МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Скачать материал

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАЙКАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ »

В Г. УСТЬ-ИЛИМСКЕ

(Филиал ФГБОУ ВО «БГУ» в г. Усть-Илимске)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Усть-Илимск

2016

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Электротехника и электроника». Учебно - методическое пособие разработано на основе рабочей программы, составленной в соответствии с ФГОС по специальностям среднего профессионального образования: 23.02.04 Техническая эксплуатация подъемно-транспортных, строительных, дорожных машин и оборудования; 35.02.02 Технология лесозаготовок; 35.02.03 Технология деревообработки. 20.02.01 Рациональное использование природохозяйственных комплексов: Изд-во БГУ, - г. Усть-Илимск -2016 г.- 51 с

Составитель : Е. Г. Горянова. преподаватель Цикловой комиссии Механизации, технологии и информатизации

Печатается по решению учебно-методического совета филиала федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Байкальский государственный университет » в г. Усть-Илимске

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Знакомство с лабораторией. Техника безопасности .Работа с измерительными приборами. Составление схем по описанию. Сборка схем…………………………………………………………..6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Исследование режимов работы источника ЭДС в электрической цепи постоянного тока………………………………….9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Исследование электрической цепи при последовательном соединении резисторов ……………………………..12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Исследование электрической цепи при параллельном соединении резисторов……………………………………….15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 Построение петли магнитного гистерезиса………………………………………………………………………18

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 Измерение параметров индуктивно связанных катушек………………………………………………………………24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 Исследование электрической цепи переменного тока при последовательном соединении активного и реактивных элементов…………………………………………………………..29

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8: Исследование работы полупроводникового диода…………………………………………………….33

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 Исследование работы светодиода………37

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 Снятие характеристик транзистора……..40

Список рекомендуемой литературы……………………………………………48

Приложение………………………………………………………………………50

Введение

При изучении учебной дисциплины «Электротехника и электроника» немаловажное значение имеет лабораторный практикум, так как выполнение лабораторных работ способствует глубокому усвоению основных теоретических положений дисциплины, показывает их практическую значимость. Настоящие методические указания предназначены для проведения лабораторных занятий по программе дисциплины «Электротехника и электроника», утвержденной для специальностей: 23.02.04 Техническая эксплуатация подъемно-транспортных, строительных, дорожных машин и оборудования (по отраслям) базовой подготовки, 35.02.02 Технология лесозаготовок;35.02.03 Технология деревообработки, и включает описания 10 лабораторных работ.

Лабораторные занятия имеют большое значение в подготовке специалистов, так как в первую очередь направлены на формирование основных профессиональных компетенций, знаний и умений согласно требованиям ФГОС СПО. В процессе выполнения лабораторных работ создаются определенные условия для получения студентами практических навыков сборки электрических схем и пользовании разнообразными измерительными приборами и электрооборудованием, применяемым на практике. Cтуденты производят измерения и расчёты, анализируют результаты экспериментов, учатся делать правильные выводы.

Для успешного выполнения опытов, предусмотренных лабораторной работой, необходима обязательная предварительная подготовка студента. Только изучив теоретический материал, осмыслив его сущность и основное содержание работы, и также заранее познакомившись с принципом действия и правилами эксплуатации используемых в лабораторной работе приборов, можно приступить к ее выполнению.

В результате освоения учебной дисциплиной обучающийся должен

уметь:

- подбирать электрические приборы с определенными параметрами и характеристиками;

- рассчитывать параметры электрических и магнитных цепей;

- снимать показания электроизмерительных приборов и пользоваться ими;

- собирать электрические схемы;

- читать электрические принципиальные схемы.

В результате освоения учебной дисциплиной обучающийся должен

знать:

- методы расчета и измерения основных параметров электрических и магнитных цепей;

- основные законы электротехники;

- параметры электрических схем и единицы их измерения;

- принципы выбора электрических и электронных устройств и приборов;

- принципы действия, устройство, основные характеристики электротехнических и электронных устройств и приборов;

- характеристики и параметры электрических и магнитных цепей.

Лабораторные работы проводятся после изучения соответствующего материала, являются его логическим продолжением, либо нацелены на углубленное изучение данной темы. Лабораторные работы выполняются бригадами по 2 – 3 человека.

Перед началом каждой работы необходимо ознакомиться с ее содержанием. При выполнении работы студенты записывают исходные данные, результаты испытаний и производят соответствующие расчеты. После выполнения работы студент должен представить отчет о проделанной работе.

Отчет о проделанной работе следует делать на листах формата А4. Содержание отчета указано в описании лабораторной работы. Таблицы и рисунки следует выполнять чертежным инструментом, карандашом с соблюдением ЕСКД.

Защита лабораторных работ проводится на плановых занятиях. Во время защиты студент сдает отчет, содержащий все пункты задания, и отвечает на контрольные вопросы, приведенные в методических указаниях к данной работе.

При оценивании лабораторных работ используется двухбалльная система зачтено/не зачтено. Оценка « зачтено» ставится, если:

-работа выполнена в срок, правильно и в полном объеме;

-отчет выполнен в соответствии с требованиями к выполнению работы.

-сделан анализ проделанной работы и вывод по результатам работы;

-студент может пояснить выполнение любого этапа работы.

Оценка « не зачтено» ставится, если не выполнены условия предыдущего пункта.

При работе в лаборатории должны выполняться требования техники безопасности. Каждый студент в начале учебного года получает инструктаж по технике безопасности и расписывается в специальном журнале.

Лабораторная работа №1

Тема: Знакомство с лабораторией. Техника безопасности. Работа с измерительными приборами. Составление схем по описанию. Сборка схем.

Цель: Ознакомиться с техникой безопасности, устройством стенда, аппаратурой и электроизмерительными приборами, с условными обозначениями их на схемах, с правилами отсчета показаний и получить общие представления о сборке электрических цепей.

Правила внутреннего распорядка и технической безопасности

при выполнении лабораторных работ

При работе в лаборатории электротехники во избежание несчастных случаев, а также преждевременного выхода из строя приборов и электрооборудования студент при выполнении лабораторных работ должен строго выполнять следующие правила внутреннего распорядка и техники безопасности:

1. Приступая в лаборатории к работе, студент должен ознакомиться с правилами внутреннего распорядка и техники безопасности.

2. Студенты обязаны не только строго выполнять эти правила, но и требовать неуклонного выполнения их от своих товарищей.

3. После ознакомления с правилами внутреннего распорядка и инструктажа по технике безопасности студент должен расписаться в соответствующем журнале.

4. При работе в лаборатории категорически запрещается приносить с собой вещи и предметы, загромождающие рабочее место, способствующие к созданию условий, могущих привести к нарушению правил техники безопасности.

5. В лаборатории запрещается громко разговаривать, покидать рабочие места и переходить от одного рабочего места к другому.

6. Приступая к работе в лаборатории, студенческая подгруппа делится на бригады, которые затем распределяются по лабораторным стендам.

7. Сборку электрической цепи производят соединительными проводами при выключенном напряжении питания в строгом соответствии со схемой, представленной в лабораторной работе, обеспечивая при этом надежность электрических контактов всех разъемных соединений.

8. Приступая к сборке электрической цепи, необходимо убедиться в том, что к стенду не подано напряжение.

9. При сборке электрической цепи необходимо следить за тем, чтобы соединительные провода не перегибались и не скручивались петлями. Приборы и электрооборудование расставляются так, чтобы ими удобно было пользоваться.

10. Собранная электрическая цепь предъявляется для проверки преподавателю.

11. Включение электрической цепи под напряжение (после проверки) только с разрешения и в присутствии преподавателя.

12. Переключения и исправление в собранной электрической цепи разрешается проводить только при отключённом напряжении питания.

13. Запрещается прикасаться пальцами, карандашами и другими предметами к оголенным токоведущим частям электрической цепи, находящимся под напряжением.

14.При работе с конденсаторами следует помнить, что на их зажимах, отключенных от сети, некоторое время сохраняется электрический заряд, могущий быть причиной поражения электрическим током.

15. При обнаружении повреждений электрического оборудования и приборов стенда, а также при появлении дыма, специфического запаха или искрения необходимо немедленно выключить напряжение питания стенда и известить об этом преподавателя.

16. После выполнения лабораторной работы необходимо выключить питание установки, разобрать исследуемую цепь и привести в порядок рабочее место.

