Инженерно-производственный центр «Учебная техника»

Инженерно-производственный центр «Учебная техника»

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Руководство по выполнению базовых экспериментов

ЭЦПОТ.001 РБЭ (901)

Беглецов Н.Н., Галишников Ю.П., Сенигов П.Н. Электрические цепи постоянного тока. Руководство по выполнению базовых экспериментов. ЭЦПОТ.001 РБЭ (901) - Челябинск: ООО «Учебная техника», 2006. - 77 с.

Описаны отдельные компоненты комплектов типового лабораторного оборудования «Теория электрических цепей и основы электроники», «Теоретические основы электротехники» и «Электротехника и основы электроники», необходимые при проведении описанных в руководстве базовых экспериментов. Приведены электрические схемы соединений и порядок выполнения каждого эксперимента.

Руководство предназначено для использования при подготовке к проведению лабораторных работ в высших и средних профессиональных образовательных учреждениях.

 

 

 

 

ã ООО «Учебная техника», 2006

Содержание

 

Введение. 6

1. Описание комплекта типового лабораторного оборудования «Теоретические основы электротехники» 9

1.1. Общие сведения. 9

1.1.1. Компоновка оборудования. 9

1.1.2. Блок генераторов напряжений. 10

1.1.3. Наборная панель. 11

1.1.4. Набор миниблоков по теории электрических цепей и основам электроники. 12

1.1.5. Набор трансформаторов. 13

1.1.6. Блок мультиметров. 13

1.1.7. Ваттметр. 15

1.1.8. Набор миниблоков по теории электромагнитного поля. 15

1.1.9. Набор планшетов для моделирования электрических и магнитных полей. 19

1.1.10. Набор устройств для моделирования поверхностного эффекта и эффекта близости. 20

1.1.11. Коннектор. 21

1.1.12. Порядок работы с виртуальными амперметрами и вольтметрами. 22

1.1.13. Измерение сопротивлений, мощностей и углов сдвига фаз
с помощью виртуальных приборов. 23

