42519

Изучение переходных процессов при замыкании и размыкании цепи с индуктивностью

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции и самоиндукции; приобрести навыки наблюдения на экране осциллографа зависимости токов замыкания и размыкания от времени при различных индуктивностях; определить индуктивность катушки графическим методом. Оборудование: осциллограф ИО-4, реле РСМ, катушка индуктивности с сердечником; два резистора, трансформатор 220/8 В, источник постоянного тока.

Русский

2013-10-30

136 KB

18 чел.

Лабораторная работа № 21

Изучение переходных процессов при замыкании и размыкании цепи с индуктивностью

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции и самоиндукции; приобрести навыки наблюдения на экране осциллографа зависимости токов замыкания и размыкания от времени при различных индуктивностях; определить индуктивность катушки графическим методом.

Оборудование: осциллограф ИО-4, реле РСМ, катушка индуктивности с сердечником; два резистора, трансформатор 220/8 В, источник постоянного тока.

21.1. Краткие теоретические сведения

При замыкании цепи, состоящей из последовательно соединённых источника тока, катушки индуктивности и сопротивления (рис. 21.1), возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая по закону Ленца, изменению тока. Поэтому ток в цепи устанавливается не мгновенно, а в течение некоторого промежутка .

Закон нарастания тока определим с помощью второго правила Кирхгофа

                                 (21.1)

где R1 − сопротивление нагрузки; r − внутреннее сопротивление источника; R0 − омическое сопротивление катушки.

Обозначив , из (21.1) получим уравнение

                                        (21.2)

решение которого имеет вид

                                 (21.3)

Так как , то нарастание тока в цепи при замыкании (рис. 21.2)

                                 (21.4)

На рис. 21.3 показана схема электрической цепи, в которой можно наблюдать ток размыкания.

При размыкании ключа К2 остаётся замкнутой цепь, состоящая из катушки L и резисторов R1 и R2. На основании второго правила Кирхгофа для этой цепи

                                 (21.5)

В правой части (21.5) одно слагаемое, так как в рассматриваемом замкнутом контуре единственным источником тока является ЭДС самоиндукции. Решением (21.5) является (рис. 21.4)

                                     (21.6)

где .

21.2. Теория метода и описание экспериментальной установки

Установка для исследования токов замыкания и размыкания состоит из катушки индуктивности с сердечником, омическое сопротивление которой 16,8 Ом; двух резисторов R1 = 220 Ом и R2 = 210 Ом; реле с трансформатором 220/8 В, собранных на панели, а также аккумулятора и осциллографа ИО-4 (рис. 21.5).

Для исследования тока замыкания (ключ К1 замкнут, К2 − разомкнут) напряжение U1 = IR1, снимаемое с сопротивления R1, подаётся на вертикально отклоняющие пластины осциллографа. Реле периодически замыкает и размыкает цепь, благодаря чему можно получить на экране осциллографа картину нарастания тока. При частоте развёртки, кратной частоте коммутации реле, осциллограмма нарастания тока будет неподвижной.

При замыкании ключей К1 и К2 на экране наблюдается полная картина: нарастание тока при замыкании и его убывание при размыкании.

Для определения индуктивности L катушки следует обработать осциллограммы нарастания и убывания тока.

Разделим левую и правую части (21.4) на и прологарифмируем полученный результат:

                (21.7)

Из (21.7) найдём

                                          (21.8)

Для нахождения  необходимо построить график зависимости

от времени t, обработав осциллограмму тока замыкания.

Аналогично, разделив (21.6) на и прологарифмировав результат, получим

откуда

                                          (21.9)

Величину  найдём из графика зависимости  от t, построенного по результатам обработки осциллограммы тока размыкания.

21.3. Порядок выполнения работы

  1.  К цепи, собранной на панели, подключить осциллограф, аккумулятор при разомкнутых ключах К1 и К2.
  2.  Включить осциллограф, получить с помощью генератора меток штриховую линию по горизонтали и определить цену деления шкалы по оси Х в миллисекундах.
  3.  Включить ключ К1 и реле, добиться неподвижной картины на экране осциллографа с помощью ручки «Длит. разв.».
  4.  Перенести кривую  с экрана осциллографа на миллиметровку, строго соблюдая масштаб.
  5.  Зная цену деления шкалы по току (9,28910−3 А/мм) при усилении Y3, определить I0.
  6.  По осциллограмме возрастания тока заполнить табл. 21.1, выбирая 6 − 8 значений времени и соответствующие значения тока.

