Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу icon

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу




Скачати 208.12 Kb.
НазваМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу
Дата конвертації25.03.2014
Розмір208.12 Kb.
ТипМетодичні вказівки


Одеський національний політехнічний університет

Кафедра теоретичних основ та загальної електротехніки


ЗАВДАННЯ ТА МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з курсу

«Теоретичні основи електротехніки»


Робота № 2

Використання законів Кірхгофу

при експериментальному аналізі електричних кіл


Одеса 2013

1 МЕТА РОБОТИ

Метою роботи є вироблення навичок застосування законів Кірхгофу під час експериментального аналізу електричних кіл.


2 КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

2.1 Закони Кірхгофу

Закони Кірхгофу є основними законами електричних кіл, на яких базуються усі методи їх розрахунку та експериментального дослідження. Ці закони вперше були сформульовані в 1845-1847 роках німецьким фізиком Густавом Робертом Кірхгофом (1824 – 1887).

Перший закон Кірхгофу стосується вузлів електричного кола та формулюється таким чином: алгебраїчна сума струмів, що діють в будь-якому вузлі електричного кола, дорівнює нулю:

. (1)

Тут - кількість струмів діють у вузлі (кількість гілок, що утворюють вузол). Знак «+» в цій сумі прийнято ставити у разі, коли струм у гілці направлено до вузла. Якщо струм направлено від вузла, ставиться знак «–».

По суті, враховуючи, що електричний струм – це швидкість переміщення зарядів, цей закон встановлює неможливість накопичення електричного заряду у вузлах кола: заряду, що прийшов до вузла дорівнює заряду, що вийшов з нього.

Другий закон Кірхгофу стосується контурів електричного кола та формулюється таким чином: алгебраїчна сума напруг, що діють на елементах будь-якого контуру електричного кола, дорівнює нулю:

. (2)

Тут - кількість елементів, що входять до складу контуру електричного кола. Для вибору знаку перед напругою перед початком складання рівняння треба задати умовний позитивний напрям обходу контуру. Якщо напрям дії напруги на елементі контуру співпадає з обраним напрямом обходу контуру, вона входить до рівняння із знаком «+», а якщо не співпадає – то «–».

Обидва закони використовуються для розрахунку струмів у гілках електричного кола або для перевірки правильності вимірювання струмів та напруг.

В цій лабораторній роботі закони Кірхгофу використовуються саме для перевірки правильності вимірювань струмів та напруг в колі, що досліджується.

Перед вимірюваннями струмів та напруг треба задатися умовними позитивними напрямами струмів у всіх гілках кола, позначивши їх на схемі кола.

2.2 Порядок виміру струмів у гілках


Для виміру струму в якійсь гілці електричного кола використовується вимірювальний прилад – амперметр, який розташовано на стенді. Амперметр повинен бути ввімкнений послідовно з елементами гілки, щоб через нього проходив той же самий струм, що й через інші елементи (рис. 1).

Рисунок 1 – Ввімкнення амперметру для виміру струму

Перед вимірюванням обов’язково треба задатися умовним позитивним напрямом струму у цій гілці, як це позначено на рисунку.

При ввімкненні амперметру обов'язково треба звертати увагу на полярність його підключення. Зважаючи на те, що струм завжди діє від точки з більшим значенням потенціалу («+») до точки з меншим («–»), то обраний позитивний напрям дії струму визначає полярність підключення амперметру. Так, на рис. 1 позитивний напрям дії струму обрано від лівого вузла до правого. Тобто передбачається, що потенціал лівого вузла більший за потенціал правого. Тому амперметр треба підключити затискачем «+» до лівого вузла, а затискачем «–» а – до правого. Якщо при цьому показ амперметру буде позитивним, то це означає що дійсний напрям струму відповідає обраному. Показ із знаком «мінус» свідчить пор протилежність дійсного та обраного напрямів.

2.2 Порядок виміру напруг на елементах.

Для виміру напруги використовується розташований на стенді вимірювальний прилад – вольтметр. Вольтметр повинен бути ввімкнений паралельно до елементу, на якому вимірюється напруга.

Полярність напруги на резисторі визначає напрям дії його струму. При цьому правило таке ж, як і у попередньому випадку – струм завжди діє від точки з більшим значенням потенціалу («+») до точки з меншим («–»). Відповідно до цього, як це позначено на рис. 2, виконується підключення вольтметру до резистора.