1.1.14. Виртуальный осциллограф.. 25

1.1.15. Виртуальный псевдоаналоговый прибор. 27

1.1.16. Виртуальный прибор «Ключ». 28

1.2. Экспериментальная часть. 29

1.2. Электрическая цепь. 31

2.1. Общие сведения. 31

2.2. Экспериментальная часть. 32

3. Закон Ома. 33

3.1. Общие сведения. 33

3.2. Экспериментальная часть. 33

4. Цепи с резисторами.. 36

4.1. Введение. 36

4.2. Линейные резисторы.. 37

4.2.1. Общие сведения. 37

4.2.2. Экспериментальная часть. 37

4.3. Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом (термисторы) 39

4.3.1. Общие сведения. 39

4.3.2. Экспериментальная часть. 39

4.4. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом.. 41

4.4.1. Общие сведения. 41

4.4.2. Экспериментальная часть. 41

4.5. Резисторы с зависимостью от напряжения (варисторы) 43

4.5.1. Общие сведения. 43

4.5.2. Экспериментальная часть. 43

4.6. Резисторы с зависимостью от освещенности (фоторезисторы) 45

4.6.1. Общие сведения. 45

4.6.2. Экспериментальная часть. 45

4.7. Последовательное соединение резисторов. 46

4.7.1. Общие сведения. 46

4.7.2. Экспериментальная часть. 46

4.8. Параллельное соединение резисторов. 48

4.8.1. Общие сведения. 48

4.8.2. Экспериментальная часть. 48

4.9. Цепь со смешанным последовательно-параллельным соединением резисторов. 50

4.9.1. Общие сведения. 50

4.9.2. Экспериментальная часть. 50

4.10. Делитель напряжения при работе вхолостую.. 52

4.10.1. Общие сведения. 52

4.10.2. Экспериментальная часть. 52

4.11. Делитель напряжения под нагрузкой. 54

4.11.1. Общие сведения. 54

4.11.2. Экспериментальная часть. 54

5. Эквивалентный источник напряжения (ЭДС) 56

5.1. Общие сведения. 56

5.2. Экспериментальная часть. 57

6. Последовательное соединение источников напряжения (ЭДС) 59

6.1. Общие сведения. 59

6.2. Экспериментальная часть. 60

7. Параллельное соединение источников напряжения (ЭДС) 61

7.1. Общие сведения. 61

7.2. Экспериментальная часть. 62

8. Электрическая мощность и работа. 64

8.1. Общие сведения. 64

8.2. Экспериментальная часть. 64

9. Коэффициент полезного действия электрической цепи.. 67

9.1. Общие сведения. 67

9.2. Экспериментальная часть. 67

10. Согласование источника и нагрузки по напряжению, току и мощности.. 69

10.1. Общие сведения. 69

10.2. Экспериментальная часть. 69

11. Процессы заряда и разряда конденсатора. 71

11.1 Общие сведения. 71

11.2. Экспериментальная часть. 72

12. Процессы включения под напряжение и короткого замыкания катушки индуктивности.. 74

12.1 Общие сведения. 74

12.2. Экспериментальная часть. 75

Литература. 77

Введение

 

Комплект типового лабораторного оборудования «Теория электрических цепей и основы электроники» предназначен для проведения лабораторного практикума по одноимённым разделам курсов «Теоретические основы электротехники», «Теория электрических цепей», «Электротехника и основы электроники», «Общая электротехника» и т.п. в профессиональных высших и средних учебных учреждениях.

Основными компонентами компьютеризованного варианта комплекта «Теория электрических цепей и основы электроники» являются:

· блок генераторов напряжений;

· наборная панель;

· набор миниблоков;

· набор трансформаторов;

· блок мультиметров;

· коннектор;

· соединительные провода и перемычки, питающие кабели.

….В «ручной» (т.е. некомпьютеризованный) вариант вместо коннектора входит

В зависимости от варианта исполнения в комплект может входить также либо лабораторный стол с выдвижными ящиками и рамой для установки оборудования (стендовый вариант), либо просто настольная рама, которая может быть установлена на любой стол (настольный вариант).

Эти же компоненты наряду с другими входят в комплект «Электротехника и основы электроники»

Комплект типового лабораторного оборудования «Теоретические основы электротехники», кроме перечисленных выше компонентов, содержит:

· дополнительный набор миниблоков для исследования электромагнитных полей;

· набор планшетов для моделирования электрических и магнитных полей;

· набор устройств для исследования поверхностного эффекта и эффекта близости.

В первой главе данного руководства описано устройство составных частей комплекта «Теоретические основы электротехники», даны рекомендации по их использованию и приведены некоторые технические характеристики. В последующих главах описаны базовые эксперименты по разделу «Электрические цепи постоянного тока».

Описание каждого эксперимента содержит

· Общие сведения,

· Экспериментальную часть.

Раздел «Общие сведения» содержит краткое введение в теорию соответствующего эксперимента. Для более глубокого изучения теоретического материала учащемуся следует обратиться к учебникам и компьютерным программам тестирования для проверки усвоения теории и оценки готовности к лабораторно - практическим занятиям.

В разделе «Экспериментальная часть» сформулированы конкретные задачи эксперимента, представлены схемы электрических цепей, таблицы и графики для регистрации и представления экспериментальных данных. В ряде случаев поставлены вопросы для более полного осмысления результатов эксперимента.

Настоящее руководство предназначено для быстрого освоения комплекта преподавателями кафедр и разработки ими необходимых материалов для проведения лабораторного практикума в соответствии с рабочими планами и традициями кафедр. На первом этапе внедрения рассматриваемых комплектов типового лабораторного оборудования в учебный процесс данное руководство или его отдельные фрагменты могут непосредственно использоваться студентами при выполнении лабораторных работ.

Условные обозначения основных элементов электрических цепей приведены в табл. В.1. В табл. В.2 представлены базовые электрические величины и их единицы измерения.

