Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Цель работы: Проверить опытным путем законы Ома и Кирхгофа для
цепи постоянного тока с параллельным соединением резисторов R 1,R2,R3; получить навыки составления принципиальных и монтажных электрических
схем
Оборудование: Источник постоянного тока 15В, блок мультиметров,
виртуальный амперметр, миллиамперметр, вольтметр и омметр, лампочка
накаливания, резистор, выключатель.
Краткая теория
Электрической цепью — называют состоящий из проводников замкнутый путь для тока, то есть для направленного движения электрических зарядов. Для поддержания тока в цепи нужен источник электрической энергии.
К электротехническим устройствам относятся:
• источники электромагнитной энергии (генераторы) или источники электрических сигналов (гальванические элементы, аккумуляторы);
• приемники или потребители;
• устройства передачи и преобразования электрической энергии (кабели,
провода и трансформаторы).
Источники электрической энергии относятся к группе активных
элементов электротехнических устройств. Если R0 = 0 и электродвижущая сила (ЭДС) Е = const, то источник называется идеальным. Внутреннее сопротивление источника тока R вн во много раз больше сопротивления нагрузки.
Аккумуляторная батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС.
Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. Направлением тока условились считать направление движения
положительных зарядов. Поэтому направление тока в металлах противоположно направлению движения электронов. Для возникновения тока необходимо наличие электрической цепи. Основными частями простой элек-
трической цепи являются источник электрической энергии е, приемник
электроэнергии R и соединительные провода (рис. 2.1). Для замыкания и
размыкания цепи служит выключатель того или иного вида К.
К группе пассивных элементов относятся: активное сопротивление R,
индуктивность L и емкость С.
Для поддержания электрического тока требуется обеспечивать разделение
носителей отрицательных и положительных зарядов, что и происходит в источниках. Когда источник подключен к цепи, возникает направленное движение зарядов под действием сил притяжения разноименных и отталкивания
одноименных зарядов, т.е. электрический ток.
Ток, неизменный во времени, называют постоянным. Обозначаемый
символом I, он выражается количеством заряда Q, который пересекает сечение проводника за единицу времени t (1 секунду)(2.1):
I=Q/t
(2.1)
Изображение электрической цепи с помощью условных обозначений
называют электрической схемой соединений (рис. 2.1).
+
-
Рис.2.1
Вне источника положительные носители заряда движутся от его положительного зажима (полюса) к отрицательному зажиму (полюсу). Направление движения отрицательных зарядов противоположно движению положи-
тельных зарядов. В качестве условного положительного направления тока
принимается направление движения положительных зарядов. Это направление показывают на схеме стрелкой.
В электротехнических устройствах одновременно протекают три
энергетических процесса:
1. В активном сопротивлении в соответствии с законом Джоуля - Ленца
происходит преобразование электрической энергии в тепло. Мощность активного сопротивления всегда положительна.
Термин «сопротивление» применяется для условного обозначения элемента электрической цепи и для количественной оценки величины R
.Сопротивление измеряется в Омах (Ом). Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью и измеряется в сименсах (См). Величина R
любого приемника, строго говоря, не остается постоянной при протекании по
нему тока, так как сопротивление зависит от температуры.
Для практических расчетов в электрических цепях величину R можно
принимать постоянной. В этом случае зависимость напряжения на сопротивлении R от силы тока (вольтамперная характеристика) будет называться линейной.
2. Индуктивный элемент - это элемент, в котором энергия электрического поля преобразуется в энергию магнитного поля.
3. Накопление энергии происходит в электрическом поле конденсатора.
Для количественного описания электрического тока используются две
основные величины: сила тока и плотность тока. Единицей силы тока служит Ампер (А). Плотность тока измеряется в амперах на квадратный метр
(А/м2).
Те или иные соединения элементов называются электрической цепью, а
графическое изображение цепи - электрической схемой.
Электрическая схема показывает, как осуществляется соединение элементов рассматриваемой цепи. В электрической схеме соединения элементов
образуют ветви, узлы, контуры.