17. В случае поражения человека электрическим током необходимо немедленно обесточить стенд, выключив напряжение питания. При потере сознания и остановке дыхания необходимо немедленно освободить пострадавшего от стесняющей его одежды и делать искусственное дыхание до прибытия врачей.

Общие методические рекомендации и указания

по выполнению лабораторных работ

Подготовка к лабораторным работам

Лабораторные занятия в группах проводятся в соответствии с расписанием учебных занятий в течение семестра. Поэтому для выполнения лабораторных работ студент должен руководствоваться следующими положениями:

1) предварительно ознакомиться с графиком выполнения лабораторных работ;

2) внимательно ознакомиться с описанием соответствующей лабораторной работы и установить, в чем состоит основная цель и задача этой работы;

3) по лекционному курсу и соответствующим источникам изучить теоретическую часть, относящуюся к данной лабораторной работе;

4) ответить устно на контрольные вопросы.

5) до проведения лабораторной работы необходимо оформить лист отчета, образец которого приведен в приложении

Выполнение лабораторных работ

Успешное выполнение лабораторных работ может быть достигнуто в том случае, если экспериментатор отчетливо представляет себе цепь эксперимента и ожидаемые результаты, важным условием обстоятельности проводимых исследований является тщательная подготовка к лабораторной работе. При этом необходимо соблюдение следующих требований:

1. Перед сборкой электрической цепи студенты должны предварительно ознакомиться с электрическим оборудованием и его номинальными данными, а также измерительными приборами, предназначенными для проведения соответствующей лабораторной работы.

2. Сборку электрической цепи необходимо производить в точном соответствии с заданием. Целесообразно вначале соединить все элементы цепи, включаемые последовательно, а затем параллельно.

3. После окончания сборки электрическая цепь должна быть предъявлена для проверки. Включать цепь под напряжение можно только с разрешения преподавателя.

4. Запись показаний всех приборов в процессе выполнения лабораторной работы следует производить по возможности одновременно и быстро.

5. Результаты измерений заносятся студентами в бланк отчета.

6. После выполнения отдельного этапа лабораторной работы результаты опыта вместе с простейшими контрольными расчетами предъявляются для проверки преподавателю до разборки электрической цепи.

7. Разбирать электрическую цепь, а также переходить к сборке новой можно только по разрешению преподавателя.

8. После окончания работы в лаборатории рабочее место должно быть приведено в порядок.

9. В течение всего времени занятий в лаборатории студенты обязаны находиться на своих рабочих местах. Выходить из помещения лаборатории во время занятий можно только с разрешения преподавателя.

Оформление отчёта по лабораторным работам. Зачет

Отчет является документом о проделанном эксперименте, поэтому он должен иметь все необходимые сведения для проверки результатов опыта и расчета. Составление отчета является индивидуальной работой каждого члена бригады, Отчет должен содержать:

1) название и номер лабораторной работы, название учебного заведения, дату выполнения работы; 2) цель работы;3) тип и номинальные данные испытуемых аппаратов, а также типы, пределы измерений, класс точности и системы измерительных приборов, используемых при выполнении лабораторной работы; 3) электрическую схему опытов, выполненную в соответствии с ГОСТ на условно графические обозначения в схемах;

4) таблицы измерений и вычислений;

5) расчетные формулы и расчеты;

6) графическую часть в прямоугольной системе координат в масштабе, с равномерными шкалами; произвольный перенос начала координат не допускается; на графиках необходимо наносить экспериментальные точки;

7) вывод; он касается выполнения поставленной задачи, подтверждения опытным путем тех законов, правил и формул, которые изучались на теоретических занятиях.

После каждой лабораторной работы проводится зачет. Студент должен знать теорию по данной теме, уметь собрать цепь и рассказать ход лабораторной работы, пояснить, как проводился расчет, уметь проанализировать полученные результаты и объяснить причины расхождения расчетных и опытных данных. Такая защита лабораторной работы проводится систематически, как правило, на следующем лабораторном занятии.

Лабораторная работа №2

Тема: Исследование источника ЭДС в режимах «источника» и «приемника» электрической энергии

Цель: Изучить режимы работы источника электрической энергии, определить его внутреннее сопротивление, проанализировать соотношение между ЭДС и напряжение на его зажимах

Основные теоретические положения

Источники электрической энергии могут работать в режиме генератора или потребителя.

При работе в режиме генератора сила тока определяется согласно закону Ома для полной цепи по формуле

I = E / ( R + r )

Отсюда следует, что

E = IR + Ir = U + Uo,

т. е. ЭДС равна сумме падений напряжения на потребителе и в источнике

Uo = E – U

и внутреннее сопротивление источника

r = Uc / U

Таким образом, для определения r необходимо измерить ЭДС в режиме холостого хода, напряжение и силу тока в каком-либо рабочем режиме.

Напряжение на зажимах источника меньше ЭДС на величину падения напряжения и, чем больше сила тока, тем больше эта разность:

U = E – Ir= E – Uo.

Если источник электрической энергии работает в режиме потребителя, то ток направлен против ЭДС, тогда напряжение на зажимах будет больше ЭДС на эту же величину:

U = E + Ir = E + Uo.

Мощность, развиваемая в источнике, определяется тепловой мощностью I ²r и мощностью EI, связанной с преодолением сторонних сил источника ЭДС. Таким образом,

Pu = EI + I²r.

Следовательно, в общем случае напряжение на зажимах источника ЭДС равно разности потенциалов между его зажимами «+» и «-»:

U = E ± Ir,

где знак «+» соответствует режиму потребителя, а знак «-» - режиму генератора.

Суммарная электрическая мощность, действующая в цепи в режиме генератора (источника эл. энергии) определяется по формуле:

Рц = P_R + P = I²R + I²r ;

в режиме потребителя равна

Рц = P₁ + P_R + Po = EI + I²R + I²r

Методические указания по выполнению работы

1. Ознакомиться с приборами, предназначенными для выполнения лабораторной работы, записать их технические характеристики в таблицу 2.1

Таблица 2.1 - Приборы и оборудование

Наименование	Тип	Кол	Техническая характеристика
Лабораторный стенд
Источник эл.энергии
Амперметр
Вольтметр
Резистор

2. Собрать электрическую цепь, принципиальная схема которой представлена на рис. 2.1. Подключить на магазине сопротивлений резистор R = 30 Ом. Установить подвижный контакт потенциометра (реостата) Rп в среднее положение. Показать собранную цепь преподавателю для проверки.

Лр 2 Рис 1.GIF

Рисунок 2.1 - Электрическая схема опыта

Опыт №1

3. Установить переключатели S₁ и S₂ в нейтральное (отключенное) положение и измерить непосредственно на зажимах исследуемого источника его ЭДС E. Результаты измерения записать в табл. 2.2

4. Включить цепь (включить выключатель Sпит постоянного тока). Проверить работу приборов (если требуется изменить полярность).

5. Реостатом установить заданное напряжение 30 В и удерживать его постоянным в течение всей работы.

6. Включить переключатели S1 и S2 в положение «1», проверить установленное напряжение, записать показания амперметра и вольтметра в табл. 2.2.

7. Вольтметром PV2измерить напряжение U₁ на клеммах исследуемого источника и U_R на клеммах сопротивления R. Результаты показаний записать в табл. 2.2.

Опыт №2

8. Переключатели S1 и S2 включить в положение «2», проверить установленное напряжение (в случае отклонения – восстановить). Записать показания PA1 и PV1 в табл. 2.2 (опыт №2).

9. Вольтметром PV2 измерить напряжение U₁ на зажимах исследуемого источника и U_R на клеммах сопротивления R. Показания записать в табл. 2.2 (опыт №2).

Таблица 2.2 – Результаты измерений и вычислений

опыта	Измерить					Вычислить					Режим работы источника ЭДС
	U	E	U₁	U₂	I	P₁	P_R	Р_Ц	R	r
	В	В	В	В	А	Вт	Вт	Вт	Ом	Ом
1
2

10. По результатам измерений вычислить все входящие в таблицу 2.2 величины.

11. По лабораторной работе сделать заключение относительно:

а) возможных режимов работы источников электрической энергии;

б) возможности определения внутреннего сопротивления источника и падения напряжения на нем;

в) экспериментального подтверждения теоретических выкладок о соотношении между ЭДС и напряжением на зажимах источника электрической энергии.

