К лабораторным работАМ по курсу физикИ

Кафедра физики

 

Методические указания

К лабораторным работАМ по курсу физикИ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Часть 1

 

 

Краснодар - 2006

Методические указания разработали и подготовили к печати:

к. ф.-м.н., доцент Колесникова Т. П.

к.т.н., ст. преподаватель Дайбова Л. А.

под научной редакцией д.т.н., профессора Тропина В.В.

 

Рецензент: профессор, к.т.н. Цыганков Б.К. (кафедра теоретической и общей электротехники КубГАУ)

 

Методическая разработка рассмотрена и представлена кафедрой физики КубГАУ

Протокол № 12 от «14» февраля 2006 г.

 

 

Рекомендована к использованию в учебном процессе методической комиссией факультета энергетики и электрификации КубГАУ

Протокол № 6 от «28» февраля 2006 г.
СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение	Основные положения техники безопасности в лаборатории электричества………………………………………………….. Основные этапы выполнения лабораторной работы……….. Основные сведения об измерениях электрических величин, погрешностях измерений и электроизмерительных приборах……………………………………………………………… Правила заполнения отчета…………………………………...
Работа № 3-01	Определение электрической емкости конденсатора………..
Работа № 3-02	Определение коэффициента самоиндукции катушки индуктивности………………………………………………........
Работа № 3-03	Исследование электрических цепей и проверка законов Кирхгофа……………………………………………………….
Работа № 3-04	Определение энергетических характеристик электрического нагревателя………………………………………….............
Работа № 3-05	Изучение работы трансформатора и определение его характеристик…………………………………………………….
Работа № 3-06	Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли……………………………...........
Работа № 3-07	Определение коэффициента мощности электрической нагрузки переменного тока………………………………...........
Работа № 3-08	Градуировка термоэлемента и определение его удельной термоэлектродвижущей силы………………………...............
Краткий физический словарь……………………………………..........................

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Основные положения техники безопасности

В лаборатории электрИЧЕСТВА

 

1. На первом лабораторном занятии студенты знакомятся с правилами техники безопасности. После ознакомления с правилами техники безопасности каждый студент ставит свою подпись в журнале по технике безопасности лаборатории электричества и в журнале преподавателя.

 

2. В случае нарушения правил техники безопасности студент отстраняется от дальнейшей работы в лаборатории.

 

3. Нельзя находиться в лаборатории в верхней одежде (пальто, куртки).

 

4. В начале занятия дежурный студент по студенческому билету берет у лаборанта в к. № 306 методические указания и принадлежности к лабораторным работам для своей подгруппы. В конце занятия дежурный студент сдает их лаборанту, а лабораторию - преподавателю, убедившись в порядке рабочих мест.

 

5. Прежде чем работать с прибором, изучите по методическим указаниям его устройство и правила пользования им.

 

6. Не пробуйте сами ремонтировать неисправный прибор – его можно испортить ещё больше. О неисправности прибора незамедлительно сообщите преподавателю.

 

7. Собранную электрическую цепь не подключайте к источнику питания до проверки ее преподавателем.

 

8. Перед каждым включением питания необходимо регулятор питающего напряжения установить в нулевое положение.

 

9. Не прикасайтесь к оголённым токоведущим частям электрической цепи, если эта

цепь подключена к источнику питания.

 

10. Не прикасайтесь к нагревательным элементам нагревательных приборов.

 

11. После проведения измерений цепь немедленно разомкните.

 

12. Бережно обращайтесь со стеклянными устройствами (термометрами, колбами и др.).

 

13. После выполнения эксперимента и одобрения полученных результатов преподавателем рабочее место приведите в состояние, которое оно имело до начала работы.

 

14. Выходить из лаборатории во время аудиторного занятия можно только с разрешения преподавателя.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

 

Этап 1 – предварительная подготовка к проведению эксперимента.

