Лабораторная работа №1

Лабораторная работа

№ 1

 

 

Лабораторная работа №1

«Электрические измерения. Вольтамперная характеристика элемента цепи»

I. Цели и содержание работы.

Ознакомиться с устройством, конструктивными особенностями и принципом действия электроизмерительных (э-и) приборов, электромагнитной (э-м), магнитоэлектрической (м-э), электродинамической (э-д), электростатической (э-с) и выпрямительной (в) систем. Научиться расшифровывать надписи на шкалах и панелях приборов, определить внутреннее сопротивление приборов, абсолютную и относительную погрешность приборов и результатов измерений. Приобрести практические навыки в составлении принципиальных электрических схем, в сборке
(э-и) приборов, в подключении электрических приборов, в определении сопротивления элемента цепи.

В работе измеряется ток, напряжение и мощность на элементе цепи синусоидального переменного тока. Анализируется вольтамперная характеристика (ВАХ) элемента - зависимость тока через элемент от величины приложенного к концам элемента напряжения, т.е. I = f (U)

II Теория вопроса.

а) Содержание и литература.*)

- Основные законы электрических цепей (электрическая цепь, ток, плотность тока, напряжение, эдс, разность потенциалов, оммическое сопротивление: линейное, нелинейное сопротивление; работа, мощность электрического тока; законы Кирхгофа, закон Ома).

Л: [К] В2-В7; [Б] §1.1-1.7; [О] 1.2-1.3,2.1-2.4;

[Е] §2.1, 2.6, 2.7, §3.1, 3.2; [Ф9] гл. IX; [Ф10] §24,25.

Синусоидальный переменный ток (уравнение гармонического колебания; мгновенное, амплитудное значение, фаза, начальная фаза, частота период; получение переменного тока; действующие значения переменных токов и напряжений; закон Ома для простейших цепей переменного тока; активное, реактивное, полное сопротивления; активная, реактивная, полная мощности; методы изображения переменного синусоидального тока - алгебраический, графический; векторных диаграмм, символических векторов или комплексных чисел).

Л: [К] 5.1 - 5.5, 5.7, 5.9 - 5.11, 5.14, 5.17; [Б] §3.1 - 3.8, 3.15 - 3.19; [О] 6.1 - 6.6; [Е] §5.1- 5.9,6.1- 6.3; [Ф10] §19 - 21,25.

- Несинусоидальные периодические токи (изображение периодической функции в виде гармонического ряда - ряда Фурье; гармоники; действующее значение, мощность несинусоидальных токов, цепи переменного тока, содержание вентили, коэффициенты, характеризующие форму синусоидальных кривых.

Л: [К] 7.1 -7.3; [Б] §5.1 - 5.2,5.4 - 5.7; [О] 6.17; [Е] §8.1 - 8.4; [М2]

- Вольтамперная характеристика (ВАХ) элемента цепи (линейные и нелинейные

цепи постоянного тока; графический метод расчета нелинейных цепей;

дифференциальные параметры нелинейных элементов).

Л: [К] 2.10; [Б] §1.11; [О] 2.6; [Е] §3.13.

 

- Электрические измерения (устройство, принцип действия э-и приборов; методы измерения; погрешности измерений; расшифровка шкал приборов; выбор прибора, включение его в цепь; значение величин, измеряемых приборами - действующее, среднее, амплитудное, постоянная составляющая несинусоидального периодического тока; активная, полная мощность, омическое, активное, полное сопротивление).

Л: [К] 13.1-13.7,13.10; [Б] §8.1-8.7; [О] 9.1-9.7,10.1-10.7; [М2] § стр.

- Обозначение элементов электрической цепи, расшифровка схемы электрической цепи.

Л: [М2] § стр.

- Техника безопасности при выполнении лабораторных работ. Л: [М1] § стр.

- Устройство И особенности лабораторного стенда ЛЭС-4. Л: [М1] § стр.

- Сборка электрической цепи, выбор приборов. Л: [М2] § стр.

б) Контрольные вопросы по теории.

Задача 1. К нагрузке R (C»0, L»0) приложено постоянное напряжение 127В. Какое

значение покажет вольтметр, подключенный к Rесли он: а) м-э системы; б) э-м системы; в) э-с системы?

3адача 2. К той же нагрузке приложено синусоидальное напряжение (50Гц),

действующее значение которого равно 127В. Какое значение покажут те же самые вольтметры?