Участок электрической цепи, по которому проходит ток одного и того
же значения и направления, называется ветвью. Замкнутая электрическая
цепь, образованная одной или несколькими ветвями, называется контуром, а
место соединения трех или более ветвей - узлом. На схеме узел изображается
точкой. Графическое изображение цепи называется электрической схемой.
Электрические цепи классифицируются: по роду тока (постоянный и
переменный); по характеру элементов (линейные и нелинейные); по схемам
соединения (простые и сложные).
Режимы работы электрических цепей.
Электрические цепи и их элементы могут работать в различных режимах:
Номинальным режимом работы элемента электрической цепи считается режим, при котором он работает с номинальными параметрами.
Согласованным является режим, при котором мощность, отдаваемая
источником или потребляемая приемником, имеет максимальное значение.
Такое значение получается при определенном соотношении (согласовании)
параметров электрической цепи.
Под режимом холостого хода понимается такой режим, при котором
через источник или приемник не протекает электрический ток. При этом источник не отдает энергию во внешнюю часть цепи, а приемник не потребляет
ее. Для двигателя это будет режим без механической нагрузки на валу.
Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при
соединении между собой разноименных зажимов источника или пассивного
элемента, а также участка электрической цепи, находящегося под напряжением.
В промышленности применяются два рода тока - постоянный и переменный. Постоянный ток используется в процессе электролиза (гальванопластика - получение легко отделяющихся точных металлических копий, гальваностегия - нанесение металлических покрытий из одних металлов на изделия из других металлов), на городском транспорте (электропоезда, трамваи,
троллейбусы), в осветительных приборах, в устройствах автоматики, электроники и вычислительной техники.
Если ток постоянный, то отсутствует явление самоиндукции и напряжение на катушке индуктивности равно нулю (2.2)
2.2
Если рассматривать конденсатор как идеальную емкость, то в цепи постоянного тока эта ветвь равносильна разомкнутой.
Постоянный ток через емкость не проходит.
Таким образом, в цепи постоянного тока остаются только источники
ЭДС или тока - активные элементы и приемники резисторы - пассивные элементы.
Простыми цепями постоянного тока называются цепи с одним источником при последовательном, параллельном и смешанном соединении приемников.
Сложной электрической цепью называется цепь, содержащая несколько источников и которую нельзя свернуть до простой цепи последовательного или параллельного соединений.
Экспериментальная часть
Задание 1
Соберите простейшую электрическую цепь согласно схеме (рис 2.2),
включив в нее два мультиметра в качестве амперметра или два виртуальных
прибора. Путем измерений определите, является ли ток одинаковым во всех
точках цепи и убедитесь, что он равен нулю, когда цепь разомкнута или отключен источник.
I1
мА
U=15 В
мА
I2
Рис. 2.2
Порядок выполнения эксперимента
 Подайте постоянное напряжение 15 В к зажимам цепи (рис. 2.2) и определите, протекает ли ток и горит ли лампочка – при разомкнутой (с помощью выключателя) и замкнутой цепи.
 Занесите данные измерений вместе с данными о состоянии лампочки в
табл. 2.1.
Таблица 2.1
Выключатель
I1, мА
I2, мА
Лампа вкл.
Лампа выкл.
Замкнут
Разомкнут
 Проверьте, будет ли протекать ток, когда источник напряжения отсоединен, а выключатель замкнут.
Закон Ома
Общие сведения
Закон Ома выражает математически соотношение между напряжением U,
током I и сопротивлением R на участке цепи с сопротивлением (2.3).
I = U / R, U = IR, R = U / I
где: I - ток, А;
U - напряжение, В;
(2.3)
R - сопротивление, Ом.
В замкнутой цепи с постоянным сопротивлением ток изменяется пропорционально напряжению.
Если при постоянном напряжении изменяется сопротивление, то ток изменяется обратно пропорционально сопротивлению.
Экспериментальная часть
Задание 2
Снимите экспериментально и постройте графики зависимостей I = f(U) при
R=Const и I = f (R) при U = Const.
