Ответы на контрольные вопросы по лаб. раб. №5


Ответы на контрольные вопросы по лаб. раб. №5
1 Сформулировать закон Ома для участка цепи; для участка цепи с источником ЭДС; для замкнутого контура.
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.


Рисунок 2 – Участок цепи с источником электрической энергии

где r – внутреннее сопротивление источника электрической энергии;
r – сопротивление участка цепи вне источника электроэнергии;
– напряжение между концами участка;
Е – ЭДС источника.
“+” – в случае совпадения направлений тока и ЭДС на участке;
“ – ” – в случае их встречного направления.

где – сумма внутренних сопротивлений источников электрической энергии;
– сумма сопротивлений внешних участков;
– алгебраическая сумма ЭДС данного контура.
Дать определение узла, ветви, контура, простой цепи, сложной цепи.
К простым относят электрические цепи, которые содержат либо один источник электрической энергии, либо несколько находящихся в одной ветви электрической цепи.

Самая простая электрическая цепь состоит из :источника тока
потребителя электроэнергии
замыкающего и размыкающего устройства
соединительных проводов.
К сложным электрическим цепям относят цепи, содержащие несколько источников электрической энергии, включенных в разные ветви.

Дать определение источника ЭДС, источника напряжения, источника тока.
Источники ЭДС - это такие элементы электрической цепи, у которых разность потенциалов на выходе не зависит от величины и направления протекания тока, т.е. их вольтамперные характеристики (ВАХ) представляют собой прямые линии параллельные оси I.
Источники напряжения – это устройства, преобразующее один из видов энергии в электрическую энергию.
Источники тока - это такие элементы электрической цепи, у которых протекающий через них ток не зависит от знака и значения разности потенциалов на выходе, т.е. их (ВАХ) представляют собой прямые линии параллельные оси U.
Сформулировать первый и второй законы Кирхгофа.
Сформулировать принцип баланса мощностей.
Дать определение единиц электрических величин: ампер, вольт.
Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенного на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу .
Вольт – это напряжение между двумя точками цепи, когда при перемещении заряда в 1 Кл совершается работа в 1 Дж.
Дать определение: электрический ток, сила тока, электрический потенциал, электрическое напряжение, напряженность электрического поля, работа и мощность электрического тока.
Сила тока I – это количество электричества q, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени t.
Напряжение – это скалярная величина, равная работе, которая совершается при перемещении единицы положительного электричества между двумя точками цепи:

Напряженность – это сила F, действующая на единицу положительного электричества в данной точке поля. Это величина векторная:

Работа источника электрической энергии при перемещении заряда вдоль некоторого участка цепи равна произведению этого заряда на напряжение между концами этого участка.

где А – работа, Джоуль [Дж].
Если заряд переносится равномерно в течение времени t током I, то перенесённый заряд будет

тогда
(17)
при постоянных значениях U и I.
А в случае изменяющихся значений напряжения и силы тока, работа за промежуток времени будет:

Отношение работы к соответствующему промежутку времени называется мощностью:
(19)
при постоянных U и I.
При изменяющихся значениях тока и напряжения используется понятие мгновенная мощность:

8 Пояснить устройство и принцип действия электроизмерительных приборов:
а) магнитоэлектрической системы;

В магнитоэлектрических приборах вращающий момент создается взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и измеряемого постоянного тока в катушке механизма. В воздушном зазоре 1 (рис. 7.1) между неподвижным стальным цилиндром 2 и полюсными наконечниками NS не подвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с об­моткой 3, состоящей из w витков изолированной проволоки.Рамка жестко соединена с двумя полуосями О и О', которые своими концами опираются о подшипники. На полуоси О закреплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5', через которые к катушке подводится измеряемый ток I, противовесы 6. Полюсные наконечники NS и стальной цилиндр 2 обеспечивают в зазоре 1 равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В. В результате взаимодействия магнитного поля с током в проводниках обмотки 3 создается вращающий момент. Рамка с обмоткой при этом поворачивается и стрелка отклоняется на угол a. Электромагнитная сила , действующая на обмотку, равна Fэм=wBlI.
Вращающий момент, создаваемый силой Fэм Рис.7.1.
Mвр = Fэмd = wBlI = C1I1 ,
где d и l— ширина и длина рамки (обмотки); C1 — коэффициент, зависящий от числа витков w, размеров обмотки и магнитной индукции В.
Повороту рамки противодействуют спиральные пружинки 5 и 5', создающие противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания a:
Мпр=С2a ,
где С2 — коэффициент, зависящий от жесткости пружинок.
Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов Мвр=Mпр, т.е. когда С1I=С2a.
Угол поворота стрелки