Р
исунок 2 – Ввімкнення вольтметру для виміру напруги на резисторі

Полярність напруги на джерелі напруги не залежить від напряму дії його струму. Вона залежить тільки від внутрішніх властивостей джерела. На схемах полярність позначається стрілкою, що розташована у середині умовного позначення. Напрям стрілки показує на позитивний полюс джерела. Відповідно до цього, як це позначено на рис. 3, виконується підключення вольтметру до джерела напруги.


Р
исунок 3 – Ввімкнення вольтметру для виміру напруги на джерелі


Потужність , що її генерує або споживає кожен елемент, вимірюється в ватах () та визначається за формулою

,

де – напруга на елементі, – його струм.

Пасивні елементи кола (такі, як резистори) завжди споживають потужність та завдяки нагріву розсіюють іі в просторі. Активні елементи (джерела напруги або струму) можуть або генерувати її, або також споживати. Генерує чи споживає потужність активний елемент залежить від напрямів його струму та напруги. Якщо ці напрями співпадають між собою, то елемент споживає потужність, а якщо не співпадають, то генерує її.

Згідно із законом збереження енергії, сума потужностей, що генеруються активними елементами () повинна дорівнювати сумі потужностей, що споживаються ():

.

Це рівняння зветься рівнянням балансу потужностей. Рівняння балансу використовується для перевірки правильності розрахунків або вимірювань струмів та напруг в колі.


^ 3 ЗАВДАННЯ ДО РОБОТИ

3.1 Завдання для домашньої підготовки

Під час підготовки до роботи студенти повинні:

  1. Вивчити теоретичний матеріал згідно із наведеним переліком літератури. Для перевірки засвоєння матеріалу рекомендується відповісти на контрольні питання до роботи.

  2. Підготувати заготовку звіту з роботи згідно із наведеним прикладом (Додаток 2). В заготовці звіту треба оформити титульний лист, викласти мету та основні теоретичні положення, намалювати схему для дослідження згідно із варіантом (Додаток 2), навести перелік усіх використаних вимірювальних приладів, підготувати заготовки для усіх таблиць, в які будуть заноситись дані експерименту під час роботи.

  3. Задатися умовними позитивними напрямами струмів у кожній гілці схеми та відобразити їх в схемі, що наведена в звіті. Ці напрями будуть використовуватись при вимірюваннях для визначення дійсних напрямів струмів під час виконання роботи.

3.2 Завдання по роботі в лабораторії

  1. Зібрати на стенді електричне коло у відповідності до варіанту (Додаток 1).

  2. Виміряти струми в усіх гілках кола та визначити їх напрями.

  3. Виміряти напруги на усіх елементах кола.

Кожна окрема бригада студентів, що працює за окремим стендом, виконує виміри струмів та напруг у схемі, що обирається з наведених в Додатку 1. Номер схеми для дослідження завжди відповідає номеру лабораторного стенду, за яким працює бригада. Цей номер визначається на вступному занятті, доводиться до відома студентів викладачем та не змінюється на протязі усього часу навчання.

^ 4 ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ


4.1 Програма роботи в лабораторії

1. Зібрати на наборному полі стенду схему згідно з варіантом. Номер варіанту відповідає номеру стенду, за яким виконується робота. В якості резисторів слід використовувати елементи наборного поля з номерами 01 – 06 відповідно. В якості джерела напруги завжди треба використовувати нерегульоване джерело живлення стенду (ДН), а в якості іншого – регульоване (ДР), попередньо встановивши на ньому вказану викладачем напругу.

Параметри елементів кола, що досліджується, занести в таблицю 1.

Таблиця 1 – Параметри елементів кола

Позначення на схемі

















Значення






























Увага!

  1. В якості значень опору резисторів слід брати фактичні опори, що були виміряні на ознайомчій роботі.

  2. Під час збирання схеми у кожній гілці треба залишити хоча б одну пару вільних гнізд для послідовного ввімкнення у схему амперметру з метою вимірювання струмів. Ці гнізда при збирані треба замкнути перемичкою.


2. Виміряти значення струмів в усіх гілках кола та визначити їх реальні напрями. Результати вимірювань занести в таблицю 2:

Таблиця 2 – Значення струмів в гілках кола

Струм













Значення (mА)




















Увага! При вимірюванні струмів амперметр треба підключати до вільних гнізд, що залишені у кожній гілці. При підключенні треба враховувати правила вибору полярності, викладені в п. 2. При виконанні цих правил значення струмів слід записувати із тим самим знаком, що є на табло амперметру.