Предварительная подготовка заключается в изучении теории явления, которое исследуется в лабораторной работе, в изучении метода и схемы измерений, принципа действия, конструкции и условий эксплуатации физических приборов, используемых в работе, в ознакомлении с порядком выполнения эксперимента.

Результатом предварительной подготовки является конспект в рабочей тетради в виде краткого, но ясного изложения. Конспект к лабораторной работе составляется при самостоятельной подготовке студента к работе и предъявляется преподавателю на аудиторном лабораторном занятии. Без предварительной подготовки к лабораторной работе и конспекта студент не допускается к выполнению эксперимента.

Этап 2 – проведение эксперимента.

До начала выполнения эксперимента необходимо визуально ознакомиться с устройством стенда, оценить цену деления шкал всех приборов, используемых для измерений, взять все принадлежности, необходимые для работы, а также узнать у преподавателя все постоянные параметры, при которых проводится эксперимент. Результаты измерений надо сразу же вносить в таблицу измерений. После проведения эксперимента, не разбирая экспериментальной установки, необходимо оценить окончательный результат для одного опыта по измеренным данным. В случае неудовлетворительного результата измерения необходимо повторить.

Этап 3 – сдача зачета по выполненной лабораторной работе.

Зачет по выполненной лабораторной работе включает в себя защиту теории по контрольным вопросам и представление письменного отчета, в котором помимо краткого конспекта приведены как первичные результаты эксперимента, так и окончательная обработка результатов (расчет искомых величин, оценка погрешностей их измерения, выводы с анализом полученных результатов).

К сдаче итогового зачета (экзамена) по физике допускаются студенты, выполнившие полный объем лабораторных работ за семестр.

 

При сборке электрических цепей следует учитывать, что при горизонтальном расположении клемм левая клемма является входом, а правая – выходом. При вертикальном расположении клемм верхняя клемма – вход, а нижняя – выход.

При работе с электроизмерительными приборами в первую очередь необходимо определить цену деления шкалы прибора. Цена деления шкалы прибора определяет значение электрической величины, вызывающей отклонение указателя (стрелки) на одно деление шкалы прибора. Для определения цены деления шкалы в измеряемом интервале [ А₁, А₂ ]необходимо разность между двумя ближайшими значениями А₂ – А₁, обозначенными на шкале прибора (А₁ – левая граница интервала, А₂ - правая), разделить на число делений N между ними:

 

. (7)

 

Результат измерения по шкале электроизмерительного прибора рассчитывается по формуле

А = А₁ + с∙N₁, (8)

 

где А – определяемый результат измерения; А₁- ближайшее с левой стороны значение измеряемой величины, обозначенное на шкале прибора; с – цена деления шкалы прибора; N₁ – число делений, отсчитанное от А₁ до стрелки прибора.

 

Пример определения результата измерения

 

При измерении тока стрелка амперметра установилась на втором делении

(N₁ = 2) в интервале от 200 мА до 300 мА, число делений в этом интервале N= 5. Определить значение измеряемого тока.

1. Найдем цену деления шкалы прибора в этой области с помощью (7):

 

.

 

2. Определяем значение измеряемого тока с помощью (8):

 

А = 200 мА + 20 ×2 дел = 240 мА.

 

Методика измерения тока и напряжения на многопредельных приборах

1. Для расширения предела измерения тока к амперметру параллельно подключают шунт, т.е. сопротивление с параметром, обеспечивающим заданное увеличение предела измерения тока. На приборе предельное (номинальное) значение тока I_н, определяемое шунтом, указано на соответствующей выходной клемме. Значение тока на данном пределе измерения определяется по формуле

 

I = А _× , (9)

 

где А - показание, считываемое по шкале прибора; I_н - номинальное значение тока на данном пределе (указано на подключенной выходной клемме); А _max –максимальное значение шкалы прибора.

