Определение неизвестной ЭДС методом компенсации.

В качестве измерительного сопротивления можно использовать реохорд, сопротивление которого R пропорционально длине l. В целях недопущения перегрева реохорда напряжение опорного источника U ₀ не должно превышать 2 В. Источником опорного напряжения служит ИЭПП–1. Для того, чтобы не было необходимости в ходе работы менять собранную схему, можно неизвестный и эталонный источники ЭДС подключать к измерительной цепи последовательно с использованием трехполюсного ключа (Рис. 2).

Произвести компенсацию неизвестного источника при положении ключа "влево". Рассчитать ЭДС неизвестного источника по формуле:

.

Переключением ключа "вправо" подключить к измерительной схеме эталонный источник и перемещением движка добиться компенсации e_э падением напряжения на участке реохорда l _{2 э} . Рассчитать уточненное значение неизвестной ЭДС

и сравнить его с полученным ранее.

Определение компенсационным методом напряжений, токов и сопротивлений.

В качестве измерителя используется потенциометр ПП–63. Так как предел измерения потенциометра U_п составляет 100 мВ, необходимо рассчитать и собрать измерительную схему (Рис. 3). U ₀ опять выбирается 2 В (ИЭПП–1). В качестве эталонного сопротивления можно взять магазин сопротивлений. Ограничительное сопротивление рассчитывается по формуле:

.

Произвести измерения напряжений на неизвестном и эталонном сопротивлениях и определить U_x, I_x, R_x.

Сделать выводы о возможности и рациональности использования компенсационных методов измерения электрических характеристик цепей постоянного тока.

Вопросы к зачету по работе.

– Почему невозможно измерить ЭДС источника тока вольтметром магнитоэлектрической системы.

– Объяснить физическую суть компенсационного метода измерений электрических величин.

– Почему компенсационный метод позволяет точно измерить ЭДС источника тока?

– Как, используя компенсационный метод, произвести измерение силы тока в цепи и величину сопротивления нагрузки?

– Объяснить устройство и принцип действия измерительного потенциометра ПП-63.

 

Лабораторная работа № 6

Исследование процессов зарядки и разрядки конденсатора

Цель работы.

Изучить закономерности протекания квазистационарных токов на примере токов зарядки и разрядки конденсатора.

Знания, необходимые для допуска к работе.

– Квазистационарные токи;

– Правила Кирхгофа;

– Емкостное сопротивление конденсатора.

Краткие сведения из теории.

Отличие квазистационарных токов от постоянного тока в том, что изменение тока происходит достаточно медленно, так, что в каждый момент времени для электрических величин, описывающих состояние системы, выполняются все закономерности, характерные для постоянного тока.

Процессы зарядки и разрядки конденсатора, в этом смысле, можно отнести к квазистационарным. Эти процессы проиллюстрированы на схеме (Рис. 1). Рассмотрим процесс зарядки. Ключ замыкается в верхнее положение (1). По правилу Кирхгофа для верхнего контура

,

где I_з – мгновенный ток зарядки, U – мгновенное значение напряжения на пластинах конденсатора. Напряжение на конденсаторе и зарядный ток соответственно равны:

.

Выразив ток через напряжение, подставив в первую формулу и преобразовав ее, получаем следующее выражение:

.

Решаем его относительно мгновенного значения напряжения

,

где A и – некоторые константы. Из начального условия можно определить .

Тогда выражения для мгновенного напряжения на конденсаторе и мгновенного тока в контуре примут вид:

.

Видно, что в момент замыкания ключа ток практически мгновенно достигает значения , а потом по экспоненциальному закону спадает до нуля при .

При разрядке конденсатора через сопротивление наблюдаются следующие процессы. В момент замыкания ключа в нижнее положение (2) в цепи потечет ток, вызванный наличием напряжения на обкладках конденсатора

.

При этом мгновенные значения тока и напряжения будут равны:

.

Знак "–" в формуле для тока показывает, что выбранное положительное направление тока соответствует уменьшению заряда конденсатора. Эта система уравнений решаются аналогично случаю зарядки конденсатора. Получается выражение:

,

откуда

.

Опять же из начальных условий определяется , и формула мгновенного напряжения на обкладках конденсатора принимает окончательный вид:

.

Мгновенный ток, как в случае зарядки, так и в случае разрядки конденсатора определяется формулой:

.

Из приведенных выше рассуждений видно, что зарядка и разрядка конденсатора происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Скорость установления напряжения на конденсаторе зависит от R и C. Величина, постоянная для данного контура, называется постоянной времени данного контура (или временем релаксации) и показывает, через какое время после выключения e напряжение на конденсаторе уменьшится в
e = 2,71 раза.

Практические задания

Предварительный расчет параметров зарядной и разрядной цепи.

По известному значению емкости конденсатора рассчитать величины сопротивлений, которые позволят получить постоянную времени контура в диапазоне 30 ¸120 с. Исходя из значения зарядного напряжения U ₀ (200 В), подобрать вольтметры с необходимым пределом измерения, причем один из вольтметров, подключаемый параллельно конденсатору, должен быть электростатической системы, чтобы не происходило разрядки конденсатора через его внутреннее сопротивление. Подобрать амперметр с пределом, достаточным для измерения максимального тока .