Лабораторная работа №1 Разветвленная цепь постоянного тока.

1. Цель работы.

Приобретение навыков измерений в цепях постоянного тока. Использование результатов измерений для анализа электрического состояния цепи. Проверка законов Ома и Кирхгофа.

2. Описание установки.

На стенде имеются два источника электрической энергии постоянного напряжения: Е₁ и Е₃, набор сопротивлений r₁, r₂, r₃, r₄. Для измерения токов в цепях применяются три миллиамперметра магнитоэлектрической системы А₁, А₂, А₃. Измерение напряжения в схеме производится с помощью электронного цифрового вольтметра В7-38 в режиме постоянного напряжения.

3. Подготовка к работе.

Начертить схему (рис.1), нанести направление токов I₁, I₂, I₃, а также полярность источников энергии и миллиамперметров с учетом направления токов.

с

d

r₃

r₁

b

E₃

E₁

r₂

r₄

r_I1

r_I3

а

e

Рис. 1

4. Рабочее задание.

4.1. Собрать цепь (рис. 1), соблюдая полярности источников ЭДС и миллиамперметров.

4.2. Представить собранную схему для проверки преподавателю.

4.3. Включить стенд, записать значения токов в таблицу 1. Проверить выполнение первого закона Кирхгофа для любого узла.

4.4. Измерить цифровым вольтметром напряжения, указанные в таблице 1, записав в нее все измеренные значения.

Таблица 1

Е1	Е3	I1	I2	I3	U1	U3	Ur1	Ur2	Ur3	Ur4	Uac
B	B	mA	mA	mA	В	В	В	В	В	В	В

При проведении измерений Е₁, Е₃, а также U₁ и U₃ необходимо учитывать соотношение по закону Ома для участка цепи, содержащего ЭДС.

U = E – I×R

Следовательно, значение Е измеряют на выводах источников при отсутствии тока в ветви, в которой находится источник. И, соответственно U (падение напряжения на источнике) измеряют на выводах соответствующего источника при замкнутой цепи (при наличии тока в ветви).

4.5. На основании данных, полученных в результате опыта, вычислить значения сопротивлений r₁, r₂, r₃, r₄ и внутренних сопротивлений источников ЭДС r_i1, r_i3. Результаты вычислений записать в таблицу 2.

Таблица 2

r1	r2	r3	r4	ri1	ri3
Ом	Ом	Ом	Ом	Ом	Ом

4.6. По данным таблиц 1 и 2 построить потенциальную диаграмму для одного из замкнутых контуров по указанию преподавателя. Для этого же контура проверить выполнение 2 закона Кирхгофа.

5. Контрольные вопросы.

5.1. В чем заключается разница между ЭДС и напряжением источника электрической энергии?

5.2. В каких случаях источник работает в режиме генератора, а когда в режиме приемника энергии?

5.3. Каким образом определить внутреннее сопротивление источника ЭДС?

Лабораторная работа №2 Цепи однофазного переменного тока

1. Цель работы.

Получение навыков измерения электрических величин в однофазных цепях переменного тока. Использование результатов измерений для исследования амплитудно-фазовых соотношений между токами и напряжениями в этих цепях. Исследование явления резонанса напряжений.

2. Описание установки.

Объектом исследования является цепь переменного тока, содержащая последовательно соединенные катушку индуктивности L, резисторы R₁₀₀ с номиналом 100 Ом, R₁ с номиналом 1 Ом, конденсатор С, изображенные на рис. 1. Источником питания для данной схемы является генератор синусоидальных сигналов Г. Для измерения напряжений на элементах схемы используется цифровой вольтметр V. Осциллограф N позволяет измерить разность фаз между током и напряжением в цепи.

L

I

Iк R 100 Ом

U_ПИТ IIк

С 0,025мкФ

R 1 Ом

Рис. 1

3. Рабочее задание

3.1. Собрать цепь (рис. 1). С помощью цифрового вольтметра выставить на входе схемы генератора U_ПИТ = 10В на частоте 4 кГц.