2. Для расширения предела измерения напряжения к вольтметру последовательно подключают добавочное сопротивление с параметром, обеспечивающим заданное увеличение предела измерения напряжения. На приборе предельное (номинальное) значение напряжения U_н, определяемое добавочным сопротивлением, указано на соответствующей выходной клемме. Значение напряжения на данном пределе измерения определяется по формуле

U=А· , (10)

 

где А – показание, считываемое по шкале прибора; U_н - номинальное значение

напряжения на данном пределе (указано на подключенной выходной клемме); А _max – максимальное значение шкалы прибора.

 

Правила заполнения отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

 

1. Номер лабораторной работы.

 

2. Название лабораторной работы.

 

3. Цель работы.

 

4. Перечень приборов и принадлежностей.

 

5. Краткую теорию работы, которая дает ответ на контрольные вопросы и включает в себя:

- определение искомой физической величины и ее единицу измерения в СИ;

- название и суть метода определения искомой физической величины;

- описание принципа работы основного прибора, применяемого для определения

искомой физической величины (или устройства, параметры и характеристики

которого изучаются);

- вывод рабочей формулы с необходимыми для этого рисунками.

 

6. Электрическую схему измерительного стенда.

 

7. Таблицу, приведенную в разделе "Порядок выполнения работы".

 

8. Графики, если имеются указания в разделе "Порядок выполнения работы".

 

9. Расчет искомых величин по рабочей формуле для одного опыта; расчеты для остальных опытов в отчет не записываются, в правую (расчетную) часть таблицы вносятся уже подсчитанные результаты.

 

10. Расчет погрешностей измерений.

 

11. Выводы по результатам работы с записью искомой физической величины в

форме: х = < x > ± <D x > c указанием относительной погрешности измерений

d_х = N %. В выводах также записывается заключение о согласии или расхож-

дении результатов с теоретическими значениями и предположения о причинах

расхождения.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-01

 

Теория работы

 

Конденсатором называется устройство, обладающее способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать и отдавать значительные по величине электрические заряды. Конденсаторы применяются в электрических цепях (сосредоточенные емкости), в импульсных генераторах напряжения, в электроэнергетике (компенсаторы реактивной мощности), в измерительных целях (измерительные конденсаторы и емкостные датчики).

Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком или вакуумом, толщина которого намного меньше линейных размеров проводников.

Основной характеристикой конденсатора является его емкость, под которой понимается электрическая емкость между обкладками конденсатора. Емкость конденсатора численно равна заряду q, приходящемуся на единицу разности потенциалов j ₁- j ₂ между обкладками:

. (1)

 

Единицей измерения емкости в системе СИ является фарад (Ф). Это емкость такого проводника, потенциал которого изменяется на один вольт при изменении заряда на нем в один кулон:

 

.

 

1 фарад – очень большая величина, поэтому в практике для измерения емкости применяются дольные единицы: микрофарад (1 мкФ = 10^-6 Ф) и пикофарад(1 пФ =

= 10^-12 Ф). На электрических схемах конденсатор условно обозначается буквой С.

Емкость конденсатора определяется его геометрией (формой и размерами обкладок, величиной зазора между ними), а также диэлектрическими свойствами среды, заполняющей пространство между обкладками. В зависимости от формы обкладок конденсаторы делятся на плоские (проводники в виде двух плоских параллельных пластин), цилиндрические (два коаксиальных цилиндра) и сферические (две концентрические сферы).

Емкость плоского конденсатора равна

 

, (2)

 

где e ₀ =8,85×10^-12 - электрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь обкладок; d - расстояние между обкладками.

