MGR Prądy zmienne.

Transkrypt

1 MGR 7 7. Prądy zmienne. Powstawanie prądu sinusoidalnego zmiennego. Wielkości charakteryzujące przebiegi sinusoidalne. Analiza obwodów zawierających elementy R, L, C. Prawa Kirchhoffa w obwodach prądu zmiennego. Rezonans szeregowy i równoległy. Rola cewki i kondensatora w obwodzie prądu zmiennego. Ćw. 1. Badanie obwodów RLC. 2. Rola cewki i kondensatora w obwodzie prądu zmiennego. 3. Badanie obwodu RLC za pomocą oscyloskopu.

2 Badanie obwodów RLC Zbudować obwód jak na schemacie i tak dobrać wartość pojemności i współczynnika samoindukcji, aby uzyskać maksymalne natężenie światła. Ustalić takie położenie cewki na rdzeniu aby żarówka świeciła najjaśniej?. Do sieci włączamy szeregowo zwojnicę 1100 zwojów na zamkniętym rdzeniu i żarówkę (rys. niżej) - świeci ona słabo. Jeżeli wstawimy jeszcze kondensator - 4µF, to żarówka silniej zaświeci. Opór indukcyjny i pojemnościowy wzajemnie się odejmują. Budujemy obwód jak poprzednio włączając zwojnicę o 1100 zwojów z zamkniętym rdzeniu, żarówkę o mocy 100W, amperomierz i kondensator (kolejno od 2-12µF). Zobaczymy, że przy 4 µf, U L =Uc i natężenie prądu będzie największe. Mówimy, że obwód jest w rezonansie napięć.

3 Budujemy obwód jak schemacie obok. Pojemność ( od 0,5-12 µf) i indukcyjność (zwojnica 1100 zwojów) włączamy równolegle. Opór zabezpieczający to żarówka 100W. Przy C=4 µf natężenie prądu będzie największe w obwodzie II a, mniejsze w obwodzie I. Uzyskaliśmy rezonans prądów ( natężeń). 230 V Rola cewki i kondensatora w obwodzie prądu

4 zmiennego Żarówkę o mocy 60 W W łączymy szeregowo z solenoidem L ( rys. niżej) o dużej liczbie zwojów ( np. cewka transformatora rozbieralnego o 1100 zwojach). Tak utworzony obwód włączamy do sieci miejskiej 230 V. Żarówka świeci prawie normalnie. Do wnętrza solenoidu wsuwamy stopniowo rdzeń ze stali miękkiej i obserwujemy świecenie żarówki. Łączymy szeregowo w obwód kondensator o pojemności 4 µf i opór omowy (żarówka 40 W). C 220 V R Obliczyć opór całkowity obwodu. Określić rozkład napięcia na oporze omowym i pojemnościowym. Wykonać wykres napięcia od czasu na poszczególnych elementach obwodu.

5 EWA JAGODZ1NSKA Siedlce Badania obwodu RLC za pomocą oscyloskopu Badając doświadczalnie obwody RLC prądu przemiennego możemy w przystępny sposób pokazać rolę poszczególnych elementów, a także ułatwić uczniom zrozumienie dość skomplikowanych zależności matematycznych dotyczących tych obwodów. Nawet tylko jakościowe pokazanie tych zależności przy użyciu oscylografu, na ekranie którego uczniowie widzą jak zmienia się natężenie prądu. daje duże efekty w zrozumieniu tych często trudnych zagadnień. Dlatego wano te doświadczenia wykonywać nie tylko w klasach o profilu matematycznofizycznym. Do doświadczeń tych używam oscylografu demonstracyjnego ED2 w zestawie z generatorem uniwersalnym UVG2 (niemieckiej firmy PGH Radio-Fernsehen-Elektronik), zakupionego kilka lat temu w CEZAS-ie (ryc. l). Oczywiście można używać dowolnego oscylografu i generatora prądu przemiennego, ale zestaw ten ma tę zaletę, że generator UVG2 daje możliwość zmiany częstotliwości w zakresie od 10 Hz do 100 khz. Poza tym jest również generatorem impulsów prostokątnych (co wykorzystujemy w innych doświadczeniach). Oprócz tego zestawu do doświadczeń potrzebne są: - 3 zwojnice o liczbie zwojów 1600, 400 i 240 z zestawu do elektryczności dla klasy VIII; - 2 kondensatory o pojemności 30 µf z tego samego zestawu; - opornik 5 Ώ - zwora jako rdzeń do zwojnicy; - przewody, w tym przewód pomiarowy z zestawu oscylografu, którym dołączamy badane napięcie do wejścia Y. Doświadczenie l - Rola indukcyjności w obwodzie prądu przemiennego (ryc. 2). Ryc. 2. Schemat obwodu; 1,2- napięcie z UVG2; 3,4- napięcie na oporniku (proporcjonalne do płynącego prądu); L- zwojnica 1600 zwojów z rdzeniem; Ryc. l. R opór 5 Ώ