Таблица 21.1.

п/п

t, мс

I, A

  1.  Построить по этим данным график, откладывая по оси Х время в миллисекундах, а по оси ординат  −.
  2.  По (21.8) с учётом построенного графика вычислить индуктивность L.
  3.  Вставив в катушку железный сердечник, повторить пп. 3 − 8.
  4.  Вынуть сердечник из катушки, замкнуть ключ К2 и добиться устойчивой картины на экране.
  5.  Перенести на миллиметровку только график убывания тока.
  6.  По полученной осциллограмме убывания тока заполнить табл. 21.2.

Таблица 21.2.

п/п

t, мс

I, A

  1.  Построить по этим данным график зависимости  от t.
  2.  По (21.9) определить индуктивность L катушки.
  3.  Вставить сердечник в катушку и повторить пп. 11 − 15.
  4.  Сравнить полученные значения индуктивности, вычисленные по (21.8) и (21.9).
  5.  Провести обработку полученных данных с помощью компьютерной программы, данной в приложении.

Контрольные вопросы и задания

  1.  В чём заключается явление электромагнитной индукции? Самоиндукции?
  2.  Сформулировать правило Ленца.
  3.  Сформулировать правила Кирхгофа.
  4.  Получить выражения для токов замыкания и размыкания.
  5.  Каковы единицы индуктивности в СИ?
  6.  Объяснить метод определения L, используемый в данной работе.
  7.  Объяснить возникновение «экстратоков» замыкания и размыкания.

[2, § 90, 91, 93; 3, § 121, 122, 124; 4, § 64, 65; 5, § 59, 60; 8]

