Вход

Исследование цепи переменного тока

Курсовая работа по физике
Дата добавления: 01 сентября 2009
Язык курсовой: Русский
Word, rtf, 555 кб
Курсовую можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Изучение явления резонанса в цепи переменного тока. Пр оверка закона Ома для цепи переменного тока. Оборудование: стенд для исследования явлений в цепи переменного тока, генератор переменного тока ГЗ – 109 (генер атор звуковой), вырабатывающий переменный ток с частотой 20 – 20 000 Гц, т. е. в «з вуковом» интервале ч а стот, магазин с опротивлений, мультиметр. Незатухающие вынужденные электрические колебания обычно называют переменным током. Частота переменного т ока f – это чи сло колебаний в 1 секунду. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многи х странах мира. С помощью генераторов переменного тока можно получать пе реме н ный ток любой частоты. При этом н апряжение на выходе генератора обычно меняется по гармоническому зако ну , (1) где =2 f - циклическая час тота , f - линейная частота, U m – амплитуда ( ма к симальное значение) напряжения. Если источник переменного напряжения (генератор) с частотой подкл ю чить к электрической цепи, то в ней возникн ут колебания силы тока той же частоты. Но колебания силы тока не обязател ьно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. В общем случае мг новенное значение силы тока i определяется по формуле , (2) где - разность (сдвиг) фаз между колебаниями тока и напряжения, I m – а м плитуда силы тока. · В проводнике с активным сопротивлением (резисторе) колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения, а амплитуда силы т о ка определяется равенством: , (3) где R – (активное) сопротивление резистора. · В катушке индуктивности колебания силы тока отстают от колебани й напряжения на угол = /2 . Амплитуда силы тока в катушке равна . Величину X L = L = 2 fL (4) называют индуктивным сопротивлением . · На конденсаторе колебан ия силы тока опережают колебания напряж ение на угол = /2. Ампли туда силы тока равна: . Величину (5) называют емкостным сопротивлением . Рассмотрим электрическую цепь (рис. 1), состоящий из соединенных п о следовательно резистора R , конденсат ора С и катушки индуктивности L . Эта цепь является колебательным конт уром, в которой возможны собственные эле ктрические колебания с частотой (6) Если к концам этой цепи при ложено переменное напряжение, изменяюще е ся по закону (1), то в ней возникнут вынужденные электрические колебания с частотой . Сила этого переменного тока будет определя ться по формуле (2), причем для нахождения амплитуды и фазы тока необходимо учесть влияние всех элементов цепи: R , L , С . Лучше всего это можно сделать с помощью векторной диагр аммы (треугольника сопротивлений) (рис. 2). Из рисунка видно , что полное сопротивление цепи равно: , (7) а сдвиг фаз между током и на пряжением . (8) Разность X = ( X L - X C ) называется реакти в ным с опротивлением цепи. Соотношение (9) называют законом Ома для цепи переменного тока (по аналогии с законом Ома для постоянного тока I = U / R ). Обычные электроизмерительные приборы для переменного тока позволяют измерять эффективные ( действующие ) значения силы тока и напряжения, которые св язаны с амплитудными значениями: . (10) Очевидно, что вид закона О ма для цепи переменного тока не меняется, если вместо амплитудных исполь зовать эффективные значения силы тока и напряжения. Как известно, резкое увеличение амплитуды колебаний колебательной с и стемы при совпадении частоты вынужд ающих колебаний с частотой со б ствен ных колебаний системы называется резонансом . Сила тока в рассматриваемой цепи зависит как от величин R , L , C , так и от частоты вынуждающ их колебаний. Если менять частоту переменного тока, подводимого к рассма триваемой цепи, то при определенной частоте инду к тивное сопротивление X L становится равным емкостному сопротивлению X C (11) При этом полное сопротив ление цепи становится минимальным и равным активному сопротивлению це пи Z = R . Сила тока достигает максимального значения - наступает резонанс, причем резонансная частота совпадает с ч а стотой собственных колебаний контура (12) При последовательном со единении элементом цепи (как в данном случае) при резонансе падение напр яжения на конденсаторе и катушке индукти в ности становятся одинаковыми по величине – резонанс напряжений , (13) причем их величины могут значительно превышать приложенное напряж е ние. «Острота» резонансной кривой характеризуется ее отно сител ь ной полуш и риной : , (14) где f =( f 2 – f 1 ) ) – разность знач е ний частоты, соответствующих . Эта величина Q назыв а ется