Краткие теоретические сведения. Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для прохождения электрического тока

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в которых описываются понятиями тока, напряжения и ЭДС.

Двухполюсником называется часть электрической цепи, рассматриваемая относительно двух выделенных зажимов, обозначаемых буквами, например, зажимы a и b.

Если двухполюсник не содержит источников электрической энергии или эти источники в нем учитываются своими внутренними сопротивлениями, то такой двухполюсник называется пассивным. Если в двухполюснике присутствуют источники электрической энергии, то такой двухполюсник является активным.

Для определения токов и напряжений на участках цепи пользуются электрическими схемами замещения. Схема замещения электрической цепи описывает происходящие в цепи электромагнитные процессы при определенных допущениях. В зависимости от принятых допущений одной и той же электрической цепи можно поставить в соответствие несколько различных схем замещения.

На схемах замещения электрической цепи источники электрической энергии могут быть представлены идеализированными активными элементами, а именно источниками напряжения и источниками тока.

В идеальном источнике напряжения напряжение на зажимах источника не зависит от тока, проходящего через источник. Напряжение на зажимах источника равно ЭДС. Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю.

В идеальном источнике тока ток, проходящий через источник, равен току источника тока и не зависит от напряжения на его зажимах. Внутреннее сопротивление источника тока стремится к бесконечности.

На участке схемы замещения электрической цепи резистивные элементы, сокращенно R – элементы, учитывают необратимые процессы преобразования электрической энергии в другие виды энергии, например, тепловую, механическую и другие виды.

На участке схемы замещения электрической цепи индуктивные (сокращенно L – элементы) и емкостные (сокращенно C – элементы) учитывают обратимые процессы преобразования электрической энергии, связанные с накоплением и убылью энергии соответственно магнитного и электрического полей.

В цепи постоянного тока L – элементы не оказывают сопротивления току, поэтому на участке схемы замещения цепи они заменяются проводниками с сопротивлением равным нулю.

В цепи постоянного тока C – элементы для тока представляют бесконечно большое сопротивление, поэтому на участке схемы замещения цепи они моделируют собой обрыв цепи, то есть ветви с такими элементами на схеме замещения цепи не наносятся.

Пассивные L и C – элементы являются атрибутами цепей переменного тока, поскольку они, находясь на участке электрической цепи, оказывают сопротивление переменному току.

Под эквивалентными преобразованиями двухполюсников понимается такая замена, при которой одинаковых токи и напряжения на их зажимах будут одинаковы.

Эквивалентная замена двух последовательно включенных сопротивлений:

Эквивалентная замена двух параллельно включенных сопротивлений:

Замена двух последовательно включенных источников ЭДС:

(сумма алгебраическая).

Замена двух параллельно включенных источников тока:

(сумма алгебраическая).

Замена неидеального источника тока неидеальным источником ЭДС

, .

Формула для обратной замены

, ,

где – внутреннее сопротивление источника ЭДС, – внутренняя проводимость источника тока.

Формула для вычисления напряжения на одном из плеч делителя напряжения (на резисторе ):

Формула для вычисления тока через одно из плеч делителя тока (через резистор ):

,

где – ток на неразветвленном участке цепи.

Описание лабораторного стенда и рабочее задание

1. Ознакомиться с комплексным лабораторным стендом для исследования электрических и электронных цепей. Установить съемную панель на лабораторном стенде (рис. 2).

 

Рис. 2

 

2. Собрать схему согласно рисунку 3. Определить методом амперметра и вольтметра сопротивления участков электрической цепи R1 – R5 и эквивалентное сопротивление цепи относительно зажимов источника. Определить расчетом эквивалентное сопротивление цепи и сопоставить его с измеренным значением.

 

Рис. 3

 

3. Собрать рабочую схему варианта (по указанию преподавателя) согласно рисунку 4. Измерить методом амперметра и вольтметра эквивалентное сопротивление цепи относительно зажимов источника питания. Сопоставить измеренное значение эквивалентного сопротивления с расчетом цепи методом эквивалентных преобразований пассивного двухполюсника, используя в качестве исходных данных измеренные значения сопротивлений участков цепи в пункте 2 рабочего задания.

4. Продолжить эксперимент пункта 3 рабочего задания, измерив вольтметром напряжения на всех участках цепи, а также измерив амперметрами ток на неразветвленном участке цепи и ток в другой ветви. Провести косвенные измерения значений токов на участках электрической цепи, используя выражение закона Ома.

5. Сопоставить результаты измеренных значений токов в ветвях электрической цепи по данным пункта 3 рабочего задания с расчетными значениями, полученными методом эквивалентных преобразований (методом свертки-развертки электрической цепи). При определении токов в параллельных ветвях воспользоваться выражением делителя тока.

а) б)

 

в) г)

 

д) е)

ж) з)

Рис. 4

 

и) к)

Рис. 4 (окончание)

 

Вопросы к защите

1. Определить входное сопротивление цепи (рис. 5).

а) б)

в) г)

д­) е)

Рис. 5

 

2. Мостом постоянного тока производят измерения сопротивления резистора (рис. 6). Для измерения сопротивления в диагональ моста включен индикатор нуля (гальванометр). При этом получены следующие значения сопротивления плеч моста при его уравновешивании: Определить измеряемое сопротивление и наибольшую абсолютную погрешность измерения, если класс точности моста равен единице.

3. К источнику постоянного тока подключен пассивный приемник. Внешняя характеристика источника задана графиком (рис. 7). Определить режим работы, при котором в нагрузке выделяется максимальная мощность. Как при этом, используя характеристику (рис. 7), вычислить внутреннее сопротивление источника?

 

 

Рис. 6 Рис. 7

 

4. Как изменятся показания приборов в электрической цепи (рис. 8) после включения выключателя?

5. Как будут изменяться показания приборов в электрической цепи (рис. 9), если движки реостата одновременно перемещать из средних положений влево?

Рис. 8 Рис. 9.

 

Содержание отчета

1. Выполнение домашнего задания.

2. Электрическая схема лабораторного стенда, назначение элементов этой схемы.

3. Измерение электрических величин в эксперименте (тока, напряжения, сопротивления и ЭДС источника питания).

4. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных, используя формулы метода эквивалентных преобразований.

5. Выводы.

Лабораторная работа № 2