пропорционален току. Следовательно, у приборов магнитоэлектрической системы шкала равномерная, что является их достоинством.
При изменении направления тока изменяется направление вращающего момента (определяемое правилом левой руки). При включении прибора магнитоэлектрической системы в цепь переменного тока на катушку действуют быстро изменяющиеся по значению и направлению механические силы, среднее значение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нулевого положения. Поэтому эти приборы нельзя применять непосредственно для измерений в цепях переменного тока.
Успокоение (демпфирование) стрелки в приборах магнитоэлектрической системы происходит благодаря тому, что при перемещении алюминиевой рамки в магнитном поле постоянного магнита NS в ней индуктируются вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с магнитным полем возникает момент, действующий на рамку в направлении, противоположном ее перемещению, вызывая быстрое успокоению колебаний рамки.
Достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются: точность показаний, малая чувствительность к посторонним магнитным полям, равномерность шкалы, незначительное собственное потребление мощности. К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобразователей при измерении в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам.
б) электромагнитной системы;

Принцип действия электромагнитных приборов основан на втягивании стального сердечника в неподвижную обмотку с током. Неподвижный элемент прибора — обмотка 1, выполненная из изолированной проволоки, включается в электрическую цепь (рис. 7.2).
Подвижный элемент — стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка,— эксцентрично укреплен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток I в витках обмотки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в обмотку. При этом ось О поворачивается и стрелка прибора отклоняется на угол a.
Магнитная индукция В в сердечнике (при отсутствии насыщения) пропорциональна току обмотки. Сила F, с которой сердечник втягивается в обмотку, зависит от тока и магнитной индукции В в сердечнике. Приближенно можно принять, что сила F, а следовательно, и обусловленный ею вращающий момент пропорциональны квадрату тока в катушке:
Мвр=СI 2.
Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу a. В связи с этим угол отклонения стрелки находится в квадратичной зависимости от тока; шкала прибора оказывается неравномерной.
Для успокоения подвижной части прибора обычно применяют воздушный демпфер. Он состоит из цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси О. Сопротивление воздуха, оказываемое перемещению поршня в цилиндре, обеспечивает быстрое успокоение стрелки.Для ослабления влияния посторонних магнитных полей в некоторых приборах на оси подвижной части (рис. 7.3) укреплены два одинаковых сердечника, каждый из которых размещен в магнитном поле соответствующей обмотки (1 и 2), которые включены между собой последовательно. Направление намотки обмоток выполнено так, что их магнитные поля Ф1 и Ф2 направлены в противоположные стороны. Моменты,созданные магнитными полями каждой обмотки, действуют на ось согласно Mвр1 + Mвр2 = Mвр. Постороннее магнитное поле Фвн ослабляет поток Ф1, но усиливает поток Ф2. В результате общий вращающий момент Мвр остается неизменным и зависит от измеряемого тока I. Приборы такой конструкции называются астатическими. Для уменьшения погрешности измерений, вносимой посторонними магнитными полями, некоторые приборы экранируют, помещая их в стальные корпуса.
Достоинства приборов электромагнитной системы: простота конструкции, пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока, надежность в эксплуатации. К недостат­кам относятся неравномерность шкалы, влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что магнитное поле обмотки расположено в воздушной среде и поэтому его магнитная индукция невелика.
в) электродинамической системы;
