;

д) по окончании выполнения лабораторной работы студенты представляют преподавателю таблицы наблюдений с контрольными расчетами и получают от него подтверждение правильности результатов опытов. В случае неправильности полученных результатов опыт повторяется заново.

Требования, предъявляемые к отчетам

1. Отчет составляется каждым студентом индивидуально.

2. Содержание отчета:

а) номер, название и дата выполнения работы, фамилия, имя студента, номер группы;

б) цель работы;

в) перечень и характеристики используемых в работе приборов (табл.1);

Характеристики используемых приборов Таблица 1

№	Наименование и тип прибора	Система	Класс точности	Род тока	Предел измерений	Цена деления
1 2 3

г) принципиальные электрические схемы исследуемых цепей;

д) таблицы измеренных и вычисленных величин, основные расчетные формулы и соотношения;

е) графики зависимостей, построенные по таблицам, векторные диаграммы;

3

ж) выводы о результатах проделанной работы, включающие объяснение полученных экспериментальных и расчетных данных.

3. Отчет должен быть написан аккуратно на стандартных листах писчей бумаги или на бланке отчета.

4. Электрические схемы, графики и таблицы выполняются с помощью чертежных инструментов.

5. Графики выполняются только на миллиметровой бумаге с обязательным указанием масштаба и единиц измерения.

6. Электрические схемы должны быть вычерчены в соответствии с условными обозначениями, принятыми государственными стандартами.

7. В описании каждой из лабораторных работ приводятся краткие теоретические сведения, однако основную подготовку к отчету по лабораторной работе следует вести по литературе, рекомендованной в руководстве.

Техника безопасности при выполнении

лабораторных работ

1. Лабораторный стенд представляет панель с нанесенными на ней основными узлами принципиальной электрической схемы установки. Измерительные приборы применяются как щитовые, так и в настольном исполнении.

2. Перед началом сборки исследуемой схемы следует убедиться в том, что питание лабораторного стенда отключено.

3. Разрешается подключать собранную схему к напряжению только после проверки ее лаборантом или преподавателем.

4. Обязательно предупредить товарищей по работе о включении напряжения питания стенда.

5. Запрещается прикасаться к неизолированным токоведущим участкам экспериментальной установки, находящимся под напряжением.

6. Запрещается оставлять без присмотра включенное оборудование.

7. Перед началом работы переключатели пределов измерения многопредельных приборов должны быть установлены в положение максимального значения измеряемой величины, а ручки на стенде - выведены в крайнее левое положение.

8. По окончании измерений отключить напряжение питания стенда, разобрать схему экспериментальной установки, навести порядок на рабочем месте.

4

Лабораторная работа № 1

Исследование линейной разветвленной электрической цепи постоянного тока

Цель работы:

1. Исследовать режимы работы аккумуляторной батареи.

2. Проверить уравнения электрической цепи постоянного тока, составленные по законам Кирхгофа.

3. Изучить различные методы расчета цепи постоянного тока.

Основные теоретические положения

1. Расчет цепи на основе законов Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа, выражающий закон сохранения заряда в узле электрической цепи, записывается

= 0 . (1)

В уравнении (1) токи, выходящие из узла, записываются со знаком “+”, а токи, входящие в узел, - со знаком ““.

Для цепи с числом узлов n_у составляется n_у –1 независимых уравнений по первому закону Кирхгофа: I₁ + I₂ – I₆ = 0 (для узла 1);

–I₂ + I₄ – I₅ = 0 (для узла 2);

–I₁ + I₃ + I₅ = 0 (для узла 3).

Рис.1

Второй закон Кирхгофа отражает закон сохранения энергии в контуре электрической цепи: = . (2)

В уравнении (2) Е_к входит со знаком “+”, если действие ее совпадает с направлением обхода контура.

5

Направление обхода выбирается произвольно. Падение напряжения

U_к = I_кR_к записывается со знаком “+”, если ток I_к в резисторе R_к совпадает по направлению с принятым обходом контура.

Число уравнений, составляемых по второму закону Кирхгофа, равно числу независимых контуров цепи:

n_в – (n_у –1) , где n_в - число ветвей.

Независимым называется всякий последующий контур электрической цепи, который содержит хотя бы одну ветвь, не входящую в предыдущие контуры.