 

Таблица В.1

Наименование элемента	Условное обозначение	Наименование элемента	Условное обозначение
Источники электрической энергии:   источник напряжения (ЭДС) постоянного тока (идеальный)   источник постоянного тока (идеальный)   гальванический элемент или аккумулятор     источник напряжения (ЭДС) синусоидального тока		Проводники электрической цепи:   одиночный   пересекающиеся, несоединенные   пересекающиеся, соединенные
Резисторы:   Постоянный линейный   Переменный линейный   Нелинейный		Выключатели:   однополюсные   двухполюсные
Индуктивности: Линейная   С разомкнутым магнитопроводом   С магнитопроводом		Конденсаторы Общее обозначение   Полярный (электролитический) Нелинейный
Трансформатор		Диоды и тиристоры: Выпрямительный диод   Стабилитрон   Диодный тиристор   Триодный тиристор
Транзисторы: Биполярный     Униполярный (полевой)
Лампы накаливания:   осветительная   сигнальная		Измерительные приборы:   амперметр   вольтметр   ваттметр

 

 

Таблица В.2

Величина	Обозначение	Единица измерения	Другие используемые величины
Заряд	Q	1 К = 1 Кулон	мК
Ток	I	1 А = 1 Ампер	мА, мкА
Напряжение/ЭДС	U/E	1 В = 1 Вольт	мВ, кВ
Сопротивление	R	1 Ом	кОм, МОм
Проводимость	G	1 См = 1 Сименс
Индуктивность	L	1 Гн = 1 Генри	мГн, мкГн
Ёмкость	С	1 Ф = 1 Фарада	мкФ, нФ, пФ

 

 

Общие сведения

Компоновка оборудования

Общая компоновка типового комплекта оборудования в стендовом исполнении показано на рис. 1.1. На лабораторном столе закреплена рама, в которой устанавливаются отдельные блоки. Расположение блоков жёстко не фиксировано. Оно может изменяться для удобства проведения того или иного конкретного эксперимента. Наборная панель, на которой собирается электрическая цепь из миниблоков может устанавливаться и непосредственно на столе.

 

Рис.1.1

 

В выдвижных ящиках хранятся наборы миниблоков и устройств, соединительные провода, перемычки и кабели, методические материалы. Один из наборов миниблоков показан на рис. 1.1 на столе. Ящики имеют встроенные замки.

 

Блок генераторов напряжений

Лицевая панель блока генераторов напряжений показана на рис. 1.2. Блок состоит из генератора синусоидальных напряжений, генератора напряжений специальной формы и генератора постоянных напряжений.

Все генераторы включаются и выключаются общим выключателем «СЕТЬ» и защищены от внутренних коротких замыканий плавким предохранителем с номинальным током 2 А

.

 

Рис.1.2

 

На лицевой панели блока указаны номинальные напряжение и ток каждого источника напряжения, а также диапазоны изменения регулируемых выходных величин. Все источники напряжений гальванически изолированы друг от друга и от корпуса блока и защищены от перегрузок и внешних коротких замыканий самовосстанавливающимися предохранителями с номинальным током 0,2 А. О срабатывании предохранителя свидетельствует индикатор «I >».

Генератор синусоидальных напряжений содержит однофазный источник напряжения 24 В (вторичная обмотка питающего трансформатора 220/24 В) и трёхфазный стабилизированный по амплитуде выходного напряжения преобразователь однофазного напряжения в трёхфазное. Выходное сопротивление трёхфазного источника в рабочем диапазоне токов близко к нулю.

Генератор напряжений специальной формы вырабатывает на выходе синусоидальный, прямоугольный двухполярный или прямоугольный однополярный сигнал в зависимости от положения переключателя «ФОРМА».

Регулировка выходной частоты генератора напряжений специальной формы производится энкодером-потенциометром. Регулировка выходной частоты возможна в двух режимах:

- Режим точной настройки частоты с малым шагом (величина шага зависит от величины частоты). При работе энкодера-потенциометра в этом режиме светодиод, показывающий форму выходного напряжения генератора мигает.

