Лабораторная работа «Элементы цепей переменного тока. Емкостное и индуктивное сопротивления, их зависимость от частоты переменного тока и параметров элементов»

Лабораторная работа № 2

Элементы цепей переменного тока. Емкостное и индуктивное сопротивления, их зависимость от частоты переменного тока и параметров элементов.

Цель: изучить зависимость емкостного и индуктивного сопротивлений от частоты переменного тока и параметров элементов.

Краткое теоретическое описание

В цепи переменного тока кроме резисторов могут использоваться катушки индуктивности и конденсаторы. Для постоянного тока катушка индуктивности имеет только активное сопротивление, которое обычно невелико (если катушка не содержит большое количество витков). Конденсатор же в цепи постоянного тока представляет «разрыв» (очень большое активное сопротивление). Для переменного тока эти элементы обладают специфическим реактивным сопротивлением, которое зависит как от номиналов деталей, так и от частоты переменного тока, протекающего через катушку и конденсатор.

1.1. Катушка в цепи переменного тока.

Рассмотрим, что происходит в цепи, содержащей резистор и катушку индуктивности. Колебания силы тока, протекающего через катушку:

вызывают падение напряжения на концах катушки в соответствии с законом самоиндукции и правилом Ленца:

т.е. колебания напряжения опережают по фазе колебания силы тока на /2. Произведение LIm является амплитудой колебания напряжения:

Произведение циклической частоты на индуктивность называют индуктивным сопротивлением катушки:

(1)

поэтому связь между амплитудами напряжения и тока на катушке совпадает по форме с законом Ома для участка цепи постоянного тока:

(2)

Как видно из выражения (1), индуктивное сопротивление не является постоянной величиной для данной катушки, а пропорционально частоте переменного тока через катушку. Поэтому амплитуда колебаний силы тока I_m в проводнике с индуктивностью L при постоянной амплитуде U_L напряжения убывает обратно пропорционально частоте переменного тока:

.

1.2. Конденсатор в цепи переменного тока.

При изменении напряжения на обкладках конденсатора по гармоническому закону: заряд q на его обкладках изменяется также по гармоническому закону:

.

Электрический ток в цепи возникает в результате изменения заряда конденсатора, поэтому колебания силы тока в цепи будут происходить по закону:

Видно, что колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазе от колебаний силы тока на /2. Произведение CU_m является амплитудой колебаний силы тока:

Аналогично тому, как было сделано с индуктивностью, введем понятие емкостного сопротивления конденсатора:

(3)

Для конденсатора получаем соотношение, аналогичное закону Ома:

(4)

Формулы (2) и (4) справедливы и для эффективных значений тока и напряжения.

Порядок выполнения работы

Соберите цепь показанную на рисунке 1.

Установите следующие значения параметров:

Генератор – напряжение (эффективное) 100 В, частота 100 Гц;

Конденсатор – рабочее напряжение 400 В, емкость 10 мкФ;

Резистор – рабочая мощность 500 Вт, сопротивление 100 Ом.

Изменяя емкость конденсатора от 5 до 50 мкФ (через 5 мкФ), запишите показания вольтметров (напряжение на конденсаторе и на резисторе).

С, емкость,мкФ	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
Uконд
Uрез
Iэф
XC

Рассчитайте эффективное значение токов, текущих в цепи, в зависимости от значения емкости конденсатора (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление).

Определите значения емкостных сопротивлений конденсатора для соответствующих значений его емкости и сравните их с рассчитанными по формуле (3).

Установите емкость конденсатора 10 мкФ. Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторите измерения и расчеты емкостного сопротивления в зависимости от частоты переменного тока.

ω,частота,Гц	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uконд
Uрез
XС

С

оберите цепь показанную на рисунке 2.

Рис.1.Рис.2.

Установите следующие значения параметров:

Генератор – напряжение (эффективное) 100 В, частота 100 Гц;

Катушка — индуктивность 50 мГн;

Резистор – рабочая мощность 500 Вт, сопротивление 100 Ом.

Изменяя индуктивность катушки от 50 до 500 мГн (через 50 мГн), запишите показания вольтметров (напряжение на катушке и на резисторе).

L,индукт,мГн	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
Uкатушки
Uрез
Iэф
XL

Рассчитайте эффективное значение токов, текущих в цепи, в зависимости от значения индуктивности катушки (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление).

Определите индуктивные сопротивления катушки для соответствующих значений ее индуктивности и сравните их с рассчитанными по формуле (1).

Установите индуктивность катушки 100 мГн. Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторите измерения и расчеты индуктивного сопротивления в зависимости от частоты переменного тока.

ω,частота,Гц	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Uконд
Uрез
XL

Постройте графики зависимостей индуктивного и емкостного сопротивлений от частоты переменного тока.

