Лабораторная работа Изучение цепи переменного тока Основы электротехники конспект лекций Баланс мощностей


Лабораторная работа 233

Изучение цепи переменного тока

  Если в электрической цепи действует периодически изменяющаяся электродвижущая сила, то в ней возникают колебания тока и напряжения. Амплитуды и фазы этих колебаний на разных элементах цепи – сопро-тивлении (R), индуктивности (L) и емкости (C) - будут разными. Мы будем изучать цепи переменного тока с сосредоточенными параметрами, в которых R, L и C сосредоточены на отдельных участках цепи в виде резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности (Рис. 1), в отличие от цепей с распределенными параметрами, в которых они распределены по всей длине цепи. Кроме того будем считать, что ток в цепи изменяется по гармоническому (синусоидальному) закону .

 


Резистор Конденсатор Катушка индуктивности

  Рис. 1.

При изучении гармонических колебаний широко пользуются методом векторных диаграмм. Суть этого метода состоит в том, что любая физическая величина (x), изменяющаяся по гармоническому закону x = x0cos(wt+j0), может быть представлена как проекция на заданную ось вектора, вращающегося против часовой стрелки. Длина вращающегося вектора равна амплитудному значению x0. Угол, образу-емый этим вектором с заданной осью в начальный момент времени равен началь-ной  фазе колебания (j0) (Рис. 2).

Сопротивление в цепи переменного тока (R-цепь)

 При прохождении переменного тока

 (1)

через резистор, обладающий сопротивлением R, на резисторе появляется переменное напряжение, совпадающее по фазе с колебаниями тока

. (2)

 Сопротивление резистора  не зависит от частоты w

 На рисунке 3а представлена векторная диаграмма для рассматриваемой цепи, а на рисунке 3б - графики зависимостей IR и UR от времени. Так как фазы колебаний тока и напряжения одинаковы, направления соответ-ствующих векторов на векторной диаграмме совпадают.

 


 

  Рис. 3а Рис. 3б

Индуктивность в цепи переменного тока (L-цепь)

 Если через катушку индуктивности идет переменный ток

, (3)

то напряжение на ее выводах будет равно по величине, но противоположно по знаку ЭДС самоиндукции, то есть

 (4)

 Сравнение выражений (3) и (4) показывает, что колебания напряжения на катушке индуктивности опережают по фазе на p/2 колебания тока в ней. На векторной диаграмме (рис. 4а) вектор, изображающий колебания напря-жения, повернут относительно вектора тока на угол p/2 в положительном направлении (против часовой стрелки). На рис. 4б это отражено в сдвиге кривой напряжения относительно кривой тока влево на четверть периода.

 


 

 


 Рис. 4а Рис. 4б

Сопротивление катушки индуктивности, определяемое как отношение амплитудных значений напряжения и тока линейно растет с увеличением

частоты  . (5)

Емкость в цепи переменного тока (C-цепь)

 Если в цепи, содержащей конденсатор, идет переменный ток

, (6)

то происходит периодическая перезарядка конденсатора. По определению I = dq/dt, следовательно

. (7)

При этом напряжение на конденсаторе

. (8)

 Сравнение (6) и (8) показывает, что колебания напряжения на конден-саторе отстают по фазе на p/2 от колебаний тока (см. рис. 5а и 5б).

 Сопротивление конденсатора уменьшается при увеличении частоты.

 (9)

 

 

RLC-цепь Анализ цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора, катушки индуктивности и конденсатора, проведем с помощью векторной диаграммы.

Описание экспериментальной установки

Методическое пособие к работе N 241 Изучение электронного осциллографа Цель работы: ознакомление с устройством и принципом работы универсального электронного осциллографа, изучение формы электрических сигналов, а также измерение их амплитудных и временных характеристик.

Осциллограф универсальный двухканальный С1-117/1 предназначен для исследования формы электрических сигналов путем визуального наблюдения и измерения их амплитудных и временных параметров как непосредственно по шкале экрана электронно-лучевой трубки, так и цифровым методом.

Электрическая линза – фокусировка электронного луча системой анодов. Устройство, предназначенное для фокусировки электронного пучка, называется электронной линзой. Управление электронным пучком может осуществляться с помощью электрических и магнитных полей, соответственно электронные линзы подразделяются на электрические или магнитные. Ниже рассмотрено действие электрической электронной линзы.

Измерение диэлектрической проницаемости Рассмотрены теоретические основы процессов поляризации диэлектриков в электрическом поле и методика выполнения лабораторной работы. Исследование включает измерение поляризованности, диэлектрических потерь и определение зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

Электрическое поле диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика Поляризация всех рассмотренных диэлектриков во внешнем электрическом поле приводит к изменению электрического поля внутри них.

Сегнетоэлектрики Особую группу среди полярных диэлектриков составляют сегнетоэлектрики, которые обладают рядом разнообразных электрических свойств. Название этой группе дано по первому исследованному веществу – сегнетовой соли NaKCl4H4O6 × 4H2O , поляризационные характеристики которой изучались советскими физиками И.В. Курчатовым, П.П. Кобеко и др.

