Лабораторна робота №1 Дослідження LC-елементів. Гальванометр, котушка індуктивності, конденсатори.

Мета: дослідити властивості LC-елементів та особливості їх засто сування, вивчити роботу гальванометра і набути навики вимірювання струмів та напруг, вивчити роботу котушки індуктивності та конденсаторів.

Короткі теоретичні відомості.

Гальванометр (гальвано— від прізвища вченого Луиджи Гальвани і др.греч. metro— вимірюю)— високочутливий прилад для виміру малих постійних і змінних электрических струмів, напруги та кількості електрики. Залежно від підключення зовнішніх елементів може вико нувати функції амперметра, вольтметра, омметра, спідометра, тахометра тощо.







а

Будова і принцип дії гальванометра (а) і умовні позначення гальванометра (б), амперметра та вольтметра (г)

Положення стрілки гальванометра на умовному позначені показує в яку сторону буде відхилятись стрілка при подачі вхідного сигналу. Коли стрілка гальванометра розміщена вертикально то стілка може відхилятись в обидва боки.

Коли постійний струм проходить крізь котушку, у ній виникає магнітне поле. Воно взаємодіє з полем постійного магніту, і котушка, разом зі стрілкою, повертається, вказуючи на електричний струм, що протікає через котушку. Чим більша сила струму, тим білший кут повороту стрілки.

При подачі на гальванометер зміного сигналу відхилення стрілки буде відповідати середньому значенню, тобтопри подачі синусоїдального сигналу гальванометер покаже 0.

Амперметр - прилад, яким вимірюють величину електричного струму. Це тойже гальванометерз додатковим калібровочним резистором включеним паралельно з рамкою.Такі резистори називаються шунтами. Діапазон вимірювання амперметрна залежить від опору шунта, чим меньший його опір тим більший його діапазон вимірювання.

Опір шунта розраховується за формулою. де Rr - опір рамки гальванометра

n – помножувач розширення діапазону.



Схема включення амперметра в електричне коло

В електричне коло амперметр включається послідовно з тим елементом у електричному колі, силу струму в якому вимірюють. Шкалу амперметрів градуюють у мікроамперах (мкА), міліамперах (мА), амперах (А) або килоамперах (кА) відповідно до меж виміру приладу.

Ампер (позначення: А) — одиниця виміру сили електричного струму в системі СИ. Одиниця виміру, прийнята на 1-м Міжнародному конгресі електриків (1881 г.), названа на честь французького фізика Андре Ампера.

Вольтметр - прилад для вимірювання напруги між двома точками електричного кола і являє собою гальванометр з додатковим резистором який включений послідовно з рамкою приладу.

Вольтметр вимірює власне силу струму, який проходить через його опір, тож його можна охарактеризувати як амперметр із великим опором.

Вольтметр підключається паралельно до ділянки кола, на якій потрібно виміряти напругу. Великий опір вольтметра забезпечує те, що прилад лише в незначній мірі впливає на проходження струму через коло. Шкала градуюється в мкВ, мВ, В або кВ.

Схема включення вольтметра в електричне коло

Котушка індуктивності - звернутий у спіраль ізольований дріт, що має значну індуктивність при відносно великій електричній провідності та малому активному опорі. Така система здатна запасати енергію при протіканні електричного струму.

Для збільшення індуктивності котушка здебільшого намотується на феромагнітне осердя. Котушку без осердя називають соленоїдом. Спеціальні котушки, що використовуються в певних електричних колах, називають дроселями.

При пропускані через катушку індуктивності електричного струму, вона перетворюється в електромагніт, навкруги якого створюється направлене магнітне поле з північним і південим полюсами, так як і постійного магніту. Коли змінюється напрям струму змінюються і полюси. Такі властивості котушки мають безліч застосувань, наприклад в генераторах, електродвигунах, електровимірювальних пристроях, динаміках, мікрофонах тощо.

Конденсатор - система з двох чи більше електродів (обкладок), які розділені діелектриком, товщина якого менша у порівнянні з розміром обкладок. Така система має взаємну електричну ємність і здатна зберігати електричний заряд.