- Режим подекадного переключения выходной частоты. При повороте энкодера-потенциометра на один шаг выходная частота меняется в 10 раз. При работе энкодера-потенциометра в этом режиме светодиод, показывающий форму выходного напряжения генератора постоянно горит.

Переключение между режимами производится путем нажатия ручки энкодера-потенциометра.

При повороте ручки энкодера меняется выходная частота и ее величина отображается на индикаторе с размерностью, показываемой светодиодами.

Переключение формы выходного напряжения производится путем нажатия на кнопку ФОРМА. При этом соответствующий светодиод показывает форму выходного напряжения.

Амплитуда сигнала регулируется потенциометром «АМПЛИТУДА».

Генератор постоянных напряжений содержит три источника стабилизированного напряжения 15 В, гальванически изолированных друг от друга. Выходное напряжение одного из этих источников регулируется от 0 до 15 В десятиоборотным потенциометром. Выходные сопротивления этих источников также близки к нулю и все они допускают режим работы с обратным током (режим потребления энергии). Для получения постоянных напряжений больше 15 В они могут соединяться последовательно. Для исключения источников из собранной схемы цепи используются переключатели (тумблеры).

Наборная панель

 

Наборная панель служит для расположения на ней миниблоков в соответствии со схемой данного опыта. На рис. 1.3 показан фрагмент наборной панели с собранной схемой.

 

 

Рис.1.3

 

Гнёзда на этой панели соединены в узлы, как показано на ней линями. Поэтому часть соединений выполняется автоматически при установке миниблоков в гнёзда панели. Остальные соединения выполняются соединительными проводами и перемычками. Так на фрагменте цепи, показанной на рис.1.3, напряжение подаётся проводами через выключатель к одной из обмоток трансформатора. К другой обмотке подключены резистор и конденсатор, соединённые последовательно.

Для измерения токов в ветвях цепи удаляется одна из перемычек и вместо неё в образовавшийся разрыв включается амперметр. Для измерения напряжений на элементах цепи параллельно рассматриваемому элементу включается вольтметр.

1.1.4. Набор миниблоков по теории электрических цепей и основам
электроники

Миниблоки из представляют собой отдельные элементы электрических цепей (резисторы, конденсаторы, индуктивности диоды, транзисторы и т.п.), помещённые в прозрачные корпуса, имеющие штыри для соединения с гнёздами наборной панели. Некоторые миниблоки содержат несколько элементов, соединённых между собой или более сложные функциональные блоки. На этикетках миниблоков изображены условные обозначения элементов или упрощённые электрические схемы их соединения, показано расположение выводов и приведены основные технические характеристики. Миниблоки хранятся в специальном контейнере.

Большинство миниблоков комплекта «Теория электрических цепей и основы электроники» содержат по одному элементу электрических цепей. Состав этого набора приведён в табл. 1.1.

Таблица 1.1

 

Наименование и характеристики	Кол.	Наименование и характеристики	Кол.
Резисторы МЛТ, 2 Вт, ±5% 10 Ом 22 Ом 33 Ом 47 Ом 100 Ом 150 Ом 220 Ом 330 Ом 470 Ом 680 Ом 1 кОм 2,2 кОм 4,7 кОм 10 кОм 22 кОм 33 кОм 47 кОм 100 кОм 1 МОм Потенциометры СП4-2М 1 кОм 10 кОм Конденсаторы К-73-9, 100 В 0,01 мкФ 0,1 мкФ Конденсаторы К73-17, 63 В 0,22 мкФ 0,47 мкФ 1 мкФ Конденсаторы электролитические SR-63 В, 10 мкФ SR-63 В, 100 мкФ SR-35 В, 470 мкФ		Индуктивности 10 мГн, 90 мА 40 мГн, 65 мА 100 мГн, 50 мА Тумблер МТД-1, 250 В, 2 А Лампа сигнальная СМН-10 55 Термистор РТС 50 Ом Термистор NТС 6,8 кОм Варистор S07K11, 18 В, 1 мА Фоторезистор СФ3-4Б Диоды КД 226 (1N5408) 1А, 100 В Стабилитрон КС510А, 10 В Светодиод АЛ 307 Б Варикап КВ 105А, 20 мА   Динистор (диодный тиристор) КН 102Б   Тиристор триодный КУ 101Е   Транзисторы биполярные КТ502 Г (pnp) КТ503 Г (npn)   Транзисторы униполярные КП 303Е (с каналом т-типа) КП101Е (с каналом р-типа)   Транзистор однопереходный КТ117Г   Операционный усилитель КР 140 УД 608А

