pobierz - if univ rzeszow pl

MGR 7
7. Prądy zmienne.
• Powstawanie prądu sinusoidalnego zmiennego.
• Wielkości charakteryzujące przebiegi sinusoidalne.
• Analiza obwodów zawierających elementy R, L, C.
• Prawa Kirchhoffa w obwodach prądu zmiennego.
• Rezonans szeregowy i równoległy.
• Rola cewki i kondensatora w obwodzie prądu zmiennego.
Ćw.
1. Badanie obwodów RLC.
2. Rola cewki i kondensatora w obwodzie prądu zmiennego.
3. Badanie obwodu RLC za pomocą oscyloskopu.
Badanie obwodów RLC
• Zbudować obwód jak na schemacie i tak dobrać wartość pojemności
i współczynnika samoindukcji, aby uzyskać maksymalne natężenie światła.
Ustalić takie położenie cewki na rdzeniu aby żarówka świeciła najjaśniej ?.
• Do sieci włączamy szeregowo zwojnicę 1100 zwojów na zamkniętym
rdzeniu i żarówkę (rys. niżej) - świeci ona słabo. Jeżeli wstawimy jeszcze
kondensator - 4µF, to żarówka silniej zaświeci. Opór indukcyjny
i pojemnościowy wzajemnie się odejmują.
• Budujemy obwód jak poprzednio włączając zwojnicę o 1100 zwojów
z zamkniętym rdzeniu, żarówkę o mocy 100W, amperomierz i kondensator
(kolejno od 2 -12µF). Zobaczymy, że przy 4 µF, UL=Uc i natężenie prądu
będzie największe. Mówimy, że obwód jest w rezonansie napięć.
Budujemy obwód jak schemacie obok. Pojemność ( od 0,5 - 12 µF) i indukcyjność
(zwojnica 1100 zwojów) włączamy równolegle.
Opór zabezpieczający to żarówka 100W. Przy C=4 µF natężenie prądu będzie
największe w obwodzie II a, mniejsze w obwodzie I. Uzyskaliśmy rezonans
prądów ( natężeń).
230 V
Rola cewki i kondensatora w obwodzie prądu
zmiennego
• Żarówkę o mocy 60 W - 100 W łączymy szeregowo z solenoidem L ( rys.
niżej) o dużej liczbie zwojów ( np. cewka transformatora rozbieralnego o
1100 zwojach). Tak utworzony obwód włączamy do sieci miejskiej
230 V. Żarówka świeci prawie normalnie. Do wnętrza solenoidu
wsuwamy stopniowo rdzeń ze stali miękkiej i obserwujemy świecenie
żarówki.
• Łączymy szeregowo w obwód kondensator o pojemności 4 µF i opór
omowy (żarówka 40 W).
C
220 V
• Obliczyć opór całkowity obwodu .
R
• Określić rozkład napięcia na oporze omowym i pojemnościowym.
• Wykonać wykres napięcia od czasu na poszczególnych elementach
obwodu.
EWA
JAGODZ1NSKA
Siedlce
Badania obwodu RLC za pomocą oscyloskopu
Badając doświadczalnie obwody RLC prądu
zestaw ten ma tę zaletę, że generator UVG2 daje
możliwość zmiany częstotliwości w zakresie od 10
przemiennego możemy w przystępny sposób
Hz do 100 kHz. Poza tym jest również
pokazać rolę poszczególnych elementów, a także
generatorem impulsów prostokątnych (co
ułatwić uczniom zrozumienie dość
wykorzystujemy w innych doświadczeniach).
skomplikowanych zależności matematycznych
dotyczących tych obwodów. Nawet tylko
Oprócz tego zestawu do doświadczeń potrzebne są:
jakościowe pokazanie tych zależności przy użyciu
- 3 zwojnice o liczbie zwojów 1600, 400 i 240 z
oscylografu, na ekranie którego uczniowie widzą
zestawu do elektryczności dla klasy VIII;
jak zmienia się natężenie prądu. daje duże efekty w
zrozumieniu tych często trudnych zagadnień.
- 2 kondensatory o pojemności 30 µF z tego
samego zestawu;
Dlatego wano te doświadczenia wykonywać nie
tylko w klasach o profilu matematycznofizycznym.
