Лабораторна робота №5

 (STEM – освіта)

Тема: Дослідження електричного кола змінного струму.

Мета: Навчитися визначати параметри індуктивних, ємнісних та активних елементів в колі змінного струму; з’ясувати умови виникнення резонансу в коливальному контурі.

Обладнання: Комп’ютер архітектури ІВМ, Програма Work Bench Multisim 12.

Теоретичні відомості

При підведенні до затискачів послідовно з’єднаних активного опору R ,

індуктивності L та ємності C синусоїдальної напруги встановлюється струм i  I max  sint  .

u  U max  sin t

в колі

Зсув фраз між напругою і струмом визначається за формулою:

  arctg ( X L  XC ) ;

R

де XL  2  L

• індуктивний опір

XC 

1 - ємнісний опір.

2  C

Діюче значення струму в колі можна знайти за законом Ома:

I  U

R2  ( X

• XC )

 U ; де

Z

Z  - повний опір кола.

Якщо (рис.1)

X L  XC

то і

UL  UC

- струм в цьому випадку відстає від напруги кола

У випадку

X L  XC

і UL  UC

• струм випереджає напругу (рис.2).

Якщо

X L  XC

то і  UL   UC , струм та напруга співпадають по фазі (рис.3). Цей

випадок називається резонансом напруги, він має місце при резонансній частоті

 0 

I

1 .

U

 UR U_C

U_L

Uак

I UR



U

U_С

І U_R

U_L

Uaк

U_L

Uак

Рис.1 Рис.2 Рис.3

Коло під час резонансу поводить себе так, наче містить тільки один активний опір.

Дійсно, коли наступає резонанс, то реактивний опір кола

X  XL  XC  0

тоді повний

опір кола

Z  R ,

Струм в   цьому   випадку   набуває найбільшого значення потужності cos  1.

I    U ,

0 R

коефіцієнт

Резонанс може бути отриманий шляхом підбору параметрів кола при заданій частоті струму чи підбору частоти струму при заданих параметрах кола.

Для кола з послідовним зєднанням резистора, індуктивності котушки та

конденсатора по виміряним значенням напруги потужності P можна визначити параметри кола.

UR , UC , UÊ , U , струму I та активної

Опір резистора

R  U R

I

, ємнісний опір

X  UC .

C I

Визначивши

C  1 .

2  XC

XC та знаючи частоту струму  , можна знайти ємність конденсатора:

Параметри котушки визначаються таким чином: повний опір котушки

Z  U K ;

K I

оскільки ZK

 , де

RÊ - активний опір котушки, то

X L   .

Визначивши активний опір як

RK  RA

• R,

де RA 

I 2

- активний опір всього

кола, знаходимо

X L . З формули

XL  2  L

визначаємо індуктивність котушки:

L  X L .

2

Знаючи параметри котушки, можемо обчислити активну

U AK

 I  RK

та індуктивну

UL  I  XL

напруги котушки.

Коефіцієнт потужності визначається за показами вольтметра, амперметра, ватметра

за формулою

cos 

P .

U  I

Порядок виконання роботи

1. Скласти електричне коло за схемою:

2. У вікні налаштувань компонентів, у вкладці «Параметри» встановити:

 2.1 Для джерела напругу 12 В та частоту струму 50 Гц;

 2.2. Для потенціометра опір 1 кОм та приріст 5 %;

 2.3. Опір резистора 1 кОм,

 2.4. Ємність конденсатора 1 мкФ,

 2.5. Індуктивність котушки 15 мГн, активний опір котушки 2 Ом, приріст 5 %.

3. В котушці із змінною індуктивністю змінювати індуктивність від 5% до 100%

номінального значення, фіксуючи силу струму в колі.

4. Дані спостережень занести в Таблицю 1.

                                                                                                       Таблиця 1

5. Зняти покази вольтметрів при індуктивності (ХММ3), що становить 10%, 90%

від номінальної та при виникненні резонансу.

6. Для кожного випадку визначити параметри електричного кола. Результати

спостережень та розрахунків занести в Таблицю 2.

                                                                                                                                  Таблиця 2

7. Побудувати графік залежності сили струму в колі від індуктивності котушки.
8. Для  всіх  дослідів  з  таблиці 2 побудувати в масштабі векторні діаграми

струму та напруги.

9. На діаграмах виміряти зсуви фаз між струмом і напругою та порівняти із

розрахованими в таблиці 2.

                  Звіт має містити:

1. Номер Лабораторної роботи, дату та номер комп’ютера.
2. Тему та мету лабораторної роботи;
3. Принципові електричні схеми, які використовуються в роботі;
4. Результати досліджень у виді таблиць і графіків.
5. Висновки, що базуються на аналізі отриманих результатів.

                Контрольні запитання:

1.Від яких величин залежить зсув фаз між напругою і струмом?

2.Як  розрахувати  діючий  струм лінійного нерозгалуженого електричного кола синусоїдного струму?

3.Як визначити повний опір електричного кола змінного струму?

4.Яке явище називається резонансом напруги та які його характерні ознаки?

5.Чому дорівнює резонансна частота, якщо відомі індуктивність та ємність кола?

6.Чому дорівнює коефіцієнт потужності під час резонансу.