Вивчення змінного струму за допомогою ППЗ «Початки електроніки»

Вивчення змінного струму за допомогою ППЗ «Початки електроніки»

П.М. Клініч, Солобковецький ЗЗСО , Ярмолинецький р-н, Хмельницька обл.

В декількох журналах «Фізика в школах України» за 2012-2013 роки  були надруковані статті автора  про  методику використання на уроках фізики ППЗ «Початки електроніки» та цикл лабораторних робіт з електрики у 9 класі. В них розглядались питання використання програми для дослідження кіл постійного струму. Зараз пропоную колегам  методику для дослідження кіл змінного струму з використанням віртуальних осцилографа та мультиметра, які є в наборі інструментів названої вище програми.

Визначення періоду коливань та частоти коливань за допомогою осцилографа. Спочатку накреслимо принципову схему. В реальних дослідах роль конденсатора С1 полягає в тому, що він не пропускає постійні складові сигналу. Опір резистора R1 слугує навантаженням генератора G, на ньому виділяється напруга, яка подається на вхід осцилографа.

1.Нехай ми знаємо частоту генератора – 50 Гц. По цьому будемо звірятись, бо ж раптом виконаємо неправильні обчислення. Складаємо схему та підключаємо осцилограф.

Для фронтальних дослідів зручно використати мережну програму NetOpSchool.

Виберемо таку амплітуду на виході генератора, щоб було чітко видно осцилограму. Або виберемо на осцилографі потрібне підсилення, наприклад, 2В/поділку, щоб було зручно спостерігати. Якщо на екрані багато або мало періодів хвиль і їх незручно спостерігати, то за допомогою опції «Розгортка» вибираємо потрібну кількість періодів, наприклад виберемо довжину 5 мс/поділку. Далі повзунками «Грубо» та «Точно» зсунемо по горизонталі графік коливань так, щоб було добре порахувати кількість поділок на один період. Отже, в нас один період займає 4 поділки, розгортка --5 мс/поділку.

,  , звіряємось з частотою генератора, тобто ми виміряли правильно.

2. Нехай ми не знаємо частоти генератора.

(На цьому етапі учні працюють двома командами)

Як бачимо розмах коливань зашкалює, підбираємо підсилення В/под – 2В/под. Чітких періодів не видно – підбираємо довжину розгортки, . Далі повзунками «Грубо» та «Точно» зсунемо по горизонталі графік коливань так, що було добре порахувати кількість поділок на один період. Отже, в нас один період займає 2,5 поділки, розгортка --.

,    .

Індуктивний і ємнісний опори

Проведемо  досліди з лампочкою в якості навантаження.

1.Дослідимо залежність сили струму в колі змінного стуму від ємності. Паралельно до лампочки підключимо вольтметр змінного струму мультиметра. Встановимо частоту генератора 50  Гц, амплітудне значення 70В. Лампочку виберемо на 50В, 50Вт. Змінювати ємність будемо від 30 мкФ до 180 мкФ. При цьому лампочка збільшує яскравість світіння, а це означає, що із збільшенням ємності зменшується ємнісний опір і сила струму в колі зростає і навпаки.

2. Дослідимо залежність сили струму в колі змінного стуму від індуктивності. Паралельно до лампочки підключимо вольтметр змінного струму мультиметра. Встановимо частоту генератора 50  Гц, амплітудне значення 70В. Лампочку виберемо на 50В, 50Вт. Змінювати індуктивність L будемо в межах від 820мГн до 1мГн. При зменшенні індуктивності лампочка загоряється яскравіше, а це означає, що із зменшенням індуктивності зменшується індуктивний опір і сила струму в колі зростає і навпаки.

Зсув фаз в колах з ємністю і індуктивністю

В колі змінного струму на ділянці, яка містить ємність чи індуктивність, коливання відбуваються не в одній фазі з коливаннями напруги. В першому випадку коливання струму випереджають коливання напруги, в другому – відстають від них. 

Складаємо електричне коло для дослідження з конденсатором з параметрами: частота генератора 50Гц, амплітуда коливань 40В, підсилення 5В/под, розгортка 2мс/под та використаємо два входи осцилографа А та В. На вхід В подаються коливання сили струму, на вхід А – коливання напруги. Помічаємо, що зсув фаз між цими величинами становить /2 і коливання струму випереджають коливання напруги.