Вывод записать в отчет.

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы?

2. Какие источники электрической энергии вы знаете? Какие виды энергии они используют?

3. Какие режимы работы источников вам известны?

4. В каком случае источник электрической энергии работает в режиме генератора, а в каком – в режиме потребителя?

5. Как измерить ЭДС источника и напряжение на его зажимах.

6. Запишите формулу закона Ома для простейшей цепи и проанализируйте ее.

7. Какие опыты и расчеты нужно проделать, чтобы определить падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника?

8. Как вычислить напряжение на клеммах источника, работающего в режиме генератора, в режиме потребителя?

9. Когда на клеммах источника можно измерить его ЭДС и когда напряжение?

10. Какие опыты и расчеты нужно проделать, чтобы определить падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника?

11. Как определить внутреннее сопротивление источника?

12. При каком соотношении между сопротивлениями R и r мощность приемника получается наибольшей?

13. Почему уменьшается напряжение на клеммах источника электрической энергии при увеличении нагрузки (тока в цепи)?

Лабораторная работа №3

Тема: Исследование электрической цепи при последовательном соединении резисторов

Цель: 1.Проверить на опыте особенности последовательного соединения резисторов 2.Проверить опытным путем второй закон Кирхгофа.

Основные теоретические положения

Последовательное соединение резисторов – это такое соединение, когда к концу одного резистора присоединяется начало другого, 1к концу второго – начало третьего и т. д. И при этом образуется неразветвленная цепь или участок цепи.

Для последовательного соединения резисторов характерно то, что во всех этих резисторах возникает ток, а падение напряжения на них пропорциональны сопротивлениям:

U₁ = I R₁, U₂ = I R₂, U = I R₃.

Каждое сопротивление может быть найдено по формулам:

R₁ = U₁/ I, R₂ = U₂/ I, R₃ = U₃/ I.

Падение напряжения на всем участке цепи равно сумме падений напряжений на каждом резисторе

U = U₁ + U₂ + U₃.

Эквивалентное сопротивление участка цепи равно сумме сопротивлений каждого резистора:

R_экв. = R₁ + R₂ + R₃.

В участке цепи установится ток такой же силы, что и при последовательном соединении резисторов:

I = U/R_экв.

Следовательно:

R_экв = U/I

Мощность резисторов можно определить по формулам:

P₁ = U₁ I = I²R₁ = U₁²/ R₁;

P₂ = U₂ I = I²R₂ = U₂²/ R₂;

P₃ = U₃ I = I²R₃ = U₃²/ R₃.

Мощность всего участка с последовательным соединением резисторов

P = U I = I² R_экв = U² / R_экв

Электрическая энергия, вырабатываемая источником, в потребителях переходит в другие виды энергии: тепловую, световую, механическую и т. д., поэтому будет справедливо уравнение, называемое балансом мощностей:

P = Р₁ + Р₂ + Р₃,

где P = E I – мощность источника энергии;

P₁, P₂, P₃ – мощности потребителей.

Методические указания по выполнению работы

1. Ознакомиться с приборами, предназначенными для выполнения лабораторной работы, записать их технические характеристики в табл. 3.1.

Таблица 3.1 - Приборы и оборудование

Наименование	Тип	Кол	Техническая характеристика
Лабораторный стенд
Амперметр
Вольтметр
Резистор

2. Собрать электрическую цепь, принципиальная схема которой представлена на рис. 3.1. Подключить на магазине сопротивлений R₁ = 50 Ом, R₂ = 100 Ом, R₃ = 100 Ом.

Показать собранную цепь преподавателю для проверки.

Рисунок 3.1 - Электрическая схема опыта

3. Включить цепь. Включить выключатель Sпит постоянного тока, установить при помощи потенциометра Rп заданное напряжение U = 15 В по вольтметру PV1. Результат записать в табл. 3.2.

4. Вольтметром PV2 измерить падения напряжения на клеммах резисторов R₁, R₂, R₃. Результаты показаний вольтметра PV2 и амперметра PA1 записать в табл. 3.2

Таблица 3.2 - Результаты измерений и вычислений

№опыта	Измерить					Вычислить
	I	U₁	U₂	U₃	U₄	R₁	R₂	R₃	R₄	R_экв	P₁	P₂	P₃	P₄	P
	А	В	В	В	В	Ом	Ом	Ом	Ом	Ом	Вт	Вт	Вт	Вт	Вт
1
2
3

5. Разомкнуть выключатель Sпит, закоротить резистор R₁и, не изменяя заданное напряжение (показание вольтметра PV1), включить выключатель Sпит и повторить измерения пункта 4.

6. Разомкнуть выключатель Sпит, заменить резистор R₂резистором R₄= 200 Ом. (Резистор R₁ вновь подключить в цепь). Не изменяя заданное напряжение, включить выключатель Sпит и повторить измерения п.4.

7. По результатам измерений рассчитать сопротивление и мощность каждого резистора, эквивалентное сопротивление, а также мощность всей цепи. Результаты расчетов записать в табл. 3.2. Проверить баланс мощностей.

8. По лабораторной работе сделать заключение относительно:

а) распределения напряжения на резисторах при последовательном соединении;

б) подтверждения второго закона Кирхгофа;

в) причин неполного совпадения результатов измерений и вычислений.

Выводы записать в отчет.

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы?

2. В чем сходство и различие закона Ома для участка цепи и всей цепи?

3. Сформулируйте второй закон Кирхгофа, запишите его математическое выражение.

4. Какое соединение резисторов называется последовательным?

5. Какие существуют электроизмерительные приборы для измерения тока и как они включаются в цепь?

6. Какие существуют электроизмерительные приборы для измерения напряжения и как они включаются в цепь?

7. Как распределяются токи, напряжения при последовательном соединении резисторов?

8. Чему равно эквивалентное сопротивление цепи при последовательном соединении резисторов?

9. На каком из двух последовательно соединенных резисторах будет больше падение напряжения?

10. По каким формулам можно найти мощность, потребляемую резистором?

11. Что такое баланс мощностей в электрической цепи?

12. Изменится ли режим эквивалентной цепи, если при последовательном соединении поменять местами отдельные участки схемы?

Лабораторная работа №4

Тема: Исследование электрической цепи при параллельном соединении резисторов

Цель: 1. Проверить на опыте особенности параллельного соединения резисторов;2. Проверить опытным путем первый закон Кирхгофа

Основные теоретические положения

Параллельное соединение резисторов – это такое соединение, когда начала всех резисторов соединены в одну точку, а концы - в другую.

Для параллельного соединения характерно одинаковое падение напряжения на каждом резисторе и на всем участке:

U₁= U₂ = U₃ = U

Сила токов в параллельных ветвях обратно пропорциональна сопротивлениям:

I₁ = U/R₁; I₂ = U/R₂; I₃ = U/R₃

Каждое сопротивление может быть найдено по формулам:

R₁ = U/I₁; R₂ = U/I₂; R₃ = U/I_3.

Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов всех ветвей:

I = I₁+ I₂ + I₃.

Эквивалентное сопротивление двух ветвей определяется по формуле:

R_эк_в = R₁ · R₂ / (R₁ + R₂)

трех ветвей:

R_экв = R₁ · R₂ ·R₃ / (R₁R₂ + R₂R₃ + R₁R₃).

Эквивалентная проводимость при параллельном соединении определяется как сумма проводимостей всех ветвей:

G_экв = G₁ + G₂ + G₃,

где G₁ = 1/ R₁, G₂ = 1/R₂, G₃ = 1/R₃ - проводимости ветвей.

Силы токов в ветвях находят по формулам:

I₁ = UG₁, I₂ = UG₂, I₃ = UG₃,

для неразветвленной части

I = UG_экв

Мощность поглощаемая резисторами при параллельном соединении, можно рассчитать по формулам, аналогичным для последовательного соединения:

P₁ = UI₁ = I₁²R₁ = U²/R₁ = U²G₁;

P₂ = UI₂ = I₂²R₂ = U²/R₂ = U²G₂ и т. д.

Электрическая энергия выработанная источником, в потребителях переходит в другие виды энергии, поэтому будет справедливо уравнение называемое балансом мощностей:

P = P₁ + P₂ + P_3;

где P = I ∙ E – мощность источника энергии;

P₁, P₂, P₃ – мощности потребителей.