а)

При последовательном соединении n конденсаторов (рис. 1 а) их общая емкость определяется из выражения   . (3)

б) Рис. 1

При параллельном соединении n конденсаторов (рис. 1 б) их общая емкость равна   С = С 1+ С2+…+ Сn. (4)   В формулах (3), (4) С 1, С 2,…, Сn - емкости отдельных конденсаторов. Если конденсатор включен в цепь постоянного тока, то в стационарном (установившемся) режиме ток в ветви с конденсатором отсутствует, поскольку диэлектрик между пластинами конденсатора не имеет свободных носителей заряда; конденсатор представляет собой разрыв цепи. При включении конденсатора в цепь переменного тока изменяется во времени заряд и потенциал обкладок конденсатора. Мгновенное значение тока в конден-

саторе равно скорости изменения заряда q на обкладках конденсатора:

 

(5)

 

При увеличении тока конденсатор заряжается, при уменьшении - разряжается. Цепь переменного тока конденсатор не разрывает: попеременно заряжаясь и разряжаясь, он обеспечивает движение носителей заряда (электрический ток) во внешней электрической цепи.

При увеличении тока растет заряд конденсатора, и в нем накапливается энергия W _э, локализованная в электрическом поле Е, занимающем объем V между обкладками конденсатора:

, (6)

 

где U = j ₁- j ₂ – напряжение или разность потенциалов между обкладками конденсатора.

При уменьшении тока уменьшается заряд конденсатора, и накопленная энергия W _э возвращается к источнику переменного тока.

Таким образом, в цепи переменного синусоидального тока конденсатор без потерь то потребляет энергию от источника, то отдает ее обратно источнику, т.е. за период не потребляет энергии тока, но определяет величину этого тока, оказывая сопротивление его протеканию. Такое сопротивление переменному току, при котором не потребляется энергия этого тока, называется реактивным. Для цепи с конденсатором, обладающей только емкостью (рис. 2 а), реактивное сопротивление является емкостным сопротивлением и равно

 

, (7)

 

где w = 2p f - круговая (циклическая) частота переменного синусоидального тока; f- частота переменного тока.

 

Рис. 2

 

Подключим конденсатор к источнику переменного напряжения, изменяющегося по синусоидальному закону

 

u=U_m sin wt, (8)

 

где u - мгновенное значение напряжения в момент времени t; U_m – максимальное (амплитудное) значение напряжения; wt - фаза.Через конденсатор потечет переменный ток этой же частоты w:

 

(9)

 

где амплитуда тока I_m =CwU_m. Таким образом, ток будет опережать напряжение на четверть периода (начальная фаза ).

На рис. 2 б показана волновая диаграмма, а на рис. 2 в - векторная диаграмма, иллюстрирующие опережение током напряжения по фазе на величину φ ₀= 90⁰, вызываемое наличием в цепи переменного тока емкости С.

Под векторной диаграммой понимается диаграмма, изображающая совокупность векторов, построенная с соблюдением их взаимной ориентации по фазе. Длина каждого вектора равна амплитуде колебания, а направление вектора образует с некоторой осью (в нашем случае это горизонтальная ось – ось токов) угол, равный начальной фазе колебания.

В формулы (8), (9) входят максимальные значения тока I_m и напряжения U_m. Измерительные приборы, работающие в цепи переменного синусоидального тока, показывают действующие значения тока I и напряжения U, которые связаны с максимальными значениями I_m и U_m посредством формул

 

. (10)

 

Действующее значение переменного тока через конденсатор может быть определено с помощью закона Ома:

. (11)

С учетом (7) и (11) выражение для емкостного сопротивления конденсатора равно , откуда емкость конденсатора

. (12)

 

В Российской Федерации стандартная частота переменного синусоидального тока f = 50 Гц.

Порядок выполнения работы

 

I. Собрать электрическую цепь в соответствии со схемой, представленной на рис. 3, подключив конденсатор С1. Обозначения на рис. 3: SА - выключатель, RР - потенциометр, PA - амперметр, PV - вольтметр, C1, C2 - конденсаторы.

 

И разрешения с его стороны

2. Включить цепь с конденсатором С1. Определить показания амперметра РА и

вольтметра РV при различных положениях движка реостата RР, занес­ти их в таблицу.

3. Отключить конденсатор С1 и подключить конденсатор С2, повторить измерения по п. 2 для него, записать их в таблицу.

