Кафедра Физики и математики, информационных технологий
 |
Отчет по лабораторной работе №2.2
Цепи переменного тока. Реактивные сопротивления
Выполнила ст. группы СБ-13-15
Пустовая Елена
Проверил:
ст. преподаватель Соболева В.В.
| Дата | Подпись | |
| Допуск | ||
| Результат | ||
| Отчет |
Цель работы: Ознакомиться с основными элементами электрических цепей синусоидального тока. Освоить методы электрических измерений в цепях синусоидального тока. Получить экспериментальное подтверждение закона Ома для цепей переменного тока.
Требуемое оборудование:
Модульный учебный комплекс: МУК-ЭМ1(2).
Приборы:
1. Генератор звуковых частот ЗГ1 1 шт.
2. Амперметр-вольтметр АВ1 1 шт.
3. Стенд с объектами исследования С3-ЭМ01 1 шт.
4. Комплект проводников 1 шт.
Ответы на контрольные вопросы:
Переменный ток. Мгновенное значение тока. Периодические токи. Период, частота.
Переменным током называют ток, изменяющийся во времени. Значение тока i(t) в любой момент времени называют мгновенным. Токи, мгновенные значения которых повторяются через равные промежутки времени в той же самой последовательности, называют периодическими, а наименьший промежуток времени T, через который эти повторения наблюдаются, - периодом. Величина, обратная периоду, называется частотой ν =1/T. Частота измеряется в герцах [Гц]. Постоянный ток можно рассматривать как частный случай периодического тока, период изменения которого бесконечно велик, т. е. частота равна нулю.
Уравнения мгновенного значения силы тока и напряжения, определение величин, входящих в данные уравнения.
Пусть на некотором участке цепи мгновенные значения тока и напряжения меняются гармонически, т. е по синусоидальному закону (рис. 1)
где Im – максимальное или амплитудное значение тока;
ψ I – начальная фаза колебаний тока
ψ U – начальная фаза колебаний напряжения.
Начальная фаза отсчитывается всегда от момента, соответствующего началу синусоиды (нулевое значение синусоидальной величины при переходе ее от отрицательных к положительным значениям), до момента начала отсчета времени t= 0 (начало координат). Если начало синусоиды сдвинуто влево, то начальная фаза имеет положительное значение, а если вправо – отрицательное.
Найти численное значение начальной фазы, например тока (рис. 1), можно путем определения величины Δ tI :
Поскольку начало синусоиды смещено влево, то начальная фаза ψ I имеет положительное значение.
Сдвиг фаз.
Если у нескольких синусоидальных функций, изменяющихся с одной частотой, начальные фазы не совпадают, то говорят, что они имеют сдвиг фаз (или разность фаз). Сдвиг фаз определяется как разность начальных фаз. Так, например, под разностью фаз ϕ напряжения и тока понимают разность начальных фаз напряжения ψ U и тока ψ I
Физические процессы, протекающие в цепях переменного тока, отличаются от процессов, протекающих в цепях постоянного тока. При переменном токе электрические и магнитные поля изменяются во времени. Изменяющееся магнитное поле наводит ЭДС, изменение электрического поля сопровождается изменением зарядов на проводниках.
Законы изменения тока и напряжения для участков цепи содержащих элементы: резистор, катушка индуктивности, конденсатор.
Основными элементами схем цепей переменного тока являются резисторы, конденсаторы и индуктивности. Рассмотрим законы изменения тока и напряжения для участков цепи содержащих эти элементы.
Резистор
В резистивном элементе с сопротивлением R электромагнитная энергия преобразуется в тепло. Мгновенная мощность, с которой происходит преобразование энергии, определяется соотношением: 
. Резистивные (или их ещё называют активные) сопротивления вводятся в схемы замещения также для учета необратимого преобразования электромагнитной энергии в другие виды (например, механическую, энергию излучения и т. п.).
В резистивном элементе (рис. 2,а) напряжение связано с током законом Ома: 
. Если ток в резисторе 
, то и напряжение
имеет синусоидальную форму и такую же фазу, что и ток в резисторе (т. е. ψ I =ψ U). Говорят, что ток и напряжение совпадают по фазе или синфазны, т. е. ϕ=0 (рис. 2,б).
Если через катушку индуктивности (рис. 3,а) пропустить переменный синусоидальный ток 
, то он создаст переменный магнитный поток, пронизывающий витки катушки. По закону электромагнитной индукции на зажимах катушки этот переменный поток наведёт синусоидальное напряжение:
где n – число витков катушки;
Ψ =wФ – потокосцепление;
L= потокосцепление;
L=d Ψ/ di - индуктивность;
xL=L ω= - реактивное индуктивное сопротивление.
В системе единиц СИ индуктивность L имеет размерность Генри (Гн), а индуктивное сопротивление – (Ом).
Индуктивность L учитывает энергию магнитного поля катушки 
Из соотношения (4) видно, что ток через индуктивность i(t) отстаёт от напряжения 
на угол 
(рис. 4).
Переменный ток, протекая по виткам катушки, создаёт в проводниках тепловые потери мощности 
, где 
- активное сопротивление обмотки. На рис. 3,б показана низкочастотная схема замещения катушки индуктивности, состоящая из индуктивности L и активного сопротивления обмотки. Если сопротивлением обмотки можно пренебречь, то такую катушку считают идеальной индуктивностью (рис. 3,в). Для высоких частот в схеме замещения необходимо учитывать межвитковую ёмкость катушки.
Из (4) следует, что при заданном напряжении 
можно найти по соотношению
Конденсатор
Конденсатор является элементом электрической цепи, имеющим две проводящие обкладки, между которыми находится слой диэлектрика (рис. 5,а). Если к зажимам конденсатора (рис. 5,а) подключить источник синусоидального напряжения 
то на его обкладках возникнет изменяющийся во времени электрический заряд q(t), т. е. через конденсатор будет протекать электрический ток
В (2) 
ёмкость конденсатора, которая определяет зависимость изменения величины заряда на обкладках конденсатора от изменения напряжения, приложенного к его обкладкам 
- реактивное ёмкостное сопротивление.
В системе единиц СИ ёмкость C имеет размерность Фарада (Ф), а ёмкостное сопротивление – (Ом).
Из соотношения (4) видно, что ток через конденсатор i(t) опережает напряжение 
на угол 90 (рис. 6).
Основной особенностью конденсатора является его способность запасать энергию электрического поля 
. Кроме того, в конденсаторе имеют место тепловые потери энергии в диэлектрике и обкладках, а также происходит запас энергии в магнитном поле. На рис. 5,б показана низкочастотная схема замещения конденсатора, состоящая из параллельного соединения ёмкости C и активного сопротивления с проводимостью – RД, учитывающей потери в диэлектрике и обкладках. Если потерями можно пренебречь, то конденсатор будет представлять собой идеальную ёмкость (рис. 5,в).