3. Контрольные вопросы.

3.1. Почему емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты переменного ток а, индуктивное сопротивление – увеличивается?

3.2. Каковы разницы фаз между током и напряжением для катушки и конденсатора?

3.3. В каких единицах измеряются емкостное и индуктивное сопротивления?

3.4. Как записывается аналог закона Ома для максимальных (эффективных) значений тока и напряжения для реактивных элементов – конденсатора и катушки индуктивности?

Лабораторная работа по физике на тему «Исследование зависимости силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока» (задания)

Лабораторная работа по физике на тему:
«Исследование зависимости силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока»

Цель работы:  изучить влияние электроёмкости на силу переменного тока.

Оборудование: набор неполярных конденсаторов известной ёмкости, регулируемый источник переменного тока ЛАТР, миллиамперметр с пределом измерения до 100 мА переменного тока, вольтметр с пределом измерения до 75 В переменного напряжения, соединительные провода.

Теория
  Постоянный ток не проходит через конденсатор, так как между его обкладками находится диэлектрик. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то после зарядки конденсатора ток в цепи прекратится.

Если же включить конденсатор в цепь переменного тока, то заряд конденсатора (q=CU) вследствие изменения напряжения непрерывно изменяется, поэтому в цепи течёт переменный ток. Сила тока тем больше, чем больше ёмкость конденсатора и чем чаще происходит его перезарядка, т.е. чем больше частота переменного тока.

   Сопротивление, обусловленное наличием электрической ёмкости в цепи переменного тока, называют ёмкостным сопротивлением X_C. Оно обратно пропорционально ёмкости С и круговой частоте ω:

    или, с учётом, что ω=2πν, где ν- частота переменного тока, 

  (1).                                                                                                                                                                                                    

   Из закона Ома для участка цепи переменного тока, содержащего ёмкостное сопротивление, действующее значение тока в цепи равно:    (2).

   Из формулы (2) следует, что в цепи с конденсатором переменный ток изменяется прямо пропорционально изменению ёмкости конденсатора при неизменной частоте тока.

   Графически зависимость силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока изображается прямой линией (рис.1).

 

   В этом и предстоит убедиться опытным путём в данной работе.

Ход работы.

   1. Собрать электрическую схему согласно рисунка 2 и перечертить её в тетрадь:

   2. Подготовить таблицу для результатов измерений и вычислений:

 Частота тока

ν, Гц

 Напряжение

на конденсаторе

U, В

 Ёмкость конденсатора

   С, мкФ

 Ток в цепи

I, мА

Ёмкостное сопротивление

, Ом

измеренное

вычисленное

 

 

         50

 

 

         50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   3. Для каждого конденсатора из набора измерить силу тока при напряжении 50 В.                                  

   4. В каждом опыте рассчитать ёмкостное сопротивление по закону Ома для участка цепи переменного тока: , здесь I — действующее значение тока в мА, U=50 В — действующее значение напряжения.

   5. В каждом опыте вычислите ёмкостное сопротивление по заданным значениям частоты переменного тока ν=50Гц и ёмкости конденсатора 

С: , здесь С — ёмкость в мкФ.                                                                                         

   6. Сравните результаты расчётов в п.4 и в п.5 и сделайте вывод о выполнимости закона Ома для участка цепи переменного тока содержащего электроёмкость с учётом погрешности измерений.        

  

7. Постройте график зависимости силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока:

   8. Запишите вывод по результатам опытов и ответьте на контрольные вопросы.

________________________________________________

Контрольные вопросы.

1. Почему постоянный ток не проходит через конденсатор?

2. Какое сопротивление называется ёмкостным? Почему оно является реактивным сопротивлением?

3. От чего и как зависит ёмкостное сопротивление?

4. Выполняется ли закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего ёмкостное сопротивление?

5. Напряжение на конденсаторе изменяется по закону 

. Запишите уравнение переменного тока в цепи с конденсатором.

Презентация «Исследование зависимости емкостного сопротивления от частоты напряжения и от емкости конденсатора» по физике – проект, доклад

Презентацию на тему «Исследование зависимости емкостного сопротивления от частоты напряжения и от емкости конденсатора» можно скачать абсолютно бесплатно на нашем сайте. Предмет проекта: Физика. Красочные слайды и иллюстрации помогут вам заинтересовать своих одноклассников или аудиторию. Для просмотра содержимого воспользуйтесь плеером, или если вы хотите скачать доклад — нажмите на соответствующий текст под плеером. Презентация содержит 7 слайд(ов).