В настоящей работе в качестве диэлектрика исследуется вариконд – сегнетоэлектри-ческий конденсатор с резко выраженными нелинейными свойствами, обладающий большой емкостью, малыми размерами, ограниченным диапазоном рабочих частот и температур, а также высоким значением диэлектрических потерь. Вариконд - сегнетоэлектрический конденсатор находится в составе кассеты ФПЭ-02.

Выполнение измерений Задание. Определение полной поляризованности Pn , остаточной поляризованности  P0 и коэрцитивной силы EК.

Электричество и постоянный ток Электричество – это понятие, которое охватывает всю совокупность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие электрических зарядов. Науку, изучающую эти явления, называют наукой об электричестве.

Электростатическое поле и его напряженность. Электрические заряды, находясь, даже на большом расстоянии друг от друга, взаимодействуют между собой. Такое взаимодействие может осуществляться только посредством поля, в данном случае - электрического. Каждое заряженное тело окружено таким полем. Если заряженное тело неподвижно, то окружающее его поле называется электростатическим.

Электростатическое поле электрического диполя. Электрический диполь - система двух равных по модулю и противоположных по знаку точечных зарядов +q и -q, расстояние l между которыми мало по сравнению с расстоянием до исследуемых точек поля. Прямая, проходящая через оба заряда, называется осью диполя.

Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда. При перемещении заряда в электростатическом поле, действующие на заряд кулоновские силы, совершают работу.

Связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.

Диэлектрики в электрическом поле Термин «диэлектрик» впервые был введен М.Фарадеем. К диэлектрикам относятся, в первую очередь, электроизолирующие материалы. Однако, многие полупроводники тоже обладают диэлектрическими свойствами. Электроизолирующие материалы препятствуют рассеянию в пространстве энергии электрического тока. Они играют решающую роль в конструировании электрических приборов, аппаратов, линий передачи электроэнергии. Это приводит к необходимости детального изучения процессов, происходящих в диэлектрике под воздействием электрического поля: поляризации, проводимости, электрической прочности и др.

Вектор поляризации и диэлектрическая восприимчивость диэлектриков

Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике Из предыдущего раздела следует, что напряженность поля Е при переходе из вакуума в диэлектрик изменяется скачкообразно.

Пьезоэлектрический эффект. При деформации некоторых кристаллических, не имеющих центра симметрии, полярных диэлектриков (включая все сегнетоэлектрики) была обнаружена электрическая поляризация. Это явление было открыто и первоначально изучено братьями П. и Ж.Кюри в 1880 г., и получило название пьезоэлектрического эффекта. Наиболее подробно этот эффект изучен у кристаллов кварца, турмалина, сахара, сегнетовой соли, борацита и др.

Электрическая емкость уединенного проводника Уединенным называется проводник, вблизи которого нет других заряженных тел, диэлектриков, которые могли бы повлиять на распределение зарядов данного проводника.

Энергия заряженного уединенного проводника, конденсатора. Энергия электростатического поля Энергия заряженного проводника численно равна работе, которую должны совершить внешние силы для его зарядки W=A. При перенесении заряда dq из бесконечности на проводник совершается работа dA против сил электростатического поля (по преодолению кулоновских сил отталкивания между одноименными зарядами)

Постоянный электрический ток Электрический ток, сила и плотность тока Электрическим током называется направленное перемещение электрических зарядов.

Закон Ома для участка и полной замкнутой цепи В 1826 г. немецкий ученый Георг Ом экспериментально установил прямую пропорциональную зависимость между силой тока I в проводнике и напряжением U на его концах

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Определим работу, совершаемую постоянным током в проводнике, имеющем сопротивление R и находящемся под напряжением

Электрические токи в металлах, вакууме и полупроводниках Опытные доказательства электронной проводимости металлов. Электронная теория проводимости металлов была впервые создана в 1900 г. немецким физиком П.Друде и впоследствии разработана нидерландским физиком Х.Лоренцем. Основным ее положением является то, что носителями тока в металлах служат свободные электроны. Это подтверждалось рядом классических опытов.

Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов. При комнатной температуре практически все свободные электроны находятся внутри металла, так как их удерживает притяжение положительных ионов. Однако отдельные электроны с достаточно большой кинетической энергией могут выйти из металла в окружающее свободное пространство (например, в вакуум)

Электрический ток в вакуумном диоде

Элементы современной квантовой или зонной теории твердых тел. Главной причиной неудовлетворительности классической теории электропроводности твердых тел является то, что в ней не учтены квантовые свойства электрона. Эти свойства были обнаружены при изучении строения атомов и движения микрочастиц в силовых полях, что привело к созданию в начале двадцатого века квантовой или волновой механики. Согласно этой квантовой теории поведение микрочастиц по сравнению с поведением макрочастиц отличается рядом особенностей:


Методы расчета и анализа электрических цепей