Лабораторная работа. Исследование последовательного, параллельного и смешанного соединения сопротивлений

Занятие по рабочей программе №04

Дисциплина: ОП.06 «Электротехника и электроника»

Раздел 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

Тема: Лабораторная работа №1. Исследование последовательного, параллельного и смешанного соединения сопротивлений.

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Исследование последовательного, параллельного и смешанного соединения сопротивлений.

Цель работы:

1. Практически убедиться в физической сущности закона Ома для участка цепи и всей цепи.

2. Изучить соотношение между токами и напряжениями при последовательном, параллельном и сме­шанном соединении резисторов и определить сопротивление электрической цепи.

3. Проверить опытным путём законы Кирхгофа.

ПЛАН

1. Инструктаж по технике безопасности

2. Общие теоретические положения

3. Приборы и оборудование

4. Порядок выполнения работы

5. Составление отчёта

6. Защита лабораторной работы

2. Выполнение практического задания.

1. Инструктаж по технике безопасности

При выполнении лабораторной работы запрещается:

1. Производить включение электроприборов без разрешения преподавателя

2. Производить переключения в схеме и ее разборку при включенном электроприборе.

3. Оставлять включенный электроприбор без надзора.

4. Использовать при сборке и разборке электроприборов нестандартный и неисправный инструмент (см. Приложение).

2 Общие теоретические положения

Расчет и анализ любых электрических цепей может быть произведен с помощью основных законов электрических цепей: закона Ома, первого и второго закона Кирхгофа.

Как показывают опыты, ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и об­ратно пропорционален сопротивлению того же участка. Эта зависимость известна как закон Ома: I = U/R. Закон Ома справедлив для линейных цепей (R = const).

Рассмотрим полную цепь (рис. 1.1). Ток в этой цепи определяется по формуле I= E/(r₀ + R₁ + R₂ +R₃). Это соотношение называют законом Ома для всей цепи: сила тока в электрической цепи с одной ЭДС прямо пропорциональна этой ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего уча­стков цепи.

Согласно первому закону Кирхгофа, алгебраическая сумма токов ветвей, соединённых в любой узловой точке электрической цепи, равна нулю: = 0. Например, для узла А (рис. 1.2) I₁ + I₂ + I₃ – I₄ –I₅ = 0.

Согласно второму закону Кирхгофа, в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех резистивных элементах контура: . Для электрической цепи рис.1.1 для второго закона Кирхгофа можно написать Е = Ir₀ + I(R₁ + R₂+ R₃).

На практике производят расчет цепей с различными схемами соединения приёмников. Если приёмники соединены так, что по ним проходит один и тот же ток, то такое соединение приёмников называется после­довательным (рис.1.3). Следовательно, ток на отдельных участках последовательной цепи имеет одинаковое значение: I₁ = I₂ = …= I_n = I. Сумма падений напряжений на отдельных участках равна напряжению всей цепи: U = I₁R₁ + I₂R₂ +…+I_nR_n = I (R₁ + R₂ +…+ R_n). Напряжение цепи можно представить как U = IR_экв, где R_экв – эквивалентное (общее) сопротивление всей цепи.

Следовательно, IR_экв. =I (R₁+R₂+…+R_n). Сократив обе части равенства на I, получим R_экв. = R₁+R₂+…+R_n. Общее сопротивление цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных резисторов.

Параллельным называется такое соединение приёмников, при котором соединяются между собой как ус­ловные начала приёмников, так и их концы (рис 1.4). Для параллельного соединения характерно одно и тоже напряжение на выводах всех приёмников: U₁ = U₂ = …= Un = U. Согласно первому закону Кирхгофа, I = I₁+ I₂ + …+ I_n, а согласно закону Ома можно записать I = U/R_экв, I₁ = U/R₁, I₂ = U/R₂; …, I_n = U/R_n. Тогда U/R_экв = U/R₁ + U/R₂ + … + U/R_n.сокращая обе части равенства на U, получаем формулу подсчета эквивалентной (об­щей) проводимости: I/R_экв = I/R₁ + I/R₂ + … + I/R_n или g = g₁ + g₂ + … + g_n.