 

Набор трансформаторов

Набор трансформаторов включает в себя четыре разборных трансформатора, выполненных на разъёмных U-образных сердечниках из электротехнической стали с толщиной листа 0,08 мм. Сечение сердечника 16´12 мм. На трёх трансформаторах установлены катушки 900/300 витков, на четвёртом 100/100 витков, однако, они легко переставляются. Номинальные параметры трансформаторов при частоте 50 Гц приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

W	UH, B	IH, мА	R, Ом	SH, ВА
	2,33		0,9	1,4
			4,8	1,4
		66,7		1,4

 

Блок мультиметров

Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока представлен на рис. 1.4. В нём установлены 2 серийно выпускаемых мультиметра MY60, MY62 или MY64. Подробная техническая информация о них и правила применения приводится в руководстве по эксплуатации изготовителя. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителей защиты токовых цепей мультиметров.

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 мультиметов 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 мультметра к цепи необходимо выполнить следующие операции:

· выбор измеряемой величины: - V, ~ V, - A, ~ A или W;

· выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату измерений;

· правильное подсоединение зажимов мультиметра к исследуемой цепи.

Присоединение мультиметра как вольтметра, амперметра и омметра показано на рис. 1.5.

 

 

Рис. 1.5

Ваттметр

 

Ваттметр входит только в ручной вариант комплекта. Общий вид ваттметра изображён на рис. 1.6.

Его принцип действия основан на перемножении мгновенных значений тока и напряжения и отображении среднего значения этого произведения на дисплее прибора в цифровом виде.

Прибор включается в цепь согласно приведённой на лицевой панели схеме. Для измерения активной мощности, гнёзда, помеченные символом «·», должны быть соединены перемычкой. После сборки схемы необходимо включить выключатель «Сеть» и установить необходимые пределы измерения по току и по напряжению тумблерами. Если выбран заниженный предел измерения, то включается сигнализация перегрузки I > или (и) U >. Если, наоборот, предел завышен, то включается сигнализация I < или (и) U <. Справа от окошка цифровых индикаторов включаются автоматически светодиоды сигнализации размерности Вт или мВт.

 

Коннектор

 

Коннектор входит только в копмютеризованный вариант комплекта 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. 1.6.1.

Рис.1.12

 

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

Виртуальный осциллограф

 

Виртуальный осциллограф позволяет наблюдать временные диаграммы сигналов, подаваемых на вход коннектора (двух напряжений и двух токов) в режиме «Развертка» или зависимость одного входного сигнала от любого другого в режиме «XY».

Для его включения необходимо подать на вход коннектора исследуемые сигналы, включить и настроить, как описано выше, блок «Приборы I» и выбрать в меню этого блока строку «Осциллограф». После этого на дисплее появится изображение виртуального прибора «Осциллограф» (рис. 1.15). Назначение всех его окон показано на рисунке.

Один из пяти блоков входов и вертикального отклонения луча с пояснениями показан на рис. 1.16.

 

Рис 1.15

Рис 1.16

 

На любой из пяти входов осциллографа можно подать сигнал с любого входа коннектора. При этом в окне входа осциллографа появляется соответствующее обозначение входа коннектора (виртуального прибора) и появляется луч на экране, цвет которого соответствует цвету фона переключателя исследуемого сигнала.