3.2. Первый канал осциллографа подключить на вход схемы, чтобы вывести на экран сигнал напряжения генератора. Второй канал необходимо подключить к измерительному сопротивлению R₁ = 1 Ом, с которого снимается сигнал тока в колебательном контуре.

3.3. Изменяя частоту генератора, добиться точного совпадения по фазе синусоид тока I и напряжения U_ПИТ. Регулируя осциллограф, выровнять максимально амплитуды обеих синусоид. Таким образом, в последовательном контуре получен резонанс напряжений. Записать в таблицу 1 значение резонансной частоты f_РЕЗ = f₀ (кГц), а также измерить и занести в таблицу значения тока I, падений напряжения на катушке U_L, на конденсаторе U_C, на резисторе U_R100 и сдвига фаз между током и напряжением ⁰. Ток в контуре измеряется цифровым вольтметром на резисторе R₁ равном 1 Ом, на пределе mV.

Таблица 1

f, кГц	UПИТ, В	I, mA	UL, В	UC, В	UR100, В	0
f РЕЗ – 0,5кГц = .…кГц	10
fРЕЗ = …….. кГц	10
f РЕЗ + 0,5кГц = .…кГц	10

3.4. Уменьшить частоту генератора на 0,5 кГц по сравнению с резонансной частотой, поддерживая U_ПИТ равным 10 В. Произвести измерения аналогично п. 3.3 и заполнить верхнюю строку таблицы 1.

3.5. Увеличить частоту генератора на 0,5 кГц по сравнению с резонансной частотой. Повторить измерения, результаты занести в нижнюю строку таблицы 1.

3.6. Для измерения угла сдвига фаз необходимо на осциллографе с помощью регулировки добиться равенства амплитуд синусоид тока и напряжения. Изменяя длительность развертки по горизонтали («грубо» и «плавно») добиться, чтобы на экране осциллографа в шести клетках помещалась половина периода синусоиды. Тогда одной большой клетке экрана горизонтали будет соответствовать угол ⁰=180⁰/6 = 30⁰.

При этом каждая большая клетка имеет пять малых делений, следовательно, на каждое из них приходится 30⁰/5=6⁰. Посчитать сколько маленьких делений отделяет одну синусоиду от другой, а результат умножить на цену деления, т.е. 6⁰. В результате при максимальном размахе амплитуд на экране при их симметричном положении относительно средней линии измеряется угол сдвига фаз. Необходимо учитывать знак угла ⁰ , указывающий опережение или отставание тока от питающего напряжения.

3.7. Рассчитать полное сопротивление цепи (контура) :

U_ПИТ

Z_КОНТ = , Ом

I

3.8. Активное сопротивление катушки рассчитывается из опыта резонансной частоты, когда полное сопротивление контура носит чисто активный характер и составляет:

Z_КОНТ = R_КОНТ = R₁₀₀ + R₁ + R_L , Ом

3.9. Индуктивное сопротивление катушки и индуктивность рассчитываются из следующих соотношений:

U_L

Z_L = X_L = Z_L² – R_L² X_L Ом= 2fL Гн

I

3.10. Рассчитать емкость конденсатора из следующих соотношений:

U_C 1

X_C = = , Ом

I 2fC

3.11. Активная и индуктивная составляющая напряжения на катушке вычисляются из следующих соотношений:

U_RL = I  R_L U_XL = I  X_L , В

Результаты вычислений для всех трех значений частот занести в таблицу 2.

Таблица 2

Z	ZL	RL	XL	L	XC	C	URL	UXL	cos 
Ом	Ом	Ом	Ом	мГн	Ом	мкФ	В	В

3.12. Построить в масштабе векторные диаграммы напряжений для трех частот.

4. Контрольные вопросы.

4.1. Условия наступления резонанса в схеме последовательного соединения R, L, C.

4.2. По каким признакам можно установить наличие в цепи резонанса напряжений?

4.3. Какой характер сопротивления имеет контур:

• при резонансе напряжений;

• в случае f  f_РЕЗ ;

• в случае f  f_РЕЗ.