Приборы этой системы (рис. 7.4,а) состоят из двух обмоток: неподвижной 1 и подвижной 2. Подвижная обмотка укреплена на оси OO' и расположена внутри неподвижной обмотки. На оси OO' подвижной обмотки укреплены указательная стрелка 3 и спиральные пружинки 4 и 4', через которые подводится ток к обмотке 2. Эти же пружинки создают противодействующий момент Мпр, пропорциональный углу закручивания a. Принцип действия прибора (рис. 7.4,б) основан на взаимодействии тока I2 подвижной обмотки с магнитным потоком Ф1, неподвижной обмотки.
При постоянном токе электромагнитная сила Fэм, действующая на проводники подвижной обмотки, пропорциональна току и магнитному потоку Ф1. Поскольку поток Ф1 пропорционален току I1 неподвижной обмотки, вращающий момент, действующий на подвижную обмотку, пропорционален произведению токов обмоток:
Мвр= С' Ф1I2 = С"I1I2 , где С' и С" — коэффициенты пропорциональности.
При переменном токе вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значений токов:
i1 = I1mּsin(ωt) и i2 = I2mּsin(ωt + ψ).
Показание прибора в этом случае определяется средним за период значением вращающего момента:
Мвр = ψ.
Здесь С — коэффициент, зависящий от числа витков, геометрических размеров и расположения катушек; I1 и I2 — действующие значения токов в обмотках; ψ— угол сдвига фаз между векторами токов I1 и I2.
При равенстве моментов (Mвр = Мпр) подвижная обмотка отклоняется на угол α и стрелка указывает на шкале числовое значение измеряемой электрической величины. Для успокоения подвижной части прибора используют воздушные демпферы. Электродинамические приборы применяют для измерения мощности, тока и напряжения в цепях переменного тока.
Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью (обусловленной отсутствием ферромагнитных сердечников) и могут быть использованы для измерения электри­ческих величин в цепях постоянного и переменного тока. Недостатками приборов являются чувствительность к перегрузкам и влияние посторонних магнитных полей на точность измерений. Приборы этой системы используются в качестве амперметров, вольтметров, и ваттметров.
г) индукционной системы.
Принцип действия индукционных приборов поясним на упрощенной схеме устройства однофазного счетчика переменного тока (рис. 7.5,а—в).
Основными элементами прибора являются: трехстержневой электромагнит 1 с обмоткой 2, имеющей большое число витков из тонкой проволоки; П-образный электромагнит 3 с обмоткой 4, имеющей небольшое число витков из толстой проволоки; алюминиевый диск 5, который может вращаться вокруг оси 6.
Обмотка 2 включается параллельно измеряемой цепи, а обмотка 4 — последовательно с этой цепью.
Ток I1 в катушке 4 образует магнитный поток Ф1 который дважды пересекает алюминиевый диск 5. Ток I2 в обмотке 2 создает магнитный поток, часть которого Ф2 также пронизывает диск 5 (поток Ф2 замыкается по стальной скобе 7).
Ток I1 и напряжение U сдвинуты по фазе на угол j, значение которого определяется характером нагрузки, присоединенной к линии Л. Ток I2 благодаря большой индуктивности обмотки 2 отстает по фазе от напряжения U на угол, близкий к 90°. Магнитные потоки Ф1 и Ф2 совпадают по фазе с вызвавшими их токами I1 и I2 (рис.7.5, г). Поток Ф1 пропорционален току нагрузки I1, а поток Ф2 — напряжению сети.
Переменные потоки Ф1, и Ф2 индуктируют в алюминиевом диске ЭДС E1 и Е2, отстающие по фазе от этих потоков на 90°. ЭДС E1 и E2 вызывают в диске токи IД1, и IД2 которые можно считать совпадающими по фазе с вызвавшими их ЭДС. Примерная картина распределения токов в диске показана на рис.7.5,б.
Мгновенное значение силы Fэм действующей на элемент диска с током iд, равно
Fэм = kФiд = kФmsin(ωt)ּIдmsin(ωt +ψ),
где k — коэффициент пропорциональности; ψ — угол сдвига фаз между потоком Ф и током Iд.
Среднее за период значение силы FэмFср= эм dt = ωtּsin(ωt+ ψ)dt = k2ФIдcos ψ. (7.1)
Из векторной диаграммы видно, что углы между потоком Ф1 и током Iд1 и между потоком Ф2 и током Iд2 равны 90°, угол между потоком Ф1 и током Iд2 составляет (180° — j), а угол -между потоком Ф2 и током Iд1 равен j.
Учитывая это и исходя из (7.1), находим, что силы взаимодействия магнитных потоков Ф1 и Ф2 с токами Iд1 и Iд2 создают результирующий момент, вращающий диск:
Мвр = С1Ф1Iд2 cos(180˚− j) + С2Ф2Iд1 cos j = C 'Ф1Ф2 cos(180˚− j) + С 'Ф1Ф2 cos j = CUI1cos j = CP, (7.2)
где C', С1, С2 — коэффициенты пропорциональности; Р — активная моность,птребляемая нагрузкой.