Порядок выполнения эксперимента
 Чтобы построить кривые I = f(U), соберите цепь по схеме (рис. 2.3) и измерьте токи, имеющие место при напряжениях и сопротивлениях, которые
указаны в табл. 2.2. В качестве измерительных приборов используйте
мультиметры или виртуальные приборы с коннектором.
Рис. 2.3
Таблица 2.2
U, В
I, мА при R=100
Ом
I, мА при R=150
Ом
0
2
4
6
8
10
12
I, мА при R=330
Ом
 Занесите результаты измерения токов в табл. 2.2.
 Перенесите данные табл. 2.2 на график (рис. 2.4) и зависимости U(I) при
мА
I
120
100
80
60
40
20
U
0
2
4
6
8
10
12
В
трёх значениях сопротивления.
Рис. 2.4
 Для построения кривых I = f(R) измерьте токи, имеющие место при
напряжениях соответственно 4 В, 8 В и 12 В, в зависимости от сопротивлений, указанных в табл. 2.3
Таблица 2.3
R, Ом
I, мА при U=12
100
150
220
330
470
680
1000
В
I, мА при U=8
В
I, мА при U=4
В
 Занесите данные измерения токов в табл. 2.3 и перенесите их на график
(рис. 2.5) для построения семейства зависимостей I = f(R).
мА
I
120
100
80
60
40
20
R
0
200
400
600
800
1000
1200
Ом
Рис. 2.5
1. Закон Ома: U = IR, I = U/R, R = U/I. Определяет связь между основными электрическими величинами на участках цепи с пассивными элементами.
Контрольные вопросы:
1.Что называют электрической цепью?
2. Какой источник электрической знергии называют идеальным?
3.Перечислите основные части простой электрической цепи?
4. Дайте определение постоянному электрическому току?
5.Какие энергетические процессы протекают в электротехнических устройствах?
6. Дайте определение понятию – линейные электрические элементы цепи.
7. Какие элементы электрической цепи называются пассивными?
Приложения
Приложение 1
Порядок работы с мультиметрами при измерении напряжений, токов и сопротивлений
Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока
представлен Лабораторная работа №1.
Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров соблюдайте следующие правила:
 Не превышайте допустимых перегрузочных значений, указанных
в заводской инструкции для каждого рода работы
 Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливайте
переключатель пределов измерения на наибольшую величину.
 Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы
(не для изменения предела измерения!), отключайте щупы от
проверяемой цепи.
 Не измеряйте сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение.
 Не измеряйте ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они
разряжены.
 Будьте внимательны при измерении тока мультиметрами МY62 и
МY64. Предохранитель 0,2 А этих мультиметров может перегореть от источников напряжения имеющихся в данном стенде.
Мультиметр МY60 защищён предохранителем 2 А, который не
может перегореть от токов, создаваемых источниками данного
стенда.
До подключения мультиметра к цепи необходимо выполнить следующие операции:
 выбор измеряемой величины: - V, ~ V, - A, ~ A
 выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату
измерений;
 правильное подсоединение зажимов мультиметра к исследуемой цепи.
Приложение 2
Порядок работы с виртуальными измерительными приборами
Коннектор применяется в компьютеризованном варианте эксперимента
и предназначен для ввода измеряемых токов и напряжений в компьютер на
плату PCI-6023(24) для измерений с помощью программы «ВП ТОЭ». Он содержит делители напряжений для ввода напряжений, шунты для ввода токов,
блоки гальванической развязки измеряемых сигналов, разъем для вывода из
компьютера сигналов управления электронным ключом и разъем для подключения плоского кабеля связи коннектора с компьютером.
Общий вид лицевой панели коннектора показан на рис. 2.6.
