Лабораторная работа № 1 (Введение, часть 1)

 

Тема: Лабораторное оборудование. Порядок выполнения лабораторно-практических работ. Вводный инструктаж по ТБ и ППБ.

Цель: Знакомство с лабораторным оборудованием, порядком выполнения работ и техникой безопасности при работе и противопожарной безопасностью.

 

Теоретическая часть

 

1. Меры безопасности.

При работе с электрооборудованием есть опасность поражения электрическим током и возникновения пожара. Поэтому нужно строго соблюдать правила по технике безопасности. Следует учесть, что безопасных условий труда не бывает и знать опасности конкретного объекта.

В лаборатории электроники на каждом рабочем месте есть выключатель электророзеток и вставлять вилки в розетки, а также их отключать нужно при положении этого выключателя.

При включенном оборудовании можно выполнять только те работы, которые невозможны без подачи напряжения: проводить измерения и воздействовать на регуляторы.

При нештатных ситуациях нужно обесточить рабочее место и доложить преподавателю.

Не включать стенд в розетку без разрешения преподавателя.

Изучить инструкции по ТБ и ППБ выданные преподавателем, внимательно выслушать и записать материал представленный преподавателем, расписаться в журнале инструктажа.

2. Цели лабораторных исследований.

В лаборатории проводится экспериментальное исследование схем. Для этого требуется собрать схему, отрегулировать ее и провести исследование по заданной программе. Итог работы – сравнение результатов эксперимента с теоретическими приложениями.

 

3. Порядок работы.

3.1. Ознакомиться с описанием работы.

3.2. Выполнить подготовительные операции, указанные в описании.

3.3. Собрать схему измерений на стенде.

3.4. Провести исследования схемы по программе.

3.5. Обработать результаты исследования. В случае расхождения результатов повторять измерения.

3.6. Отключить установку от электросети.

3.7. Предъявить тетрадь преподавателю для визирования.

4. Защита лабораторной работы.

4.1. Отчет, оформленный в соответствии с ЕСКД, предъявляется преподавателю в начале следующего занятия. Содержание отчета указано в инструкции к лабораторной работе.

4.2. При защите студент должен доказать обоснованность выводов и ответить на контрольные вопрос к работе. В случае нарушения правил оформления отчета зачет не проводиться.

 

Контрольные вопросы

1. Какие опасности поражения электрическим током присутствуют в лаборатории?

2. Как пользоваться огнетушителем?

3. Что нужно делать при возгорании электропроводки?

4. В каком порядке выполняется лабораторная работа?

5. Как определить расхождение результатов опытов и теории?

 

Литература:

1. Инструкции по ТБ и ППБ.

 

 

                                            Лабораторная работа №1 (Часть 2)

Тема: Соединение источников ЭДС в режимах источника и приемника электрической энергии.

Цель: 1. Приобретение практических навыков измерения.

2. Изучение согласного и встречного соединения источников ЭДС.

Порядок выполнения

 

Теоретическая часть

Электрическая цепь состоит из источника электрической энергии с ЭДС и внутренним сопротивлением r₀ и потребителя с сопротивлением R_Н (рис. 1). Считая проводники идеальными можно считать: E=U₀+U_Н,

где U_0­­­­­-внутреннее падение напряжения на r₀. U_Н-напряжение на нагрузке.

Так как сопротивление внутреннее и сопротивления нагрузки соединены последовательно, то общее сопротивление равно: R_ОБ=r₀+R_Н

 

При последовательном соединении сопротивлений через них пропускают один и тот же ток I. Следовательно:U₀=I∙r₀,U_Н=I∙R_Н.

E=Ir₀+I∙R_Н=I(r₀+R_Н); I=E/(r₀+R_Н)

Последняя формула называется законом Ома для полной цепи. Полная мощность в электрической цепи равна: P=E∙I. Мощность полезная равна: P_Н=U_Н∙I. Коэффициент полезного действия источника электрической энергии: η=P_Н/P×100%

Если в электрической цепи согласно включены несколько ЭДС (рис. 2), то общая ЭДС равна арифметической сумме. Если в электрическую цепь встречно включены ЭДС (Рис. 3), то общая ЭДС равна разности.