Масштаб изображения по вертикали устанавливается автоматически и изменяется ступенчато при изменении амплитуды сигнала, но его можно зафиксировать, нажав на кнопку фиксации масштаба (рис.1.16). После этого он меняться не будет. Предусмотрено и ручное плавное изменение масштаба внутри ступени.

Органы управления горизонтальным перемещением луча показаны на рис.1.17.

 

Рис.1.17

 

В правом верхнем углу осциллографа (рис. 1.13) имеется движок управления степенью сглаживания фильтра (появляется только при его включении), а также меню изменения характеристик графика: непрерывный, ступенчатый, гистограмма, точечный, размер и форма точек, толщина линий и т.п. Меню открывается при щелчке на любом из изображенных там пяти лучей

 

 

Рис.1.18

 

Кнопка «Записать в файл» позволяет записать в файл таблицу мгновенных значений всех подключенных сигналов за один период измерения. Затем их можно прочитать и обработать в программах MathCAD, Excel, Origin и др. После щелчка на этой кнопке появляется окно диалога (рис. 1.18), в котором нужно выбрать диск, папку и имя файла, в который Вы хотите записать данные и. Выбрав имя файла нажмите клавишу «Сохранить»

1.1.15. Виртуальный псевдоаналоговый прибор

 

Для наблюдения динамики изменения измеряемой величины более удобным является стрелочный прибор. Поэтому в комплексе «ВП ТОЭ» имеется псевдоаналоговый стрелочный прибор, который может дублировать показания любого из рассмотренных выше цифровых приборов (рис.1.6.8).

Рис.1.19

Он открывается щелчком мыши на строке «Аналоговый прибор» в меню блока «Приборы I» и подключается к любому из восьми приборов х1…х8. На нем имеется также окно выбора типа шкалы и клавиша «Инерционный – Безинерционный», с помощью которой можно замедлить или ускорить движение стрелки. Шкала прибора перенастраивается автоматически при выходе стрелки за ее пределы. Показание стрелки дублируется в цифровом виде в специальном окне прибора.

Виртуальный прибор «Ключ»

Виртуальный прибор «Ключ» предназначен для управления электронными ключами, транзисторами, тиристорами и другими приборами, работающими в ключевом режиме.

Он открывается щелчком на строке «Ключ» в меню блока «Приборы I». Его вид показан на рис. 1.20.

 

 

Рис. 1.20

 

После включения прибора необходимо установить исходное состояние ключей в окнах «Ключ 1» и «Ключ 2». Значение 1 в окне первого ключа соответствует наличию сигнала управления +5В на контакте 4 относительно общего контакта 7 разъема «Управление ключом» на коннекторе, значение 0 – отсутствию сигнала. Значение 1 в окне второго ключа соответствует наличию сигнала +5В на контакте 8 разъема, 0 – отсутствию сигнала. После того, как исходные состояния установлены, они переключаются каждый раз при нажатии клавиши «Переключить».

 

 

Экспериментальная часть

 

Задание

 

В простейшей электрической цепи, изображённой на рис.1.1ё, произведите измерения напряжения, токов, сопротивлений и мощности.

 

 

Рис. 1.21

 

Электрическая цепь

Общие сведения

Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом элементов, по которым может протекать электрический ток.

Для протекания тока необходимы источники электрической энергии – источники напряжения (ЭДС) или тока.

Электрическая цепь содержит также устройства, в которых энергия электрического тока преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т.д.). Эти устройства называются нагрузками.

Для замыкания и размыкания цепей используют выключатели того или иного вида.

Электрический ток есть направленное (упорядоченное) движение носителей зарядов. В проводниках носителями отрицательных зарядов являются электроны, в жидкостях (электролитах) носители положительных и отрицательных зарядов – ионы. В полупроводниках носителями отрицательных зарядов являются электроны, носителями положительных зарядов – дырки. Дырка представляет собой вакантное место в атоме полупроводника, незанятое электроном.

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):

 

I = Q / t.

 

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 положительных зарядов. В качестве условного положительного направления тока принимается направление движения положительных зарядов. Это направление показывают на схеме стрелкой.