Методические указания по выполнению работы

1.Ознакомиться с приборами, предназначенными для выполнения лабораторной работы, записать их технические характеристики в табл. 4.1.

Таблица 4.1 – Приборы и оборудование

Наименование	Тип	Кол	Техническая характеристика
Лабораторный стенд
Амперметр
Вольтметр
Резистор

2.Собрать электрическую цепь, принципиальная схема которой представлена на рис. 4.1. Подключить на магазине сопротивлений R₁ = 50 Ом, R₂ = 100 Ом, R₃ = 100 Ом. Показать собранную цепь преподавателю для проверки.

Лр 4 Рис 1.GIF

Рисунок 4.1 - Электрическая схема опыта

3. Включить цепь. Замкнуть выключатель Sпит постоянного тока, установить при помощи потенциометра Rп заданное напряжение U = 10 В по вольтметру PV1. Результат записать в табл. 4.2.

4. Показания амперметров PA, PA1, PA2, PA3 записать в табл. 4.2

Таблица 4.2 - Результаты измерений и вычислений

№ опыта

Измерить

Вычислить

I₁

I₂

I₃

R₁

R₂

R₃

R_экв

G₁

G₂

G₃

G_экв

P₁

P₂

P₃

Ом

См

Вт

5. Меняя напряжение в цепи через каждые 5В, снять 2 точки вольтамперной характеристики. Результаты измерений записать в табл. 4.2 (опыты №2, №3)

6. Для цепи с параллельным соединением рассчитать сопротивление, проводимость и мощность каждого резистора и всей цепи, результаты расчетов записать в табл. 4.2. Проверить баланс мощностей.

7. По результатам измерений построить вольтамперную характеристику I = f (U)

8. По лабораторной работе сделать заключение относительно:

а) распределения тока в ветвях при параллельном соединении резисторов;

б) подтверждения первого закона Кирхгофа;

в) неполного совпадения расчетных и опытных результатов.

Вывод записать в отчет.

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы?

2. В чем сходство и различие закона Ома для участка цепи и всей цепи?

3. Сформулируйте первый закон Кирхгофа.

4. Какое соединение резисторов называется параллельным?

5. Какие существуют электроизмерительные приборы для измерения тока и напряжения, и как они включаются в цепь?

6. Запишите формулы расчета эквивалентного сопротивления при параллельном соединении резисторов.

7. Перечислите все особенности параллельного соединения резисторов в сравнении с последовательным соединением.

8. В какой из двух параллельных ветвей будет больше ток?

9. Как рассчитать проводимость ветвей и эквивалентную проводимость при параллельном соединении резисторов?

10. По каким формулам можно найти мощность, потребляемую резистором?

11. Что такое баланс мощностей в электрической цепи?

Лабораторная работа №5

Тема: Построение петли магнитного гистерезиса

Цель: Научиться опытным путем получать основную кривую намагничивания и петлю магнитного гистерезиса, исследовать магнитные свойства сердечника, изготовленного из электротехнической стали, выявить степень насыщения сердечника, определить остаточную индукцию и коэрцитивную силу

Основные теоретические положения

Свойства ферромагнитных веществ удобно выражать графически в виде основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса. Существует несколько способов получения этих графиков.

В лабораторной работе милливеберметр вместе с испытуемым образом и элементами коммутации применяется для определения кривой намагничивания и гистерезисного цикла на постоянном токе.

Исследуемый образец представляет собой тороидальный сердечник сечением 1 см². Средняя длина магнитной силовой линии равна 16 см. Намагничивающая обмотка w₁содержит 500 витков, выполненных проводом марки ПЭВ диаметром 0,35 мм. Измерительная обмотка w₂ содержит 70 витков того же провода.

Шунтированием резисторов соответствующими тумблерами можно скачкообразно изменять ток в намагничивающей обмотке w1 и получить различные степени насыщения сердечника и различные петли магнитного гистерезиса.

Принцип действия милливеберметра основан на том, что длительность импульса тока в измерительной обмотке w2 определенном уроне пропорциональна величине магнитного потока.

Методические указания по выполнению работы

1. Ознакомиться с приборами, предназначенными для выполнения лабораторной работы, записать их технические характеристики в табл. 7.1

.2. Собрать электрическую цепь, принципиальная схема которой представлена на рис. 7.1. Для подключения испытуемого образца (блок №5) необходимо, соблюдая полярность, соединить измерительную обмотку с милливеберметром, а намагничивающую обмотку — со стабилизированным источником питания 10 В.

Таблица 7.1 - Приборы и оборудование

Наименование	Тип	Кол	Техническая характеристика
Лабораторный стенд
Милливеберметр
Мультиметр
Схема (магазин сопротивления, катушка со сталью), блок №5

Рис. 7.1 – Схема электрическая принципиальная

3. Снятие основной кривой намагничивания

Первая точка:

Тумблеры S1, S2, S3, S4, S5 отключены:

а) произвести магнитную подготовку образца перекидным ключом (перекидной ключ S6 3...5 раз перевести ключ из нижнего положения в верхнее и обратно), оставить его в нижнем положении;

б) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

в) переключить перекидной ключ из нижнего в верхнее положение

Рис. 7.2 Петля магнитного гистерезиса

Первая точка:

Тумблеры S1, S2, S3, S4, S5 отключены:

г) произвести магнитную подготовку образца перекидным ключом (перекидной ключ S6 3...5 раз перевести ключ из нижнего положения в верхнее и обратно), оставить его в нижнем положении;

д) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

е) переключить перекидной ключ из нижнего в верхнее положение

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2., умножив на постоянную 12∙10-2 мВб.

Вторая точка:

Тумблер S2 включен (положения S1, S3, S4, S5 – отключены):

б) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

в) переключить перекидной ключ из нижнего в верхнее положение

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Таблица 7.2 - Результаты измерений и вычислений

№ опыта

Участок ОА

Участок АБ

Участок БС

мВб

Тл

А/м

мВб

Тл

А/м

мВб

Тл

А/м

Третья точка:

Тумблеры S2, S3 включены, а S1, S4, S5 отключены:

б) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

в) переключить перекидной ключ из нижнего в верхнее положение

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Четвертая точка:

Тумблеры S2, S3, S4 включены, а S1, S5 отключены:

б) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

в) переключить перекидной ключ из нижнего в верхнее положение

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Пятая точка:

Тумблеры S2, S3, S4, S5 включены, а S1 отключен:

б) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

в) переключить перекидной ключ из нижнего в верхнее положение

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Для данного участка расчет магнитной индукции и напряженности магнитного поля производится по формулам:

где α – показание милливеберметра;

- постоянная ммилливеберметра

S = 1 см

4. Участок АБ (участок размагничивания) рис. 7.2.

Первая точка:

Тумблеры S1, S2, S3, S4, включены, а S5 отключен:

б) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

в) отключить тумблер S1.

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Вторая точка:

Тумблеры S1, S2, S3, включены, а S4,S5 отключены:

б) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

в) отключить тумблер S1.

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Третья точка:

Тумблеры S1, S2 включены, а S3, S4, S5 отключен:

б) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

в) отключить тумблер S1.

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Четвертая точка:

Тумблеры S1 включен, а S2, S3, S4, S5 отключены:

б) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

в) отключить тумблер S1.

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Пятая точка:

Тумблеры S1, S2, S3, S4, S5 отключены:

а) перекидной ключ установлен в нейтральное положение(ток в цепи равен нулю);

б) записать в табл. 7.2 показание миллиамперметра I = 0;

в) произвести магнитную подготовку образца перекидным ключом (перекидной ключ S6 3...5 раз перевести ключ из нижнего положения в верхнее и обратно), оставить его в нижнем положении;

г) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

д) установить перекидной ключ на нейтральное положение

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Для данного участка расчет магнитной индукции и напряженности магнитного поля производится по формулам:

5. Участок БС

Первая точка:

Тумблеры S1, S2, S3, S4, S5 отключены:

а) включить тумблер S1;

б) произвести магнитную подготовку образца перекидным ключом (перекидной ключ S6 3...5 раз перевести ключ из нижнего положения в верхнее и обратно), оставить его в нижнем положении;

в) сбросить показания милливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»;

г) отключить тумблер S1. Сбросить показания милливеберметра. Переключить перекидной ключ из нижнего положения в верхнее.