Задание и исходные данные

В работе в электрическую цепь с нагрузкой R_Н, включается источник электрической энергии согласно (рис. 4) и встречно (рис. 5) При согласном включении: Е=Е₁+Е₂

 

При встречном включении: Е=Е₁–Е₂, R_Н=1кОм

В режиме генератора U₀=E–U_Н

В режиме потребителя U₀=U_Н–E

Измерив ток в электрической цепи, определяют внутреннее сопротивление источников ЭДС. r₀=U₀/I_ОПЫТ, где I_ОПЫТ измеренный ток прибором. Расчетный ток в электрической цепи определяется: I_Р=E₁±E₂/(r₀+R_Н); I_Р=E₁+E₂/(r₀₁+ r₀₂+R_Н); где r₀-общее внутреннее сопротивление, r₀₁-сопротивление E₁, r₀₂-сопротивление E₂, где «+»-для согласованного включения, «–»-для встречного включения.

Полная мощность цепи равна: P=E∙I_Р

Мощность нагрузки равна: P_Н=U_Н∙I_Р

Мощность, затраченная в источниках ЭДС: P₀=U₀∙I_Р

Коэффициент полезного действия: η=P_Н/P∙100%

Оборудование

Стенд, Состав схемы: источники ЭДС; МА–миллиамперметр, V–вольтметр.

Ход работы

Не включая стенд в сеть 220В:

1. Установить на измерительных приборах переключатели рода тока «–/≈» -в положение «–» и максимальные пределы измерения приборов.

2. Установить тумблер в положение «=I/выкл.» в положение «=I». Измерить Е₁ и Е₂, подключив вольтметр V к клеммам.

3. Записать в таблицу E₁,E₂,R_Н(R₇).

4. Отключить стенд и собрать схему (рис. 6), на наборном поле, согласного включения ЭДС.

5. Включить стенд.

6. Измерить вольтметром V напряжение на Е₁, Е₂, R_Н, ток I и занести в таблицу.

7. Тумблер «=Iвыкл.» установить в положение «выкл.» и собрать схему рис. 7

8. Повторить пункты 5, 6, 7.

9. В соответствии с методическими указаниями произвести расчет величин: «Расчетных данных» при согласованном и встречном включении источников Е₁ и Е₂.

Опытные данные

Расчетные данные

Соединение источников

E1

U1

E2

U2

UH

IH

rH

U01

U02

r01

r02

I

UH

P1

P2

P01

P02

PH

η

В

В

В

В

В

мА

кОм

В

В

Ом

Ом

мА

В

Вт

Вт

Вт

Вт

Вт

Согласное включение

Встречное включение

 

Содержание отчета

1. Наименование темы

2. Цель работы

3.  Схемы исследования

4. Таблицу

5. Формулы и расчетные данные согласного и встречного включения Е₁ и Е₂.

6. Краткие выводы по работе.

 

Контрольные вопросы

1. В каких единицах измеряются электрические величины.

2. Закон Ома для участка и полной цепи.

3. Чему равна полная мощность цепи.

4. Чему равна полезная мощность электрической цепи.

5. Чему равен коэффициент полезного действия.

 

Литература

Немцов М. В. Электротехника и электроника: учеб. для студ. учрежд. сред. проф. образования / М. В. Немцов, М. Л. Немцова. - 2-е изд., стер. - М.: АКАДЕМИЯ, 2018. - 432 с.

 

 

                                                 Лабораторная работа № 2

Тема: Смешанное соединение сопротивлений.

Цель работы: 1. Отработка практических навыков проведения эксперимента.

                     2. Исследования измерения токов и напряжений в Т-образной цепи при                                изменении сопротивлений на различных участках.

 

Порядок выполнения

 

Теоретическая часть.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника электрической энергии с ЭДС (Е) и внутренним сопротивлением r₀ и потребителя, представляющего собой смешанное соединение трех резисторов R₁, R₂, R₃ (Рис. 1). Считая проводники идеальными можно записать равенство E = U₀+U_Н (1), где U₀-внутреннее падение напряжения на r₀; U_Н-напряжение на зажимах источника электрической энергии.