 

 

Экспериментальная часть

Задание

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.

Рис. 2.2

 

Закон Ома

Общие сведения

 

Закон Ома выражает математически соотношение между напряжением U, током I и сопротивлением R на участке цепи с сопротивлением.

I = U / R, U = I×R, R = U / I,

где: I - ток, А;

U - напряжение, В;

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

Снимите экспериментально и постройте графики зависимостей I = f(U) при R=Const и I = f (R) при U = Const.

Цепи с резисторами

Введение

 

Электрическое сопротивление означает противодействие протеканию тока. Это противодействие может быть вызвано проводниками ограниченного сечения или создается намеренно путем включения в цепь элемента, обладающего сопротивлением (резистивностью) и называемого резистором. Нижеследующие эксперименты имеют целью исследование резисторов.

Резистор – это наиболее часто применяемый в электрических цепях пассивный элемент.

Из-за их токоограничивающего действия резисторы обычно используются для задания токов и напряжения или для их разделения.

Единица электрического сопротивления - Ом.

Величина сопротивления, согласно закону Ома, определяется по соотношению

 

R = U / I,

где U - напряжение, В;

I - ток, А.

 

Другими характеристическими показателями резисторов являются мощность, температурная и частотная зависимости.

Мощность (потери мощности) резистора, измеряемая в Ваттах, может быть рассчитана по следующим формулам

 

P = U ×I = U² / R = I² ×R, Вт.

 

Температурное поведение резистора зависит от материала, из которого он изготовлен. Изменение сопротивления резистора определяется по формуле

DR = R ×a ×DJ,

где R - величина сопротивления резистора при 20°С,

a - температурный коэффициент материала резистора,

DJ - изменение температуры.

Кроме использованных материалов, резисторы различаются также своей конструкцией. В частности они могут быть постоянными или переменными.

Все перечисленные выше характеристики и особенности резисторов имеют большое значение при их выборе для силовых и слаботочных электронных цепей.

 

 

Линейные резисторы

 

Общие сведения

Резистор называют линейным, когда ток в нем изменяется пропорционально приложенному напряжению, т.е. если функция I =f(U) – прямолинейная.

Экспериментальная часть

 

Задание

Постройте зависимости I = f(U) для трех резисторов.

 

Общие сведения

Сопротивление терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК), называемого также термистором, уменьшается при повышении температуры. Изменение сопротивления может быть вызвано изменением температуры окружающей среды или собственным нагревом / охлаждением резистора при различных электрических нагрузках.

Характеристика термистора экспоненциальная, она зависит от вида примененного материала, конструкции и изменения температуры.

 

Экспериментальная часть

Задание

Постройте статические характеристики R = f(U) и I = f(U) термистора. Изменение температуры происходит саморазогревом термистора при увеличении приложенного напряжения.

Замечание: Изменение температуры окружающей среды в данном эксперименте не рассматривается, потому что не всегда в стандартных электротехнических лабораториях имеется необходимое тепловое оборудование.

 

Общие сведения

Сопротивление терморезистора с положительным температурным коэффициентом (ПТК) увеличивается при повышении температуры. Изменение сопротивления может быть вызвано изменением температуры окружающей среды или собственным нагревом/охлаждением резистора при различных электрических нагрузках.

Экспериментальная часть

Задание

Постройте статические характеристики R = f(U) и I = f(U) терморезистора с ПТК. Обеспечьте изменение его сопротивления саморазогревом при приложенном напряжении.

Замечание: Изменение температуры окружающей среды в данном эксперименте не рассматривается, потому что не всегда в стандартных электротехнических лабораториях имеется необходимое тепловое оборудование.

Тот факт, что поведение терморезистора с ПТК зависит не только от температуры, но также и от величины приложенного напряжения (незначительно), не учитывается в данном эксперименте.

 

Общие сведения

Варисторы изменяют свое сопротивление обратно пропорционально приложенному напряжению. Используются в электронных цепях для ограничения и стабилизации напряжения, гашения дуги и защиты от перенапряжений.