Складаємо електричне коло для дослідження з котушкою  з параметрами: частота генератора 50Гц, амплітуда коливань 40В, підсилення 10В/под, розгортка 2мс/под та використаємо два входи осцилографа А та В. На вхід В подаються коливання сили струму, а вхід А – коливання напруги. Помічаємо, що зсув фаз між цими величинами становить /2 і коливання струму відстають від коливань напруги.

Розподіл напруг в колі змінного струму зі змішаним навантаженням.

Виберемо параметри кола: частота генератора 50Гц, амплітуда 50В, лампа 24В, 1мА, 24мВт, котушка на 200Гн, конденсатор 68мкФ, 100В.

Виміряємо послідовно напруги на всіх елементах кола. Напруга на активному опорі(лампочка) - 13В, напруга на індуктивності - 34В, напруга на ємності - 1,5В.

Рівність U=U₁+U₂+U₃, як би це було для трьох активних опорів в колі постійного струму, не виконується, тобто U U_R+U_L+U_C. Чому? В попередньому досліді ми розглядали, що в колі змінного струму на ділянці, яка містить ємність чи індуктивність, коливання відбуваються не в одній фазі з коливаннями напруги. В першому випадку коливання струму випереджають коливання напруги, в другому – відстають від них.  І в тому, і в іншому випадках різниця фаз рівна /2. Звідси слідує, що різниця фаз між коливаннями напруги на ємнісному і індуктивному навантаженні складає /2+/2=, тобто їх фази протилежні: U_CL=U_C-U_L . В нашому випадку U_CL=32,5В і ця різниця залишиться, якщо змінювати L і C. Наведені досліди і судження до деякої міри можуть слугувати основою для виведення формули:

. Згідно цієї формули напруга на кінцях групи провідників, що містять активний і реактивний опір, рівна векторній сумі напруг на окремих її ділянках. По закону Ома:  U=IZ, U_R=IR, U_C=IX_C,  U_L=IX_L, отже загальний опір кола .

Яскравість лампочки буде найвищою(лампочка може  й перегоріти), коли X_C=X_L і власна частота контуру LC стане рівною частоті коливань джерела живлення, тобто виникне явище резонансу.

Явище резонансу

Складемо електричне коло по принциповій схемі для дослідження резонансу напруг.

Але спочатку розрахуємо значення індуктивності L для частоти 50 Гц і ємності 10 мкФ за формулою Томсона :

, . Тобто параметри кола будуть такі: С= 10 мкФ, L= 1 Гн при частоті власних коливань = 50 Гц.

Тепер виберемо частоту коливань на виході генератора рівною теж 50 Гц з амплітудою 5 В і спостерігаємо на екрані осцилографа за коливаннями. За допомогою вольтметра змінного струму виміряємо напругу на котушці індуктивності. Лапочка на 100В, яку можна підключити паралельно до котушки, перегоряє. Дійсно, помічаємо, що напруга виявилась рівною 215 В.

Як частота генератора впливає на виникнення резонансу?

Будемо змінювати частоту генератора в невеличких межах та спостерігати за амплітудою коливань.

Дані занесемо у таблицю:

Побудуємо графік залежності напруги від частоти(резонансну криву). Яка роль опору R у самій першій схемі дослідження резонансу? Від значення цього опору залежить  те, наскільки різкою буде резонансна крива і амплітуда коливань.

Завантажте готову електричну схему з папки програми на монтажний стіл для дослідження резонансу струмів.  З’ясуйте параметри лампочок. Так, вони абсолютно однакові. Але чому не світиться лампочка Л3? Виявляється, в паралельних вітках відбуваються коливання, енергія яких поповнюється через лампу Л3. Сили струму у вітках внаслідок резонансу при X_C=X_L можуть у багато разів  перевищувати загальну силу струму, як і напруги при резонансі напруг. Якщо змінити в колі індуктивність L чи ємність  С, то резонанс зникне і  через лампу Л3 потече струм I, а через лампи Л1 та Л2 – менші струми.

http://pmklinich.blogspot.com/