Записать показания миллиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2. Напряженность магнитного поля при этом считать отрицательной.

Вторая точка:

Тумблеры S1, S2 включены, S3, S4, S5 отключены:

б) сбросить показания миливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»

в) отключить тумблер S1, переключить перекидной ключ из нижнего положения в верхнее.

Записать показания милиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Третья точка:

Тумблеры S1, S2, S3 включены, S4, S5 отключены:

б) сбросить показания миливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»

в) отключить тумблер S1, переключить перекидной ключ из нижнего положения в верхнее.

Записать показания милиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Пятая точка:

Тумблеры S1, S2, S3, S4, S5 включены:

б) сбросить показания миливеберметра на нуль кнопкой «Сброс»

в) отключить тумблер S1, переключить перекидной ключ из нижнего положения в верхнее.

Записать показания милиамперметра и милливеберметра в табл. 7.2.

Расчет магнитной индукции и напряженности магнитного поля для данного участка производится по формулам:

6. Участок CD

Для построения участка CD используются данные AB.

7. Участок DA

Для построения участка DA используются данные участка BC

8. По результатам измерений и вычислений построить петлю магнитного гистерезиса в масштабе.

9. По лабораторной работе сделать заключение относительно: а) возможности получения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса; б) возможности получения величин Br и Hc; в) принадлежности материала исследуемого источника к магнитомягким или магнитотвердым веществам.

Вывод записать в отчет

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы?

2. Что такое намагниченность?

3. Как образуется магнитный момент и каковы его свойства?

4. Каковы особенности магнитной проницаемости ферромагнетков?

5. Изобразите график функции

6. Что такое магнитное насыщение?

7. Объясните явление магнитного насыщения?

8. Что такое гистерезис?

9. Объясните физическую сущность явления магнитного гистерезиса.

10. Что такое кривая первоначального намагничивания?

11. Какая кривая называется основной кривой намагничивания?

12. Изобразите основную кривую намагничивания и петлю магнитного гистерезиса.

13. Что такое Br и Hc?

14. Почему при циклическом перемагничивании ферромагнитные материалы нагреваются?

15. Каковы особенности магнитотвердых и магнитомягких ферромагнетиков?

16. В чем состоит различие магнитных свойств магнитных свойств магнитотвердых и магнитомягких материалов?

17. Назовите области применения магнито-мягких и магнито-твердых материалов.

Лабораторная работа №6

Тема: Измерение параметров индуктивно связанных катушек

Цель: 1. Измерить индуктивность и взаимную индуктивность катушек

2. Выяснить, как зависит взаимоиндуктивность катушек от наличия стального сердечника и от взаимного расположения катушек

Основные теоретические положения

1. К параметрам индуктивно связанных катушек относятся такие постоянные величины, как активное сопротивление, индуктивность, взаимная индуктивность. Активное сопротивление зависит от длинны, сечения и материала провода, а индуктивность – от конструкции катушки: числа витков, сечения катушки, ее длинны и магнитной проницаемости среды (сердечника)

Взаимная индуктивность двух катушек зависит от индуктивности каждой из них и от взаимного расположения.

2. Индуктивность может быть вычислена по результатам измерения силы тока, напряжения и активной мощности (рис 8.1).

Рисунок 8.1 – Схема для измерения индуктивности катушки

Для вычисления можно воспользоваться следующими формулами:

полное сопротивление

активное сопротивление

индуктивное сопротивление

индуктивность катушки

3. Для измерения взаимной индуктивности можно использовать метод согласного и встречного включения двух катушек.

Характерной особенностью согласного включения является сложение магнитных потоков двух катушек и увеличение эквивалентной индуктивности за счет сложения индуктивностей двух катушек с взаимной индуктивностью:

На схемах согласное включение условно обозначается соединением конца первой катушки с началом второй (рис 8.2). Начала катушек отличают точкой, а дугообразной стрелкой магнитную связь катушек.

Рисунок 8.2 – Схема для измерения взаимной индуктивности методом

согласного и встречного включения катушек

Характерной особенностью встречного включения является вычитание величин магнитных потоков двух катушек и уменьшение эквивалентной индуктивности за счет вычитания величины взаимной:

Для опытного определения взаимной индуктивности измеряют силу тока в цепи (см. рис. 8.2), напряжение и активную мощность при согласном включении и рассчитывают Lс по формулам, указанным в п. 2. Затем повторяют измерения и расчет для встречного включения.

Взаимную индуктивность определяют по формуле:

По внешнему виду не всегда можно установить, каково соединение катушек: согласное или встречное, т.к. не всегда видно направление намотки катушек. Для того что бы выяснить, в каком их двух рассмотренных опытов получается встречное и в каком согласное включение, следует иметь в виду, что при согласном включении индуктивное и полное сопротивления всей цепи больше, чем при встречном (Zc>Zв), следовательно, при одном и том же напряжении сила тока меньше, чем при встречном (Ic<Iв).

4. Взаимную индуктивность можно определить методом амперметра и вольтметра. Подключив одну из катушек к источнику переменного тока, измеряют силу тока в первой катушке и наведенную ЭДС взаимной индукции во второй. Взаимную индуктивность можно рассчитать по формуле

где – частота источника f = 50 Гц.

Методические указания по выполнению работы

1. Ознакомиться с приборами, предназначенными для выполнения лабораторной работы, записать их технические характеристики в табл. 8.1

Таблица 8.1 – Приборы и оборудование

Наименование	Тип	Кол	Техническая характеристика
Лабораторный стенд
Амперметр
Вольтметр
Катушка индуктивности

Опыт № 1

2. Собрать электрическую цепь для измерения взаимной индуктивности катушек по методу амперметра и вольтметра, принципиальная схема на рис 8.3. Показать собранную цепь преподавателю для проверки.

Рисунок 8.3 – Электрическая схема опыта № 1

3. Включить цепь (включить выключатель S_ПИТпеременного тока). Измерить силу тока в первой катушке и ЭДС во второй катушке при замкнутом и разомкнутом сердечнике. Результаты записать в табл. 8.2.

Таблица 8.2 – Результаты измерений и вычислений

№ п/п	Измерить		Вычислить		Примечание
	I₁	U₂	ω	M
	А	В	Рад/с	Гн
1					Сердечник замкнут
2					Сердечник разомкнут

4. По результатам измерений рассчитать взаимную индуктивность катушек по методу амперметра и вольтметра.

Результаты расчетов записать в табл. 8.2.

Опыт № 2

5. Собрать электрическую цепь для измерения взаимной индуктивности катушек по методу согласного и встречного включения, принципиальная схема, которой представлена на рис. 8.4. Показать собранную цепь преподавателю для проверки.

Рисунок 8.4 – Электрическая схема опыта

6. Включить цепь. Измерить напряжение, силу тока и активную мощность двух катушек пр согласном включении. Результаты записать в табл. 8.3

Таблица 8.3 – Результаты измерений и вычислений

Согласное включение

Встречное включение

Измерить

Вычислить

Измерить

Вычислить

X_L

L_C

X_L

L_B

Вт

Ом

Гн

Вт

Ом

Гн

7. Отключить выключатель S_ПИТ.Поменять зажимы включения второй катушки (подключить катушки встречно). Повторить измерения п. 6 . Результаты записать в табл. 8.3.

8. По результатам измерений п.6 и п.7 рассчитать взаимную индуктивность по методу согласного и встречного включения.

Результаты расчетов записать в табл. 8.3.

9. По лабораторной работе сделать заключение относительно: а) факторов, влияющих на индуктивность катушки; б) факторов, влияющих на взаимную индуктивность двух катушек; в) методов измерения взаимной индуктивности.

Вывод записать в отчет.

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы?

2. Что называется индуктивностью, в каких единицах она измеряется и от каких факторов она зависит?

3. Что такое согласное и встречное включение катушек?

4. В чем состоит разница между согласным и встречным включением катушек?

5. Как определить одноименные зажимы катушек?

6. В чем заключается явление самоиндукции?

7. В чем заключается явление взаимной индукции?

8. Что такое взаимная индуктивность, от каких факторов она зависит?

9. Как измерить индуктивность методом ваттметра?

10. Как измерить взаимную индуктивность методом согласного и встречного включения?

11. Как измерить взаимную индуктивность методом амперметра и вольтметра?

