Исследование цепи постоянного тока

Астраханский  государственный университет

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная  работа №1

по курсу  электротехники

«ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА»

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Студентка ФФиЭ группы ФЗ-42 Алиева Ралина Рояновна

Проверил: Гущин Александр Николаевич

 

 

 

 

 

Астрахань 2006 г

Лабораторная работа №1

Исследование цепи постоянного тока.

Цель работы: Изучение методик измерения постоянного напряжения, ток и сопротивления с помощью авометра и электронного вольтметра. Экспериментальная проверка  I-ого и II-ого законов Кирхгофа и закона Ома.

 

Приборы:      1. Универсальный стенд.

                     2. Вольтметр

                       3. Амперметр

                       4. Омметр

                       5. Соединительные провода

1.1 Теоретическое введение.

 

1.1.1 Классификация электрических цепей. Назовем электрической цепью совокупность соединенных между собой элементов и устройств, в которых протекает (или может протекать) электрический ток.

Классификация  по виду тока. По виду тока цепи разделяются на цепи постоянного,  изменяющегося и переменного тока. Под постоянный током понимают электрический ток, не изменяться во времени t. Все остальные токи - изменяющиеся во времени или переменные. В узком смысле слова цепью переменного тока часто называют цепь с током, изменявшимся по синусоидальному закону. Некоторые виду тока вы найдете на рис. 1.1.

Классификация по характеру параметров элементов. Цепи разделяются на линейные и нелинейные. К линейным цепям  относятся цепи, у которых электрическое сопротивление R каждого участка не зависит от значений и направлении тока и напряжения. В противном случае цепь относится к нелинейной.

 

Рис.1.1 Виды токов: а) - постоянный ток I, б) - синусоидальный (переменный), в) - пилообразный ток, г) - прямоугольный ток, д) - пульсирующий ток.

 

Классификация в зависимости от наличия или отсутствия источника  электрической энергии. Участки электрической цепи делятся на активные и пассивные. Участок цепи, содержащий источник электрической энергии, называется активным, не содержащий – пассивным.

Классификация цепей по сложности. Цепи бывают простые и сложные. К простым электрическим цепям относят цепи, все элементы которых соединены последовательно. Во всех элементах протекает один и тот же ток. К сложным цепям относят цепи с разветвлением. При расчетах различают сложные (разветвленные) цепи с одним источником электрической энергии и с несколькими источниками. Примеры схем сложных цепей приведены на рис.1.2 а и б (на рис.1.2 б изображена только часть схемы сложной цепи).

Ветвь электрической цепи называется участок, элементы которого соединены последовательно.

Ток в элементах один и тот  же (например, на рис.1.2 б ветви aeb, bfc, ahd). Узлом электрической цепи называется место (точка) соединения ветвей (на рис.1.2 б - точки a,b,c,d).

Контуром электрической цепи называется любой путь вдоль ветвей электрической цепи начинающийся и заканчивающийся в одной и той же точке (например, на рис.1.2 б контуры aebfcdha, cqdc).

Рис. 1.2 Примеры сложных цепей.

 

Двухполюсник - часть  электрической цепи с двумя выделенными  выводами (1 и 1^/ на рис.1.3 а).

Четырехполюсник (проходной) - часть электрической цепи с двумя  парами выделенных выводов ( 1 и 1^/, 2 и 2^/ на рис.1.3 б ).

Рис. 1.3. а) – двухполюсник, б) – четырехполюсник.

 

1.1.2. Основные величины, характеризующие электрическую цепь постоянного тока. В источнике электрической энергии в результате действия сил неэлектромагнитной природы - химических, механических, тепловых, атомных и др., называемых сторонними силами, создается электрическое поле, которое характеризуется напряженностью.

Напряженность электрического поля - векторная величина, определяющая силу, с которой поле действует на заряженную частицу. Она 
численно равна отношению силы действующей на, зараженную частицу, к 
значению её заряда, и направлена так же, как и сила, действующая на 
частицу с положительным зарядом.

Под действием сил  стороннего поля положительные и отрицательные заряды внутри источника разделяются. На электроде источника, обозначенного знаком «+», накапливается избыток положительных зарядов, на электроде, обозначаемом знаком «–», избыток отрицательных зарядов. Заряды внутри источника создают свое поле, которое при отключенном источнике уравновешивает стороннее поле.

При подключении  к выводам источника внешней части электрической цепи в ней также создается электрическое поле, направленное от положительного электрода к отрицательному. Под действием сил этого поля носители отрицательных зарядов - электроны перемещаются вдоль внешней части цепи от отрицательного электрона к положительному, нейтрализуя недостаток отрицательных зарядов на положительном электроде в цепи постоянного тока наступает династическое равновесие: в источнике непрерывно происходит разделение зарядов, а через внешнюю часть цепи - их соединение.

Электродвижущая сила. Электродвижущая сила (ЭДС) характеризует способность стороннего поля (индуцированного поля) вызывать электрический ток. Работа в джоулях (Дж), совершаемая этими полями при переносе единицы заряда (1 кулон - 1 Кл), численно равна ЭДС. Из этого определения получаем единицу ЭДС:

      (вольт)

Электрический ток. Электрический ток - явление направленного движения свободных носителей электрического заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны,  в плазме, электролите – ионы. Значение электрического тока через некоторую поверхность в данный момент времени (называемое также просто током) равно пределу отношения электрического заряда, переносимого заряженными частицами сквозь эту поверхность в течение промежутка времени , к длительности этого промежутка, когда последний стремится к нулю,  т.е.