 

 

Рис. 3

 

4. Соединить конденсаторы С1 и С2 последовательно и вновь произвести измерения величин тока и напряжения при различных положениях движка реостата RР.

5. Соединить конденсаторы С1 и С2 параллельно и также при различных положениях движка реостата RР произвести измерения величин I и U, занести их в таблицу.

Во всех случаях измерений по пп. 2-5 количество измерений должно быть не менее пяти.

6. Занести в таблицу данные вычислений. Найти среднее значение емкости < C >, абсолютную <DС > и относительную d_с погрешность ее измерения для каждого из четырех случаев емкости цепи.

Результат записать в виде С = <С > ± <DС >.

7. Проверить выполнение законов сложения емкостей для батареи последовательно и параллельно соединенных конденсаторов по формулам (3) и (4) соответственно.

Таблица

 

№	Вид нагрузки	Показания приборов	Расчетные величины
I, А	U, В	Хс, Ом	C, мкФ	< С >, мкФ	D C, мкФ	<DС >, мкФ	dс, %
	С1
	С2
	Последовательно С1, С2
	Парал- лельно С1, С2

Контрольные вопросы

 

1. Что такое конденсатор? Как он изображается в электрических схемах? Где применяется?

2. Что такое емкость конденсатора? В каких единицах измеряется емкость в системе СИ?

3. Емкость плоского конденсатора.

4. Емкость батареи последовательно и параллельно соединенных конденсаторов.

5. Почему постоянный ток не течет через конденсатор, а переменный – течет?

6. Какой физический смысл имеет реактивное сопротивление?

7. Нарисуйте и объясните волновую диаграмму для цепи переменного синусоидального тока с конденсатором.

8. Что такое векторная диаграмма? Постройте векторную диаграмму для цепи переменного синусоидального тока с конденсатором.

 

Рекомендуемая литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1994. § 93 - 95.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. М: Наука, 1978. Т. 2. § 26, 27, 29, 30.

3. Грабовский Р.И. Курс физики. С-Пб.: Лань, 2002. Часть П, § 7, 10, 37.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-02

 

Катушки индуктивности

И ее индуктивность.

Приборы и принадлежности: катушка индуктивности, амперметр, вольтметр, регу-

лируемый источник питания постоянного и переменного тока, соеди-

нительные провода.

Теория работы

Катушка индуктивности представляет собой катушку из провода с изолированными витками в виде спирали с сердечником или без него.

Если через катушку проходит ток I,то вокруг катушки создается магнитное поле, магнитный поток Ф которого прямо пропорционален току I в катушке:

 

Ф=LI. (1)

Коэффициент пропорциональности L называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Индуктивность L катушки зависит от формы, размеров катушки, числа витков, а также от магнитных свойств сердечника. Для жесткой катушки с ферромагнитным сердечником индуктивность L является величиной постоянной, не зависящей от силы тока I.

Если ток, проходящий по катушке за время dt, изменится на величину dI, то и магнитный поток, связанный с контуром, изменится на величину

 

dФ=LdI. (2)

В результате этого в катушке (на основании закона электромагнитной индукции) появится электродвижущая сила (ЭДС) самоиндукции

 

. (3)

 

ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока и от индуктивности L катушки. Знак «-» показывает, что ЭДС самоиндукции всегда направлена против причины, которая ее вызывает (т.е. против напряжения, приложенного к катушке) – это правило Ленца.

В соответствии с (3) индуктивностью катушки L называется величина, характеризующая связь между скоростью изменения тока в цепи и возникающей при этом ЭДС самоиндукции. Индуктивность катушки сильно увеличивается при внесении внутрь нее сердечника из ферромагнитного материала.

Если катушка включена в цепь переменного тока, то в катушке непрерывно возникает ЭДС самоиндукции, для компенсации которой затрачивается часть напряжения источника. Для правильного расчета электрической цепи с катушкой необходимо знать значение ЭДС самоиндукции, а, следовательно, и индуктивность L катушки.