Для отримання великих ємностей конденсатори з'єднують паралельно. Загальна ємність батареї паралельно з'єднаних конденсаторів дорівнює сумі ємностей всіх конденсаторів, які входять у батарею. DSMT4 HYPER14HYPER15

При послідовному з’єднанні конденсаторів загальна ємність розрахо вується за формулою:



або ,



тобто загальна ємність менша ємності кожного із підключених конденсаторів.

Опір конденсатора залежить від частоти струму f і знаходиться за формулою:



З виразу видно, що при нульовій частоті (постійний струм) опір кон денсатора прямує до нескінченності, а при збільшенні частоти – до нуля.



Завдання 1. Вивчення роботи гальванометра.

Зібрали схему, наведену на рис.1.



Рис. 1. Електрична схема вивчення роботи гальванометра

Застосовуючи закон Ома і знаючи опір резисторів R1=5,1кОм R2=10кОм

Розрахуємо силу струму в колі струм в колі 198 мкА

Вімкнули кнопку S1 загальний опір ділянки зменьшився до 10кОм

Тепер розрахуєм силу струму в колі з меньшим опором

струм в колі 300мкА.

Як бачимо на фото покази приладу 7,8ділень шкали, а малиб бути згідно розрахунку на відмітці 6,6 198:30=6,6

Висновок: наведена схема робоча, вимірювальний пристрій по класу точності можна віднести до індикаторів, опори в схемі теж мають низький клас точності, тому і маєм таку розбіжність.

Завдання 2. Створення амперметра на базі гальванометра. Зібрали схему, наведену на рис. 2 Шунт служить для того, щоб відвести основний струм в ланцюзі від деякого елемента ділянки. Для цього він приєднується паралельно цій ділянці. Як правило, це провідник з малим опором, розрахований на проходження струму певної величини.

Знаючи з умов, що діапазон вимірювання гальванометра 300 мкА, а опір рамки 900Ом. Знайдемо опір шунта за формулою:

де Rr - опір рамки гальванометра n – помножувач розширення діапазону.

За формулую для розрахунку струму I, вимірюваного амперметраз шунтом знаходимо межу вимірювання приладу: - значення вимірюваної величини, при якому стрілка приладу відхиляється до кінця шкали.

де

У формулі величина n називається множником шунта. Множник шунта показує, на скільки слід помножити показання гальванометра за колишньою шкалою, щоб отримати значення струму, що вимірюється амперметром з шунтом.

А тепер знаходимо ціну поділки приладу- дорівнює значенню вимірюваної величини, відповідному одному поділу шкали приладу. 3000:10=300мкА



Висновок: дана схема робоча, межу вимірювання приладу 3мА ціна поділки приладу складає 300мкА. Струм у колі 2,75мА.



Завдання 3. Створення вольтметра на базі гальванометра. Для розширення меж виміру гальванометра при використанні його в якості вольтметра послідовно з гальванометром включають додатковий резистор. В шашому випадку R1- 10кОм діапазон вимірювання приладу від 0 до 3В.



Перевели повзунок реостату R3 в крайне праве положення і замкнули вимикач SA.

Стрілка вольтметра відхилилась але світлодіод не горить. Це значить що через нього проходить струм, але він не достатній для його ввімкнення. Повільно переміщували повзунок реостату R3 до крайнього лівого положення. Спостерігаючи за світлодіодом і стрілкою приладу замітили що світлодіод загорівся, а вольтметр відхилився на 7,2 ділень шкали приладу.

Знаходимо ціну поділки приладу- дорівнює значенню вимірюваної величини, відповідному одному поділу шкали приладу. 3В=3000мВ 3000:10=300мВ

Завдання 4. Отримання електричного струму за допомогою котушки індуктивності і постійного магніту.

Зібрали схему наведену на Рис.4

Поклали круглий магніт на котушку, стрілка не відхилилась. Взяли магніт і почали переміщати його вздовж котушки. Стрілка гальванометра почала відхилятис – це доводить, що в колі виникає імпульсний струм, завдяки перетину провідником силових ліній поля магніту.

