[Росдистант] Теоретические основы электротехники 1 (ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1) Росдистант ТГУ

Вашему вниманию представлена лабораторная работа № 1 по учебному курсу "Теоретические основы электротехники 1" (Росдистант),

Работа выполнена и оценена на высокий балл.

Лабораторная работа № 1«Последовательное, параллельное и смешанное соединение пассивных элементов на постоянном токе»

по курсу «Теоретические основы электротехники 1»

Лекция 1.2. Уравнения электрических цепей. Законы Кирхгофа. Преобразование сопротивлений.

Цель работы – исследование распределения токов, напряжений и мощностей при различных способах соединения пассивных элементов.

Задачи:

Проверить закон Ома для последовательного, параллельного и смешанного соединения сопротивлений.

1. Порядок запуска виртуальной лабораторной работы (ВЛР)

1.1. Получите доступ к виртуальному рабочему столу. Инструкция по доступу прилагается к заданию в курсе.

1.2. Откройте на виртуальном рабочем столе папку «Лабораторные работы», выберите папку «Professional group», в ней запустите двойным щелчком программу Выполнить. 

1.3. Одинарным щелчком выберите группу «Электротехника (для неэлектрических специальностей)».

1.4. Из развернувшегося перечня выберите одинарным щелчком лабораторную работу «Последовательное, параллельное и смешанное соединение пассивных элементов на постоянном токе».

1.5. По одинарному щелчку Вам доступны файлы ВЛР: Методические материалы и Виртуальная лаборатория (рис.1). 

 Рис.1. Файлы ВЛР

Выход из Методических материалов - (стрелка «влево» на зеленом фоне в левом нижнем углу экрана). Выход из Виртуальной лаборатории – клавиша F10.

!Используйте сочетание клавиш Ctrl+Alt, чтобы курсор мыши имел возможность свернуть или уменьшить размер окна виртуального стола. Тогда вы сможете работать и на своем компьютере за пределами виртуального рабочего стола, и возвращаться обратно (рис.2).

 Рис.2. Личный рабочий стол и виртуальный.

2. Теоретичекая часть

2.1 Последовательное соединение

Последовательным называется соединение, когда конец одного элемента соединяется с условным началом второго, конец второго – с началом третьего и так далее (рис.3).

 Рис.3 Последовательное соединение резисторов

Для последовательного соединения характерным является общий ток для всех резисторов. Эквивалентное сопротивление при этом типе соединений определяется по формуле 1:

R_Э=R_1+R_2+R_3.                         (1)

Напряжение на отдельных элементах распределяется пропорционально величинам их сопротивлений (формула 2):

U=U_1+U_2+U_3=I·(R_1+R_2+R_3).             (2)

Суммарная мощность приемников (формула 3):

P_i=〖I^2·R_i=U〗_i·I.                       (3)

2.2. Параллельное соединение

Параллельным называется соединение, при котором выводы всех приемников присоединяются к одной паре узлов (рис. 2). Напряжение подается на выводы этих приемников.

 Рис.4. Параллельное соединение резисторов

При параллельном соединении все элементы находятся под одним и тем же напряжением – напряжением питающей сети (источника питания).

Эквивалентное сопротивление при этом типе соединений определяется по формуле 4:

1/R_Э =1/R_1 +1/R_2 +1/R_3 .                         (4)

Если применим понятие проводимости g=1/R, то эквивалентную проводимость найдем по формуле 5:

g_Э=g_1+g_2+g_3,                         (5)

где проводимости каждого элемента определим по формуле 6:

g_1=1/R_1 ,g_2=1/R_2 ,g_3=1/R_3                 (6)

Токи в ветвях распределяются обратно пропорционально сопротивлениям элементов (формула 7):

I=I_1+I_2+I_3=U·[1/R_1 +1/R_2 +1/R_3 ]=U·[g_1+g_2+g_3 ].     (7)

Суммарную мощность всех приемников определим аналогичным путем, как и в случае последовательного соединения элементов.

2.3. Смешанное соединение

Смешанным соединением называется такое соединение, при котором имеют место и последовательное и параллельное соединение элементов.

