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

19 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

37094. Февральская революция 1917 18.58 KB
  2 Одновременно с возникновением Временного правительства и подчиненных ему административных учреждений сложилась другая система органов власти – советы рабочих солдатских и крестьянских депутатов. Именно такой подход был наиболее юридически грамотным но стремление Временного правительства действовать строго в рамках закона интерпретировалось как нежелание учитывать интересы трудящихся. Падению авторитета Временного правительства непосредственно способствовала и ситуация двоевластия. 28 февраля на заседании Исполкома Петроградского Совета...
37095. 1917 год – от Февраля к Октябрю: борьба политических сил за выбор пути развития страны 22.69 KB
  правительство приняло решение о введении в Петрограде карточной системы распределения продуктов. Петроградский Совет стал первым народным правительством. Вечером 2 марта было сформировано Временное правительство. Временное правительство выражало интересы буржуазнопомещичьих кругов.
37096. Формирование советской политической системы. Временный блок большевиков с левыми эсерами. Разгон Учредительного собрания 21.09 KB
  Для укрепления власти большевики стремились привлечь на свою сторону крестьянство. Большевики и левые эсеры полностью поддержали политику Советского правительства и выступили против передачи власти предстоящему Учредительному собранию. Вскоре новый исполком крестьянского съезда Советов в состав которого были избраны только большевики и левые эсеры присоединился к ВЦИКу.1917 большевики заключили официальный блок с левыми эсерами которые вошли в правительство и возглавили пятьнаркоматов.
37097. Белое движение 15.26 KB
  Цель инициаторов Белого движения ген. Причинами поражения Белого движения являлись: недостаточно скоординированные действия разрозненность очагов антибольшевистского сопротивления отсутствие детальной политической программы поддержки широких слоев населения прежде всего крестьянства. Красное движение Состав красного движения: пролетариат бедное крестьянство солдаты часть интеллигенции и офицерства. Более однородный состав Представители красного движения:...
37098. ВОЕ́ННЫЙ КОММУНИ́ЗМ 12.75 KB
  Политика военного коммунизма включала комплекс мероприятий затронувших экономическую и социальнополитическую сферу. Основой военного коммунизма были чрезвычайные меры в снабжении городов и армии продовольствием свертывание товарноденежных отношений национализации всей промышленности включая мелкую продразверстка снабжение населения продовольственными и промышленными товарами по карточкам всеобщая трудовая повинность и максимальная централизация управления народным хозяйством и страной в целом....
37099. Причины перехода к НЭПу 16.36 KB
  Массовые крестьянские восстания Падение промышленного производства Волнения городского населения в 7 раз Беспорядки в армии и на флоте Уменьшение валовой продукции Угроза разрыва между рабочим классом и крестьянством Необходимость создания механизма реализации материальных интересов всех слоев населения Обобщение предыдущей практики социалистического строительства Новая экономическая политика экономическая политика проводившаяся в Советской России и СССР в 1920е годы. Новая экономическая политика имела целью восстановление...
37100. Национальная политика советской власти. Образование Союза Советских Социалистических Республик 20.49 KB
  Образование Союза Советских Социалистических Республик Объединительное движение по созданию Советского многонационального государства началось сразу после победы Октябрьской революции и распада империи и прошло три этапа. ознаменовался рождением Российской Советской Федеративной Социалистической Республики которая последовательно по мере реализации курса на равноправие народов превращалась в федерацию нового типа. На первом этапе на территории бывшей царской России возникли автономные республики территориальные автономии с учетом...
37101. Национальная политика первых лет Советской власти. Образование СССР 17.32 KB
  Большевистская идея мировой революции и создания в будущем Всемирной Федеративной Республики Советов форсировала новый объединительный процесс. В связи с победой советской власти на основной территории бывшей Российской империи возникли и другие предпосылки для объединительного процесса единый характер политического строя диктатура пролетариата в форме республики Советов сходные черты организации государственной власти и управления. В большинстве республик власть принадлежала национальным коммунистическим партиям входившими в состав...
37102. Индустриализация 36.5 KB
  Необходимость индустриализации: экономическая: крупная промть определяет экономическое развитие страны в целом. Военнополитическая без индустриализации невозможно обеспечить техникоэкономическую независимость страны и ее оборонную мощь. Проблемы создания индустриализации стали первоочередными в конце 1925г. Источники индустриализации: внутренние накопления: внутренние займы выкачивание средств из деревни доходы от внешней торговли дешевая рабочая сила энтузиазм трудящихся труд заключенных.