Лабораторная работа №2
Исследование электрической цепи синусоидального тока при последовательном соединении R-, L- и С- элементов
Цель работы
1. Проверить на практике выполнение законов Ома и Кирхгофа в неразветвленной цепи синусоидального тока.
2. Ознакомиться с явлением резонанса напряжений.
3. Приобрести навыки построения векторных диаграмм токов и напряжений.
2. Ознакомиться с явлением резонанса напряжений.
3. Приобрести навыки построения векторных диаграмм токов и напряжений.
Содержание работы
1. Исследовать неразветвленную электрическую цепь, состоящую из активного сопротивления и катушки индуктивности.
2. Исследовать неразветвленную электрическую цепь, состоящую из активного сопротивления и конденсатора.
3. Исследовать неразветвленную электрическую цепь, состоящую из активного сопротивления, катушки индуктивности и конденсатора.
4. Исследовать явление резонанса напряжений.
2. Исследовать неразветвленную электрическую цепь, состоящую из активного сопротивления и конденсатора.
3. Исследовать неразветвленную электрическую цепь, состоящую из активного сопротивления, катушки индуктивности и конденсатора.
4. Исследовать явление резонанса напряжений.
Порядок выполнения работы
1. Собрать в виртуальной лаборатории Circuit Simulator, с помощью изученных методов, схему электрической цепи синусоидального тока для исследования последовательной R,L,С - цепи (рисунок 16). В результате должна получиться схема, похожая на ту, которая приведена на рисунке 17. Ваша схема может отличаться от нее, т.к. важны электрические соединения, а не внешний вид схемы.
Рисунок 16
Рисунок 17
На рисунке 17 для удобства работы и анализа данных добавлен ползунок изменения частоты источника, а также выведены осциллограммы напряжений на резисторе, катушке индуктивности и конденсаторе.
2. Установить параметры источника переменного напряжения и элементов схемы согласно Вашего варианта.
Обратите внимание на то, что нужно задать действующее значение напряжения источника, а в программе задается амплитудное. Для получения амплитудное значения напряжения нужно действующее напряжение (оно дано в таблице 2) разделить на корень квадратный из двух. Например, если дано напряжение источника U = 200 В, то амплитудное значение составит Umax = 200 / 0,707 = 282 В и именно это значение нужно ставить в настройки источника. Если параметры заданы верно, то вольтметр, подключенный параллельно источнику, покажет значение близкое к действующему. В нашем примере - близкое к 200 В.
3. Настроить вольтметр на измерение среднеквадратичного напряжения, а амперметр - на измерение среднеквадратичного тока.
4. "Запустить" схему, нажав кнопку "START/stop", если она не была нажата. В "нажатом" состоянии (при запущенной симуляции схемы) эта кнопка окрашена в серый цвет, а в "отпущенном" состоянии (при остановленной симуляции схемы) - в красный.
5. Зарисовать в отчет таблицу 4.
2. Установить параметры источника переменного напряжения и элементов схемы согласно Вашего варианта.
Обратите внимание на то, что нужно задать действующее значение напряжения источника, а в программе задается амплитудное. Для получения амплитудное значения напряжения нужно действующее напряжение (оно дано в таблице 2) разделить на корень квадратный из двух. Например, если дано напряжение источника U = 200 В, то амплитудное значение составит Umax = 200 / 0,707 = 282 В и именно это значение нужно ставить в настройки источника. Если параметры заданы верно, то вольтметр, подключенный параллельно источнику, покажет значение близкое к действующему. В нашем примере - близкое к 200 В.
3. Настроить вольтметр на измерение среднеквадратичного напряжения, а амперметр - на измерение среднеквадратичного тока.
4. "Запустить" схему, нажав кнопку "START/stop", если она не была нажата. В "нажатом" состоянии (при запущенной симуляции схемы) эта кнопка окрашена в серый цвет, а в "отпущенном" состоянии (при остановленной симуляции схемы) - в красный.
5. Зарисовать в отчет таблицу 4.
Таблица 4
6. Настроим схему на режим последовательного соединения RC элементов. Для этого нужно разомкнуть выключатель S1 и замкнуть выключатель S2. При этом ток будет обходить катушку индуктивности через замкнутый выключатель S2 и катушка не будет участвовать в работе схемы.
7. Измерить ток и напряжения в этом режиме и записать их значения в строку с наименованием цепи "R, С" таблицы 4. Обратите внимание, что напряжение нужно записывать в вольтах, а ток в амперах. Показания приборов могут быть представлены с учетом кратных и дольных приставок единиц основной величины. Не забывайте переводить их!
8. Настроим схему на режим последовательного соединения RL элементов. Для этого нужно замкнуть выключатель S1 и разомкнуть выключатель S2. При этом ток будет обходить конденсатор через замкнутый выключатель S1 и конденсатор не будет участвовать в работе схемы.
9. Измерить ток и напряжения в этом режиме и записать их значения в строку с наименованием цепи "R, L" таблицы 4.