 Рис.5. Смешанное соединение резисторов

Для электрической цепи на рис. 5 справедливы следующие соотношения (формула 8):

‖█( U_2=U_3=U_23,U=U_1+U_23,   @I_1=I_2+I_3,                    @ I_1=U/R_1 =U/R_Э ,I_2=U_23/R_2 ,I_3=U_23/R_3 ,@ R_Э=R_1+R_23=R_1+(R_2·R_3)/(R_2+R_3 ),  @P=P_1+P_2+P_3                )                 (8)┤

3. Оборудование

3.1 Активные клавиши

Для работы в этой лабораторной работе применяются следующие клавиши (рис. 6):

W, S, A, D – для перемещения в пространстве; 

F2, Е – аналоги средней клавиши мыши-манипулятора (при первом нажатии берется объект, при последующем - ставится); 

Ctrl – присесть;

F10 – выход из программы.

 Рис. 6. Активные клавиши клавиатуры и мыши-манипулятора

Левая клавиша мыши (1) - при нажатии и удерживании обрабатывается (поворачивается, переключается) тот или иной объект.

Средняя клавиша (2) - при первом нажатии (прокрутка не используется) берется объект, при последующем - ставится (прикрепляется). Правая клавиша (3) - появляется курсор-указатель (при повторном - исчезает).

Примечание: при появившемся курсоре невозможно перевести взгляд вверх и в стороны.

3.2 Оборудование для лабораторной работы

 Рис. 7. Внешний вид лабораторного стенда

В лаборатории у стены находится стенд (рис. 7) для проведения испытания. Стенд состоит вертикальной и горизонтальной панелей.

Вертикальная панель содержит элементы схем и разделена на 3 зоны, по количеству проводимых опытов (последовательное, параллельное и смешанное). Линиями синего и красного цвета изображены провода, составляющие схему.

На схемах присутствуют элементы управления (рис. 8) - регулируемые сопротивления возле каждого из них надпись – 150 Ом. Изменение сопротивления происходит за один оборот (360°) - от 0 до 150 Ом.

 Рис. 8. Одно из регулируемых сопротивлений

На горизонтальной панели находится 3 источника питания (рис.9) (от 0 до 220 В) постоянного тока, регулировка напряжения осуществляется при помощи поворотного регулятора (ЛАТР). Чтобы включить источник питания в работу необходимо:

Включить сеть стенда (кнопка ВКЛ слева - загорится лампочка СЕТЬ, выключение - кнопкой ВЫКЛ). Позиция 1 (рис. 9) соответствует кнопке магнитного пускателя стенда.

Включить кнопку под лампочкой (два положения: вдавлена внутрь - включено, загорается лампочка; не вдавлена - выключено). Позиция 2 (рис. 9) соответствует кнопке подачи постоянного напряжения одного из источников питания.

Регулятором одного из источников (позиция 3 рис.9) выставить заданную величину напряжения.

 Рис. 9. Источник питания

4. Порядок выполнения работы

Запустите файл «Виртуальная лаборатория» из п.1.5.

4.1. Последовательное соединение. Опыт №1.

На стенде собрана электрическая цепь по схеме рис.10.

 Рис.10. Исследуемая электрическая цепь опыта №1

1. Включите стенд. Рукоятку ЛАТРа установите в крайнее левое положение, при котором U=0 В.

2. Нажмите на кнопку подачи постоянного напряжения соответствующего источника питания.

3. Поворачивайте рукоятку ЛАТРа по часовой стрелке, установите напряжение U=40…60 В. Потенциометр R_1полностью введен.

4. Снимите показания приборов и занесите в таблицу 1 (Бланк выполнения лабораторной работы №1).

5. При этом же напряжении источника питания уменьшите сопротивление потенциометра R_1 примерно вполовину и снова снимите показания всех приборов.

6. Произведите расчет всех параметров, указанных в таблице 1.

Таблица 1.

Экспериментальные и расчётные данные последовательного соединения элементов.

№ Измерено Вычислено

U,

B U1,

B U2,

B I,

A R1,

Ом R2,

Ом RЭ,

Ом P1,

Вт P2,

Вт PЭ,

Вт

1.

2.

3.

4.2. Параллельное соединение. Опыт №2.