Не забувайте замкнути гнізда після вимірювання!


3. Виміряти напругу на всіх елементах кола. Результати вимірювань занести в таблицю 3.

Увага! При підключенні вольтметру треба враховувати правила вибору полярності, викладені в п. 2. При виконанні цих правил значення напруг слід записувати із тим самим знаком, що є на табло вольтметру.


Таблиця 3 – Напруга на елементах кола

Напруга

















Значення,



























4.2. Домашнє завдання

1. Перевірити правильність виміру струмів, склавши для кожного вузла схеми рівняння першого закону Кірхгофу. Для кожного рівняння визначити відносну похибку відхилення суми струмів від нуля (в процентах) за формулою:

, (3)

де – кількість струмів, що входить в рівняння відповідного вузла, – максимальний (по модулю) струм даного вузла. Зверніть увагу, що при обчисленні похибки усі значення потрібно брати за модулем.


2. Перевірити правильність виміру напруг, склавши для кожного незалежного контуру схеми рівняння другого закону Кірхгофу. Для кожного рівняння визначити відносну похибку відхилення суми напруг від нуля (в процентах) за формулою:

. (4)

де – кількість напруг, що входять у даний контур, – максимальна (по модулю) напруга даного контуру.

  1. За результатами вимірювань струмів та напруг (таблиці 2 та 3) розрахувати потужність кожного елементу схеми. Результати розрахунків занести в таблицю 4.

  2. Скласти рівняння балансу потужності та переконатися в його виконанні.

  3. Завершити оформлення звіту по роботі, зробити висновки по роботі та занести їх у звіт.


Таблиця 4 – Розрахунок потужності елементів кола

Елементи

Пасивні

Активні

















Струм (),

























Напруга (),

























Потужність (),


























7. Підготуватися до захисту шляхом вивчення теоретичного матеріалу та відповідей на контрольні питання.

4.3. Додаткове домашнє завдання (виконується тільки за вказівки викладача).

  1. Для схеми, що досліджується розрахувати струми у гілках за допомогою методу рівнянь Кірхгофу. Порівняти розраховані та експериментально визначені струми.

  2. Для контуру, що містить два джерела енергії побудувати потенціальну діаграму (потенціальний графік).


4.4. Порядок оформлення звіту

Звіт по роботі, крім титульного листа, повинен містити (див. Додаток 2):

  1. Мету роботи

  2. Короткі теоретичні положення

  3. Дані для проведення роботи:

3.1. Схема кола, що досліджується. Схема може бути виконана на комп’ютері або вручну. Увага! При кресленні схеми треба суворо дотримуватись діючих стандартів!

3.2. Таблиця з параметрами елементів кола (значеннями опорів резисторів та е.р.с. джерел напруги)

3.3. Перелік використаних вимірювальних приладів

  1. Опис ходу експерименту з таблицями значень досліджуваних струмів, напруг, тощо.

  2. Опис обробки результатів експерименту із відповідними таблицями та графіками (за потреби). Повинні бути наведені усі розрахункові формули із підстановкою числових значень та результатом розрахунку

  3. Висновки по роботі.

Контрольні питання

  1. Що таке вузол електричного кола?

  2. Як визначити кількість незалежних вузлів електричного кола?

  3. Що таке «розтягнутий» вузол?

  4. Схема містить три гілки. Скільки вузлів має ця схема?

  5. Сформулюйте перший закон Кірхгофу

  6. Яким правилом треба користуватися при визначенні знаку струму в рівнянні першого закону Кірхгофу?

  7. Що встановлює перший закон Кірхгофу стосовно електричних зарядів?

  8. Скільки років було Кірхгофу, коли він відкрив свої закони?

  9. Що таке умовний позитивний напрям струму? Чи можна обрати його довільно?

  10. Потенціал вузла дорівнює –15, а вузла 20. В якому напрямку діє струм в гілці, що з’єднує ці вузли?

  11. Струм резистору з опором 10 діє від затискача 1 до затискача 2 та дорівнює 5. Чому дорівнює потенціал затискача 2 цього резистора, якщо потенціал затискача 1 становить –30?

  12. Що таке контур електричного кола?

  13. Що таке незалежний контур?

  14. Схема містить три гілки. Скільки контурів містить ця схема?

  15. Схема містить три гілки. Скільки незалежних контурів містить ця схема?