                                            (1.1)

При постоянном токе в течение каждого одинакового  промежутка времени переносится одинаковый заряд . Поэтому

,

 где весь заряд, переносимый за время .

Из приведенного определения получаем единицу тока

(ампер).

Условно за направление  тока по внешней цепи принято направление, обратное направления движения носителей заряда - электронов, т.е. от положительно, заряженного электрода к отрицательно заряженному, а внутри источника - от отрицательного к положительному.

Если направление  тока неизвестно, то для каждой ветви выбирают произвольно и указывают на схемах стрелкой так называемое положительное направление. Если в результате расчета режима цепи для тока получается отрицательное значение, то это означает, что действительное направление тока обратно указанному стрелкой.

Электрическое напряжение. При протекании тока через внешние элементы цепи электрическая энергий: преобразуется в другие виды энергии и силами поля выполняется работа по переносу электрических зарядов, которая характеризуется электрическим напряжением.

Напряжение - скалярная величина,  равная линейному интегралу напряженности электрического поля:

т.е., напряжение - это работа сил поля с напряженностью затрачиваемая на перенос единицы заряда (1 Кл) вдоль пути .

Вдоль пути вне  источников, т.е. там,  где нет стороннего поля, работа, затрачиваемая на перенос единицы заряда между конечными точками a и b, т.е. напряжение, от пути интегрирования не зависит.

За положительное  направление напряжения приемника  принято направление, совпадающее с выбранным положительным направлением тока. Так на рис.1.4 .

Рис.1.4 положительное направление напряжения на резисторе

 

Единица напряжения та же, что и ЭДС:

   (вольт).

Электрический потенциал и разность потенциалов. Электрическое напряжение вдоль пути вне источника между точками a и b называют также разностью потенциалов между этими точками.

0днозначно определяется только разность потенциалов, равная соответствующему напряжению. Чтобы определить потенциал, нужно приписать нулевое значение потенциалу одной из точек цепи, например, узлу или точке соединения двух элементов. Потенциал любой другой точки будет равен напряжению между этой точкой и точкой, потенциал которой выбран равным нулю.

Таким образом, и разность потенциалов, и потенциал, как и напряжение, являются энергетическими характеристиками точек цепи, отнесенными к единице электрического заряда, и поэтому все они измеряются в вольтах.

Электрическое сопротивление. При перемещении зарядов в проводящей среде последняя противодействует их движению. На преодоление этого противодействия затрачивается электрическая энергия, которая преобразуется в тепло. Величина, характеризующая противодействие проводящей среды движению электрических зарядов, т.е. току, называется электрическим сопротивлением . Сопротивление внешнего участка цепи (вне источников) равно отношению постоянного напряжения на участке к току в нем:

                                                   (1.2)

Элемент электрической  цепи,  предназначенный для ограничения тока в цепи, параметром которого является его электрическое сопротивление , называется резистором.

Из определения  сопротивления вытекает его единица:

Для проволок сопротивление находится по формуле:

                                                           (1.3)

где - удельное сопротивление, , которое зависти от материала, из которого изготовлен провод; - площадь поперечного сечения провода, м²;  - длина провода, м.

Сопротивление проводов,  резисторов и других проводников  электрического тока зависит от температуры окружающей среды

где - сопротивление при температуре 20 °С, - температурный коэффициент сопротивления, зависящий от материала. Значения и приводятся в справочниках.

Электрическая проводимость. Электрическая проводимость - это величина, обратная сопротивлению, т.е.

                                                      (1.4)

Единица проводимости

  (сименс)

 

1.1.3. Основные законы электрических цепей постоянного тока.

Закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участках цепи.

Для каждого  участка цепи, кроме источников, т.е. для пассивного участка (рис.1.4), по закону Ома

                                                         1.5)

Откуда производные  формулы:

, .

Напряжение  на пассивном участке цепи и равное ему произведение часто называют еще падением напряжения.

В источнике  электрической энергии, который подключен к внешней части цепи так же, как и в резисторе, происходят необратимые преобразования электрической энергии в тепло. Поэтому у источника энергии два параметра: ЭДС и внутреннее сопоставление , которое на схемах электрических цепей показывают в виде отдельного элемента. Если источник не подключен к внешней цепи, то напряжение между его выводами численно равно ЭДС (напряжение холостого хода), так как при отсутствии тока нет падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Напряжение между выводами нагруженного источника меньше ЭДС.

Источник, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь (падение напряжения много меньше ЭДС ), называют идеальным источником ЭДС или напряжения. Так, на рис. 1.2 a между точками a и b включен идеальный источник с ЭДС .

Закон Ома  может быть записан и для участка цепи, содержащего источник ЭДС, т.е. для активного участка (рис.1.5). Положительное направление напряжения на сопротивлении выбрано, как указывалось,  совпадающим с положительным направлением тока (рис.1.5).

Рис.1.5. Расстановка положительных направлений напряжении и  силы тока

 

Как видно на рис.1.5, напряжение равно не сумме, а разности напряжении на двух участках: или, так как по закону Ома , a , , откуда

                                           (1.6)

Выражение (1.6) и есть обобщенный закон Ома.

Если вместо напряжения подставить в (1.6) напряжение , то

                                                 (1.6,а)

Если ЭДС на схеме  направлена навстречу току, то