6 Stosujemy napięcie około 10 V. Częstotliwość podstawy czasu dobieramy tak, aby na ekranie były widoczne 1-2 okresy. a) Zwiększamy indukcyjność L (umieszczamy rdzeń w zwojnicy). Na ekranie obserwujemy zmniejszenie natężenie prądu. b) Zwiększamy częstotliwość (płynnie za pomocą pokrętła generatora). Obserwujemy coraz mniejsze natężenie prądu. Doświadczenie 2 - Rola pojemności w obwodzie prądu przemiennego (ryc.3) 1 3 Y 4 R C Ryc. 3. Schemat obwodu; C - pojemność, 2 kondensatory po 30 µf; R - opór R = 5 Ώ 2 Napięcie około 10V. a) Zwiększamy pojemność C (dołączamy równolegle drugi kondensator). Natężenie prądu rośnie. b) Zwiększamy częstotliwość (za pomocą pokrętła generatora). Natężenie prądu rośnie. Doświadczenie 3-Badanie obwodu RLC (ryc. 4). Ryc. 4. Schemat obwodu; L- zwojnica 1600 zwojów z rdzeniem; C - pojemność 30 µf, R - opór 5 Ώ

7 l przypadek - obwód w którym R L >R C.. Częstotliwość 3 x 10 2 Hz (stała). a) Zwiększamy L (umieszczamy rdzeń w zwojnicy) - natężenie prądu maleje. b) Zwiększamy C (dołączamy równolegle drugi kondensator) - natężenie prądu maleje. 2 przypadek - obwód w którym R L < R C.. Zwojnica zwojów, pozostałe przyrządy te same, a) Zwiększamy L (rdzeń) - natężenie prądu rośnie; b) Zwiększamy C (drugi kondensator) - natężenie prądu rośnie. 3 przypadek- Badanie zależności natężenia prądu od częstotliwości. Zwojnica - 40 zwojów, pozostałe przyrządy te same. Zwiększamy powoli płynnie częstotliwość, natężenie prądu początkowo rośnie, ale po osiągnięciu maksymalnej wartości - maleje. Wniosek: Istnieje taka częstotliwość, dla której opór całkowity obwodu jest minimalny (rezonans). Uwagi Na podstawie wykonanych doświadczeń formułujemy wnioski dotyczące zależności natężenia prądu przemiennego od indukcyjności i pojemności. Na ich podstawie możemy wprowadzić wzory na opór wypadkowy czyli impedancję w poszczególnych obwodach. Możemy również wyjaśnić zjawisko rezonansu elektrycznego. Jednak najważniejszym celem wykonania tych doświadczeń jest pokazanie, że w obwodzie prądu przemiennego istnieje nie tylko opór czynny (omowy). Już w l doświadczeniu zwracamy uwagę na to, że umieszczając rdzeń w zwojnicy nie zmieniamy ani długości przewodów, ani ich przekroju, czy rodzaju materiału, a jednak opór obwodu zmienia się. Istnienie tego dodatkowego oporu jest związane ze zjawiskiem samoindukcji i prawem Faradaya. Do tego wniosku dochodzą już sami uczniowie. W wyniku takich dyskusji elektromagnetyzm staje się łatwiej zrozumiały.