Лабораторная работа №7

Тема: Исследование электрической цепи переменного тока при последовательном соединении активного и реактивных элементов

Цель: Изучить неразветвленную цепь переменного тока, содержащую активное и реактивные сопротивления. Построить векторные диаграммы напряжений

Основные теоретические положения

Если неразветвленную цепь с активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью присоединить к генератору с синусоидальным напряжением, то в ней установится синусоидальный ток.

При токе в цепи

i = I_m sin t

напряжение в зажимах цепи в общем виде определяется законом

u = U_m sin (t )

В зависимости от соотношения величин реактивных сопротивлений индуктивности и емкости можно отметить три случая.

1. Для случая X_L> X_Cвекторная диаграмма представлена на рис. 9.1, а

в)

б)

а)

Рисунок 9.1 – Векторная диаграмма неразветвленной цепи с активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью: а) при X_L > X_C; б) при X_L< X_C; в) при

X_L= X_C .

При одинаковом токе во всех элементах цепи U_L> U_C. Ток отстает от общего напряжения по фазе на угол φ. Из треугольника напряжений следует

U = = I ;

;

где - R, - активное и реактивное сопротивления;

- полное сопротивление цепи.

Из треугольника напряжений и сопротивлений определяют следующие величины:

cos = = ;

sin = = .

Угол сдвига по фазе между напряжением и током в цепи положительный . Для цепи, в которой X_L> X_C, реактивное сопротивление положительно и носит индуктивный характер.

2. Для случая X_L< X_C векторная диаграмма изображена на рис. 9.1, б, где U_L< U_C, поэтому общее напряжение отстает от тока на угол .

Реактивное сопротивление цепи носит емкостной характер. Расчетные формулы для второго случая остаются без изменения, что и для первого случая.

3. Для случая X_L=X_Cреактивные составляющие напряжения катушки и конденсатора равны по величине и взаимно компенсированы: U_L=U_C(рис 9.1, в). Поэтому реактивная составляющая общего напряжения и общее реактивное сопротивление равны нулю и полное сопротивление цепи Z=R. Общее напряжение совпадает по фазе с током и равно по величине активной составляющей напряжения.

Угол сдвига фаз между током и общим напряжением равен нулю.

Ток в цепи и общее напряжения связаны формулой

U = IR или I = U/R.

В случае X_L=X_C в цепи имеет место явление резонанса напряжений.

Из треугольника напряжений легко получить треугольник мощностей, из которого следуют уже известные формулы:

P = UI cos = U_а I = I ² R = Uа ²/R ;

Q = UI sin = U_P I = I ²X = U_P ²/X ;

S = I ²Z = UI = .

Реактивные мощности входят в расчеты с разными знаками: индуктивная мощность положительна, а емкостная – отрицательна.

В соответствии с этим знак реактивной мощности всей цепи при ; при .

Активная мощность положительна при любом угле.

Полная мощность также всегда положительна.

Методические указания по выполнению работы

1. Ознакомиться с приборами, предназначенными для выполнения лабораторной работы, записать их технические характеристики в табл. 9.1.

Таблица 9.1 – Приборы и оборудование

Наименование	Тип	Кол	Техническая характеристика
Лабораторный стенд
Потенциометр
Амперметр
Вольтметр
Ваттметр
Катушка индуктивности
Магазин сопротивлений
Магазин емкостей

2. Собрать электрическую цепь, принципиальная схема которой представлена на с.9.2 Подключить на магазине сопротивлений резистор R=50 Ом.

Показать собранную схему преподавателю для проверки.

Рисунок 9.2 – Электрическая схема опыта

Рекомендуется вольтовую обмотку ваттметра присоединить параллельно вольтметру и измерение напряжения и мощности производить одновременно.

3. Включить выключатель переменного тока, установить с помощью потенциометр заданное напряжение U=15 В и удерживать его величину в течение опыта постоянной.

4. С помощью магазина емкостей установить С=30мкФ. Занести величину

установленного напряжения, тока и мощности, потребляемой всей цепью, в табл. 9.2 Убедиться (по напряжению на катушке и конденсаторе), что цепь в этом случае носит индуктивный характер, т. е.

U_L> U_C и сл. X_L> X_C_.

Путем присоединения концов параллельной обмотки ваттметра и вольтметра поочередно к резистору, катушке и конденсатору измерить активную мощность и падение напряжения на каждом участке цепи. Результаты измерений записать в табл. 9.2.

Таблица 9.2 – Результаты измерений и вычислений

№ опыта

Соотношение

Х_L и Х_С

Участок цепи

Измерить

Вычислить

U_а

U_p

Bт

Ом

ВА

вар

град

X_L>X_C

Реостат

Катушка

Конденсатор

Вся цепь

X_L=X_C

Реостат

Катушка

Конденсатор

Вся цепь

X_L<X_C

Реостат

Катушка

Конденсатор

Вся цепь

5. Меняя емкость магазина установить X_L = X_C(по наибольшему току в цепи) и произвести все измерения, указанные в п. 4.

6. Последующим изменением емкости магазина установить X_L< X_C (по напряжению на катушке и конденсаторе). Произвести все измерения, указанные в п.4. Результаты измерений записать в табл.9.2.

7. По данным п. 4, п. 5, п. 6 опыта определить для каждого участка и всей цепи величины, указанные в табл. 9.2.

8 .По результатам измерений и вычислений построить в масштабе векторные диаграммы цепи для следующих случаев:

1) X_L > X_C; 2) X_L= X_C; 3) X_L< X_C.

9. По лабораторной работе сделать заключение относительно характера изменения сопротивлений, силы тока, мощностей, угла φ, cos и sin при изменении величины емкости.

Вывод записать в отчет.

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы?

2. Что такое активное сопротивление электрической цепи?

3. Почему ток в цепи с индуктивностью отстает по фазе от напряжения на угол 90°?

4. Что такое индуктивное сопротивление? Как оно определяется?

5. Что такое реактивная энергия?

6. Какой энергетический процесс в цепи с индуктивностью характеризует реактивная мощность?

7. Что такое емкостное сопротивление? Как оно определяется?

8. Какова зависимость между действующими значениями напряжения и тока в цепи с емкостью?

9. В чем состоит отличие и сходство энергетических процессов в цепи с емкостью и в цепи с индуктивностью?

10. Что такое активная, индуктивная и емкостная составляющие вектора напряжения?

Лабораторная работа №8

Тема: Исследование работы полупроводникового диода

Цель: Собрать схему с полупроводниковым диодом и снять вольтамперную характеристику.

Основные теоретические положения

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом. В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в p-n-переходе различают шесть основных функциональных типов полупроводниковых диодов: выпрямительные, высокочастотные, импульсные, туннельные, стабилитроны, варикапы.

Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например, для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n-перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают.

Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока. Основной характеристикой полупроводниковых диодов служит вольт-амперная характеристика (рис.2)

Рис 2

В области обратных напряжений можно пренебречь падением напряжения в объёме полупроводника. При достижении обратным напряжением определённого критического значения ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода.

Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. Электрический пробой бывает двух видов - лавинный и туннельный.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

· Максимально допустимое обратное напряжение U_{обр. mах} – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать обычно ;

· Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп. ср mах} — средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа

· Прямое и обратное сопротивления диода постоянному току, определяемые по его ВАХ с использованием следующих соотношений:

Rд пр = Uпр / Iпр; Rд обр = Uобр / Iобр;

· Максимальная частота f_тах — наибольшая частота подводимого напряжения, при которой выпрямитель на данном диоде работает достаточно эффективно, а нагрев диода не превышает допустимой величины.

· Постоянное прямое напряжение U_пр – падение напряжения на диоде при протекании через него постоянного прямого тока I_пр – заданного ТУ.

· Постоянный обратный ток I_обр — ток через диод при постоянном обратном напряжении (U_{обр мах}). Чем меньше I_обр , тем качественнее диод.

Превышение максимально допустимых величин ведет к резкому сокращению срока службы или пробою диода.

При коротких импульсах необходимо учитывать инерционность процессов включения и выключения диода, что характеризуется следующими параметрами:

1) Время установления прямого напряжения на диоде (t_уст ) – время, за которое напряжение на диоде при включении прямого тока достигает своего стационарного значения с заданной точностью.

2) Время восстановления обратного сопротивления диода (t_восст.) определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения с прямого на обратное достигает своего стационарного значения с заданной точностью, обычно 10% от максимального обратного тока.