Приложение

Программа для обработки данных работы

10 CLS : LOCATE 9, 22: PRINT "ИЗУЧЕНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЗАМЫКАНИИ"

20 LOCATE 10, 28: PRINT "И РАЗМЫКАНИИ ЦЕПИ С ИНДУКТИВНОСТЬЮ"

30 LOCATE 20, 1: PRINT "Какой процесс: размыкания - 1"

40 PRINT "               замыкания  - 2"

50 INPUT "Выбираю - "; PO

60 CLS : IF PO = 1 THEN 80

70 PRINT "Введите значение I0 в делениях шкалы осцилографа:": INPUT "I0 = "; I0

80 PRINT : PRINT : PRINT "Введите значение известного сопротивления в Ом: ": INPUT "R = "; R

90 PRINT : PRINT : PRINT "Введите число экспериментальных точек:": INPUT "N = "; N

100 PRINT : PRINT : PRINT "Введите цену деления шкалы осциллографа в А/дел:": INPUT "KO = "; KO

110 A = 0: B = 0: C = 0: D = 0: I0 = I0 * KO

120 CLS : PRINT "Введите последовательно I дел, Т мс:"

130 FOR I = 1 TO N: PRINT "M = "; I

140 INPUT "I(M) = "; X: INPUT "T(M) = "; Y

150 X = X * KO: Y = Y * .001

160 IF PO = 2 THEN X = I0 - X

170 A = A + LOG(X): B = B + LOG(X) ^ 2: C = C + Y: D = D + Y * LOG(X): NEXT I

180 E = N * B - A ^ 2: F = C * B - D * A: K = N * D - A * C: F = F / E: K = K / E: L = R * K

190 CLS : LOCATE 2, 10: PRINT "ИСКОМОЕ УРАВНЕНИЕ ИМЕЕТ ВИД:"

200 IF PO = 1 THEN 230

210 PRINT : PRINT "Ln(I0-I) = Ln("; I0; ") - "; -R / L; "* T"

220 IF PO = 2 THEN 250

230 I0 = EXP(-F * R / L)

240 PRINT : PRINT "Ln(I) = Ln("; I0; ") - "; -R / L; "* T"

250 PRINT : PRINT "R = "; R; " Ом."

260 PRINT : PRINT "L = "; -L; " Гн."

270 PRINT : PRINT "I0 = "; I0; " A."

280 PRINT : PRINT "Время релаксации "; -K; " c."

290 PRINT "=========================================="

300 LOCATE 15, 1: PRINT "Для получения аппроксимированных значений нажмите пробел."

310 IF INKEY$ <> " " THEN 310

320 LOCATE 15, 1: PRINT "Аппроксимацию каких значений?                              "

330 IF PO = 1 THEN 350

340 PRINT "1. Ln(I0 - I) = ?": PRINT "2. Ln(1 - I/I0) = ?": GOTO 370

350 PRINT "1. Ln(I) = ?": PRINT "2. Ln(I/I0) = ?"

370 INPUT RT

380 LOCATE 15, 1: PRINT "Для выхода из режима аппроксимации приравняйте I = 0"

385 PRINT "                            ": PRINT "                  ": PRINT "       "

390 LOCATE 17, 1: INPUT "Введите I = "; X

400 IF X = 0 THEN 10

410 X = X * KO: IF PO = 2 THEN X = I0 - X

420 LOCATE 19, 1: PRINT "T = "; (F + K * LOG(X)); " сек       "

430 IF RT = 2 THEN X = X / I0

440 LOCATE 21, 1: PRINT "Ln("; X; ") = "; LOG(X); "           "

450 GOTO 390

145


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67027. Літературний вечір «Украдене щастя» (інсценізація однойменної драми Івана Франка) 64 KB
  Мета: розкрити глибину філософського змісту драми Івана Франка «Украдене щастя»; розвивати вміння аналізувати художній твір, творчі здібності учнів, навички акторської майстерності; виховувати любов до українського слова, традицій рідного краю.
67028. ТРАНСФОРМАЦИЯ КОРПОРАТИВНОЙ КУЛЬТУРЫ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ СТРАТЕГИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ 645.5 KB
  Корпоративная культура может играть решающую роль в мобилизации всех ресурсов организации на достижение целей, но также может стать тормозом ее дальнейшего развития, поэтому особую актуальность в настоящее время приобрел вопрос возможности воздействия на процессы формирования, поддержания или изменения корпоративной культуры...
67029. Шкільний проект духовно – морального виховання 256.5 KB
  Вічним джерелом цієї проблеми є нестримне прагнення кожної людини визначитись з основами своєї діяльностіпоказати те чому завдячує людинароблячи той чи інший крок у своєму житті. Невід’ємною ланкою духовності людини є її культура. Поняття культура нерозривно пов’язане з усіма видами діяльності людини: політичнимекономічним правовим релігійним етичним художнім тощо.
67030. Путь к гармонии 100 KB
  Оборудование: мини-проекты толковый словарь правила Шаги к успеху и гармонии эмоциональный термометр индикаторы настроения ступенчатая шкала Этапы пути к гармонии. А чтобы достигнуть всего этого человек прежде всего должен находиться в гармонии с самим собой.
67031. Не руйнуй гармонії земної 107.5 KB
  Глобальною проблемою стали кислотні дощі, які гублять рослинність, знищують життя в прісних водах, це і негативні наслідки науково-технічної революції, неконтрольоване зростання населення Землі, кількість якого вже перевищила критичну межу, дедалі більше забруднення атмосфери, гідросфери.
67032. Що таке гендерна рівність? Всі ми – різні, але всі ми – однакові 4.19 MB
  Мета: ознайомити дітей з поняттями “гендер”, “гендерна рівність” та основами гендерно-правового законодавства України. Формувати в учнів інтерес до навчання з даної теми. Розвивати мислення, пам’ять, увагу та активізувати словниковий запас. Виховувати людяність, гуманність та толерантне ставлення один до одного, бажання приносити користь у суспільстві.
67033. Я люблю географію 100.5 KB
  Організаційний момент Сьогодні між командами змагання Нехай образ не буде серед вас Бо переможцем або переможеним Сьогодні може бути хтось із вас. За кожну правильну відповідь команда отримує 1 бал а за музичний конкурс 2 бали. 1 раунд Географічний лікбез командам прпонується однакове завдання: необхідно на слух правильно написати географічну...
67034. Географічна гра «Щасливий випадок» 69 KB
  Мета гри – дає можливість перевірити рівень засвоєних знань,виявити вміння застосовувати набуті знання, розвивати інтерес і пізнавальну діяльність учнів,сприяє розвитку навичок спілкування між підлітками. В грі приймають участь 2 команди по 5-6 учнів в кожній.
67035. Прямоугольный, остроугольный и тупоугольный треугольники 126 KB
  Цели урока: Обучающие: формировать понятие о прямоугольном, остроугольном, тупоугольном треугольниках; учить анализировать объекты; Развивающие: развивать речь, память, воображение, творческое мышление; Воспитывающие: учить выполнять работу аккуратно, уважать мнение других, жить в коллективе.