КОННЕКТОР
100
+
+
Кнопки переключения
шунтов
500
100
I4
+
+
15 В
В
5
20
20
5 мА
Кнопка переключения измеряемого тока (I1 или I2)
A1
+
I3
Кнопки переключения
делителей напряжения
V1
+
500
5В
V0
20
100
U
20
A2
100
20
5 мА
Светодиоды сигнализации
измеряемого тока (I1 или I2)
A3
I3
A4
I4
УПРАВЛЕНИЕ КЛЮЧОМ
К КОМПЬЮТЕРУ
Рис.2.6
Изображенные на лицевой панели измерительные приборы V0, V1,
A1…A4 включаются в цепь как обычные вольтметры и амперметры. Коннектор имеет два канала для ввода напряжений в компьютер и два канала для
ввода токов. Однако, в цепь можно включить четыре амперметра и кнопками
переключения измеряемого тока выбирать вводимое в компьютер значение I1
или I2, I3 или I4. О выбранном токе сигнализирует светодиод на лицевой панели коннектора и надпись на виртуальном амперметре на экране дисплея.
Кнопки переключения делителей напряжения и шунтов предназначены
для выбора пределов измерения, как в обычных измерительных приборах
Порядок работы с виртуальными амперметрами и вольтметрами
При работе с виртуальными приборами придерживайтесь следующего
порядка.
 Соберите цепь согласно схеме опыта, включив в нее вместо реальных амперметров и вольтметров виртуальные приборы, изображенные на лицевой панели коннектора.
 Включите виртуальные приборы двойным щелчком левой кнопки мыши
на ярлыке «ВП ТОЭ». В результате откроется блок «Приборы I» (рис. 2.7),
в котором содержатся вольтметры и амперметры. Часть из них активизирована по умолчанию (т. е. включены пределы измерения).
 Расположение приборов в окне этого блока можно изменить, щелкнув левой кнопкой мыши на обозначении прибора и выбрав в открывшемся перечне нужный прибор. К одному и тому же каналу коннектора, таким образом, можно подключить несколько виртуальных приборов для одновременного измерения, например, действующего, амплитудного, среднего
и др. значений одного и того же напряжения (тока).
 Активизируйте нужные виртуальные приборы, щелкнув в соответствующих окнах на кнопках «Откл». Для отключения прибора щелкните в окне
предела измерения. Чем больше каналов задействовано в виртуальных измерениях тока и напряжения, тем ниже частота сканирования и меньше
значений вводится в компьютер за период измерения. Период измерения,
в течение которого производится ввод данных в компьютер, по умолчанию равен 0,1 с. Его можно изменить, открыв меню, как показано на рис.
2.7 и выбрав мышью строку «Период измерения».
Рис. 2.7
При выполнении измерений переменных напряжений и токов
необходимо обращать внимание на число отсчётов в секунду, которое
указано в верхней части панели «Приборы I». Необходимо, чтобы число
отсчётов, приходящихся на один период измеряемого сигнала (не путать
с периодом измерения!), было не менее десяти. При меньшем числе отсчётов резко возрастает погрешность измерений.
 Выберите род измеряемой величины, щелкнув в окне «Действующее» и
выбрав из открывшегося списка нужное значение. (Для цепи постоянного
тока это, скорее всего, «Среднее»). В этом окне пункт «Действ. перем.»
означает действующее значение сигнала, из которого исключена постоянная составляющая.
 Выберите пределы измерения амперметров и вольтметров, нажав соответствующие кнопки на коннекторе (рис. 1.12). Выбранные пределы отображаются автоматически в соответствующих окнах виртуальных приборов.
Когда измеряемый сигнал превышает допустимый для данного канала
уровень, окно с показанием виртуального прибора начинает мигать красным цветом, а в верхней части панели включается надпись «Перегрузка!
Перейдите на больший предел». Она гаснет, как только предел измерения
становится больше измеряемой величины.
 При снижении измеряемой величины ниже значения следующего (более
низкого) предела измерения включается надпись «Перейдите на меньший
предел». Через некоторое время она гаснет самостоятельно, но окно данного виртуального прибора продолжает мигать, предупреждая о том, что
данное измерение желательно сделать точнее.
 Для того, чтобы закрыть окно виртуальных приборов, необходимо щелкнуть по клавише «Выкл».