Смешенным или последовательно – параллельным называется такое соединение приёмников, при котором на одних участках электрической цепи они соединяются параллельно, а на других – последовательно. При расчёте электрических цепей со смешанным соединением приёмников используются соотношения, как для последовательного, так и для параллельного соединений.

R₁ I₅

I

r₀

R₃

+ I₄ I₁

Е R₂ А

- I₃ I₂

E

Рис. 1.1. К выводу закона Ома для всей цепи. Рис 1.2. К пояснению первого закона Кирхгофа.

U₁ U₂ I

+ +

R₁ R₂ I₁ I₂ I_n

U I U

U_n R₁ R₂ R_n

-

-

R_n

Рис. 1.3. Последовательное соединение резисторов. Рис. 1.4. Параллельное соединение резисторов.

3. Приборы и оборудование

Источник электрической энергии, три реостата, четыре амперметра магнитоэлектри­ческой системы, однополюсный выключатель, соединительные провода.

4. Порядок выполнения работы

Исследование цепи при последовательном соединении резисторов.

1. Собрать электрическую схему рис. 1.6. С помощью амперметра измерить ток в цепи, с помощью вольт­метра – падение напряжений на отдельных её участках для двух положений движков реостатов.

2. Вычислить R_экв = U_общ/I, R₁ = U1/I, R₂ = U₂/I, R₃ = U₃/I, R`<sub>экв</sub> = R<sub>1</sub> + R<sub>2</sub> + R<sub>3</sub>, U`_общ = U₁ + U₂ + U₃. Дан­ные наблюдений и результаты вычислений записать в таб. 1.1.

ТАБЛИЦА 1.1.

- R₁ R₂ R₃

Е r₀

+

Рис. 1.6. Схема для исследования цепи с последовательным соединением резисторов.

Исследование цепи при параллельном соединении резисторов.

1. Собрать электрическую схему рис. 1.7. Измерить токи и напряжения для двух положений движков рео­стата.

2. Используя данные наблюдений, вычислить R_экв=U_общ/I_общ, R₁=U₁/I₁, R₂=U₂/I₂, R₃=U₃/I₃, g₁=1/R₁, g₂=1/R₂, g₃=1/R₃, g_экв=1/R_экв, g`_эк =g₁+g₂+g₃. Данные наблюдений и результаты вычислений занести в таблицу 1.2.

Исследование цепи при смешанном соединении резисторов, проверка законов Кирхгофа.

1. Собрать электрическую схему рис. 1.8. Измерить токи и напряжения для двух положений движков реостата.

2. Произвести вычисления: R_экв = U_общ/I_общ , R₁ = U₁/I₁, R₂ = U₂/I₂, R₃ = U₃/I₃ R_экв = R₁ + R₂R₃/(R₂ + R₃). Данные наблюдений и результаты вычислений занести в таблицу 1.3.

R₁

E r₀ E r₀

R₂ R₃

R₁ R₂ R₃

Рис. 1.8. Схема для исследования цепи со

смешанным соединением резисторов.

Рис. 1.7. Схема для исследования цепи с

параллельным соединением резисторов

ТАБЛИЦА 1.2.

ТАБЛИЦА 1.3.

5. Составление отчёта

Отчёт должен содержать:

1. Тему и цель лабораторной работы.

2. Приборы и оборудование

3. Порядок выполнения работы

4. Схему эксперимента

5. Расчётные формулы и обработку данных.

6. Ответы на контрольные вопросы

7. Выводы о проведённом эксперименте и о достижении цели лабораторной работы

6. Защита лабораторной работы

1. Дать пояснения к схеме проведения эксперимента

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Контрольные вопросы.

1. В чем сходство и различие закона Ома для участка цепи и для всей цепи?

2. Почему при определении ЭДС источника тока с помощью вольтметра необходимо разомкнуть цепь?

3. Что физически выражает первый закон Кирхгофа?

4. Сформулируйте второй закон Кирхгофа, запишите его в математической форме.

5. Какое соединение резисторов называют последовательным? Параллельным? Смешанным?