еще добротностью колеб а тельного контура (колебательной системы) . Можно показать, что добротность колебательного ко н тура определяется его параме т рами: (15) Добротность показывает, во сколько раз падение напряжения на конденсаторе и катушке при резонан се больше, чем приложенное напряжение (16) На рисунке 3 показано сем ейство резонансных кривых при различных зн а чениях активного сопротивления цепи - чем больше активное сопр отивление контура, тем менее выражен резонанс. Выполнение эксперимента В работе для измерения р азличных характеристик цепи используется ун и версальный измерительный прибор – мультиметр. Положение п ереключателя прибора определяет характер измеряемой величины: сопроти вление – « » ( пределы 0-200 Ом, 0,2-2 k Ом, и т.д.) ; постоянное напряжение « V -» ( пределы 0-200мВ, 0,2-2В и т.д.) ; переменное напряжение – « V » ( пределы 0-2В, 2-20В и т.д .); сила переменн ого тока – «А » ( пределы 0-20мА, 20-200мА и т.д.), сила постоянного тока «А-» ( пределы 0-20мА, 20-200 мА и т.д.). Один из щ у пов по стоянно подключен к клемме «СОМ» мультиметра; второй щуп при измерении н апряжения и сопротивления подключается к клемме « V / ,» а при измерении силы постоянного и переменного тока до 200 мА – к клемме « mA ». Следует быть очень внимательным при рабо те с мультиметром. В эксперименте используется стенд, собранный по схеме р ис. 1. К соотве т ствующим клеммам стенд а подключается генератор синусоидальных колеб а ний, электроизмерительные приборы и магазин сопротивлений, играющий роль активного сопротивления. Параметры входящих в цепь элеме нтов ук а заны на стенде. У генератора используется «Выход 2», 5 Ом. При этом собственное сопр о тивление генератора, как источника тока , оказывается гораздо меньше, чем сопротивление исследуемой цепи, и може т не учитываться при расчетах. В ы ходн ое напряжение регулируется ручкой «Напряжение – Плавно». Не след у ет работать в режиме, при котором стрелк а индикаторного вольтметра, уст а нов ленного на генераторе, «зашкалевает», так как при этом может происх о дить искажение формы выходного сигнала (отклонение сигнала от синусо и дальн ой формы). Частота генерируемого переменного тока регулируется с помощь ю лимба и ступенчатого переключателя. Задание 1 . Предварительные расчеты и измерения 1. На стенде указаны приблизительные зна чения емкости установленного конденсатора и индуктивность катушки. Ра ссчитайте с помощью формулы (12) приблизительное значение резонансной ча стоты f рез (записать в отчет). Это дает возможность определиться с об ластью частот, в которой предстоит делать измерения. 2. Катушка индуктивности, установленная на стенде, имеет значительное а к тивное сопротивление, которое следует учитывать в дальнейших измерения х. Поэтому с помощью мультиметра (переключатель « », 2 k – 0,2-2 кОм, щ у пы подключены к клеммам « COM », « V / ») измерьте и запишите в отчет в е личину активного сопротивления катушки R L . Щупы п одключаются к кле м мам «С 1 , С 2 » стенда. 3. Конденсатор, установленный на стенде, не является идеальным, т.е. в пр о цессе работы он дает утечки тока через и золяцию обкладок, что эквивален т но в ключению параллельно конденсатору некоторого сопротивления. Однако эт о явление мы не будем учитывать в дальнейшем, так как его влияние на опыт н е велико. 4. Для наблюдения явления резонанса можно следить за изменением в зав и симости от частоты: силы тока в цепи, напр яжения на катушке или напряж е ния на к онденсаторе. В данном опыте рекомендуется снять зависимость с и лы переменного тока от частоты I = f ( ) , для чего щупы мультиметра (щупы – «СОМ», « mA », переключатель – «А », 20 m , 0-20мА ) подключаются к клеммам «А 1, А 2 » стенда. 5. Включите генератор и дайте ему прогреться несколько минут. 6. Особо следует определить точное значе ние резонансной частоты. Для эт о го на до, медленно вращая ручку регулировки частоты в диапазоне ( f рез 50 Гц) и внимательно наблюдая за показаниями амперметра, «поймать» частоту, пр и которой сила тока в цепи принимает максимальное значение. Значение рез онансной частоты заносится в отчет. Опыт лучше проводить, когда на м а газине сопротивлений установлено нуле вое значение. 7. Находясь на резонансной частоте, измерьте падение напряжения на ко н денсаторе U C РЕЗ (клеммы «В 1 , В 2 » стенда) и катушке индуктивности U LРЕЗ . (клеммы «С 1 , С 2 » стенда). Му льтиметр – щупы « COM », « V / », переключатель « V », 20 V ). Так как при этом измерении амперметр буд ет выведен из цепи, цепь окаже т ся разо рванной. Чтобы ее замкнуть, перемкните клеммы «А 1 , А 2 » стенда п е ремычкой. В идеальном случае согласно теории резонанса для цепи с «сосредоточе н ными» параметрами U LРЕЗ . = U C РЕЗ . Если это не наблюдается, то объясните причины расхождения. Задание 2. Снятие резонансных кривых . 