Задача 3. То же самое сопротивление R является нагрузкой однополупериодного

выпрямителя (без фильтра). Вольтметр Э-М системы показывает 90В. Какое значение покажут остальные три вольтметра? Как и почему изменяется показание приборов, если параллельно к R подключить конденсатор емкостью С? Какое значение будут измерять приборы, если они будут подключены к С, а R будет отключено?

3адача 4. Цепь состоит из сопротивления R (величиной С и L пренебрегаем в рассматриваемом диапазоне частот) и последовательно включенного с ним амперметра, который может работать в цепях как постоянного, так и переменного синусоидального токов (в рассматриваемом диапазоне частот). Цепь подключается поочередно к трем источникам питания: постоянного тока U₁=100В, переменного тока f₂=50Гц, U₂ =100В; переменного тока f₃ =10⁴Гц, U₃=100В. Изменяется ли при таком переключении показания амперметра (I₁, I₂, I₃)? Если изменяется, то как (I₁ > I₂ > I₃ или I₁ < I₂ < I₃) и почему? Какой характер носит сопротивление в первом и во втором, третьем случаях?

Задача 5. Номинальное значение амперметра I_ном=5А. Класс точности его 2,5.

Определить абсолютную и относительную погрешности при показании прибора: а) 0,5А; б) 4,9А. Дать рекомендации при работе с этим прибором.

Задача 6. Шкала ваттметра э-д системы разбита на 150 делений. В цепь включены

клеммы ваттметра «*» - «150В» и «*»- «2А». Определить цену деления ваттметра и сопротивление обмотки напряжения, если на шкале прибора написано, что параллельная обмотка рассчитана на 30 mА. Сравнить полученное значение сопротивления с сопротивлением токовой обмотки. Что может измениться, если клеммы прибора со звездочкой «*» подключить со стороны нагрузки и почему.

Задача 7. Мощность в цепи постоянного тока определяется из показаний амперметра и

вольтметра. Первый показывает ЗА (I_ном =5А, класс точности 2,5), второй ­100В (U_ном=300В, класс точности 1). Определить абсолютную и относительную ошибку в измерении мощности.

Задача 8. Как можно расширить предел измерений амперметра и вольтметра э-м или м-э
систем? Тоже самое для вольтметра э-с системы.

III. Задания, порядок выполнения, указания.

Задание 1. Исследовать ВАХ ламп накаливания (количество их задается преподавателем) в диапазоне ~ (50 220)В, f=50Гц. Измерить ваттметром W мощность на нагрузке и сравнить ее с расчетными данными из показаний вольтметра V и амперметра А.

1. Определить паспортные данные одной лампы накаливания (Л.Н.) и найти остальные электрические параметры Л.Н.

2. Учитывая параметры Л.Н., количество Л.Н., заданный диапазон измерения напряжений, подобрать W, А, V. Расшифровать их, определить внутреннее сопротивление приборов, предполагаемый рабочий участок шкалы (для каждого рабочего диапазона прибора).

З. Начертить принципиальную электрическую схему для снятия ВАХ Л.Н., предусмотрев измерение мощности на нагрузке с помощью ваттметра W. В качестве источника питания, имеющего регулировку выходного напряжения взять автотрансформатор А_тр, который подключается (через розетку) к стенду ЛЭС- 5.

Указание 1. При расположении в схеме приборов необходимо учесть соотношение сопротивлений нагрузки и внутренних сопротивлений приборов таким образом, чтобы ошибка измерений, вносимая схемой включения приборов, была бы минимальной.

4. Защитить начерченную схему у преподавателя (или лаборанта) и получить разрешение на ее сборку.

5. Записать основные технические данные приборов, ламп накаливания.

ВНИМАНИЕ! Убедиться, что пакетный выключатель В₁ стенда находится в

положении «отключено» (в горизонтальном положении). Эту операцию проводить перед сборкой схемы, при устранении неисправностей в схеме, при переборке схемы, при ее разборке во всех заданиях и лабораторных работах.

6. Собрать схему и представить ее для проверки (преподавателю).

 

 

 

7. Снять 20 точек ВАХ (в начале увеличивая напряжение, затем уменьшая его), записывая одновременно показания ваттметра. Результаты измерений занести в таблицу 1.