- opornik 5 Ώ
- zwora jako rdzeń do zwojnicy;
Do doświadczeń tych używam oscylografu demonstracyjnego ED2 w zestawie z generatorem
uniwersalnym UVG2 (niemieckiej firmy PGH
- przewody, w tym przewód pomiarowy z zestawu
oscylografu, którym dołączamy badane napięcie do
wejścia Y.
Radio-Fernsehen-Elektronik), zakupionego kilka
lat temu w CEZAS-ie (ryc. l). Oczywiście można
Doświadczenie l - Rola indukcyjności w obwodzie
używać dowolnego oscylografu i generatora prądu
prądu przemiennego (ryc. 2).
przemiennego, ale
Ryc. 2. Schemat obwodu;
1,2- napięcie z UVG2; 3,4- napięcie na oporniku (proporcjonalne do płynącego prądu);
L- zwojnica 1600 zwojów z rdzeniem;
Ryc. l.
R – opór 5 Ώ
Stosujemy napięcie około 10 V. Częstotliwość podstawy czasu dobieramy tak,
aby na ekranie były widoczne 1-2 okresy.
a) Zwiększamy indukcyjność L (umieszczamy rdzeń w zwojnicy). Na ekranie
obserwujemy zmniejszenie natężenie prądu.
b) Zwiększamy częstotliwość (płynnie za pomocą pokrętła generatora).
Obserwujemy coraz mniejsze natężenie prądu.
Doświadczenie 2 - Rola pojemności w obwodzie prądu przemiennego (ryc.3)
3
Y
4
1
≈
R
C
2
Ryc. 3. Schemat obwodu;
C - pojemność, 2 kondensatory po 30 µF;
R - opór R = 5 Ώ
Napięcie około 10V.
a) Zwiększamy pojemność C (dołączamy równolegle drugi kondensator).
Natężenie prądu rośnie.
b) Zwiększamy częstotliwość (za pomocą pokrętła generatora). Natężenie prądu
rośnie.
Doświadczenie 3-Badanie obwodu RLC (ryc. 4).
Ryc. 4. Schemat obwodu;
L- zwojnica 1600 zwojów z rdzeniem;
C - pojemność 30 µF,
R - opór 5 Ώ
l przypadek - obwód w którym RL >RC. . Częstotliwość – 3 x 102 Hz (stała).
a) Zwiększamy L (umieszczamy rdzeń w zwojnicy) - natężenie prądu maleje.
b) Zwiększamy C (dołączamy równolegle drugi kondensator) - natężenie prądu
maleje.
2 przypadek - obwód w którym RL < RC.. Zwojnica - 240 zwojów, pozostałe
przyrządy te same,
a) Zwiększamy L (rdzeń) - natężenie prądu rośnie;
b) Zwiększamy C (drugi kondensator) - natężenie prądu rośnie.
3 przypadek- Badanie zależności natężenia prądu od częstotliwości.
Zwojnica - 40 zwojów, pozostałe przyrządy te same. Zwiększamy powoli
płynnie częstotliwość, natężenie prądu początkowo rośnie, ale po osiągnięciu
maksymalnej wartości - maleje.
Wniosek: Istnieje taka częstotliwość, dla której opór całkowity obwodu jest
minimalny (rezonans).
Uwagi
Na podstawie wykonanych doświadczeń formułujemy wnioski dotyczące
zależności natężenia prądu przemiennego od indukcyjności i pojemności. Na ich
podstawie możemy wprowadzić wzory na opór wypadkowy czyli impedancję w
poszczególnych obwodach. Możemy również wyjaśnić zjawisko rezonansu
elektrycznego.
Jednak najważniejszym celem wykonania tych doświadczeń jest pokazanie, że
w obwodzie prądu przemiennego istnieje nie tylko opór czynny (omowy). Już w
l doświadczeniu zwracamy uwagę na to, że umieszczając rdzeń w zwojnicy nie
zmieniamy ani długości przewodów, ani ich przekroju, czy rodzaju materiału, a
jednak opór obwodu zmienia się. Istnienie tego dodatkowego oporu jest
związane ze zjawiskiem samoindukcji i prawem Faradaya. Do tego wniosku
dochodzą już sami uczniowie. W wyniku takich dyskusji elektromagnetyzm
staje się łatwiej zrozumiały.