  16. Сформулюйте другий закон Кірхгофу.

  17. Сформулюйте правило знаків для рівнянь другого закону Кірхгофу.

  18. Що таке ідеальне джерело напруги?

  19. Чим реальне джерело напруги відрізняється від ідеального?

  20. За якою формулою визначається потужність в колах постійного струму?

  21. Що таке генератор електричної енергії?

  22. Що таке споживач електричної енергії?

  23. Напруга на резисторі з опором 15 дорівнює 45. Чому дорівнює потужність, що споживається цим резистором?

  24. Потужність, що споживається резистором з опором 30 становить 120. Чому дорівнює струм цього резистора?

  25. Потужність, що споживається резистором з опором 30 становить 120. Чому дорівнює напруга на цьому резисторі?

  26. Що таке баланс потужностей? На якому законі засноване рівняння балансу?

Перелік рекомендованої літератури

  1. Атабеков Г.И. Основы теории цепей: учебник для вузов. – М.: Энергия, 1969. (стор. 22 – 26)

  2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Учебник для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.:Высшая школа, 1973. (стор. 5 – 15)

  3. Демирчян К. С., Нейман Л. Р., Коровкин Н. В. Теоретические основы электротехники. Учебник для вузов. Том 1 – СпБ: Питер, 2009 г.



ДОДАТОК 1

Схеми для дослідження





С
хеми для дослідження (продовження)

Увага! Номер схеми для дослідження завжди відповідає номеру лабораторного стенду, за яким працює бригада. Цей номер визначається на вступному занятті, доводиться до відома студентів викладачем та не змінюється на протязі усього часу навчання.


ДОДАТОК 2

Зразок оформлення звіту

^ МІНІСТЕРСТВО НАУКИ І ОСВІТИ УКРАЇНИ

Одеський національний політехнічний університет

Кафедра теоретичних основ та загальної електротехніки


ЗВІТ

з лабораторної роботи № 2 по ТОЕ

«Використання законів Кірхгофу при експериментальному аналізі електричних кіл»


Виконав студент групи ЕС-011 Іванов О. П.

Разом із студентами Петровим А. С.,

Коломийченко І. О.

Віріант № 11

Керівник доц. Маєвський Д.А.

Дата виконання 20.09.2013 р.


Оцінка ____________


Одеса 2013

^ 1 МЕТА РОБОТИ

Метою роботи є вироблення навичок застосування законів Кірхгофу під час експериментального аналізу електричних кіл.

2 КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

Закони Кірхгофу є основними законами електричних кіл, на яких базуються усі методи їх розрахунку та експериментального дослідження. Перший закон Кірхгофу формулюється таким чином: алгебраїчна сума струмів, що діють в будь-якому вузлі електричного кола, дорівнює нулю:

, (1)

де - кількість струмів діють у вузлі.

Другий закон Кірхгофу формулюється таким чином: алгебраїчна сума напруг, що діють на елементах будь-якого контуру електричного кола, дорівнює нулю:

, (2)

де - кількість елементів, що входять до складу контуру електричного кола.

Обидва закони використовуються для розрахунку струмів у гілках електричного кола або для перевірки правильності вимірювання струмів та напруг.

^ 3 ДАНІ ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ

3.1 Схема електричного кола

Схема електричного кола, яке досліджується в роботі, наведено на рис.1.

Р
исунок 1 – Схема кола для дослідження

3.2 Параметри елементів схеми

Параметри елементів схеми наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 – Параметри елементів кола

Позначення на схемі

















Значення





51

62

75

100

150

210

20

17


3.3 Параметри вимірювальних приладів

Перелік вимірювальних приладів, що використано в роботі, наведені в таблиці 2.


Таблиця 2 – Перелік вимірювальних приладів

Позначення на схемі

Тип

Марка

Клас точності

Границя шкали

A













V













^ 4 ОПИС ХОДУ ЕКСПЕРИМЕНТУ

4.1. Визначення струмів у гілках

Для визначення струмів у гілках задаємось їх умовними позитивними напрямами, як показано на рис. 1. Вимірюємо значення струмів в усіх гілках кола. Результати вимірювань заносимо в таблицю 2:

Таблиця 2 – Значення струмів в гілках кола

Струм













Значення (mА)

131

-130

-70

-2

-60

-60,2


Перевіримо правильність вимірювань струмів, склавши для кожного вузла схеми (рис. 1) рівняння першого закону Кірхгофу.