Таке явище називається електромагнітною індукцією, а струм – наведеним (індукційним). За таким принципом працює динамо машина велосипеда, яка живить фару. Обертання колеса передається магніту, який обертається у котушці індуктивності.Утворений струм живить лампочку.



Висновок: приведена схема робоча і допомагає на практиці побачити, явище електромагнітної індукції відкрите у 1831 році Майклом Фарадейом.



Завдання 5. Дослідженняелектромагніту.

Зібрали схему Рис. 5



Рис. 5 Схема для досліджень котушки індуктивності



Розмістили компас поряд з котушкою індуктивності (посередні). Розташували монтажну схему плату так, щоб стрілка компаса була перпендикулярна котушці.

Ввімкнули вимикач SA, лампа засвітилась HL, а стрілка компаса відхилилась проти часової стрілки на 90. Вимкнули SA живлення схеми стрілка компасу повернулась на своє місце, перпендикулярно котушці. Змістили компас в ліво і знову включили вимикач SA стрілка відхилилась в ту ж сторону. Проробили ту ж операцію при розміщені компаса у правій частині котушки, компас відхилився у ту ж сторону.

Це тому що струм, що протікає по котушки індуктивності та провідниках створює навколо них магнітне поле, що вприлає на стрілку компаса. Якщо змінити полярність живлення схеми то стрілка компасу буде відхилятись в протилежному напрямку.

Поклали металеву скріпку поперек котушки індуктивності, ввімкнули вимикач SA скріпка повернулась повздовж осі котушки. Наклонили монтажну плату скріпка впала на стіл. Це означає, що вона “відчуває” магнітне поле котушки (розташувалася вздовж ліній магнітного поля), але цього поля не достатньо для її утримування. Знову поклали скріпку на котушку. Тепер замкнули не тільки вимикач SA, але й кнопку SB, при цьому струм в колі зріс в декілька разів. Не відпускаючи кнопки, нахилили монтажну плату – скріпка намагнітилась і не падає.

На силу струму, що виникає в електромагніті впливають: сила струму в обмотці електромагніту, форма і матеріал осердя, число витків в обмотці і щільність їх намотування – чим їх більше і чим щільніше вони намотані, тим магніт “міцніший”.



Висновок: схема робоча у цьому завдані ми частково досліджували явища електромагнітної індукції, повторили експеримент Х. Ерстеда котрий він проводив ще у 1820 році, де він відкрив що навколо провідників зі струмом виникає магнітне поле. А також виявив дію постійного електричного струму на магнітну стрілку.



Завдання 6. Дослідження процесів зарядки і розрядки конденсатора.

Зберігаючи полярність, зібрали схему, наведену на рис.6 (а) схема не запрацювала, як виявилось конденсатор та гальванометер не вірно включений в умовній схемі.





Зібрали схему так як наведено на рис.6 (б) вімкнули кнопку SB – конденсатор почав заряджатися, напруга на ньому почала зростати, а струм в колі – зменшуватися, внаслідок чого, світлодіод спочатку засвітився, а потім, у міру зарядки конденсатора, згас. Відпустили кнопку та замкнули вимикач SA – стрілка гальванометра значно відхилилась, а потім поступово, у міру розрядки конденсатора через галь ванометр і резистор R2, повернулась до нульової поділки.



Висновок: Умовна схема наведена в методичному посібнику не робоча, в ній допущена помилка, конденсатор та гальванометер не вірно включений не правельна полярність.



Завдання 7. Повільне вимкнення світла.

Здатність конденсатора накопичувати заряд використовується в різних схемах одна із схем приведена у завданні. Зібрали схему як на Рис.7.1 Ввімкнули кнопку S1 – лампа не засвітилась.

Схема не робоча.



Зібрали схему Рис.7.2 ввімкніть кнопку SВ – засвітилась лампа. Відпустили кнопку – лампа повільно вимкнулась. Від’єднали кон денсатор, знову ввімкнули і відпустили кнопку. Тепер лампа гасне одразу після відпускання кнопки. Тривалість згасання лампи залежить від ємності під’єднаного конденсатора – чим більша ємність, тим повільніше лампа буде гаснути.



