Исследовательская работа «Демонстрационный эксперимент в курсе электротехники среднего профессионального образования» (стр. 6 )

Переходные процессы в цепях конденсатора и индуктивных катушек, как правило, быстротечны, и поэтому их восприятие и изучение затруднительно для обучающихся. Данная разработка предлагает возможное решение этой достаточно актуальной проблемы на основе глубокого исследования электростатического и магнитных полей.

Исследование процессов заряда-разряда конденсатора

Первая часть работы посвящена исследованию процессов заряда-разряда конденсатора, определению заряда и напряжения на его пластинах, энергии электростатического поля в любой момент времени переходного процесса и в конце его. Глубокое знание этих процессов необходимо для успешного изучения всех дальнейших разделов электротехники. Одной из задач работы, как уже говорилось выше, является экспериментальное подтверждение независимости емкости конденсатора от величины напряжения на нем , оценка влияния на время переходного процесса значения емкости конденсатора и величины зарядного (разрядного) резистора.

Так как процессы заряда-разряда конденсатора во многих практических электротехнических устройствах быстротечны, то для исследования применены электролитические конденсаторы большой емкости 10000 мкФ и 4700 мкФ и два резистора R1=539 Ом и R2=587 Ом. В этом случае время переходных процессов вполне достаточно для определения исследуемых величин.

Исследование можно проводить как при заряде конденсатора, так и при его разряде. Исследования при заряде конденсатора проводятся следующим образом. Конденсатор неизвестной для обучающихся емкости через резистор сопротивлением 539 Ом подключается к источнику постоянного тока напряжением 15-25 В. Электронным миллиамперметром с памятью последнего показания и синхронизированным с ним электронным секундомером снимается зависимость зарядного тока от времени i = f(t). Из баланса напряжений U=Uc+iR1, где U – напряжение источника, i – мгновенные значения зарядного тока, R1 – сопротивление резистора; рассчитывается и строится зависимость мгновенных значений напряжений на обкладках конденсатора по формуле Uc= U - iR1. Так как зависимость i(t) получена опытным путем, то искомый заряд, накопленный на пластинах к моменту времени t1, численно равен площади, ограниченной кривой i(t), осью абсцисс и моментом времени t1. По зависимости Uc=f(t) для t1 определяется напряжение на обкладках – U1. По отношению подсчитывается емкость конденсатора. Аналогичным образом определяются заряды и напряжения на обкладках для моментов времени t2, t3. По полученным данным проверяются соотношения ,,. Если выполняется равенство ==, то убеждаемся в независимости емкости конденсатора от состояния его электрических параметров (заряда и напряжения на его обкладках).

Последний вариант исследований положен в основу лабораторной работы «Заряд – разряд конденсатора», для проведения которой можно использовать обычный вольтметр постоянного тока электромагнитной системы с большим внутренним сопротивлением. Ток, потребляемый вольтметром при измеряемом напряжении 40В, не превышает 4 мкА, что никак не влияет на точность экспериментов. Фотография установки для лабораторной работы приведена на рис. 3.

Рис 3.

По итогам предложенной работы можно сформулировать следующие выводы:

  1.  В результате эксперимента при разряде конденсатора на резистор были получены зависимости напряжения на обкладках конденсатора и разрядного тока от времени.

  2.  По полученным данным определена электроемкость конденсатора.

  3.  Экспериментально подтверждена независимость емкости конденсатора от состояния его электрических параметров – напряжения и заряда на его обкладках.

Исследование переходных процессов в катушке индуктивности при подключении ее к источнику постоянного тока и при ее отключении

Вопросы исследования ЭДС самоиндукции катушки, её индуктивности в зависимости от среды в методической литературе не освещаются. Между тем, знания переходных процессов в цепи конденсатора и катушки индуктивности крайне необходимы для изучения дальнейших разделов электротехники: теории цепей переменного тока, принципа работы трансформатора, электрических машин.

Во второй части работы рассматриваются переходные процессы в катушке индуктивности при подключении ее к источнику постоянного тока и при ее отключении от источника с преобразованием накопленной энергии магнитного поля во внутреннюю энергию активного сопротивления катушки. В процессе проведения экспериментов определяются мгновенные значения токов катушки, ЭДС самоиндукции, индуктивность катушки в зависимости от намагничивающего тока (напряженности магнитного поля), а также мгновенные значения энергии магнитного поля.

Эксперименты можно проводить различными методами подключения и отключения катушки от источника. Разработана, наиболее рациональная схема исследования (рис.5). Для проведения эксперимента используются две стандартные дроссельные катушки, установленные на разборный ферромагнитный сердечник универсального трансформатора. Основные и измерительные обмотки двух катушек соединены последовательно. В дальнейшем в схеме установки рабочие и измерительные обмотки обозначены как совместные, рабочая обмотка РО содержит 7200 витков, измерительная обмотка ИО – 80 витков; общее сопротивление 88 Ом. В качестве измерительного прибора используется электронный цифровой милливольтметр с памятью последнего показания, подключаемый к выводам измерительной катушки. Так как измерительная и основная катушки находятся в одном и том же магнитном поле, то есть с одним и тем же магнитным потоком, то показания милливольтметра, умноженные на коэффициент трансформации, численно равны ЭДС самоиндукции основной катушки. Объясняется это следующим образом: модуль ЭДС индукции измерительной катушки (εи) равен εи=n2 (1), где n2 – число витков измерительной катушки. ЭДС самоиндукции основной катушки: εc=L n1 (2), где L – индуктивность витка, а n1 – число ее витков. Проведем преобразования выражений εи=n2 = n2 = L n2; из анализа приведенных соотношений следует: εc= εи. Таким образом, с помощью указанного вольтметра можно снять характеристики и построить зависимость мгновенных значений ЭДС самоиндукции от времени. Используя баланс напряжений, можно построить зависимость мгновенных значений токов катушки, как по накоплению энергии, так и по ее преобразованию в тепловую в сопротивлении катушки.

Рассмотрим метод проведения эксперимента (рис.4): Кп1 – кнопочный пост с двумя парами нормально разомкнутых контактов; Кп2 – кнопочный пост с одной парой нормально разомкнутых контактов и одной парой нормально замкнутых контактов, причем замыкание разомкнутых и размыкания замкнутых контактов при нажатии кнопки происходит одновременно. Rб - балластное сопротивление=100 Ом.

ЭМВ – электронный цифровой милливольтметр с дистанционным управлением памятью последнего показания. Вход ЭМВ присоединен к клеммам измерительной обмотки индуктивной катушки. Выключателем В рабочая обмотка индуктивной катушки через балластный резистор Rб подключается к источнику питания постоянного тока, к клеммам «+» и «-». При этом кнопки Кп1 и Кп2 – отжаты. Регулятором напряжения источника питания устанавливается некоторое напряжение на катушке. При нажатии кнопки Кп1 рабочая обмотка закорачивается накоротко, при этом включаются электронный секундомер и милливольтметр.

В цепи рабочей обмотки РО происходит снижение тока согласно явлению самоиндукции, при этом накопленная энергия магнитного поля преобразовывается в конечном итоге в тепловую в активном сопротивлении рабочей обмотки. Одновременно ЭМВ фиксирует мгновенные значения ЭДС самоиндукции рабочей обмотки, в 90 раз меньше.

По формуле ic=находим и строим зависимость мгновенных значений тока самоиндукции в функции времени. Здесь R=88 Ом – активное сопротивление индуктивных катушек.

По итогам предложенной работы можно сформулировать следующие выводы:

1.  Исследуя переходный процесс в катушке индуктивности, косвенным методом была снята зависимость мгновенных значений ЭДС самоиндукции за все время переходного процесса.

2.  По полученной зависимости из баланса напряжений на участке «источник – катушка – балластный резистор» рассчитана и построена зависимость мгновенных значений тока самоиндукции.

3.  В результате обработки указанных зависимостей рассчитаны значения индуктивности катушки. Анализ расчетов показывает, что с увеличением намагничивающего тока катушки индуктивность катушки уменьшается. При очень малых токах (в начале кривой намагничивания) индуктивность катушки постоянна и многократно больше индуктивности катушки без сердечника.

По результатам исследований и экспериментов в учебный процесс внедряется лабораторная работа «Катушка индуктивности в цепи постоянного тока»