Для вузла 1:

. Похибка .

Для вузла 2:

. Похибка .

Для вузла 3:

. Похибка .

Для вузла 4:

. Похибка .

4.2. Визначення напруг на елементах кола

Вимірюємо напругу на всіх елементах кола. Результати вимірювань заносимо в таблицю 3.

Таблиця 3 – Напруга на елементах кола

Напруга

















Значення,

6,8

-8,2

-5,3

-0,2

-9,1

-12.9

20

17


Перевіримо правильність виміру напруг, склавши рівняння другого закону Кірхгофу для кожного контуру кола. Маємо:

.

Похибка .

.

Похибка .

.

Похибка .

Проведемо розрахунок потужностей кожного елементу кола. результати розрахунку наведено в таблиці 4.


Таблиця 4 – Розрахунок потужності елементів кола

Елементи

Пасивні

Активні

















Струм (),

0,131

-0,13

-0,07

-0,002

-0,06

-0,062

0,131

-0,06

Напруга (),

6,8

-8,2

-5,3

-0,2

-9,1

-12.9

20

17

Потужність (),

0,89

1,1

0,37

0,0004

0,55

0,8

2,62

-1,02


Висновки

1. Струми та напруги було виміряно вірно, про що свідчить перевірка результатів вимірювань за допомогою рівнянь Кірхгофу.

2. Негативне значення потужності джерела не свідчить про те, що воно працює в режимі споживача електричної енергії. Згідно з табл. 1, дійсний напрям струму є протилежним обраному на рис. 1 його умовному позитивному напряму, тобто напрям е.р.с. джерела співпадає з напрямом струму через нього. Тобто, джерело працює в режимі генератора.

3. Сумарна розрахункова потужність, що її генерують джерела становить 3,64 W, а потужність, що споживається резисторами становить . Баланс потужностей виконується із похибкою 1,8%, що теж свідчить про достатню точність вимірювань.





Схожі:

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт із курсу „основи океанології дніпропетровськ рвв дну
Уміщені методичні вказівки до виконання лабораторних робіт із дисципліни „Основи океанології”. Наведені рекомендації до виконання...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconМетодичні вказівки до лабораторних робіт з теоретичних основ електротехніки цикл з для студентів електроенергетичного та
Методичні вказівки до лабораторних робіт з теоретичних основ електротехніки. Цикл Для студентів електроенергетичного та електротехнічного...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу " Моделювання і проектування інформаційних систем в економіці " для студентів напряму підготовки 050103
Л.І. Гончар, Т. В. Гончар // Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу „ Моделювання і проектування інформаційних...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconПротокол № від 2013 р. Одеса онпу 2013 Завдання та методичні вказівки до виконання курсової роботи «Розрахунок перехідних процесів в лінійних електричних колах»
«Теоретичні основи електротехніки» по курсу «Теорія електричних та магнітних кіл» для студентів напрямку: 050201 – Системна інженерія...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconПротокол № від 2013 р. Одеса онпу 2013 Завдання та методичні вказівки до виконання курсової роботи «Розрахунок перехідних процесів в лінійних електричних колах»
«Теоретичні основи електротехніки» по курсу «Теорія електричних та магнітних кіл» для студентів напрямку: 050201 – Системна інженерія...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу „Моделювання систем", для студентів напрямку „Комп’ютерні науки". Тернопіль, 2004. 59с
Р. П. Шевчук., Л.І. Гончар // Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу „Моделювання систем”, для студентів напрямку...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconМетодичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів напрямів підготовки
Нелінійні електричні кола. Методичні вказівки до лабораторних робіт для студентів напрямів підготовки 050701 «Електротехніка та електротехнології»,...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconМетодичні рекомендації до виконання лабораторних робіт з курсу «інтернет-технології»
Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт з курсу «Інтернет-технології»/ кнукіМ; Укл. Бородкіна І. Л., Матвієнко О....
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconМетодичні вказівки до лабораторних занять (частина 1) Microsoft Word для студентів спеціальностей
Дані методичні вказівки включають 8 лабораторних робіт, по вивченню текстового редактора Word, тематика яких охоплює частину курсу...
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теоретичні основи електротехніки» Робота №2 Використання законів Кірхгофу iconМетодичні вказівки
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни “Основи видавничо-друкарських процесів” для студентів спеціальності “Видавничо-поліграфічна...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©te.zavantag.com 2000-2017
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи