4. Технологические карты-инструкции по выполнению лабораторных работ
4.1. Технологическая карта – инструкция по выполнению лабораторной работы
Основные правила эксплуатации электрооборудования и методы измерения электрических величин
Цель работы: Ознакомиться с лабораторным оборудованием для проведения работ по электротехнике и с правилами техники безопасности. Собрать электрические схемы.
Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи и потребления электрической энергии. Пример простейшей электрической цепи показан на рис. 1.1. Кружок со стрелкой внутри и стоящей рядом буквой Е (рис. 1.1, а) обозначает так называемый источник ЭДС (его еще называют источником напряжения). Это идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение постоянно по величине, равно ЭДС реального источника и не зависит от протекающего по нему тока. Стрелка показывает направление возрастания потенциала внутри источника. Плюс находится у острия, минус – у хвоста стрелки. Ток во внешней цепи протекает по направлению стрелки ЭДС – от плюса источника к минусу. Внутреннее сопротивление реального источника R0 соединяется последовательно с ЭДС Е, и в совокупности они образуют схему замещения реального источника (на рис. 1.1, а обведена пунктиром).
а) б)
Рис. 1.1. Простейшая электрическая цепь
Другое представление схемы генератора осуществляется в виде параллельного соединения источника тока и сопротивления R0 (рис. 1.1, б). Под источником тока понимают также идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого бесконечно велико, и который вырабатывает ток J, не зависящий от величины нагрузки R и равный частному от деления ЭДС реального источника на его внутреннее сопротивление J = E/R0. На схеме он изображается кружком с двойной стрелкой, рядом с которым ставится буква J (рис. 1.1, б).
В схеме рис. 1.1, а ЭДС равна сумме напряжений на нагрузке и внутреннем сопротивлении источника:
Е = U + IR0.
Отсюда
U = E – IR0. (1.1)
Рис. 1.2. Внешняя характеристика генератора
|
Последнее выражение представляет так называемую внешнюю характеристику генератора. Оно говорит о том, что напряжение на его зажимах меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении (рис. 1.2). Чем больше ток и внутреннее сопротивление генератора, тем меньше выдаваемое им напряжение. При холостом ходе генератора (при I = 0) напряжение, измеренное на его разомкнутых зажимах равно ЭДС: U = E.
|
Рис. 1.3. Напряжение на зажимах источника
|
На практике часто приходится сталкиваться с элементами схемы, показанными на рис. 1.3. Разница между ними заключается во взаимном направлении стрелок ЭДС и напряжения. В первом случае (рис. 1.3, а), когда эти стрелки направлены противоположно друг другу, напряжение определяется как разность потенциалов положительного и отрицательного зажимов источника и поэтому положительно. При одинаковых направлениях стрелок E и U (рис. 1.3, б) напряжение равно разности отрицательного и положительного потенциалов, а потому оно отрицательно:
U = – E.
|
Пример 1.1. Напряжение холостого хода батареи равно 16,4 В. Чему равно ее внутреннее сопротивление, если при токе во внешней цепи, равном 8 А, напряжение на ее зажимах равно 15,2 В?
Р е ш е н и е. В соответствии с уравнением (1.1) из схемы, показанной на рис. 1.4, а, следует U = UX = E = 16,4 В.
Схема 1.4, б дает  Ом.
а б
Рис. 1.4. Разомкнутая (а) и замкнутая (б) цепи
При решении задачи мы полагали, что измерение проводилось идеальным вольтметром, имеющим бесконечно большое сопротивление. При конечной величине сопротивления вольтметра в измерение вносится погрешность.
Рис. 1.5. Измерение ЭДС вольтметром
|
Пример 1.2. ЭДС батареи измеряется вольтметром, имеющим сопротивление RV. Чему равно показание вольтметра при трех различных значениях его сопротивления, если Е = 80 В,  = 100 Ом?
Р е ш е н и е. Показание вольтметра UV равно падению напряжения на его сопротивлении (рис. 1.5):
|
 ; (1.2)
а) RV = 100 кОм:
|
 В;
|
б) RV = 2,5 кОм:
|
 В;
|
в) RV = 400 Ом:
|
 В.
|
Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения. Как следует из формулы (1.2), только при RV  показание вольтметра равно ЭДС: UV = E.
Нагрузкой в схеме на рис. 1.1 служит сопротивление R. Напряжение на его зажимах связано с током законом Ома
I = GU, (1.3)
где G – проводимость, величина, обратная сопротивлению R; единица измерения – cименс (См).
При G = const выражение (1.3) представляет собой уравнение прямой, проходящей через начало координат. Его график (рис. 1.6) называется вольтамперной характеристикой. Элементы электрической цепи, имеющие аналогичную (прямолинейную) вольтамперную характеристику, называются линейными. Электрическая цепь, состоящая только из линейных элементов, также называется линейной.
|
Рис. 1.6. Вольтамперная характеристика линейного сопротивления
|
Полагая в уравнении (1.3)  , получим U = IR. Последнее выражение справедливо, когда стрелки напряжения и тока у резистора направлены в одну сторону (рис. 1.7, а). При изменении на схеме направления любой из стрелок в правой части закона Ома следует ставить минус (рис. 1.7, б). Здесь при определении напряжения на элементе мы "идем по стрелке" напряжения против стрелки тока.
