Лабораторна робота № 2

 

ПРОСТІ КОЛА ГАРМОНІЧНОГО СТРУМУ

 

Мета роботи – експериментальна перевірка законів Кірхгофа й визначення активних, реактивних, повних і комплексних опорів електричних кіл.

Опис роботи

В роботі досліджується коло з послідовно з’єднаних елементів R, L, C, а також розгалужене коло з тих же елементів.

На рис. 6 зображене коло з послідовно з’єднаних елементів, а на
рис. 7 – одне з розгалужених (в обох електричних колах вимірювальні прилади і вимірювальний опір не зображені).

Рисунок 6 – Послідовне з’єднання елементів        Рисунок 7 – Змішане з’єднання елементів

 

В двох інших розгалужених колах в загальну вітку вмикається або ємність (capacitance) або опір.

Для вимірів напруги на елементі і зсуву фаз між цією напругою і вхідною напругою (input voltage) один з полюсів елемента повинен бути приєднаний до загальної клеми ””. Для виконання цієї вимоги місця ввімкнення елементів необхідно міняти без зміни характеру (типу) з’єднання елементів.

Перевірці підлягають другий закон Кірхгофа для кола рис. 6.

,                    (4)

а також перший

               (5)

і другий

               (6)

для кола рис. 7

В наведених формулах струми визначаються через напругу на вимірювальному опорі I = Uв/Rв. Початкову фазу вхідної напруги потрібно взяти рівною нулю (Ψ1 = 0), а всі інші величини вимірюються безпосередньо вольтметром і фазометром (phasemeter).

При проведенні досліду бажано щоб напруги на елементах не відрізнялись більше ніж в 3 – 5 разів. Для цього необхідно підібрати відповідні елементи кола і частоту дослідження.

Комплексний опір будь-якого двополюсника визначається за результатами вимірів напруги, струму (current) і зсуву фаз між ними

(7)

де – повний вхідний опір,

– зсув фаз між напругою і струмом,

і активний (resistance) і реактивний (reactance) опори.

Завдання

1. Дослідити процеси в нерозгалуженому колі з елементів R, L, C. Для цього скласти електричне коло, подане на рис. 8.

Рисунок 8 – Електрична схема підключення вимірювального обладнання у нерозгалуженому колі з елементів R, L, C

 

На рис. 8 прийняті такі позначення: Г – генератор; Ч – частотомір; V1, V2 – вольтметри на 10 В; V3 – мілівольтметр на 100 мВ; φ – фазометр; К1, К2, К3 – клеми для підключення досліджуваних елементів, – вимірювальний опір на 1 – 10 Ом.

Вольтметр V2 вимірює напругу на ділянці, що складається з елемента, який підмикається до клем К3, і вимірювального опору. Щоб вольтметр V2 наближено вимірював напругу на вказаному елементі, його покази повинні в десятки разів перевищувати покази вольтметра V3. Вхід 1 фазометра перемикається з точки “a” на точку “б”.

Підключивши до клем К1, К2, К3 досліджувані елементи і, міняючи їх місцями, зробити необхідні виміри і занести їх до табл. 4.

Таблиця 4 – Результати вимірювання послідовного з’єднання елементів

Rв,Ом

f, кГц

U1, В

U3,мВ

UR, В

ΨR°

UL, В

ΨL°

UC, В

ΨC°

                   

4. Дослідити процеси в розгалуженому колі з елементів R, L, C (тих же, що і в досліді 1і при тій же частоті). Для цього скласти коло рис. 9,

Рисунок 9 – Електрична схема підключення вимірювального обладнання у колі зі змішаним з’єднанням елементів R, L, C

 

де П – перемичка, а інші елементи ті ж, що і в схемі рис. 8. Стрілками вказані полюси приладів і перемички П, які підключаються до інших ділянок кола.

Бригади з номерами 1, 4, 7 – до клеми К1 підключають ємність, з номерами 2, 5, 8 – індуктивність, з номерами 3, 6, 9 – опір. Результати вимірювань занести до табл. 5.

Таблиця 5 – Результати вимірювання змішаного з’єднання елементів

f, кГц

U1, В

UR, В

ΨR, град

UL, В

ΨL, град

UC, В

             

ΨС, град

І1, мА

 Ψ1, град

І2, мА

Ψ2, град

І3, мА

Ψ3, град

             

Струм І1, І2, І3 – розраховується через напругу на вимірювальному опорі, який почергово, разом з вольтметром V3, вмикається в кожну вітку.

4. Мостом змінного струму виміряти параметри досліджуваних елементів і знести їх до табл. 6.

Таблиця 6 – Результати вимірювання параметрів елементів

R, Ом

С, мкФ

RC, Ом

L, мГн

RL, Ом

         

Обробка результатів

1. За результатами досліду п. 1 зробити перевірку другого закону Кірхгофа аналітично і графічно (побудувавши векторну діаграму).

2. За результатами досліду п. 1 розрахувати комплексний, повний, активний і реактивний опори кола. Ті ж розрахунки зробити за даними табл. 6 і робочої частоти. Порівняти результати і вказати можливі причини розбіжностей.

3. Зробити перевірку першого і другого законів Кірхгофа для розгалуженого кола (див. табл. 5).

Контрольні запитання

1. Які виміри потрібно зробити в колі гармонічного струму для перевірки законів Кірхгофа?

2. Які виміри потрібно зробити, щоб визначити активний, реактивний, повний і комплексний опори ділянки кола?

3. Як аналітично розрахувати активний, реактивний, повний і комплексний опори кола при відомих параметрах елементів і робочій частоті?

4. Елементи R, L, C (R=XL=XC) з’єднані послідовно і змішано: а) в загальній вітці “R”; б) в загальній вітці ”L”; в) в загальній вітці ”C”. В якому випадку повний вхідний опір буде: 1) найбільший; 2) найменший? Знайдіть ці опори.

Література

[1, С. 1520; 10, С. 3452; 11, С. 92101; 12, С. 4147; 13, С. 4650, 6467, 8588].