Висновок: схема наведена в завдані не робоча в ній допущена помилка. Елемент схеми під номером 52 транзистор n-p-n провідності, вкючений не вірно. Вірний робочий варіант наведено на Рис. 7.2



Завдання 8. Дослідження паралельного вмикання конденсаторів.

На практиці, для збільшення загальної ємності використо вують паралельне вмикання конденсаторів, ми будемо досліджувати саме його.

Зібрали схему, наведену на рис.8. Ввімкнули і утримували кнопку SB. Конденсатори почали заряджатися і стрілка вольтметра почала відхилятися, допоки напруга на конденсаторах не зрівнялась з напругою батареї. Після відпускання кнопки, конденсатори почали розряджатися через гальванометр та резистор з постійною часу =RC,

де R – загальний опір гальванометра Rr та резистора R1

R=Rr+R1= 900+10000=10900 Ом,

C – загальна ємність конденсаторів. Загальна ємність паралельно з'єднаних конденсаторів дорівнює сумі ємностей всіх конденсаторів, які входять у батерею.



Це означає, що чим більша ємність, тим повільніше буде повертатися стрілка до нульової відмітки.

2=RC=109000,00057=6,21с

необхідний час для того, щоб стрілка повернулась до нуля.



Від’єднали конденсатор С2, ємність змен шилась, і процес розрядження прискорився. Ввімкнули та утримували кнопку до досягнення стрілкою максимального значення пока зань. Відпустили кнопку і отримали новий результат

1=RC=109000,0001= 1,09с

час, за який стрілка повернеться до нуля – цей час значно меншим попереднього результату.



570:100=5,7 6,21:1,09=5,7

наскільки пропорційно зменшились ємність і час розрядки.



Висновок: дана схема робоча, виконуючи цей дослід на практиці побачили як проходить процес зарядки та розрядки конденсаторів. Навчились робити деякі розрахунки, обчислення ємності параленльно включених конденсаторів, іхній час розряду.



Завдання 9. Дослідження зміни опору конденсатора від частоти.

Зібрали схему Рис.9.1 включили вимикач лампочка засвітилась. Для впевненості в тому що конденсатор не пропускає постійний струм зібрали схему Рис.9.2 ввімкнули вимикач лампа не горить.



Щоб перевірити чи пропускає конденсатор змінний струм зібрали схему Рис.9.3



На виході мікросхеми заданий зміний сигнал складної форми Рис.9.4

Вмикали і вимикали кнопку – з динаміка були чутні деякі звуки. Це означає, що через динамік проходить струм, і відповідно, струм прохо дить через послідовно ввімкнений з ним і конденсатор.

Досить часто конденсатор вмикається послідовно в коло для відсі кання постійної “неінформативної” складової сигналу та пропускання корисної інформації змінної складової, яка може бути дуже мала. Наприклад, (рис.9.5) на постійний сигнал10 В

накладений змінний синусоїдальний сигнал з розмахом 2 мВ. Після конденсатора, який не пропускає постійний струм, залишиться тільки синусоїдальний сигнал з розмахом (подвійна амплітуда) (1 мВ і тепер можна підсилювати саме цей “корисний” сигнал.



Висновок: схема робоча, даний дослід дає можливість на практиці впевнитись що конденсатор не проводить постійний струм, а також що опір конденсатора залежить від частоти струму.



















Рис.2 – Схема вимірювання струму, який проходить через світлодіод



Рис.3 – Схема вимірювання падіння напрауги на світлодіоді



Рис.4 – Вплив на провідник магніту, що переміщується. Отримання електричного струму



а б



Рис. 6 Схема зарядки і розрядки конденсатора (а) неробоча (б) робоча (в) графік зміни напруги та струму



в б



Рис. 7.1 – Схема для

повільного вимкнення світла не робоча з помилкою



Рис. 7.2 – Схема для повільного вимкнення світла робоча



Рис.8. Паралельне ввімкнення конденсаторів (а), графік змини напруги на них при розряджені через гальванометр та резистор (б)



Рис. 9.1 Рис. 9.2



Рис. 9.3



Рис. 9.4