В свою очередь U_Н=U_R1+U_AB=I₁∙R₁+U_AB (2)

В соответствии с первым законом Кирхгофа

I₁=I₂+I₃=U_AB/R₂+U_AB/R₃=U_AB(1/R₂+1/R₃) (3)

Из (3) U_AB=I₁/(1/R₂+1/R₃)=I₁∙R₂∙R₃/(R₂+R₃) (4)

Подставим (4) во (2) U_Н=I₁∙R₁+I₁∙[R₂∙R₃/(R₂+R₃)]=I₁∙(R₁+[R₂∙R₃/(R₂+R₃)]) (5)

Подставим (5) в (1) E=I₁∙r₀+I₁(R₁+[R₂∙R₃/(R₂+R₃)])=I₁∙(r₀+R₁+[R₂∙R₃/(R₂+R₃)]) (6)

Закон Ома для полной цепи примет вид: I₁=E/(r₀+R₁+[R₂∙R₃/(R₂+R₃)]) (7)

Задание и исходные данные

В работе исследуемая электрическая цепь (Рис. 2). Известны r₁, r₂, r₃. U_AB, E₁- измеряют вольтметром. Опытные токи измеряют миллиамперметром mA₁, mA₂, mA₃. Расчетные значения получают следующим образом:

 

 

Измерив напряжение на зажимах источника Е₁ определяют U₀=E–U_H, определяют r₀=U₀/I_1опыт определяют по mA₁.

Расчетные токи определяют: Ток I_1расч по формуле (7).

Определим расчетное напряжение U_AB: U_ABрасч=E–I_1расч(r₀+r₁)

Определяют: I_2расч=U_ABрасч/r₂=(E–I_1расч(r₀+r₁))/r₂

I_3расч=U_ABрасч/r₃=(E–I_1расч(r₀+r₁))/r₂

Сравниваем показания mA₁, mA₂, mA₃ с расчетными.

Сравниваем показания вольтметра с расчетным U_ABопыт= U_ABрасч

 

Оборудование

Стенд, состав схемы: E₁-источник ЭДС, mA-миллиамперметры, V-вольтметр, r₁-резисторы R₁=0,51 кОм или R₂=1 кОм, r₂-резисторы R₄=1 кОм или R₅=2 кОм, r₃-резистор R₇=1 кОм.

 

Ход работы.

1. Установить на измерительных приборах переключатели рода тока «=/» в положение «=» и максимальные пределы измерения.

2. Установить тумблер «=I/Выкл» в положение «=I» и измерить вольтметром E₁ и записать в таблицу.

3. Тумблер «=I/Выкл» установить в положение «Выкл».

4. Собрать схему для проведения опыта №1 (Рис. 4).

5. Установить тумблер «=I/Выкл» в положение «=I».

6. Снять показания mA₁, mA₂, mA₃, напряжение на зажимах E₁ и U_AB и записать в таблицу 1-го опыта.

7.
Тумблер «=I/Выкл» установить в положение «Выкл».

8. Собрать схему для проведения опыта №2 (Рис. 5).

9. Установить тумблер «=I/Выкл» в положение «=I».

10. Снять показания mA₁, mA₂, mA₃, напряжение на зажимах E₁ и U_AB и записать в таблицу 2-го опыта.

11. Установить тумблер «=I/Выкл» установить в положение «Выкл».

12. Собрать схему для проведения опыта №3 (Рис. 6).

13. Установить тумблер «=I/Выкл» в положение «=I».

14.
Снять показания mA₁, mA₂, mA₃, напряжение на зажимах E₁ и U_AB и записать в таблицу 3-го опыта.

15. Установить тумблер «=I/Выкл» установить в положение «Выкл».

16. Выключить стенд.

17. В соответствии с методическими указаниями рассчитать I₁,I₂,I₃,U₁,U_AB и занести в таблицу.

 

№ опыта

Измеряемые величины

Расчетные величины

E

UН

r1

r2

r3

I1

I2

I3

U1

UАВ

I1

I2

I3

U1

UАВ

В

В

кОм

кОм

кОм

мА

мА

мА

В

В

мА

мА

мА

В

В

1

2

3

 

Содержание отчета:

1. Наименование схемы.