Из (7.2) следует, что вращающий момент, действующий на диск счетчика, пропорционален мощности Р.
Для создания противодействующего момента предусмотрен постоянный магнит 8 (рис.7.5а и б). При вращении диска поле постоянного магнита, индуктирует в нем вихревые токи, ко­торые в соответствии с законом Ленца противодействуют вращению диска. Поскольку значение вихревых токов пропорционально частоте вращения диска п, противодействующий момент также пропорционален n:
Мпр = Соn.
Так как вращающий момент Мвр при установившейся частоте вращения диска уравновешивается противодействующим моментом Мпр, из формул (7.1) и (7.2) следует, что частота вра­щения диска пропорциональна мощности Р:
Число оборотов N, которое диск сделает за время t, будет пропорционально энергии W, полученной из сети нагрузкой за это же время:
Величина W/N=C0/C называется постоянной счетчика и представляет собой электрическую энергию, соответствующую одному обороту диска.
Счетчик снабжается счетным механизмом, связанным червячной передачей с осью диска. Измеряемая счетчиком энергия отсчитывается по показаниям счетного механизма.
Условные обозначения электроизмерительных приборов.
Погрешности измерений и электроизмерительных приборов
Показания электроизмерительных приборов несколько отличаются от действительных значений измеряемых величин. Это вызвано непостоянством параметров измерительной цепи (изменение температуры, индуктивности и т. п.), несовершенством конструкции измерительного механизма (наличие трения и т. д.) и влиянием внешних факторов (внешние магнитные и электрические поля, изменение температуры окружающей среды и т. д.).
Разность между измеренным Аи и действительным Ад значениями контролируемой величины называется абсолютной погрешностью измерения:
ΔА = Аи─ Ад.
Если не учитывать значения измеряемой величины, то абсолютная погрешность не дает представления о степени точности измерения. Действительно, предположим, что абсолютная погрешность при измерении напряжения составляет DU = 1 В. Если указанная погрешность получена при измерении напряжения в 100 В, то измерение произведено с достаточной степенью точности. Если же погрешность DU = 1 В получена при измерении напряжения в 2 В, то степень точности недостаточна. Поэтому погрешность измерения принято оценивать не абсолютной, а относительной погрешностью.
Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах.
Поскольку действительное значение измеряемой величины при измерении не известно, для определения ΔU и γ можно воспользоваться классом точности прибора, представляющим собой обобщенную характеристику средств измерений, определяемую предельными допустимыми погрешностями.
Амперметры, вольтметры и ваттметры подразделяются на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, обозначающая класс точности, определяет наибольшую положительную или отрицательную основную приведенную погрешность, которую имеет данный прибор.
Под основной приведенной погрешностью прибора понимают абсолютную погрешность, выраженную в процентах по отношению к номинальной величине прибора.
11 Номинальные величины приборов
Наибольшие значения напряжений, токов и мощностей, которые могут быть измерены перечисленными приборами называются номинальными напряжениями Uном, токами Iном и мощностями Pном соответственно вольтметров, амперметров и ваттметров.
Номинальная мощность ваттметра в отличие от его номинальных напряжения и тока указывается не всегда. Для ваттметра номинальное напряжение представляет собой наибольшее напряжение, на которое может быть включена обмотка напряжения; номинальным током является наибольший ток, на который рассчитана последовательная обмотка.
Если номинальная мощность ваттметра не дана, то ее можно подсчитать по номинальному напряжению и току: Pном= UномIном .
12 Чувствительность приборов.
Под чувствительностью приборов понимают число делений шкалы, приходящееся на единицу измеряемой величины. Чувствительность вольтметра, амперметра и ваттметра может быть определена следующим образом:
SU = N /Uном , делений на вольт;
SI = N /Iном , делений на ампер;
SР = N /Рном, делений на ватт.
Очевидно, что S = 1/С.

Приложенные файлы

  • docx 798826
    Размер файла: 182 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий