Проект "Пассивные элементы электрических цепей и их применение в науке и технике"

Муниципальное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №78

Сормовского района Нижнего Новгорода

Научное общество учащихся

Работа по теме:

«Пассивные элементы электрических цепей и их роль в науке и технике»

Выполнила:

ученица 11 «А» класса

Фролова Ксения

Научный руководитель:

Антонова Ольга Георгиевна

Нижний Новгород

2012

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………...4

1.Теоретическая часть…………………………………………………………….5

1.1. Электрические взаимодействия……………………………………………5

1.2. Конденсатор………………………………………………………………..10

1.3. Диод………………………………………………………………………...15

1.4. Резистор…………………………………………………………………….18

1.5. Роль пассивных элементов электрических цепей в науке и технике…..22

2. Практическая часть…………………………………………………………...28

2.1. Постановка эксперимента…………………………………………………28

2.2. Объяснение эксперимента………………………………………………...28

2.3. Расшифровка «Черного ящика»…………………………………………..29

Заключение……………………………………………………………………….33

Список использованной литературы…………………………………………...35

Введение

Тема моей научной работы «Пассивные элементы электрических цепей и их роль в науке и технике».

Актуальность данной работы обусловлена тем, что систематические упражнения, связанные с применением знаний на практике и выработка экспериментальных умений и навыков, необходимы при изучении физики, а также в различных исследованиях в дальнейшем.

Хорошо известно, что без глубокого усвоения понятий электрического тока, электрических цепей и экспериментальных задач невозможно успешное усвоение темы «Электричество».

Работа эта требует творческого мышления, творческого воображения при поиске путей решения проблемы. В своей работе я изучала пассивные элементы и их практическое применение.

Предлагаемая методика предусматривает проведение опыта с расшифровкой «черного ящика». Как имея шкатулку с четырьмя выводами, содержащую электрическую цепь из трех элементов, среди которых резистор, диод, конденсатор и проводник, определить, какие элементы расположены внутри.

Я взяла эту тему, так как меня интересует физика, а логические задачи, связанные с пассивными элементами электрических цепей показались мне очень интересными.

1. Теоретическая часть.

1.1. Электрические взаимодействия.

Ещё в глубокой древности люди заметили, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает способность притягивать к себе различные тела: соломинки, пушинки, ворсинки меха и т. д.

Так, если потереть стеклянную палочку о лист бумаги, а затем поднести её к мелко нарезанным листочкам бумаги, то они начнут притягиваться к стеклянной палочке.

Наблюдаемые явления в начале XVII в. были названы электрическими. Стали говорить, что тело, получившее после натирания способность притягивать другие тела, наэлектризовано или что ему сообщён электрический заряд.

Наэлектризованные тела или притягиваются друг к другу, или отталкиваются.

Существует только два рода электрических зарядов.

Опыты показывают, что тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.

Электрические заряды взаимодействуют на расстоянии. Причём чем ближе друг к другу находятся наэлектризованные тела, тем взаимодействие между ними сильнее, чем дальше – тем слабее.

В результате длительного изучения электрических явлений установлено, что всякое заряженное тело окружено электрическим полем.

Электрическое поле – это особый вид материи, отличающийся от вещества.

Сила, с которой электрическое поле действует на внесённый в него электрический заряд, называется электрической силой.

Мы уже знаем, что в телах имеются электроны, движением которых объясняются различные электрические явления. Электроны обладают отрицательным электрическим зарядом. Электрическими зарядами могут обладать и более крупные частицы вещества – ионы. Следовательно, в проводниках могут перемещаться различные заряженные частицы.

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием этого поля заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в этом проводнике, придут в движение в направлении действия на них электрических сил. Возникает электрический ток.

За направление тока условно приняли то направление, по которому движутся в проводнике положительные заряды, т. е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в 1 с, определяет силу тока в цепи.

Значит, сила тока равна отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения t, т. е.

I = q/t,

где I – сила тока.

На Международной конференции по мерам и весам в 1948 г. было решено в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током.

За единицу силы тока принимают силу тока, при которой отрезки таких параллельных проводников длиной 1 м взаимодействуют с силой 2×10^-7Н.

Эту единицу силы тока называют ампером (А). Так она названа в честь французского учёного Андре Ампера.

Но не только от одной силы тока зависит работа тока. Она зависит ещё и от другой величины, которую называют электрическим напряжением или просто напряжением.

Напряжение – это физическая величина, характеризующая электрическое поле. Оно обозначается буквой U.

Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую, т. е.

U = A/q

За единицу напряжения принимают такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда величиной в 1 Кл по этому проводнику равна 1 Дж.

1 В = 1 Дж/Кл

Опыты показывают, что для данного металлического проводника отношение U/I – есть величина постоянная и значит, она является характеристикой данного проводника.

Эту физическую величину обозначаем:

R = U/I

и называем сопротивлением данного проводника.

За единицу сопротивления принимают 1 ом – сопротивление такого проводника , в котором при напряжении на концах 1 вольт сила тока равна 1 амперу.

1 Ом = 1 В/1 А

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого изготовлен проводник, впервые на опытах изучил Ом. Он установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника, т. е.

R = pl/S,

где p– удельное сопротивление.

Зависимость силы тока от напряжения на концах участка цепи и сопротивления этого участка называется законом Ома по имени немецкого учёного Георга Ома, открывшего этот закон в 1827 г.

Закон Ома читается так: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

I = U/R,

здесь I– сила тока в участке цепи, U – напряжение на этом участке, R – сопротивление участка цепи.

Закон Ома – один из основных физических законов.

Напряжение на концах участка цепи численно равно работе, которая совершается при прохождении по этому участку электрического заряда в 1 Кл. При прохождении по этому же участку электрического заряда, равного не 1 Кл, а, например, 5 Кл, совершённая работа будет в 5 раз больше. Таким образом, чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд, прошедший по нему:

A = Uq,

где А – работа, U– напряжение, q–электрический заряд, т. к. I = q/t,

то: A = UIt.

Мы знаем, что мощность численно равна работе, совершенной в единицу времени. Следовательно, чтобы найти среднюю мощность электрического тока, надо его работу разделить на время:

P = A/t,

где P– мощность тока.

Работа электрического тока равна произведению напряжения на силу тока и на время: A = UIt, следовательно,

P = UI.

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно.

Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идёт на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим телам, но уже путём теплопередачи.

Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течёт ток, равно работе тока.

Пользуясь законом Ома, получим:

Q = I²Rt

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

К этому же выводу, но на основании опытов впервые пришли независимо друг от друга английский учёный Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля – Ленца.

1.2.Конденсатор.

Большой электроёмкостью обладают системы из двух проводников, называемые конденсаторами. Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») – представляет собой два проводника, разделённые слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

Конденсаторы обладают свойством накапливать и удерживать на своих обкладках равные по величине и разные по знаку электрические заряды. Величина электрического заряда каждой из обкладок конденсатора пропорциональна напряжению между обкладками.

Величина, равная отношению заряда одной из обкладок конденсатора к напряжению между ними, называется электрической ёмкостью конденсатора и является одним из его параметров.

Так как в системе СИ единицей заряда служит кулон, а единицей напряжения - вольт, то единица измерения ёмкости равна кулону, делённому на вольт. Она носит название фарада (Ф)

1Ф=1Кл/1В

Обычно пользуются более мелкими единицами – микрофарадой (1 мкФ=10^-6Ф) или пикофарадой (1 пФ=10^-12Ф).

История.

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук случайно создали конструкцию-прототип электролитического конденсатора — «лейденскую банку». Первые конденсаторы, состоящие из двух проводников разделенных непроводником, упоминаемые обычно как конденсатор Эпинуса или электрический лист, были созданы ещё раньше.

Свойства конденсатора.

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схемах.

- Конденсатор постоянной ёмкости

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 10⁶ пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах.

Характеристики конденсаторов.

• Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов.

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга.

Ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

• Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального.

Классификация конденсаторов.

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе.

По виду диэлектрика различают:

• Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).

• Конденсаторы с газообразным диэлектриком.

• Конденсаторы с жидким диэлектриком.

• Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.

• Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

• Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).

• Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термо­конденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.

• Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей, сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

Также различают конденсаторы по форме обкладок:

Плоские, цилиндрические, сферические и другие.

1.3. Диод.

Диод — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

История создания и развития диодов.

Развитие диодов началось в третьей четверти XIX века сразу по двум направлениям: в 1873 году британский учёный Фредерик Гутри открыл принцип действия термионных (вакуумных ламповых с прямым накалом) диодов, в 1874 году германский учёный Карл Фердинанд Браун открыл принцип действия кристаллических (твёрдотельных) диодов.

Принципы работы термионного диода были заново открыты 13 февраля 1880 года Томасом Эдисоном, и затем, в 1883 году, запатентованы. Однако дальнейшего развития в работах Эдисона идея не получила. В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле. ДжэдишЧандраБоус развил далее открытие Брауна в устройство применимое для детектирования радио. Около 1900 года ГринлифПикард создал первый радиоприёмник на кристаллическом диоде. Первый термионный диод был запатентован в Британии Джоном Амброзом Флемингом (научным советником компании Маркони и бывшим сотрудником Эдисона) 16 ноября 1904 года. 20 ноября 1906 года Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор.

В конце XIX века устройства подобного рода были известны под именем выпрямителей, и лишь в 1919 году Вильям Генри Иклс ввёл в оборот слово «диод», образованное от греческих корней «di» — два, и «odos» — путь.

Типы диодов.

Диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны), полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

• Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом.

• Ламповые диоды

Ламповые диоды представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому, часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду. Если же поле направлено в противоположную сторону, электрическое поле препятствует этим электронам и тока (практически) нет.

• Диодные переключатели

Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Интересные факты.

• Диоды могут использоваться как датчики температуры.

• Диоды в прозрачном стеклянном корпусе могут обладать паразитной чувствительностью к свету (то есть радиоэлектронное устройство работает по-разному в корпусе и без корпуса, на свету).

1.4. Резистор.

Резистор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь), — пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току, проходящему через него.

На практике же резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики.

Обозначение резисторов на схемах.

- Резистор

• Последовательное соединение резисторов

При последовательном соединении резисторов их сопротивления складываются.

При последовательном соединении резисторов их общее сопротивление будет больше наибольшего из сопротивлений.

• Параллельное соединение резисторов

При параллельном соединении резисторов складываются величины, обратно пропорциональные сопротивлению (то есть общая проводимость складывается из проводимостей каждого резистора).

Если цепь можно разбить на вложенные подблоки, последовательно или параллельно включённые между собой, то сначала считают сопротивление каждого подблока, потом заменяют каждый подблок эквивалентным сопротивлением, таким образом, находится общеесопротивление.

При параллельном соединении резисторов их общее сопротивление будет меньше наименьшего из сопротивлений.

Классификация резисторов.

Резисторы являются элементами электронной аппаратуры и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Дискретные резисторы классифицируются по назначению, виду Вольт-Амперная Характеристика (ВАХ), по способу защиты и по способу монтажа, характеру изменения сопротивления, технологии изготовления.

По назначению:

1. резисторы общего назначения

2. резисторы специального назначения

По способу защиты:

1. изолированные

2. неизолированные

3. вакуумные

4. герметизированные

По способу монтажа:

1. для печатного

2. для навестного

3. для микросхем и микромодулей

По виду вольт-амперной характеристики:

1. линейные резисторы

2. нелинейные резисторы

• варисторы — сопротивление зависит от приложенного напряжения

• терморезисторы — сопротивление зависит от температуры

• фоторезисторы — сопротивление зависит от освещённости

• тензорезисторы — сопротивление зависит от деформации резистора

• магниторезисторы — сопротивление зависит от величины магнитного поля

По характеру изменения сопротивления:

1. постоянные резисторы

2. переменные регулировочные резисторы

3. переменные подстроечные резисторы

По технологии изготовления:

1. Проволочные резисторы. Представляют собой кусок проволоки с высоким удельным сопротивлением, намотанный на какой-либо каркас. Могут иметь значительную паразитную индуктивность. Высокоомные малогабаритные проволочные резисторы иногда изготавливают из микропровода.

2. Плёночные металлические резисторы. Представляют собой тонкую плёнку металла с высоким удельным сопротивлением, напылённую на керамический сердечник, на концы сердечника надеты металлические колпачки с проволочными выводами. Иногда, для повышения сопротивления, в плёнке прорезается винтовая канавка. Это наиболее распространённый тип резисторов.

3. Металлофольговые резисторы. В качестве резистивного материала используется тонкая металлическая лента.

4. Угольные резисторы. Бывают плёночными и объёмными. Используют высокое удельное сопротивление графита.

5. Интегральный резистор. Используется сопротивление слаболегированного полупроводника. Эти резисторы могут иметь большую нелинейность вольт-амперной характеристики. В основном используются в составе интегральных микросхем, где применить другие типы резисторов невозможно или не технологично.

1.5. Роль пассивных элементов электрических цепей в науке и технике.

Применение конденсаторов.

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

• В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.

• Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряжённость на обкладках, которая используется для различных целей, например, для ускорения заряженных частиц или для создания кратковременных мощных электрических разрядов.

• В схемах Релейной Защиты и Автоматики (РЗиА) конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы Автоматического Повторного Включения (АПВ) использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.

• В качестве аккумуляторов электрической энергии. В этом случае на обкладках конденсатора должно быть достаточно постоянное значения напряжения и тока разряда. При этом сам разряд должен быть значительным по времени. В настоящее время идут опытные разработки электромобилей и гибридов с применением конденсаторов. Так же существуют некоторые модели трамваев, в которых конденсаторы применяются для питания тяговых электродвигателей при движении по обесточенным участкам.

Конденсаторы в радиотехнике.

Конденсатор - один из самых широко используемых компонентов радиоустройств. Обкладки имеют внешние выводы, с помощью которых конденсатор соединяется с другими элементами. Одним из важных свойств конденсатора является то, что для переменного тока он представляет собой сопротивление, величина которого уменьшается с ростом частоты.

• Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.

• Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.

• В качестве измерителя уровня жидкости. Непроводящая жидкость, заполняет пространство между обкладками конденсатора, и ёмкость конденсатора меняется в зависимости от уровня фазосдвигающего конденсатора.

• Фазосдвигающий конденсатор необходим для пуска, а в некоторых случаях и работы однофазных асинхронных двигателей. Так же он может применяться для пуска и работы трехфазных асинхронных двигателей при питании от однофазного напряжения.

• При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, электромагнитных ускорителях, импульсных лазерах с оптической накачкой, (ГИН; ГИТ) и т. п.

Конденсаторы в медицине.

В настоящее время практически все передовые достижения научно-технической революции поставлены на службу здравоохранения и медицины. Значительное число ведущих научно-исследовательских и промышленных организаций занято сейчас разработкой и производством медицинской техники.

Электроны (или электричество), накопленные в конденсаторе, аналогичны воздуху, хранящемуся в баллоне под давлением, или воде, запасенной в баке. Они могут быть истрачены или разряжены. Заряженный конденсатор также может быть разряжен, если будет создан проводящий путь для перемещения электронов с пластины, где они в избытке, на пластину, где дефицит их. Способность конденсатора заряжаться и разряжаться широко используется в электрической и в медицинской аппаратуре. Этот принцип продемонстрирован на примере дефибриллятора постоянного напряжения.

Ключ разомкнут. К торсу пациента соответствующим образом приложены пластины или электроды (металлические контактные пластинки с изолированными ручками), которые вместе с торсом пациента и проводами образуют замкнутую проводящую цепь. При замыкании переключателя через пациента проходит ток. Электрическая энергия быстро передается от дефибриллятора к пациенту и осуществляется терапевтическое воздействие.

Применяется для того, чтобы запустить остановившееся сердце.

Медицинские лазеры применяются для коррекции зрения.

Прямое вмешательство в ткани глаза часто становилось причиной операционных травм и последующих осложнений. Революционная идея была предложена Хосе Барракуером, колумбийским офтальмологом в 1949 году и суть ее состояла в коррекции зрения с помощью луча лазера.

Ведущие офтальмологи мира сразу признали новую, передовую технологию благодаря ее преимуществам. С 1988 года лазерная коррекция входит в практику всех самых известных офтальмологических центров Европы и Америки. В России этими проблемами занимался в своей клинике Светослав Федоров.

Все музыкальные синтезаторы имеют в своем составе генераторы звуковых частот, в которых обязательно применяются конденсаторы.

Применение диодов.

Диодные выпрямители.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост— основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств.Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

Диодные детекторы.

Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т.п.

Диодная защита.

Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения.

Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить устройство, возникнет ток через диод, и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.

Диоды в управляющих цепях.

Диоды широко используются в управляющих электрических цепях в радиотехнике.

Применение резисторов.

Любой проводник без сопротивления, на самом деле, тоже имеет какие-то сотые доли Ома, то есть тоже является проводником с малым сопротивлением.

Применение резисторов очень широко. Ни одна схема, ни один прибор не обходится без них. Они устанавливаются в вычислительной технике, компьютерах, в радиоприемной и радиопередающей технике.

Существуют устройства, где сопротивление вредно, на которых мы стремимся сделать сопротивления близкими к нулю. Например, при передаче электроэнергии с электростанции на большие расстояния мы теряем огромное количество энергии. Мы стремимся сделать эти потери минимальными, и стараемся при этом сохранить вырабатываемую на электростанции мощность. Для этого все электрические сети переводят на миллионы вольт напряжения. Мощность равна I×U, и чтобы сохранить передаваемую мощность можно либо увеличить напряжение, либо увеличить силу тока. Но потери при передаче энергии определяются выделением теплоты, то есть равны величине I²×R×t и зависят поневоле от сопротивления тысяч километров проводов, и для их уменьшения нужно уменьшать ток, и увеличивать напряжение.

Рассмотрим огромный класс электродвигателей, включая трехфазные и двухфазные электродвигатели двигатели, В них электрический ток течет по реальным проводам, и часть энергии превращается в тепло, а в результате мотор греется и энергия теряется. Для того, чтобы КПД мотора, который равен отношению мощности на валу к полной потребляемой мощности, был как можно больше, общее сопротивление должно стремиться к нулю. Например, трехфазные двигатели, в которых ток не течет через ротор, а только через обмотки, создающие вращающееся магнитное поле, имеют, как известно, КПД до 98%.

Существуют устройства, где сопротивление полезно. Это различные нагревательные приборы: электрические печи на производстве и в быту.

2. Практическая часть

2.1. Постановка эксперимента.

В процессе решения задачи мы собрали два экспериментальных «черных ящика» с различной ёмкостью конденсатора. Различие заключается в том, что при подключении источника тока с электрической лампочкой конденсатор с меньшей ёмкостью не успевает за время разрядки или зарядки засветить спираль лампочки, а у конденсатора с большей ёмкостью лампочка обязательно мигнет.

Задача заключается в том, что имея "черный ящик" с четырьмя выводами, содержащий электрическую цепь из трех элементов, среди которых резистор, конденсатор, диод и проводник, определить какие элементы расположены внутри.

В эксперименте используются лампочка, присоединённая к батарейке с положительным и отрицательным выводами.

Соберем цепь из этих элементов.

2.2. Объяснение эксперимента.

При решении поставленной задачи мы будем учитывать поведение каждого элемента при прохождении по цепи электрического тока.

Если цепь не содержит ни конденсатора, ни диода, то электрический ток пойдет и в прямом и в обратном направлении, и лампочка загорится в обоих случаях.

Если цепь содержит диод, но не содержит конденсатор, то электрический ток пойдет в одном направлении, а в противоположном не пойдет. Значит, водном направлении лампочка загорится, а в противоположном гореть не будет.

Если же цепь содержит конденсатор, то возможны два варианта в зависимости от ёмкости конденсатора. При малой емкости конденсатора (С=1пф) наша лампочка просто не загорается и при прямом и при обратном направлении электрического тока. А при большей емкости (С=20мкф) время зарядки-разрядки конденсатора будет достаточным, чтобы мы увидели вспышку лампочки.

2.3.Расшифровка «Черного ящика».

Первый метод решения.

Поиск проводим в три этапа.

На первом этапе обнаруживаем конденсатор. Для этого с помощью лампочки и батарейки соединяем последовательно выводы 1−►2; 2−►3;3−►4;4−►1. Затем меняем полюса батарейки и повторяем операцию. Тогда на каждом участке направление тока станет противоположным. И только на двух участках, которые сходятся к конденсатору лампочка не загорится и при прямом и при обратном приложении напряжения. Таким образом, мы находим вывод с конденсатором. Пусть это будет вывод 4.

На втором этапе поиска решения нашей задачи обнаруживаем диод. Для этого с помощью лампочки и батарейки соединяем последовательно выводы 1−►2; 2−►3; 3−►1. Затем меняем полюса батарейки и повторяем операцию. Тогда на каждом участке направление тока будет противоположным. И только на одном участке, который соединяет резистор и проводник, лампочка загорится и при прямом и при обратном приложении напряжения. Оставшийся вывод однозначно определяет вывод, подсоединенный к диоду.

На третьем этапе поиска мы, используя вывод диода, определяем, какой из оставшихся контактов принадлежит проводнику, а какой резистору. Лампочка будет гореть ярче, когда мы попадем на проводник. Решение получено.

Второй метод решения.

Решение опять же проводим в три этапа. Но методику выбираем другую.

На первом этапе будем искать резистор и проводник. Для этого с помощью лампочки и батарейки соединяем все возможные пары при прямом и обратном приложении напряжения. Выделяем те два контакта, между которыми ток идёт в обоих направлениях. Обозначим их выводы 1 и 2. Ясно, что тогда выводы 3 и 4 будут соответствовать конденсатору и диоду.

На втором этапе определим, какой вывод соответствует конденсатору, а какой диоду. Для этого каждый из них соединим с выводом 1 (резистор или проводник). Если в случае приложения напряжения в обоих направлениях ток не идет, мы имеем конденсатор. В случае большой емкости в обоих случаях мы будем наблюдать вспышку света. Если же в случае приложения напряжения лампочка загорается, а при приложении напряжения обратного направления лампочка не загорается, то мы имеем диод.

Третий этап. Теперь, используя вывод диода, определяем какой из контактов 1 или 2 принадлежит проводнику, а какой резистору. Лампочка будет гореть ярче, когда мы попадем на проводник. Итак, решение получено.

Третий метод решения.

Начинаем перебирать все варианты с выводами "чёрного ящика". Берём положительный вывод от батарейки и присоединяем к выводу 1 «черного ящика», отрицательным выводом батарейки начинаем перебирать выводы 2,3,4.

Обозначим случай загорания лампочки знаком (+), а не загорания (-).

Возможны три комбинации сочетания знаков (- - +), (- + +), (- - -).

1-я комбинация(- - +).Выводы, на которых лампочка не загорелась, подключены либо к конденсатору, либо к диоду. Сменив направление приложенного напряжения на обратное, мы определим, какой вывод соединен с конденсатором, а какой с диодом. В случае конденсатора лампочка не загорится.

Теперь определим, какой из выводов соединен с резистором, а какой с проводником. Для этого вывод, подсоединенный к диоду, подсоединим к ним поочередно при прямом и обратном напряжения. Лампочка будет гореть ярче, когда мы попадем на проводник.

2-якомбинация(- + +). В этом случае вывод 2 (на котором лампочка не загорается) соответствует конденсатору. Диод и резистор находим также как в первом методе.

3-я комбинация (- - -).В этом случае можно утверждать, что вывод 1 соответствует либо конденсатору, либо диоду. Сменив направление приложенного напряжения на обратное, мы получим следующие комбинации второго порядка:

(- - -) – то вывод 1 –конденсатор, а местоположение выводов диода и резистора мы находим, как во 2-ой комбинации.

(- + +) – то вывод 1 –диод, а вывод, который соответствует не загоранию лампочки при обратном напряжении будет выводом конденсатора. Теперь определим, какой из выводов соединен с резистором, а какой с проводником. Для этого вывод, подсоединенный к диоду, подсоединим к ним поочередно при прямом и обратном напряжения. Лампочка будет гореть ярче, когда мы попадем на проводник.

Задача решена тремя способами.

Заключение.

В своей работе «Пассивные элементы электрических цепей и их роль в науке и технике» я узнала, что такое пассивные элементы и как они ведут себя в цепи электрического тока.

В процессе этой работы я изучила теоретические вопросы, связанные с пассивными элементами. А в процессе решения задачи для проведения опыта с расшифровкой «черного ящика» я построила две модели «черного ящика» с четырьмя выводами. В эксперименте используется источник тока, электрическая лампочка и проводник.

Рассмотрены два варианта поставленной задачи и рассмотрены три подхода к решению этих задач.

«Черный ящик» по условию содержит электрические цепи из трех элементов, среди которых резистор, конденсатор, диод и проводник. И я показала, как определить их расположение, не вскрывая ящика.

В результате этой работы я расширила свой кругозор, так как изучила роль каждого из рассмотренных элементов в науке и технике.

В процессе работы я узнала математическое описание процессов зарядки-разрядки конденсатора.

Закон, по которому происходит разрядка конденсатора, имеет вид U= U₀×ℓ^-t/RC. Падение напряжения при разрядке конденсатора происходит по экспоненте. При возрастании времени напряжение U стремится к нулю.

Закон, по которому происходит зарядка конденсатора, имеет вид U= U₀×(1-ℓ^-t/RC). В процессе зарядки при t=0 напряжение U_t=0=0 , а с возрастанием времени ℓ^-t→0 и U→U₀. Это перевернутая экспонента.

Интересно, что в момент времени t=R·C напряжение равно U=U₀×ℓ^-t/RC=U₀×ℓ^-1=U₀/3, т.е. к этому моменту времени напряжение U падает до U₀/3, и лампочка перестает гореть, уже не хватает мощности.

Я узнала, что радиофизики, когда хотят создать цепочку из резистора и конденсатора, то подбирают пару R и C так, чтобы иметь заданное время разрядки конденсатора. Если мы хотим, чтобы это время равнялось 1секунде, то нужно подобрать RC=1. Например, для R=10⁵Ом нужно взять конденсатор с емкостью С=10мкф=10^-5ф, как и было сделано в одном из наших экспериментов.

Список использованной литературы.

1. «Резисторы (справочник)» под ред. И. И. Четверткова — М.: Энергоиздат, 1991 год.

2. Аксенов А. И., Нефедов А. В. «Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы» Справочник — М.: Радио и связь, 1995 год.

3. «Справочник по элементам радиоэлектронных устройств» под ред. В. Н. Дулина, М. С. Жука — М.: Энергия, 1978 год.

4. Л. С. Жданов, Г. Л. Жданов «Учебник физики для средних специальных учебных заведений».

5. «Физика». А. В. Пёрышкин – М.: Дрофа, 20011 год.

Выступление.

1.Тема моей научной работы «Пассивные элементы электрических цепей и их роль в науке и технике».

В процессе работы я узнала, что такое пассивные элементы и как они ведут себя в цепи электрического тока и изучила теоретические вопросы, связанные с пассивными элементами.

2.К таким элементам относятся конденсаторы, резисторы и диоды. Конденсатор представляет собой два проводника, разделённые слоем диэлектрика. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

Конденсаторы обладают свойством накапливать и удерживать на своих обкладках равные по величине и разные по знаку электрические заряды.

3.Диод— двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

4.Резистор - пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току.

5.В процессе работы поставлена и решена экспериментальная задача расшифровки черного ящика, включающего все эти элементы.

Я взяла эту тему, так как меня интересует физика, и логические задачи, связанные с пассивными элементами электрических цепей.

«Черный ящик» представляет собой закрытую шкатулку с четырьмя выводами, содержащую электрическую цепь из трех элементов, среди которых резистор, диод, конденсатор и проводник.

Задача заключается в том, чтобы определить, как эти элементы расположены внутри «черного ящика», то есть расшифровать схему их соединения.

В эксперименте используются лампочка, присоединённая к батарейке с положительным и отрицательным выводами.

6.Для выполнения этой работы, мне нужно было собрать «чёрный ящик». Для этого я использовала уже готовую коробочку и, работая паяльником, аккуратно спаяла все элементы и укрепила их в коробочке.

7.В результате получила «чёрный ящик», который в демонстрационных целях при желании можно открыть.

8.Для решения задачи была необходима батарейка, соединённая с электрической лампочкой, которая позволяла бы мне прозванивать выводы и определять выходы «чёрного ящика».

9.Для этого я к выводам батарейки припаяла провода.

10.В процессе решения задачи мы собрали два экспериментальных «черных ящика» с различной ёмкостью конденсатора. Различие в решении этих двух «черных ящиков» заключается в том, что при подключении источника тока конденсатор с меньшей ёмкостью не успевает за время разрядки или зарядки засветить спираль лампочки, а у конденсатора с большей ёмкостью лампочка обязательно мигнет.

11.Методика поиска решения.При решении поставленной задачи мы будем учитывать поведение каждого элемента при прохождении по цепи электрического тока.

Если цепь не содержит ни конденсатора, ни диода, то электрический ток пойдет и в прямом и в обратном направлении, и лампочка загорится в обоих случаях.

Если цепь содержит диод, но не содержит конденсатор, то электрический ток пойдет в одном направлении, а в противоположном не пойдет. Значит, в одном направлении лампочка загорится, а в противоположном гореть не будет.

Если же цепь содержит конденсатор, то возможны два варианта в зависимости от ёмкости конденсатора. При малой емкости конденсатора наша лампочка просто не загорается и при прямом и при обратном направлении электрического тока. А при большей емкости время зарядки-разрядки конденсатора будет достаточным, чтобы мы увидели вспышку лампочки.

12.В моей научной работе я дала три способа решения задачи. Я из них я объясню самый интересный и более понятный способ.

Решения задачи.

Поиск решения проводим в три этапа.

На первом этапе будем искать резистор и проводник. Для этого с помощью лампочки и батарейки соединяем все возможные пары при прямом и обратном приложении напряжения. Выделяем те два контакта, между которыми ток идёт в обоих направлениях. Обозначим их выводы 1 и 2. Ясно, что тогда выводы 3 и 4 будут соответствовать конденсатору и диоду.

На втором этапе определим, какой вывод соответствует конденсатору, а какой диоду. Для этого каждый из них соединим с выводом 1 (резистор или проводник). Если в случае приложения напряжения в обоих направлениях ток не идет, мы имеем конденсатор. В случае большой емкости в обоих случаях мы будем наблюдать вспышку света. Если же в случае приложения напряжения лампочка загорается, а при приложении напряжения обратного направления лампочка не загорается, то мы имеем диод.

Итак, мы определили вывод «черного ящика», который соответствует конденсатору, и вывод, который соответствует диоду.

Третий этап. Теперь, используя вывод диода, определяем какой из контактов 1 или 2 принадлежит проводнику, а какой резистору. Для этого вывод диода соединим последовательно с выводами 1 и 2 в прямом и обратном приложении напряжения. Лампочка будет гореть ярче, когда мы попадем на проводник. Итак, решение получено.

13. Заключение.

В процессе своей работы я узнала, что такое пассивные элементы и как они ведут себя в цепи электрического тока.

В процессе этой работы я изучила теоретические вопросы, связанные с пассивными элементами. А в процессе решения задачи для проведения опыта с расшифровкой «черного ящика» я построила две модели «черного ящика» с четырьмя выводами. В эксперименте используется источник тока, электрическая лампочка и проводник.

Рассмотрены два варианта поставленной задачи и рассмотрены триподхода к решению этих задач.

В результате этой работы я расширила свой кругозор, так как изучила роль каждого из рассмотренных элементов в науке и технике.

14.В процессе работы я узнала математическое описание процессов зарядки-разрядки конденсатора.

Закон, по которому происходит разрядка конденсатора, имеет вид U= U₀×ℓ^-t/RC . Падение напряжения при разрядке конденсатора происходит по экспоненте. При возрастании времени напряжение U стремится к нулю.

Закон, по которому происходит зарядка конденсатора, имеет вид U= U₀×(1-ℓ^-t/RC). В процессе зарядки при t=0 напряжение U_t=0=0 , а с возрастанием времени ℓ^-t→0 и U→U₀. Это перевернутая экспонента.

Интересно, что в момент времени t=R·C напряжение равно U=U₀×ℓ^-t/RC=U₀×ℓ^-1=U₀/3, т.е. к этому моменту времени напряжение U падает до U₀/3, и лампочка перестает гореть, уже не хватает мощности.

Я узнала, что радиофизики, когда хотят создать цепочку из резистора и конденсатора, то подбирают пару R и C так, чтобы иметь заданное время разрядки конденсатора. Если мы хотим, чтобы это время равнялось 1секунде, то нужно подобрать RC=1. Например, для R=10⁵Ом нужно взять конденсатор с емкостью С=10мкф=10^-5ф, как и было сделано в одном из наших экспериментов.