Слайд 1

Исследование зависимости емкостного сопротивления от частоты напряжения и от емкости конденсатора

Дата проведения урока: 15 ноября 2010 года

Слайд 2

Проблема

Установить зависимость емкостного сопротивления от частоты и емкости конденсатора

Слайд 3

оборудование

конденсатор 4,7 мкФ конденсатор 18,8 мкФ переменный резистор 470 Ом лампа 3,5 В, 0,25 А ключ цифровой вольтметр переменного тока модуль с клеммами для подключения источника питания громкоговоритель генератор звуковой частоты

Слайд 4

Конденсатор подключен к источнику питания переменного напряжения, ток измеряется цифровым миллиамперметром, а напряжение цифровым вольтметром. Динамик служит для определения на слух частоты напряжения питания. Переменный резистор служит для регулирования громкости звука. Частота ν = 20 кГц , а уровень выходного сигнала – близкий к максимальному.

Слайд 5

1) Записывали показания приборов и определили сопротивление емкостное по формуле: 2) Увеличивали плавно частоту генератора, демонстрировали при этом увеличение тока в цепи, а напряжение оставляли практически неизмененным. (увеличиваем до значения I = 900 mA) Для разных значений тока определили , делали выводы.

Слайд 6

Установили зависимость емкостного сопротивления от величины емкости конденсатора. 1) Сделаем замер данных U и I при = 18,8 мкФ (для предыдущей работы) 2) Поменяли конденсаторы, сделали замер данных. U и I для = 4,7 мкФ. Сделали выводы.

Слайд 7

Результаты эксперимента

При плавном увеличении частоты синусоидальных сигналов, подаваемых в цепь от генератора, при неизменном напряжении на его выводах, убедились, что ток увеличивается, а емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте переменного напряжения. При уменьшении емкости конденсатора в 4 раза, по данным показаний вольтметра и амперметра, установили, что емкостное сопротивление примерно увеличилось в 4 раза. Значит, емкостное сопротивление обратно пропорционально емкости конденсатора.

Тест по физике Резистор, конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока для 11 класса

Тест по физике Резистор, конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока для 11 класса с ответами. Тест включает в себя 2 варианта. В каждом варианте по 5 заданий.

1 вариант

1. Какой из графиков, приведенных на рисунке 43, выра­жает зависимость активного сопротивления в цепи пере­менного тока от частоты?

2. Действующее значение напряжения на участке цепи переменного тока равно 220 В. Какова амплитуда коле­бания напряжения на этом участке?

А. 220 В
Б. 440 В
В. 220√2 В

3. Какой из графиков, приведенных на рисунке 44, соответствует зависимости емкостного сопротивления в цепи. переменного тока от частоты?

4. Как изменится амплитуда колебаний силы тока, протекающего через конденсатор, если при неизменной амп­литуде колебаний напряжения частоту колебаний увели­чить в 2 раза?

А. Не изменится.
Б. Увеличится в 2 раза.
В. Уменьшится в 2 раза.

5. Лампы Л1 и Л2 включены в цепь пе­ременного тока (рис. 45). При некото­рой частоте накал ламп одинаков. Как изменится накал, если частоту увели­чить?

А. У лампы Л1 увеличится, у Л2 — уменьшится.
Б. У лампы Л1 уменьшится, у Л2 — увеличится.
В. Не изменится.

2 вариант

1. Какой из графиков, приведенных на рисунке 46, выра­жает зависимость индуктивного сопротивления в цепи переменного тока от частоты?

2. Амплитудное значение напряжения на участке цепи переменного тока равно 230 В. Каково действующее зна­чение напряжения на этом участке?

А. 230 В
Б. 460 В
В. 230√2 В

3. Активное сопротивление 10 Ом включено в цепь переменного тока с частотой 50 Гц. Чему равна амплитуда ко­лебаний силы тока при амплитуде колебаний напряже­ния на концах активного сопротивления 50 В?

А. 5 А
Б. 0,2 А
В. 0,1 А

4. Как изменится амплитуда колебаний силы тока, протекающего через конденсатор, если при неизменной амп­литуде колебаний напряжения частоту колебаний умень­шить в 2 раза?

А. Не изменится.
Б. Увеличится в 2 раза.
В. Уменьшится в 2 раза.

5. Лампы Л1 и Л2 включены в цепь пе­ременного тока (рис. 47). При некоторой частоте накал ламп одинаков. Как изме­нится накал, если частоту уменьшить?

А. У лампы Л1 увеличится, у Л2 — уменьшится.
Б. У лампы Л1 уменьшится, у Л2 — увеличится.
В. Не изменится.

Ответы на тест по физике Резистор, конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока для 11 класса
1 вариант
1-А
2-В
3-В
4-Б
5-А
2 вариант
1-Б
2-В
3-А
4-В
5-Б