 

 

№

Измерить

Вычислить

U, B

I, A

P

P=IU

DI

Du

DP

åR;

Rл

DR;

 

Указание 2. _DP₁/ P₁ вычислите только для двух точек в начале и в конце графика, т.е. при малых

и больших U.

_DР_изм. - это абсолютная ошибка, определенная из данных ваттметров (класса точности, номинального значения).

_DP_выч.- это абсолютная ошибка при применении формулы P₁=IU, вычисленная из ниже приведенной формулы:

 

DP₁/P₁=DI/I+DU/U DP₁=DIU + DUI

DR_1Л.Н.- это абсолютная ошибка при расчете сопротивления одной лампы накаливания, вычисляется из

DR_1л=DI Un/I² +DUn/I , где n- число включенных ламп накаливания.

8. Построить ВАХ для заданной группы ламп, изобразив на графике погрешности измерений.

9. На том же листе построить ВАХ для одной лампы в предположении, что все они одинаковы.

10. В отчете к лабораторной работе:

а) Провести анализ полученных результатов.

- подчиняется ли полученная ВАХ закону Ома?

- если нет, то как отличается сопротивление лампы при небольших напряжениях от сопротивления при номинальном значении напряжения?

- что можно определить из графика ВАХ и каким образом?

б) Ответить на следующие вопросы:

- какие цепи можно считать линейными?

- какой график ВАХ линейной цепи.

- при каком режиме работы сопротивление одной лампы близко к расчетному, полученному из паспортных данных лампы?

- какое примерно значение можно получить при измерении сопротивления омметром одной лампы?

- почему отличается IU от Р?

- какая мощность измеряется ваттметром?

- какая мощность рассчитана из показаний А и V?

- какой характер носят: расчетное значение сопротивления из показаний А и V, измеренное сопротивление омметром?

- Какой прибор необходимо оставить в цепи совместно с W, чтобы определить сопротивление участка цепи, и как это сделать?

ЛИТЕРАТУРА:

[К] Касаткин А.С., Электротехника. «Энергия». М., 1973.

[Б] Борисов Ю.М., Липатов Д.Н. Общая электротехника. «Высшая школа», М., 1974.

[О] Общая электротехника. Под ред. проф. Блажкина А.т. «Энергия», Л., 1964.

[Е] Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники. «Высшая школа», М., 1971.

[Ф9], [Ф10] -учебники физики для 9 и 10 классов соответственно.

[М1], [М2] - методические пособия к лабораторным работам по электротехнике.

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А.И. ГЕРЦЕНА

 

Кафедра

физической электроники

Лаб 260

 

Лабораторная работа

№ 2

 

Работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ТОКА.

 

Цель работы: исследование работы источника ЭДС в режиме генератора

ВВЕДЕНИЕ

 

I. Определения.

Прежде чем приступить к рассмотрению работы источника тока в различных режимах, уточним некоторые понятия, которые будут использоваться в дальнейшем. Следует различать такие понятия как напряжение, падение напряжения, разность потенциалов и ЭДС, а также реже используемые, падение потенциала и потеря напряжения. Несмотря на то, что все они измеряются в вольтах, энергетически они описывают различные процессы, совершаемые при переносе единичного положительного заряда.

Разность потенциалов φ₂ - φ₁ = Δφ равна работе электростатических сил; либо работе против электростатических сил, в зависимости от направления движения зарядов.

Падение напряжения (I·R) описывает превращение энергии зарядов во внутреннюю энергию проводника(в тепло). Это следует из закона Джоуля - Ленца Q = I²Rt = IR·It = IR·q . Отсюда: IR=Q/q .

Электродвижущая сила (ЭДС) (Е) определяет работу сторонних (не электростатических) сил при переносе единичного заряда. Знак этой работы различен в зависимости от режима работы источника ЭДС. В режиме генератора работу совершают сторонние силы, в режиме потребителя работа совершается против сторонних сил. В первом случае энергия зарядов увеличивается за счет других видов энергии (химической, механической), во втором – энергия зарядов превращается в химическую, механическую, но не в тепловую.

Примечания: 1. Термин "напряжение" чаще всего заменяет "разность потенциалов". 2. В цепях переменного тока при рассмотрении вопросов передачи энергии по длинным проводам, а также при работе трансформатора под нагрузкой, придется отличать "падение напряжения" от "потери напряжения".