2. Цель работы.

3. Состав схем стенда.

4. Схемы исследования.

5. Таблица

6. Расчетные формулы, расчеты.

 

Выводы по результатам измерений:

1) Как изменяется напряжение U_AB при увеличении и уменьшении r₂ при постоянных r₁, r₃.

Контрольные вопросы

1. Последовательное, параллельное соединение резисторов.

2. Закон Ома для участка и полной цепи.

3. Чем отличаются расчетные и опытные данные.

4. Влияние на токи и напряжения изменений r₁, r₂.

Литература.

Немцов М. В. Электротехника и электроника: учеб. для студ. учрежд. сред. проф. образования / М. В. Немцов, М. Л. Немцова. - 2-е изд., стер. - М.: АКАДЕМИЯ, 2018. - 432 с.

 

                                              

                           Лабораторная работа № 3

Тема: Опытная проверка законов Кирхгофа

Цель работы: 1. Отработка практических навыков проведения эксперимента.

                     2. Овладеть навыками и умениями расчета электрических цепей и аналитического сравнения с экспериментальными данными.

Порядок выполнения

Теоретическая часть.

Согласно первому закону Кирхгофа алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в узле, равна нулю(рис.1):

          Рис.1

Обычно при расчете электрических цепей направления токов в ветвях, присоединенных к какой-либо точке разветвления, неизвестны. Поэтому для возможности самой записи уравнения первого закона Кирхгофа нужно перед началом расчета цепи произвольно выбрать так называемые положительные направления токов во всех ее ветвях и обозначить их стрелками на схеме. Действительные направления токов определятся в результате расчета.

Согласно второму закону Кирхгофа алгебраическая сумма напряжений на резистивных элементах замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС, входящих в этот контур(рис.2):

Рис.2

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника электрической энергии с ЭДС (Е) и внутренним сопротивлением r₀ и потребителя, представляющего собой смешанное соединение трех резисторов R₁, R₂, R₃ (Рис. 3). Считая проводники идеальными можно записать равенство E = U₀+U_Н (1), где U₀-внутреннее падение напряжения на r₀; U_Н-напряжение на зажимах источника электрической энергии. Рис.3

Е2

В соответствии с первым законом Кирхгофа:

I₁ – I₂ – I₃ =0

I₁= I₂+ I₃

По второму закону Кирхгофа:

Для первого контура: E₁ = I₁∙ r₀+ I₁∙ R₁+ I₂∙ R₂

Для второго контура:   – E₂ = I₃∙ r₀+ I₃∙ R₃ – I₂∙ R₂

 

 

Задание и исходные данные

В работе исследуемая электрическая цепь (Рис. 5). Известны R₁, R₂, R₃. U_AB, E_1, E₂ - измеряют вольтметром. Опытные токи измеряют миллиамперметром mA₁, mA₂, mA₃. Расчетные значения получают решив систему из трех линейных уравнений, составленных по законам Кирхгофа (Теоретическая часть):

Рис.4

Сравниваем показания mA₁, mA₂, mA₃ с расчетными.

Проверяем первый закон Кирхгофа I_1опыт = I_2опыт + I_3опыт

Сравниваем показания вольтметра с расчетным U_ABопыт= U_ABрасч

Проверяем второй  закон Кирхгофа: E₁₌ U_1опыт + U_ABопыт

                                                              E₂₌ U_3опыт + U_ABопыт

Оборудование

Стенд, состав схемы: E₁-источник ЭДС, mA-миллиамперметры, V-вольтметр, r₁-резисторы R₂=1 кОм, R₄=1 кОм, R₇=1 кОм.

Ход работы.

1. Установить на измерительных приборах переключатели рода тока «=/» в положение «=» и максимальные пределы измерения.

2. Установить тумблер «=I/Выкл» в положение «=I» и измерить вольтметром E₁ и записать в таблицу.

3. Тумблер «=I/Выкл» установить в положение «Выкл».