Для цепи (рис.1) с тремя независимыми контурами (n_в = 6, n_у = 4) уравнения имеют следующий вид: R₁I₁ + R₃I₃ + R₆I₆ = Е₁ – Е₃ (контур 1);

R₄I₄ + R₂I₂ + R₆I₆ = Е₂ – Е₃ (контур 2);

R₅I₅ + R₄I₄ – R₃I₃ = 0 (контур 3).

Таким образом, по первому закону Кирхгофа должно быть составлено уравнений на единицу меньше числа узлов, а недостающие уравнения в математической системе составляют по второму закону Кирхгофа. Общее число уравнений, составляемых по законам Кирхгофа, должно быть равно числу неизвестных (токи в ветвях), а следовательно, должно быть равно числу ветвей.

2. Метод эквивалентного генератора

Метод эквивалентного генератора применяют, если интересуются электрическим состоянием лишь одной ветви, причем параметры этой ветви могут изменяться. Метод заключается в следующем:

а) на основании теоремы об активном двухполюснике всю остальную часть цепи (рис.2а) по отношению к исследуемой ветви с током I заменяют активным двухполюсником с параметрами Е_экв и R_экв , где Е_экв и R_экв = R_вн соответственно ЭДС и внутреннее сопротивление генератора, эквивалентного по воздействию на исследуемую ветвь остальной части электрической цепи (рис.2б);

б) Е_экв и R_вн определяют расчетным путем:

Е_экв = U_авхх - напряжение на зажимах разомкнутой ветви ав;

R_вн = R_вхав - входное сопротивление всей схемы по отношению к зажимам ав при закороченных источниках ЭДС;

или опытным путем: из режимов холостого хода и короткого замыкания относительно исследуемой ветви:

Е_экв = U_авхх ; R_вн = ;

6

в) искомый ток ветви (рис.2б) находят по формуле

.

Если в ветви с неизвестным током I действует ЭДС (рис.2в), то она учитывается по формуле тока .

Знак “+” перед ЭДС выбирается в том случае, если направление ЭДС и тока I совпадает.

а б в

Рис.2

3. Режимы работы источника электрической энергии постоянного тока

Если электрическая цепь образована подключением приемника с изменяющимся сопротивлением R_н к внешним зажимам (а, в) источника питания, то при изменении сопротивления R_н ток I и напряжение U источника будут также изменяться (рис.3). Из всех возможных режимов выделяют четыре наиболее важных:

а) номинальный режим источника характеризуется тем, что напряжение, ток и мощность его соответствуют тем значениям, на которые он рассчитан заводами-изготовителями. Величины, определяющие номинальный режим, указывают в ТУ, паспорте и на щитке, прикрепленном к устройству;

б) режим холостого хода определяется отсутствием тока через источник (рис.3,б). При холостом ходе источника напряжение U_xx на его внешних зажимах будет наибольшим и равным ЭДС источника: U_xx = E ;

в) режим короткого замыкания характеризуется тем, что напряжение на внешних зажимах источника равно нулю (рис.3,в). Ток короткого замыкания ( I_кз ) источника может во много раз превышать номинальную величину

7

а б в

Рис.3

тока I , поэтому, как правило, указанный режим является опасным для источника;

г) согласованный режим, при котором R_вн = R_н ,обеспечивает максимум передачи мощности от источника в приемник (рис.3,а).

4. Баланс мощностей.

В любой электрической цепи должен соблюдаться энергетический баланс – баланс мощностей (алгебраическая сумма мощностей всех источников энергии равна арифметической сумме мощностей, рассеиваемых в приемниках электрической энергии):

.

Мощность источника записывают в уравнении баланса со знаком “+”, если положительное направление тока I источника совпадает с направлением действия ЭДС Е. При встречном направлении E и I мощность отрицательна (источник потребляет энергию, например, заряжается аккумулятор).

5. Потенциальная диаграмма

Потенциальная диаграмма – это график распределения потенциала вдоль участка цепи или контура. На диаграмме вдоль оси абсцисс откладывают последовательно значения сопротивлений между парой контрольных точек цепи, а по оси ординат – потенциалы этих точек.

В качестве примера приведена потенциальная диаграмма (рис.5) внешнего контура цепи (рис.4) при обходе контура по часовой стрелке.

8

Рис.4 Рис.5