Лабораторная работа №5

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

«МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ»

ВЫПОЛНИЛ:

ПРИНЯЛ:

проф. Шарфштейн А.Х.

УФА 2005

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Получение экспериментальным путем картины поля тока в проводящем листе, аналогичной картине электрического поля в диэлектрике вокруг проводов в трехжильном кабеле.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В случае электростатического поля в диэлектрике, окружающем систему заряженных проводящих тел, граничным условием у поверхностей проводящих тел является постоянство потенциала на каждой из поверхностей и, соответственно, перпендикулярность линий напряженности к этим поверхностям.

В случаях, когда мы имеем дело с полем электрического тока, растекающегося в среде со сравнительно небольшой удельной проводимостью, например в земле, обычно для введения тока в эту среду служат погруженные в нее металлические электроды с весьма высокой удельной проводимость по сравнению с удельной проводимостью окружающей их среды.

При выполнении работы в лаборатории получают на листе семейство линий равного потенциала.

Электрическое поле трехжильного кабеля при приложении к жилам переменной симметричной системы трехфазного напряжения будет меняться с течением времени, и, строго говоря, такое поле не является электростатическим. Однако для каждого момента времени при небольших частотах картина электрического поля трехжильного кабеля будет практически такой же, как и картина для электростатического поля, если к жилам по отношению к оболочке приложить постоянные разности потенциалов, равные мгновенным значениям фазных напряжений. Следовательно, если к электродам модели, имитирующим жилы в кабеле, прикладывать по отношению к электроду, имитирующему оболочку, разность потенциалов, определяемую мгновенными значениями фазных напряжений, то можно на модели исследовать электрическое поле трехжильного кабеля в данный момент времени.

Например, для показанного на диаграмме (рисунок 1) расположения векторов U_m1, U_m2, U_m3 для мгновенных значений имеем:

U₁ = U_m1cos(15)

U₂ = U_m2sin(15)

U₃ = - U_m3sin(45)

Рисунок 1.

СХЕМА УСТАНОВКИ

Для моделирования электрического поля в кабеле в установке, применяется проводящая бумага.

В стенде, используемом для выполнения работы, потенциалы на жилах кабеля устанавливаются при помощи потенциометров, а экспоненциальные кривые находят с помощью щупа. Потенциал измеряется относительно оболочки кабеля.

Рисунок 2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

На жилы установили следующие значения потенциалов:

Жила №1: -77,27 В

Жила №2: +20,71 В

Жила №3: +56,57 В

С помощью щупа проведен поиск эквипотенциальных кривых, в результате получили следующую картину (рисунок 3):

Рисунок 3.

Нарисуем силовые линии для каждой жилы в отдельности (рисунок 4):

а

б

в

Рисунок 4.

ВЫВОД

В ходе проведения лабораторной работы экспериментальным путем получена картина электростатического поля в трехжильном кабеле. Установлено, что эквипотенциальные кривые расположены коаксиально жилам и не пересекаются.

Достоинства работы

Простота установки и выполнения эксперимента. Минимальность финансовых затрат на оборудование.

Недостатки работы

• При поиске эквипотенциальных кривых при помощи щупа невозможно обеспечить постоянство площади контакта щупа с проводящей бумагой, а следовательно и постоянство Rконтакта, что сказывалось на показаниях вольтметра.

• Нестабильность электропитания лабораторной установки (в отдельные моменты показания вольтметра изменялись на ).

• При установке расчетного потенциала, например на жилу №3, значения потенциала на других жилах изменялись.

Рекомендации к работе

• Для того, чтобы не искать эквипотенциальные поверхности при помощи щупа можно изготовить круглую пластину с множеством выводов:

---------------------------------

Рисунок 5.

Полученные данные отправляются на ПК через преобразователь, и в итоге получаем наглядную картину на экране.

• Можно получить картину поля следующим методом: если в стеклянную ёмкость, заполненную вязкой жидкостью, насыпать продолговатые кристаллики какого-либо диэлектрика (например, крупинки манки), то вблизи заряженных тел эти кристаллики ориентируются определенным образом вдоль поля.

• Основное свойство электростатического поля состоит в том, что на электрические заряды, находящиеся в нем, действует сила Кулона. Поэтому обнаружить поле в заданной точке можно при помощи пробного заряда. По величине силы, действующей на этот пробный заряд можно получить представление об электростатическом поле.

• Для удобства перерисовки эквипотенциальных кривых необходимо нанести координатную сетку на токопроводящую бумагу:

Рисунок 6.

• Использовать для каждой жилы свой независимый источник питания и стабилизировать электропитание установки при помощи простейшего стабилизатора постоянного напряжения состоящего из резистора и стабилитрона или стабистора. В качестве стабистора может быть использован также и обычный кремниевый диод, например, типа Д226, включенный в прямом направлении. На рисунке 7 приведена схема параметрического стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона.

Рисунок 7.

Напряжение на нагрузке, подключенной к выходу такого стабилизатора, будет равно напряжению стабилизации используемого стабилитрона. В связи с этим для конкретного напряжения стабилизации необходимо подбирать стабилитрон, который соответствует этому напряжению. Если, например, необходимо стабилизированное напряжение 6 В, то следует выбрать стабилитроны типа КС156А, имеющие напряжение стабилизации 5…6,3 В или КС162А с напряжением стабилизации 5,8… 6,6 В