4. Собрать схему для проведения опыта №1 (Рис. 5).

5. Установить тумблер «=I/Выкл» в положение «=I».

6.
Снять показания mA₁, mA₂, mA₃, напряжение на зажимах E_1, Е₂ и U_AB и записать в таблицу.

Е2

                                 Рис.5

7. Тумблер «=I/Выкл» установить в положение «Выкл».

8. Выключить стенд.

9. В соответствии с методическими указаниями рассчитать I₁,I₂,I₃,U₁,U_AB и занести в таблицу.

10. Сравнить расчетные данные с опытными.

 

№ опыта

Измеряемые величины

Расчетные величины

E1

E2

R1

R2

R3

I1

I2

I3

U1

UАВ

I1

I2

I3

U1

UАВ

В

В

кОм

кОм

кОм

мА

мА

мА

В

В

мА

мА

мА

В

В

1

 

Содержание отчета:

1. Тема.

2. Цель работы.

3. Схемы исследования.

4. Таблица

5. Расчетные формулы, расчеты.

6. Выводы.

Выводы по результатам измерений:

1. Как изменяются токи I₁,I₂,I₃ при уменьшении r₂ в два раза при постоянных r₁, r₃;

2. Как изменяются токи I₁,I₂,I₃ при увеличении r₁ в два раза при постоянных r₂, r₃;

3. Как изменяется напряжение U_AB при увеличении и уменьшении r₂ при постоянных r₁, r₃.

Контрольные вопросы

1. Последовательное, параллельное соединение резисторов.

2. Закон Ома для участка и полной цепи.

3. 1-й и 2 –ой законы Кирхгофа.

4. Чем отличаются расчетные и опытные данные.

Литература.

Немцов М. В. Электротехника и электроника: учеб. для студ. учрежд. сред. проф. образования / М. В. Немцов, М. Л. Немцова. - 2-е изд., стер. - М.: АКАДЕМИЯ, 2018. - 432 с.

Лабораторная работа №4

Тема: Построение потенциальной диаграммы.

Цель работы: 1. Отработка практических навыков проведения эксперимента.

                  2. Отработка практических навыков определения потенциалов различных точек цепи, расчета и построения потенциальной диаграммы.

Порядок выполнения

 

Теоретическая часть.

Во многих случаях изучения и расчета электрических цепей полезно определить потенциалы отдельных точек электрической цепи и построить потенциальную диаграмму. Потенциал какой-либо точки электрической цепи равен напряжению между этой точкой и точкой цепи, потенциал которой принимают равным нулю, например, соединенной с землей. При определении потенциалов точек цепи пользуются соотношениями:

P_AB = rI², U_AB = R_AB/I = rI                                           (1)

Р_ВБ = E₂I + R_вт2I², U_ВБ = P_ВБ/I = E₂ + R_вт2I                             (2)

E₁= U_АБ + U_вт1 = U_АБ + R_вт1I, U_АБ = E₁ – r_вт1I                          (3)

U = φ₊ – φ_–= E ± r_втI,                                              (4)

где знак «+» относиться к работе в режиме потребителя, а знак «–» относиться к работе в режиме генератора.

Определим потенциалы точек Б, В, Г и Д цепи, схема замещения которой дана на рис. 1. Из данных на схеме направлений тока I и ЭДС E₁ и E₂ следует, что источник с ЭДС E₁ работает в режиме потребителя, а источник с ЭДС E₂ – в режиме генератора.

Ток на участке цепи, обладающем только сопротивлением, всегда направлен от точки с более высоким потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Поэтому точка Б имеет больший потенциал, чем точка А. По (1) разность потенциалов φ_Б – φ_А=U_БА=r₁I. Так как точка А заземлена, то φ_А=0 и φ_Б= r₁I.