10. Настроим схему на режим последовательного соединения RLС элементов. Для этого нужно разомкнуть оба выключателя S1 и S2. При этом ток будет проходить по всем элементам схемы.
11. Измерить ток и напряжения в этом режиме и записать их значения в строку с наименованием цепи "R, L, C" таблицы 4.
12. Настроим схему на режим резонанса. Так как резонанс напряжений может возникнуть только в последовательной RLС цепи, то нам нужно задействовать все элементы схемы. Для этого нужно разомкнуть оба выключателя S1 и S2. Для того чтобы в полученной цепи возник резонанс воспользуемся регулировкой частоты переменного напряжения. Определим для заданных значений индуктивности и емкости резонансную частоту по формуле (8)
7. Измерить ток и напряжения в этом режиме и записать их значения в строку с наименованием цепи "R, С" таблицы 4. Обратите внимание, что напряжение нужно записывать в вольтах, а ток в амперах. Показания приборов могут быть представлены с учетом кратных и дольных приставок единиц основной величины. Не забывайте переводить их!
8. Настроим схему на режим последовательного соединения RL элементов. Для этого нужно замкнуть выключатель S1 и разомкнуть выключатель S2. При этом ток будет обходить конденсатор через замкнутый выключатель S1 и конденсатор не будет участвовать в работе схемы.
9. Измерить ток и напряжения в этом режиме и записать их значения в строку с наименованием цепи "R, L" таблицы 4.
10. Настроим схему на режим последовательного соединения RLС элементов. Для этого нужно разомкнуть оба выключателя S1 и S2. При этом ток будет проходить по всем элементам схемы.
11. Измерить ток и напряжения в этом режиме и записать их значения в строку с наименованием цепи "R, L, C" таблицы 4.
12. Настроим схему на режим резонанса. Так как резонанс напряжений может возникнуть только в последовательной RLС цепи, то нам нужно задействовать все элементы схемы. Для этого нужно разомкнуть оба выключателя S1 и S2. Для того чтобы в полученной цепи возник резонанс воспользуемся регулировкой частоты переменного напряжения. Определим для заданных значений индуктивности и емкости резонансную частоту по формуле (8)
Обратите внимание, что в эту формулу индуктивность катушки L нужно подставлять в генри (Г), а емкость конденсатора C в фарадах (Ф). В этом случае ответ fо получим в герцах (Гц).
Значение fо установим в источнике через его свойства или воспользовавшись ползунком "Частота" в правой части рабочего экрана.
13. Измерить ток и напряжения в этом режиме и записать их значения в строку с наименованием цепи "резонанс напряжений" таблицы 4.
14. Вычислить параметры электрической цепи и записать их таблицу 5. Для расчета параметров применяются следующие формулы:
Значение fо установим в источнике через его свойства или воспользовавшись ползунком "Частота" в правой части рабочего экрана.
13. Измерить ток и напряжения в этом режиме и записать их значения в строку с наименованием цепи "резонанс напряжений" таблицы 4.
14. Вычислить параметры электрической цепи и записать их таблицу 5. Для расчета параметров применяются следующие формулы:
- индуктивное сопротивление (9);
- емкостное сопротивление (10);
- полное сопротивление (11);
- активная мощность (12);
- реактивная индуктивную мощность (13);
- реактивная емкостная мощность (14);
- полная мощность (15);
- коэффициент мощность (16).
Рассчитанные параметры нужно занести в таблицу 5.
Таблица 5
15. На основании полученных результатов построить в масштабе на миллиметровой бумаге векторные диаграммы токов и напряжений для каждого опыта. Убедиться в выполнении 2-го закона Кирхгофа. Методики построения векторных диаграмм для лабораторных работ приведены здесь: https://vk.com/album-10828412_94791582.
16. На основании четвертого опыта убедиться в выполнении условия резонанса напряжений: XL = XС.
16. На основании четвертого опыта убедиться в выполнении условия резонанса напряжений: XL = XС.
Контрольные вопросы
1. Почему для получения величины общего напряжения при последовательном соединении резистора и реактивных сопротивлений необходимо векторное сложение активного и реактивного напряжений?
2. Каковы необходимые и достаточные условия возникновения резонанса напряжений в цепях переменного тока?
3. При каком условии и почему напряжение на индуктивности и емкости при резонансе больше напряжения, приложенного к цепи?
4. Какую величину имеет коэффициент мощности при резонансе напряжений?
2. Каковы необходимые и достаточные условия возникновения резонанса напряжений в цепях переменного тока?
3. При каком условии и почему напряжение на индуктивности и емкости при резонансе больше напряжения, приложенного к цепи?
4. Какую величину имеет коэффициент мощности при резонансе напряжений?
Отчет
Для отчета по лабораторным работам №1 и №2 нужно пройти тест https://testserver.pro/hh/p/9672. Тест нужно пройти с количеством попыток не более трех. Если это число попыток превышено, то отчет будет проходить в формате собеседования.