Рядом с буквой U можно ставить два индекса, обозначающие точки, между которыми определяется напряжение; например, Uab – напряжение между точками а и b. При этом направление стрелки напряжения на схеме определяется порядком следования индексов – от а к b (от первого индекса ко второму).
|
Рис. 1.7. Напряжение и ток в сопротивлении
|
1.2. Закон Ома для участка цепи с ЭДС
На практике часто встречается задача, когда требуется определить ток в некоторой ветви при известных ее параметрах и потенциалах ее зажимов.
Пусть в схеме на рис. 1.8, а заданы R, E, a, b, и требуется определить ток.
Рис. 1.8. Варианты ветви с ЭДС
Между R и E отметим промежуточную точку с и выразим ее потенциал через потенциалы точек а и b.
Так как в резисторе ток протекает слева направо, то потенциал точки а выше потенциала точки с на величину падения напряжения в активном сопротивлении:
a = с + IR. (1.4)
Точка b находится на положительном полюсе источника, а с – на отрицательном. Поэтому
b = с + E. (1.5)
Беря разность левых и правых частей выражений (1.4) и (1.5), получим
a – b = IR – Е,
откуда
 .
Для цепи на рис. 1.8, б после аналогичных рассуждений будем иметь
I = ( a – b – E) G.
В двух последних формулах ЭДС записывается с плюсом, если ее направление на схеме совпадает с направлением тока, и с минусом – в противоположном случае.
2.9. Понятие об активном сопротивлении. Синусоидальный
ток в активном сопротивлении
При протекании электрического тока выделяется энергия в виде тепла или механической работы. Параметр электрической цепи, характеризующий этот процесс, называется активным сопротивлением. Количественно он определяется следующим образом. Пусть на некотором участке цепи за время Т, равное периоду переменного тока, действующее значение которого I, необратимо преобразуется в тепло или механическую работу электрическая энергия WТ. Тогда активное сопротивление рассматриваемого участка цепи по определению равно
 . (2.12)
На схеме активное сопротивление обозначается точно так же, как и сопротивление постоянному току (рис. 2.16). Последнее, называемое еще омическим, определяется структурой кристаллической решетки проводника и состоянием свободных электронов. Наличие вблизи каких-либо проводящих тел и ферромагнитных сердечников на омическое сопротивление не влияет.
|
Рис. 2.16. Активное сопротивление
|
Иначе обстоит дело при переменном токе.
При невысоких частотах сопротивление проводника мало отличается от сопротивления постоянному току. Но с повышением частоты все сильнее и сильнее сказывается поверхностный эффект, заключающийся в вытеснении переменного тока из серединных областей проводника к его поверхности. Это приводит к уменьшению сечения, занимаемого током, к увеличению сопротивления и возрастанию тепловых потерь. К аналогичным последствиям приводит и эффект близости, выражающийся в возникновении неравномерности распределения электрического тока по сечению проводника из-за действия магнитного поля соседних проводов.
Если вблизи катушки имеются ферромагнитные сердечники и какие-либо другие проводящие тела, то магнитное поле переменного тока индуцирует в них вихревые токи, что вызывает дополнительные потери энергии на нагрев. Кроме того, в переменном магнитном поле происходит непрерывное периодическое перемагничивание ферромагнитного сердечника, требующее энергетических затрат на изменение направления магнитных моментов доменов.
Таким образом, понятие активного сопротивления является более широким, по сравнению с омическим. Числитель в формуле (2.12) при переменном токе всегда больше, чем при постоянном, так как он включает в себя все перечисленные потери электромагнитной энергии на тепло. Поэтому для одной и той же электрической установки активное сопротивление переменному току всегда оказывается больше чем сопротивление постоянному току.
Приборы и оборудование
Источники тока: выпрямитель ВС-24, аккумуляторные батареи, лабораторный автотрансформатор ЛАТР.
Электроизмерительные приборы различных систем: амперметры, вольтметры, ваттметры.
Реостаты.
Батарея конденсаторов.
Катушка индуктивности.
Ключи.
Проводники.
Схемы опытов
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Порядок работы
Изучить инструкцию по технике безопасности и расписаться в журнале.
Изучить основные источники тока.
Ознакомиться с оборудованием и электроизмерительными приборами.
Характеристики применяемых измерительных приборов
Наз-ва-ние
|
Тип
|
Измеряемая величина
|
Род тока
|
Сис-тема
|
Класс точности
|
Пре-делы измере-ний
|
Цена деле-ния
|
Завод-ской номер
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Научиться определять цену деления на различных приборах и различных пределах измерения.
Цена деления шкалы вольтметра = 
Цена деления шкалы амперметра =
Цена деления шкалы ваттметра = 
Собрать простейшую электрическую цепь. Без проверки преподавателем не включать!
Результаты измерений и вычислений
Измерено
|
Вычислено
|
U, В
|
I, А
|
R, Ом
|
R, Ом
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Составить отчет.
Ответить на контрольные вопросы:
Какие источники тока используются в лаборатории?
Как определить цену деления шкалы измерительных приборов?
Какие напряжение и ток опасны для жизни человека?
|