Потенциал φ_Б точки Б является потенциалом отрицательного ввода первого источника, а потенциал φ_В точки В является потенциалом положительного вывода того же источника. Напряжение на выводах источника можно выразить как разность потенциалов, и, учитывая, что источник с ЭДС E₁ работает в режиме потребителя, можно написать аналогично (2)

U_ВБ = φ_В – φ_Б= E + r_вт1I,

откуда потенциал

φ_В = φ_Б + E + r_вт1I.                                                 (4а)

Следует обратить внимание на то, что в реальной цепи нет таких двух точек, между которыми существовало бы напряжение, равное r_вт1I или ЭДС Е₁. Физической величиной является сумма этих величин Е₁+ r_вт1I = U_ВБ. Разделение этой суммы на слагающие с соответствующее графическое изображение.

По (1) потенциал φ больше φ_В на величину r₂I, таким образом,

φ_Г = φ_В + r₂I.

Источник с ЭДС Е₂ работает в режиме генератора. Разность потенциалов между положительным и отрицательным его выводами аналогична (3)

U_ГД =

откуда

φ_Д = φ_Г – E₂ + r_вт2I.                                             (4б)

Наконец, потенциал φ_А точки А выше потенциала φ_Д точки Д на величину r₃I, т. е. φ_А– φ_Д= r₃I, откуда

φ_А = φ_Д + r₃I

и должно получиться φ_А = 0, если правильно вычислен ток.

Графическое изображение изменения потенциала в электрической цепи в зависимости от сопротивлений участков (элементов) этой цепи называется потенциальной диаграммой. На графике на оси абсцисс откладывают в масштабе сопротивления участков (элементов) цепи в порядке следования их друг за другом в цепи. По оси ординат откладывают в масштабе значения потенциалов.

Задание и исходные данные

Стенд, состав схемы: E₁, Е₂ - источники ЭДС, mA-миллиамперметр, V-вольтметр, R₁=0,51 кОм, R₆=0,75 кОм, R₇=1 кОм. Схема исследования:

Подготовка к работе.

18. Установить на измерительных приборах переключатели рода тока «=/~» в положение «=» и максимальные пределы измерения.

19. Установить тумблер «=I/Выкл» в положение «=I». Измерить значение E₁, Е₂.

20. Записать в таблицу 1 значение r₁, r₂, r₃ и величину Е₁, Е₂.

21. Тумблер «=I/Выкл» установить в положение «Выкл».

Ход работы.

1. Собрать схему рис. 2.

2. Включить источник постоянного тока и измерить напряжение на потенциальных точках: В, С, Д, Е относительно точки А, и напряжение U_СД.

Примечание: Соединить левую клемму вольтметра с точкой А, при отклонении стрелки вольтметра влево от 0, концы вольтметра поменять местами, а полкученное значение потенциала точки записать со знаком «–».

3. Собрать схему рис. 3. Повторить измерение по п. 2. Данные занести в таблицу 1.

4. По данным E₁, E₂, r₁(R₁), r₂(R₆), r₃(R₇) теоретически рассчитать потенциалы точек А, В, С, Д, Е и напряжение U_СД, данные расчета занести в таблицу 1.

По данным таблицы для каждого опыта в отдельности на миллиметровой бумаге в масштабе построить потенциальные диаграммы, на основании опыта и расчетных данных.

Содержание отчета:

1. Наименование и цель работы.

2. Состав измерительного стенда.

3. Схемы исследования.

4. Таблицу, расчет по схемам, графики.

5. Краткие выводы по работе.

 

№ опыта

Величины

E1

Е2

r01

r1

r2

r3

I

φА

φВ

φС

φД

φЕ

UСА

В

В

кОм

кОм

кОм

кОм

мА

В

В

В

В

В

В

Опыт №1

Из опыта

Из расчета

Опыт №2

Из опыта

Из расчета

Контрольные вопросы

1. Что такое потенциал?
2. Что такое напряжение?
3. Чему равна разность потенциалов?
4. Чему равен ток в веточке если известны потенциалы узлов и величина ЭДС?
5. Как направлен ток в веточке, если известны потенциалы узлов?

Литература.

1. Лоторейчук Е.А. «Теоретические основы электротехники»,М/ИД «Форум», 2013

2. Немцов М. В. Электротехника и электроника: учеб. для студ. учрежд. сред. проф. образования / М. В. Немцов, М. Л. Немцова. - 2-е изд., стер. - М.: АКАДЕМИЯ, 2018. - 432 с.