На стенде собрана электрическая цепь по схеме рис.11.

 Рис.11. Исследуемая электрическая цепь опыта №2

1. Рукоятку соответствующего параллельному соединению ЛАТРа установите в нулевое положение, потенциометр R_1^' полностью введен.

2. Нажмите на кнопку подачи постоянного напряжения соответствующего источника питания.

3. Установите напряжение U=40…60 В, снимите показания приборов и показания всех приборов занесите в таблицу 2 (Бланк выполнения лабораторной работы № 1).

Примечание. R_1=R_1^'+R_1^'', P_1=P_1^'+P_1^''

4. Не меняя напряжение источника питания, необходимо полностью вывести сопротивление потенциометра R_1^'. Результаты всех приборов занесите в таблицу 2 (Бланк выполнения лабораторной работы № 1).

5. Рассчитайте величины, указанные в таблице 2.

Таблица 2.

Экспериментальные и расчётные данные параллельного соединения элементов.

№ Измерено Вычислено

U,

B I,

A I1,

A I2,

A R1,

Ом R2,

Ом RЭ,

Ом P1,

Вт P2,

Вт PЭ,

Вт

1.

2.

3.

4.3. Смешанное соединение. Опыт №3.

На стенде собрана электрическая цепь по схеме рис.12.

 Рис.12. Исследуемая электрическая цепь опыта № 3

1. Рукоятку соответствующего смешанному соединению ЛАТРа установите в нулевое положение, потенциометр R_2 полностью введен.

2. Включите питание, установите ЛАТРом напряжение U=70…90 В, снимите показания всех приборов и показания всех приборов занесите в таблицу 3.

3. Не меняя напряжение источника питания, необходимо полностью вывести сопротивление потенциометра R_2. Результаты всех приборов занесите в таблицу 3.

4. Рассчитайте величины, указанные в таблице 3 (Бланк выполнения лабораторной работы № 1).

Таблица 3.

Экспериментальные и расчётные данные смешанного соединения элементов.

№ Измерено Вычислено

U,

B U1,

B U23,

B I1,

A I2,

A I3,

A R1,

Ом R2,

Ом R3,

Ом P1,

Вт P2,

Вт P3,

Вт P,

Вт 

1.

2.

3.

5. Отчет

Скачайте титульный лист и бланк выполнения лабораторной работы. Отчет по лабораторной работе должен содержать:

Титульный лист с ФИО студента, группой (стандартный, в курсе).

Цель работы, описание оборудования и электрическая схема (бланк).

Описание выполнения работы (бланк).

Выполненные задания из раздела 3. Заполненные таблицы 1, 2, 3 в Бланке выполнения лабораторной работы № 1.

Выводы и ответы на контрольные вопросы (бланк).

6. Контрольные вопросы

Формулировка законов Кирхгофа.

Как изменится ток I_1 (рис. 12), если параллельно резисторам R_2 и R_3 включить ещё один резистор?

Как распределяются токи в приемниках, соединенных параллельно?

Бланк выполнения лабораторной работы № 1

«Последовательное, параллельное и смешанное соединение пассивных элементов на постоянном токе»

Цель работы

Оборудование

Схема

Таблица 1.

Экспериментальные и расчётные данные последовательного соединения элементов.

№ Измерено Вычислено

U,

B U1,

B U2,

B I,

A R1,

Ом R2,

Ом RЭ,

Ом P1,

Вт P2,

Вт PЭ,

Вт

1.

2.

3.

Таблица 2.

Экспериментальные и расчётные данные параллельного соединения элементов.

№ Измерено Вычислено

U,

B I,

A I1,

A I2,

A R1,

Ом R2,

Ом RЭ,

Ом P1,

Вт P2,

Вт PЭ,

Вт

1.

2.

3.

Таблица 3.

Экспериментальные и расчётные данные смешанного соединения элементов.

№ Измерено Вычислено

U,

B U1,

B U23,

B I1,

A I2,

A I3,

A R1,

Ом R2,

Ом R3,

Ом P1,

Вт P2,

Вт P3,

Вт P,

Вт 

1.

2.

3.

Выводы.

Ответы на контрольные вопросы.