Там, где требуется малое время переключения, используют диоды Шотки. Они имеют переход металл — полупроводник, который обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа выражено слабо. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значения порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.

Двухэлектродный полупроводниковый элемент - диод содержит n- и р –проводящий слон (рис. 1). В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в р-проводящем слое - дырки. Существующий между этими слоями р-n переход имеет внутренний потенциальный барьер, препятствующий соединению свободных носителей заряда. Таким образом, диод блокирован.

При прямом приложении напряжений («+» к слою р, «—» к слою п) потенциальный барьер уменьшается, и диод начинает проводить ток (диод открыт). При обратном напряжении потенциальный барьер увеличивается (диод заперт). В обратном направлении протекает только небольшой ток утечки, обусловленный неосновными носителями.

Методические указания по выполнению работы

Задание : Снять вольтамперную характеристику полупроводникового диода в прямом и обратном направлениях.

Порядок выполнения эксперимента

1 К диоду (рис.2а) при прямой полярности приложите напряжение постоянного тока U_ПР, величины которого указаны в таблице, измерьте с помощью мультиметра соответствующие токи. I_ПР и их значения занесите в таблицу. Используйте при этом схему измерения с погрешностью по току.

Таблица №1

U_ПР, В	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,65	0,7	0,75
I_ПР, мА

2 Измените полярность диода, переключите вольтметр для измерений с погрешностью по напряжению как показано на рис. 2б и повторите эксперимент при величинах обратных напряжений, указанных в табл. 2. Для получения напряжений больше 15 В соедините два источника последовательно.

Таблица №2

U_ОБР, В	0	2,5	5	10	15	20	25	30
I_ОБР, мкА

Точные измерения обратного тока (I_ОБР) ВОЗМОЖНЫ ТОЛЬКО С ПОМОЩЬЮ высокочувствительного мультиметра.

3 Перенесите измеренные данные из таблиц на график и постройте вольт-амперную характеристику диода.

4 Оформите отчёт и сделайте соответствующие выводы

Контрольные вопросы:

1. Сколько выводов имеет диод?

2. Что называют прямым включением диода?

3. Какой ток протекает через диод при его обратном включении, и чем он вызван?

4. Какое явление называется пробоем диода?

Лабораторная работа №9

Тема: Исследование работы светодиода

Цель: Изучить работу светодиода и построить вольтамперную характеристику.

Основные теоретические положения

Светодиод– полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры. Процесс самопроизвольной рекомбинации инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой области, так и в самом p–n-переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на низкий. При этом избыточная энергия выделяется путем излучения кванта света. Для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC); твердые растворы: галлий–мышьяк–фосфор (GaAsP) и галлий–мышьяк–алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (ΔW > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового.

На рис. 1 представлены несколько ВАХ для различных светодиодов и фотодиодов . С некоторого порогового значения напряжения начинается резкий рост тока, это позволяет определить материал полупроводника.

. В случаях, когда полупроводниковые диоды выполнены из таких материалов как арсенид галлия или фосфид галлия, часть подводимой к ним электрической энергии преобразуется не в тепло, как в других полупроводниках, а в световые потоки с намного более короткой длиной волны. Цвет излучения определяется выбором соответствующего материала и присадками. Цвет может быть инфракрасным, красным, желтым, оранжевым, зеленым или даже голубым.

Методические указания по выполнению работы

Задание: Снять вольтамперную характеристику светодиода посредством осциллографа. Изучить влияние напряжения U_c_д, тока I_сд светодиода и его полярности на световую эмиссию.

Порядок выполнения эксперимента

1Соберите цепь согласно схеме (рис.1). Включите осциллограф в режиме X - Y, на горизонтальный вход (X) подайте напряжение со светодиода, а на вертикальный (Y) - напряжение с сопротивления, пропорциональное току. Включите инвертирование канала Y, чтобы положительному току соответствовало отклонения луча осциллографа вверх.

Рис. 1

2Перерисуйте осциллограмму на график.

3Соберите цепь согласно схеме (рис. 2) и изменяйте входное напряжение последовательными шагами, как указано в таблице. Измерьте прямое напряжение U_сд и ток I_сд светодиода с помощью мультиметра и установите светоизлучение (отсутствует, слабое, среднее, сильное). Занесите данные в таблицу.

4Измените полярность диода и убедитесь, что светоизлучения не наблюдается.

U_ВХ, В	U_СД, В	I_СД, мА	Светоизлучение
2
4
6
8
10
12
14
15

5 Оформите отчёт и сделайте соответствующие выводы

Контрольные вопросы:

1 Что такое светодиод?

2 Какой минимальный ток необходим светодиоду для слабого светоизлучения ?

3 Как ведет себя светоизлучение при изменении полярности прикладываемого напряжения?

Лабораторная работа №10

Тема: Снятие характеристик транзистора

Цель: Собрать схему с полупроводниковым транзистором и снять вольтамперную характеристику.

Основные теоретические положения

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. Транзисторы различаются:

1. по применяемому материалу;

2. по величине максимальной рабочей частоты;

3. по величине максимальной рассеиваемой мощности.

По технологии изготовления транзисторы делятся на диффузионные, сплавные, мезатранзисторы, планарные, а также диффузионно-сплавные, мезапланарные и эпитаксиально-планарные.

По характеру движения носителей тока в базе отличают дрейфовые транзисторы и бездрейфовые или диффузионные.

Плоскостной транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника: эмиттера, базы и коллектора (рис.1).

Рис.1. Схематическое изображение транзистора типа p-n-p.

Э - эмиттер, Б - база, К - коллектор, W- толщина базы.

Переход, который образуется на границе эмиттер-база, называется эмиттерным, а на границе база-коллектор - коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n.

Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рис.2.

Рис.2. Условные обозначения транзисторов:

а)-транзистор p-n-p, б)-транзистор n-p-n.

Из рис.1 и 2 видно что эмиттерный переход работает в прямом направлении, и через него происходит инжекция неосновных носителей в базу: дырок в транзисторе p-n-p типа и электронов в транзисторе n-p-n. База должна иметь достаточно малую толщину w (w <<L, где L- диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные неосновные носители не успевали рекомбинировать. Коллекторный переход, нормально смещенный в обратном направлении "собирает" инжектированные носители, прошедшие через слой базы.

Транзистор может работать в 3-х режимах в зависимости от того, каковы напряжения на его переходах:

1. активный режим: на эмиттерном переходе - прямое напряжение, на коллекторном - обратное;

2. режим отсечки: на оба перехода подано обратное напряжение;

3. режим насыщения: на обоих p-n переходах прямое напряжение.

Активный режим является основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать транзистор в активном режиме. При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из база в эмиттер. Однако, ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, поток инжектированных дырок будет намного превышать поток электронов. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу и если ширина базы W много меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до коллектора и полем запорного слоя будут переброшены в p-область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером. Поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении, то его сопротивление на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода. Следовательно, в цепи коллектора может быть включено достаточно большое сопротивление нагрузки. В схемах с транзистором имеются две цепи, входная, в которую включается источник усиливаемых колебаний, и выходная, в которую включается нагрузочное сопротивление (рис.3). Относительно малое изменение напряжения на эмиттере будет вызывать большое изменение напряжения на сопротивлении нагрузки.

Рис.3. Схема простейшего усилителя напряжения. ~Uc- источник усиливае мого сигнала в цепи эмиттера, Rн- нагрузка в цепи коллектора.

Коэффициент усиления схемы по напряжению (Ku) оказывается равным

(1)

где D Uэ - приращение напряжения в цепи эмиттера;

D Uн - приращение напряжения на нагрузке;

D Iэ - приращение тока эмиттера;

D Iк - приращение тока коллектора;

Rвх - сопротивление входной цепи транзистора;

Rн - сопротивление нагрузки.

В результате различия входного и выходного сопротивления транзистор дает усиление по мощности. Коэффициент усиления по мощности (Кр) равен (2)

Очевидно из (2), что усиление мощности будет тем больше, чем большая часть тока, проходящего через эмиттер, будет доходить до коллектора. В основном усилительные свойства транзистора обеспечиваются тем, что Rн >> Rвх.

Основными величинами, характеризующими качество транзистора являются коэффициент передачи тока эмиттера a и коэффициент передачи тока базы b . Дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера a называется отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе (при отсутствии нагрузки в цепи коллектора).