1. Первый опыт можно провес ти при нулевом сопротивлении магазина. При этом полное активное сопроти вление контура равно активному сопротивл е нию катушки R = R L . 2. Снятие резонансных кривых желательно провести в диапазоне частот: ( f РЕЗ – 200)Гц – ( f РЕЗ + 200)Гц с шагом приблизительно 20 Г ц. 3. Подключите мультиметр к клеммам «А 1 , А 2 » - п. 4 задания 1. Запишите в таблицу 1 отчета значения силы тока при различных частотах. 4. Снимите еще две резонансные кривые при больших значениях активного со противления контура. Второй и третий опыт проведите, введя в контур с пом ощью магазина сопротивлений дополнительное активное сопротивление, та к что R = R L + R M , где R M – сопроти вление, устанавливаемое на магазине с о противлений (например, 100 Ом, 200 Ом ). 5. Постройте (на миллиметровой бумаге – формат А4) на одном графике три рез онансные кривые. Отметьте резонансную частоту (рис. 3). 6. Отметьте на графике силу тока в меньшее, чем резонансное значение в каж дом из опытов. Измерьте ширины f резонансных кривых на этих уро в нях рассчитайте по формуле (14) величин у добротности контура в трех сл у чаях. Исходя из параметров контура по формуле (15) вычислите добротности контур а в трех случаях. В выводе сравните измеренные и вычисленные до б ротности в каждом случае. 7. Сделайте вывод о влиянии активного сопротивления на вид резонансной к ривой и добротность контура. Задание 3. Проверка закона Ома для цепи переменного тока Цель этого задания сравнить измеренное и вычисленное зн ачение силы тока в цепи переменного тока. 1. Проверку желательно проводить на частоте, значительно (на 100-200 Гц ) отличающееся от резонансной частоты, наприм ер на частоте 300 Гц. 2. По формулам (4), (5) вычислите величины индуктивного X L и емкостного X C соп ротивления на выбранной частоте. При этом используйте значения е м кости конденсатора и индуктивности катуш ки, указанные на стенде. Вычи с лите вел ичину реактивного сопротивления X = X L - X C . 4. Установите на магазине сопротивлений дополнительное активное сопр о тивление 100 – 200 Ом . Запишите полное активное сопротивление контура. 3. На миллиметровке (той же, что и для резонансных кривых) постройте тр е угольник сопротивлений (рис. 2). Можно выб рать масштаб 1 см = 100 Ом . Определите полное сопротивление цепи Z . Определит е tg и угол сдвига фаз между током и напряжением. 5. Установите выбранную частоту. Измерьте подаваемое на цепь напряжение U (клеммы « D 1 , D 2 » стенда; мультиметр – щупы « COM », « V / », переключ а тель « V », 20 V ). 5. Вычислите по закону Ома (10) предполагаемую силу тока I в цепи при данных условиях 6. Подключите к стенду амперметр - клеммы «А 1, А 2 » стенда (мультиметр, щупы – «СОМ », « mA », переключатель – «А », 20 m ). Измерьте силу тока в контуре. 7. В выводе сравните между собой вычисленное и измеренное значение силы т ока и сделайте вывод о выполнении закона Ома. Отчет по лабораторной работе № 1 Исследование цепи переменного тока. выполненной учащим…… школы «Поиск» ……………………………………………………… …………………………… «…..»……….. 200….г Задание 1 . Предварительные расчет ы и измерения Емкость конденсатора: С =……… мкФ =……… 10 -6 Ф Индуктивность катушки: L =……… мГн =…………………… Гн Активное сопротивление катушки индуктивности: R L = ……… Ом Расчетная резонансная частота: f рез = …………Гц Измеренная резонансная частота: f рез = …………Гц Падение напряжение на конденсаторе при резонансе: U C РЕЗ . = …… В Падение напряжение на катушке индуктивности при резонансе: U LРЕЗ . = ……В Выводы: Задание 2 . Снятие резонансных кривых Выбранный диапазон частот …………………………………………. Таблица 1 № п/п f, Гц I, мА I, мА I, мА Активное сопр-е конт у ра R 1 =……… Ом R 2 = ……… Ом R 3 = ………Ом 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Таблица 2 №п/п Измеренная добротность контура Вычисленная добротность контура f рез , Гц f , Гц Q изм R , Ом Q выч 1 2 3 Выводы: Задание 4. Проверка закона Ома для цепи переменного тока Частота: f =……… Гц Индуктивное сопротивление: X L =……… Ом Емкостное сопротивление: X C =………Ом Реактивное сопротивление контура: X = X L - X C . Активное сопротивление катушки индуктивности: R L =……… Ом Сопротивление магазина сопротивлений: R м =……… Ом Полное активное сопротивление контура: R = ……… Ом Полное сопротивление контура: Z =……… Ом Напряжение, подаваемое на контур: U = ……… В Расчетная сила тока в цепи: I =……… мА Измеренная сила тока в цепи: I = ……… мА tg = …… ; =……… .
© Рефератбанк, 2002 - 2017