Единицу измерения индуктивности катушки легко определить из формулы (3), полагая в ней dt = 1 с, dI = 1 А и e_s = 1 В, тогда единица индуктивности Гн - эта единица называется генри (Гн).

Генри есть индуктивность катушки, в которой изменение тока на 1 А в секунду возбуждает ЭДС самоиндукции, равную 1 В.

Одним из способов определения индуктивности L катушки является метод, использующий свойствo катушки ин­дуктивности оказывать реактивное (индуктивное) сопротивление переменному току.

Т.к. сила переменного тока в проводнике существенно зависит от формы проводника, то помимо омического сопротивления, которое проводник имеет в цепи постоянного тока, при переменном токе появляется дополнительное сопротивление, зависящее от индуктивности проводника и называемое индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление отражает появление ЭДС индукции, т.е. появление дополнительного источника, за счет появления магнитного поля, возбуждающего ЭДС самоиндукции.

При включении катушки индуктивности в цепь постоянного тока она имеет активное сопротивление R, которое можно определить по закону Ома:

 

, (4)

где U – напряжение на катушке; I - ток, проходящий через катушку.

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока ее сопротивление увеличивается и складывается из активного сопротивления R, которое катушка имеет в цепи постоянного тока, определяемого по формуле (4), и индуктивного сопротивления Х_L. Полное сопротивление Z катушки индуктивности можно определить из закона Ома

, (5)

где - переменное напряжение и ток соответственно.

Рис. 1

Таким образом, реальную катушку индуктивности в цепи переменного тока при невысоких частотах можно представить как последовательно соединенные активное сопротивление R и чисто индуктивное сопротивление ХL (рис.1). Такая физическая модель, эквивалентная реальному объекту – в данном случае реальной катушке индуктивности, называется схемой замещения или эквивалентной схемой.

Индуктивное сопротивление Х_L - это реактивное сопротивление, т.е. сопротивление переменному току, не потребляющее энергии этого тока. Действительно, при протекании переменного синусоидального тока в цепи, обладающей только индуктивным сопротивлением Х_L, работа электродвижущей силы (ЭДС) источника в течение одной четверти периода затрачивается на создание тока в катушке. Работа эта превращается в энергию магнитного поля катушки и равна

 

. (6)

В течение следующей четверти периода, когда ток в катушке уменьшается, накопленная энергия полностью возвращается к источнику ЭДС.

Если через идеальную катушку с индуктивностью L (без активного сопротивления R) идет переменный синусоидальный ток с круговой частотой w

 

i=I_m sin wt, (7)

 

то в ней возникает электродвижущая сила самоиндукции

 

(8)

где амплитуда ; U_m и I_m - максимальное (амплитудное) значение напряжения и тока соответственно. Тогда напряжение на катушке индуктивности

 

(9) что означает, что напряжение на индуктивности опережает ток на угол

Индуктивное сопротивление X_L определяется по формуле

 

X_L = wL=2p f L, (10)

 

 

где w =2p f - круговая частота; f - частота.

Для реальной катушки индуктивности, которая кроме индуктивности L обладает и активным сопротивлением R, напряжение

 

u_L=U_m sin (wt +j), (11)

 

 

где j - начальная фаза напряжения. Начальная фаза j определяет сдвиг фаз между напряжением и током на реальной катушке индуктивности, причем напряжение опережает ток на угол j.

На рис. 2 а представлена волновая, а на рис. 2 б – векторная диаграмма для реальной катушки индуктивности, иллюстрирующие опережение по фазе напряжением тока через катушку индуктивности.

Под векторной диаграммой понимается диаграмма, изображающая совокупность векторов, построенная с соблюдением их взаимной ориентации по фазе. Длина каждого вектора равна амплитуде колебания, а направление вектора образует с некоторой осью (в нашем случае это горизонтальная ось – ось токов I_m) угол, равный начальной фазе колебания. U_mR, U_mL - амплитудные значения напряжения на активной R и индуктивной Х_L части катушки индуктивности соответственно.