(3)

Величина этого коэффициента a лежит в пределах 0,95 - 0,995.

Дифференциальным коэффициентом передачи тока базы b называется приращение тока коллектора к вызвавшему его приращению тока базы при постоянном напряжении на коллекторе (при нагрузки в цепи коллектора).

Величина b равна нескольким десяткам и сотням. Между коэффициентами передачи токов эмиттера b и базы a существует связь так как

(4)

Для a = 0,96 коэффициент b = 0,96/(1-0,96) = 2,4, если a = 0,99, то b =100.

В зависимости от того какой электрод является общим для входной и выходной цепей, различаются три схемы включения транзистора:

1. Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис.5а).

Схема с ОЭ является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Но режим работы этой схемы сильно зависит от температуры, а усиление от частоты.

2. Схема с общей базой (ОБ) (рис.5 б).

Эта схема дает меньшее усиление по мощности, чем схема с ОЭ, но она значительно лучше по частотным и температурным свойствам.

3. Схема с общим коллектором (ОК) (рис.5в). Эта схема включения отличается от предыдущих большим входным сопротивлением и малым выходным и усиления по току не дает. Усиление по мощности равно приблизительно усилению по току.

Рис.5. Схемы включения транзистора.

а) схема с ОЭ. Выходной ток - ток коллектора, входной ток - ток базы. б) cхема с ОБ. Входной ток - ток эмиттера. Выходной ток - ток коллектора. в) cхема с ОК. Выходной ток - ток эмиттера. Входной ток - ток базы.

Методические указания по выполнению работы

Задание: Снять вольтамперные характеристики эмиттерного и коллекторного р-n переходов транзисторов типа р-n-р и типа n-р-n в прямом направлении. Убедитесь, что в обратном направлении токи через эти р-n переходы ничтожно малы.

Порядок выполнения эксперимента

1 Соберите цепь согласно схеме (рис. 1а).

2Поочередно устанавливая значения токов I_пр регулятором напряжения источника, измерьте соответствующие значения напряжения на р-n переходе U_БЭ и занесите их в таблицу.

3Измените схему в соответствии сначала с рис. 1б, затем 1в и 1г и повтори те все измерения.

4 На рис. 2 постройте графики I_ПР (U_ПР) для каждого случая и убедитесь, что вольтамперные характеристики всех р-n переходов практически совпадают.

5Установите входное напряжение источника равным нулю, поменяйте его полярность (зажим «+» на «—») и увеличивая напряжение до 5 В (но не выше!), убедитесь, что ток в р-n переходе практически остается равным нулю (не превышает 1µА).

6Проделайте этот с остальными р-n переходами согласно схеме на рис. 1 при обратной полярности источника питания.

I_ПР, мА	Транзистор n-р-n		Транзистор р-n-р
I_ПР, мА	U_БЭ, В	U_БК, В	U_ЭБ, В	U_КБ, В
0
1
2
4
8
14

7 Оформить отчёт и сделать соответствующие выводы

Контрольные вопросы:

1. Что такое транзистор? Как условно обозначаются транзисторы на электрических схемах?

2. По каким признакам классифицируются транзисторы?

3. В каких режимах может работать транзистор?

4. Расскажите о схемах включения транзистора

Список рекомендуемой литературы

Основные источники:

1.Бутырин П.А., Толчеев О.В., Шакирзянов Ф.Н Электротехника.- М: Академия 2007.

2. Немцов, М. В. Электротехника и электроника [Текст] : учебник для студ. учреждений сред. проф. образования/ М.В. Немцов, М.Л. Немцова. - 7-е изд., испр. - М. : Издательский центр «Академия», 2014.-480 с.- ISBN 978-5-4468-1104-5;

3.М.Ю. Зайчик «Сборник задач и упражнений по теоретической электротехнике»: учеб. пособие для студ. сред. проф. образования. – М.: Энергоатомиздат, 2006

4.Данилов, И. А. Общая электротехника [Текст] : учеб. пособие для бакалавров : допущено М-вом высш. и сред. образования СССР / И. А. Данилов. - М. : Юрайт, 2012. - 673 с. : ил. - (Бакалавр). – ISBN 978-5-9916-1612-6. - ISBN 978-5-9692-1289-3 : 498,96
5 Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники: Учебник для сред. спец. учеб. заведений. – 9-е изд., испр. и доп. – М.: Академия, 2004. – 495

6. Блохин, А. В. Электротехника / А.В. Блохин. - 2-е изд., испр. - Электрон. текстовые дан. - Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2014. - 184 с.
Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=275798. - ISBN 978-5-7996-1090-6

Дополнительные источники:

1 . Кацман, М. М. Электрические машины [Текст] : учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / М. М. Кацман. – 10–е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 496 с.- ISBN 978-5-7695-7743-7;

2.Муравьев, В. М. Электротехника и электроника / В.М. Муравьев ; М.С. Сандлер. - Электрон. текстовые дан. - Москва : Альтаир|МГАВТ, 2006. - 64 с.
Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=430515.

3.Новиков П.Н. Задачник по электротехнике. -М: ПрофОбрИздат, 2001

4. Фуфаева, Л. И. Электротехника [Текст] : учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Л. И. Фуфаева. - 3-е изд., стер. - М. : Издательский центр «Академия», 2014.-384 с. ISBN 978-5-4468-1401-5.

5.Пронин В.И. Лабораторно-практические работы по электротехнике. М: Академия, 2004

6 Электротехника и электрооборудование: Учеб.- метод. пособие /Сост. Н.Ф. Ткачев. – Усть-Илимск, БГУЭП, 2004.

Интернет ресурсы:

1Видеокурс «Электротехника и электроника». Форма доступа: www.eltray.com;

2Свободная энциклопедия. Сайт. Форма доступа: http://ru.wikipedia.org;

3Тестирование On-Line «Система тестирование ТИЖТ». Форма доступа http://www.tigt.ru/dnevnik;

4 «Электро» – журнал. Форма доступа: www.elektro.elektrozavod.ru

Приложение

Отчет по лабораторной работе №

Название ______________________________________________________________________________________________________________________________

Цель работы_____________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________

Приборы и принадлежности:_____________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________

Рабочие формулы с пояснениями:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________

Схема экспериментальной установки:

Таблица измерений:

Расчеты:

Графики:

Вывод:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ответы на контрольные вопросы: ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Скачать материал

Скачать материал "МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА"

Как учитель может зарабатывать на Инфоуроке?

Краткое описание документа:

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Электротехника и электроника». Учебно - методическое пособие разработанона основе рабочей программы, составленной в соответствиис ФГОС по специальностям среднего профессионального образования: 23.02.04Техническая эксплуатация подъемно-транспортных, строительных, дорожных машин и оборудования;35.02.02Технология лесозаготовок;35.02.03Технология деревообработки. 20.02.01 Рациональное использование природохозяйственных комплексов: Изд-воБГУ, - г. Усть-Илимск -2016 г.- 51с

Скачать материал

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

6 670 312 материалов в базе

Найти материалы

Скачать материал

Другие материалы

docx

Сценарий классного часа "Моя малая Родина"

12.02.2018
283
0

pptx

Интеллектуальная викторина "Этот разноцветный мир"

12.02.2018
845
7

pptx

Интеллектуальная викторина "Через тернии к звездам"

12.02.2018
1183
6

pptx

Интеллектуальная викторина "Прекрасных женщин имена"

12.02.2018
4074
47

pptx

Презентация мастера производственного обучения "Портфолио"

12.02.2018
587
0

pptx

Интеллектуальная викторина "Ликуй и пой победный май"

12.02.2018
419
2

pptx

Интеллектуальная викторина "Как прекрасен этот мир"

12.02.2018
1036
27

docx

Өтелгенова Л.Қ. "Дос және достық" тақырыбында сынып сағат жоспары

12.02.2018
523
0

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Скачать материал
- 12.02.2018 2200
- DOCX 4.4 мбайт
- 12 скачиваний
- Рейтинг: 5 из 5
- Оцените материал:
Настоящий материал опубликован пользователем Горянова Евгения Георгиевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Автор материала

Горянова Евгения Георгиевна
- На сайте: 8 лет и 10 месяцев
- Подписчики: 0
- Всего просмотров: 107760
- Всего материалов: 40