Следует помнить, что напряжения в лаборатории электрических цепей опасны для жизни. Поэтому во избежание несчастных случаев необходимо строго соблюдать следующие правила техники безопасности:
1. Запрещается без проверки и разрешения преподавателя или лаборанта включать под напряжение цепь после ее сборки, а также после каких-либо переключений в ней.
2. Не разрешается касаться руками неизолированных частей цепи, когда она находится под напряжением.
3. Всякие переключения и изменения в электрической цепи следует производить только при снятом напряжении.
4. При повреждении во время работы прибора или аппарата, а также при возникновении отклонений от нормального режима работы цепи следует немедленно отключить ее от источника напряжения и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.
5. Особую осторожность следует соблюдать при работе с резонансными цепями, содержащими индуктивные катушки и конденсаторы, так как при резонансе напряжения на отдельных участках цепи могут значительно превышать напряжение источника питания.
6. Нельзя оставлять без присмотра цепь, включенную под напряжение.
7. Не следует загромождать свое рабочее место на стенде вещами, не относящимися к данной работе.
8. Запрещается во время работы загромождать подходы к стендам стульями, скамейками и т.п. Доступ к стендам, включенным под напряжение, должен быть свободен.
Работа № 1.
Исследование электрической цепи постоянного тока при смешанном соединении приемников (резисторов)
Цель работы: Получение навыков измерений токов и напряжений на отдельных участках электрической цепи. Проверка выполнения законов Кирхгофа и баланса мощностей в разветвленной линейной электрической цепи.
Общие сведения
Электрическая цепь представляет собой совокупность источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой электрическими проводниками. В простых электрических цепях источники и приемники соединены последовательно, и во всех элементах таких цепей протекает один и тот же ток. В сложных электрических цепях имеются разветвления, называемые узлами.
Электромагнитные процессы в электрических цепях описываются определенными законами, устанавливающими связь между ЭДС, токами, напряжениями и сопротивлениями элементов, входящих в эту цепь.
Основными законами, описывающими состояние электрической цепи, являются законы Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа – алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю:
Σ Ik = 0,
где Ik – токи в ветвях, присоединенных к узлу.
Второй закон Кирхгофа – алгебраическая сумма ЭДС в контуре электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений в этом контуре:
Σ Е k = Σ Uk,
где Е k – ЭДС, входящие в контур, Uk – падение напряжения на сопротивлениях контура.
Баланс мощности в электрической цепи записывается на основании закона сохранения энергии – мощность, отдаваемая в цепь источниками энергии, равна мощности, потребляемой приемниками энергии:
Σ P И = Σ P пр,
где Σ P И – сумма мощностей источников, а Σ P пр – сумма мощностей всех приемников.
Домашнее задание
1. Изучить теоретический материал по режимам работы электрических цепей постоянного тока.
2. Подготовить таблицу для записи опытных и расчетных данных и ответы на контрольные вопросы к данной работе.
Рабочее задание
1. Ознакомиться с лабораторной установкой.
2. Собрать электрическую цепь (рис. 1) при смешанном соединении резисторов в соответствии с заданным вариантом (табл. 1) и представить схему для проверки преподавателю.
Рис.1. Схема электрической цепи при смешанном соединении резисторов
| Таблица1 | |||||
| Вариант | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Е 2 ,В | 10 | 9 | 8 | 10 | 9 |
| R 1 * | R 2 | R 3 | R 2 | R 3 | R 2 |
| R 2 * | R 4-1 | R 4-1 | R 4-1 | R 4-2 | R 4-2 |
| R 3 * | R 7 | R 7 | R 7 | R 9 | R 9 |
3. Включить источник питания Е 2 и установить заданное напряжение питания цепи. Вольтметром V, поочередно подключаясь к соответствующим точкам электрической цепи, измерить напряжение U на входе цепи, напряжение U 1 – между точками 1 и 2, напряжение U 23 – между точками 2 и 3. Амперметрами РА 1, РА 2 и РА 3 измерить токи I 1, I 2 и I 3 во всех ветвях цепи. Измерения напряжений и токов в электрической цепи провести для трех значений напряжения источника: U = E 2; U = 0,7 E 2; U = 0,5 E 2. Данные измерений занести в табл.2. Выключить электропитание.
|
|
|
|
|
|
|
|
| Таблица 2 | ||||||||||||||
| Измерено | Вычислено | |||||||||||||||||||||
| U, В | U 1, B | U 23, В | I 1, мА | I 2, мА | I 3, мА | РИ, Вт | Р 1, Вт | Р 2, Вт | Р З, Вт | R Э, Ом | R Э расч Ом | |||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||||||||||
4. Вычислить мощность PИ источника питания и мощности P 1, P 2 и Р 3 резистивных приемников энергии. Определить сопротивления резисторов R 1, R 2, R 3 и рассчитать эквивалентные сопротивления R Э и R Э расч всей цепи. Результаты вычислений занести в табл. 2.
5. Построить в одной координатной системе вольтамперные характеристики I i = f (Ui) резисторов R 1, R 2, R 3 и всей цепи.
6. Сделать выводы о выполнении первого и второго законов Кирхгофа и выполнении баланса мощностей.
Формулы для расчёта
Мощность источника – P И = U . I 1;
Мощности резистивных приемников – P 1 = U 1 . I 1, P 2 = U 23 . I 2, P 3 = U 23 . I 3;
Суммарная мощность приемников – Σ P пр = P 1 + P 2 + P 3;
R Э = U / I 1 – эквивалентное сопротивление цепи по показаниям приборов;
R 1 = U 1 / I 1; R 2 = U 23 / I 2; R 3 = U 23 / I 3 – сопротивления участков цепи;
R Э расч = R 1 + R 2 ∙ R 3 /(R 2 + R 3) – эквивалентное сопротивление цепи, рассчитанное по сопротивлениям участков цепи;
Баланс мощностей: P И = Σ P пр.
Содержание отчета
Отчет по работе должен содержать:
- наименование работы и цель работы;
- схему исследуемой цепи;
- таблицы с результатами опытов и вычислений;
- расчетные соотношения;
- вольтамперные характеристики резисторов I 1 = f (U 1 ), I 2 = f (U 23 ),
I 3 = f (U 23 ) и всей цепи I 1 = f (U);
- выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Как по показаниям амперметра и вольтметра определить величину сопротивления участка электрической цепи и потребляемую им мощность?
2. Нарисуйте схемы для измерения методом амперметра и вольтметра больших и малых электрических сопротивлений.
3. Как определить величину эквивалентного сопротивления для исследуемой цепи?
4. Составить систему уравнений с использованием законов Кирхгофа для расчета исследуемой электрической цепи.
5. Как по вольтамперной характеристике определить величину сопротивления цепи?
6. Как изменится мощность источника питания исследуемой цепи, если увеличить сопротивление резистора R 2?
7. Как изменится мощность источника питания электрической цепи, если увеличить его напряжение в 2 раза?
8. Как изменится ток резистора R 1 исследуемой цепи, если при неизменном напряжении питания увеличить сопротивление резистора R 3?
9. Как изменится мощность источника питания исследуемой цепи, если увеличить сопротивление резистора R 1?
10. Как изменится ток резистора R 3, если в исследуемой цепи уменьшить сопротивление резистора R 1?
Работа №2