Рис. 2

 

Рис. 3

Если разделить все напряжения в векторной диаграмме на ток, получим треугольник сопротивлений (рис. 3). Из треугольника сопротивлений видно, что связь между полным Z, активным R и индуктивным ХL сопротивлениями катушки индуктивности имеет вид: . (12)

 

Угол между катетом и гипотенузой треугольника сопротивлений (рис. 3) равен углу сдвига фаз j между напряжением и током для данной катушки индуктивности и равен

. (13)

 

Для реальной катушки индуктивности сдвиг фаз может изменяться от 0 до 90⁰. Для идеальной катушки индуктивности, в которой R = 0, сдвиг фаз j = 90⁰. Идеальной катушкой индуктивности является катушка, обмотка которой находится в сверхпроводящем состоянии (при температурах ниже критической для данного проводника).

В формулы (7) - (9), (11) входят амплитуды U_m и I_m, не измеряемые приборами. Показания приборов в цепях переменного синусоидального тока соответствуют действующим значениям напряжения и тока , которые связаны с амплитудами I_m и U_m посредством формул

 

. (14)

 

Определив активное сопротивление R катушки по формуле (4) и полное сопротивление Z по формуле (5), найдем индуктивное сопротивление Х_L из формулы (12): , откуда с учетом (10) получим индуктивность катушки:

 

. (15)

 

В Российской Федерации стандартная частота переменного синусоидального тока равна f = 50 Гц.

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать электрическую цепь в соответствии со схемой, представленной на рис. 4, подключив часть катушки индуктивности (клеммы 1-2) к источнику постоянного тока. Обозначения на рис. 4: SА - выключатель, RP - реостат, PA - амперметр, PV - вольтметр, L - катушка индуктивности.

 

 

Рис. 4

 

И разрешения с его стороны

2. При нулевом положении регулятора тока на лицевой панели источника питания (реостата RP на рис. 4, встроенного в источник питания) включить источник питания. При разных положениях регулятора тока RP определить значения постоянного напряжения U спомощью вольтметра PV и силы тока I спомощью амперметра РА. После окончания измерений вернуть положение регулятора тока на нуль.

Обратить внимание, что вольтметр Р V и амперметр РА имеют отдельные шкалы для постоянного (-) и переменного (~) тока. Кроме этого, данные приборы являются многопредельными, поэтому необходим пересчет измеренных значений напряжения и тока с учетом выбранного предела измерения, который написан над соответствующей клеммой.

Измеренные и пересчитанные данные напряжения и силы тока занести в таблицу.

3. Включить всю обмотку катушки индуктивности (клеммы 1 и 3) и повторить измерения по п. 2.

4. Подключить источник переменного тока и для катушки индуктивности (клеммы 1 и 3) при разных положениях регулятора тока RP на лицевой панели блока питания измерить значения переменного напряжения спомощью вольтметра PV и тока спомощью амперметра РА. После окончания измерений вернуть положение регулятора тока на нуль. Измеренные и пересчитанные данные занести в таблицу.

5. Подключить часть катушки индуктивности (клеммы 1 и 2) и повторить измерения по п. 4.

6. Провести расчет параметров R, Z, L для полной катушки индуктивности и ее части.

7. Найти абсолютную <DL> и относительную d_L погрешности измерения индуктивностей полной катушки 1-3 и ее части 1-2.

8. Сделать выводы по работе и записать их в отчет. Результат записать в виде:

 

L=<L> ± <DL>.

 

Таблица

 

№

Катушка

Показания приборов

Расчетные данные

U, B

I, A

U ~ B

I ~ A

R, Ом

< R >, Ом

Z, Ом

<Z>, Ом

L, Гн

< L >, Гн

D L, Гн

<D L >, Гн

dL, %

1-2