6. Как распределяются токи, напряжения при последовательном соединении резисторов? При парал­лельном соединении резисторов?

7. Чему равно полное сопротивление цепи при последовательном соединении резисторов? При парал­лельном соединении резисторов?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Составить отчёт

2. Ответить письменно на контрольные вопросы.

3. Конспектировать: Первый закон Кирхгофа. Второй закон Кирхгофа.

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы.

Основные источники:

1. Данилов, И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М. : Высшая школа, 2010. - 752с.

2. Ермуратский, П.В., Лычкина Г.П., Минкин Ю.Б. Электротехника и электроника. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 416 с.

3. Электротехника и электроника / Под ред. Б.И. Петленко. – М. : Издательский центр «Академия», 2008.- 320 с.

4. Иванов, И. И., Соловьев, Г. И., Фролов, В. Я. Электротехника и основы электроники. — СПб. : Издательство «Лань», 2012. — 736 с.

Дополнительные источники:

1. Долгов, А.Н. Сборник задач по физике с решением и ответами. Электричество и оптика. – 186с.

2. Зайцев, А.П. Общая электротехника и электроника. – Томск : Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. – 178с.

3. Козлова, И. С. Электротехника. Конспект лекций. - ЭКСМО, 2008. - 160 с.

4. Мартынова, И.О. Электротехника: учебник / И.О. Мартынова. — М .: КНОРУС, 2015. — 304 с.

5. Петленко, Б.И. Электротехника и электроника. Москва, 2003. – 230 с.

6. Прошин, В.М. Электротехника для неэлектрических профессий. М :. – Академия, 2014. - 456с.

7. Прошин, В.М. Электротехника. М. : - Академия, 2013. – 288с.

Приложение.

Правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ

1. Проводить работу на стенде разрешается группе студентов не менее двух человек. Работа на стенде одного студента разрешается в порядке исключения и только в присутствии преподавателя.

2. Перед сборкой схемы на рабочем месте студенты обязаны убедиться, что стенд лабораторной установки отключен от сети электропитания.

3. Сборку схемы разрешается производить только исправными изолированными проводами с наконечниками.

4. Сборку электрической цепи производят соединительными прово­дами при выключенном напряжении литания в строгом соответствии со схемой, представленной в лабораторном практикуме, обеспечивая при этом надежность электрических контактов всех разъемных соединений.

5. Приступая к сборке электрической цели, необходимо убедиться в том. что к стенду не подано напряжение.

6. При сборке электрической цепи необходимо следить затем, чтобы соединительные провода не перегибались и не скручивались петлями. Приборы и электрооборудование расставляются так чтобы было удобно ими пользоваться.

7. Подключать схему к электросети разрешается только после проверки её преподавателем.

8. Перед подключением схемы к электросети студенты должны обязательно убедиться, что никто не прикасается к токоведущим частям установки.

9. При обнаружении каких-либо неисправностей (повышенный шум, искрение, перегрев обмоток или проводов, отсутствие свечения сигнальной лампы) или при попадании кого-либо под напряжение нужно немедленно отключить выключатель и позвать преподавателя.

10. Во время работы не касаться неизолированных частей электрических цепей, находящихся под напряжением, и открытых поверхностей реостатов во избежание ожогов.

11. При работе с конденсаторами следует помнить, что на их зажи­мах, отключенных от сети, некоторое время сохраняется электрический заряд, могущий быть причиной поражения электрическим током.

12. В случае необходимости каких-либо переключений или отключений элементов экспериментальной установки, находящейся под напряжением, установка должна быть отключена от сети.

13. Включение и отключение стенда от электросети должно производиться одним и тем же лицом. В случае ненормальной работы установки или угрозе поражения электрическим током кого-либо из работающих, отключение стенда от сети должно быть произведено немедленно любым из участников работы. О случившемся должно быть доложено преподавателю. Повторное включение установки может быть допущено только преподавателем после ее проверки и устранения неисправностей.

14. При временном прекращении работ на лабораторном стенде он должен быть отключен от сети.

15. После окончания работы необходимо показать преподавателю протокол наблюдения (результаты экспериментов) и только после этого, с разрешения преподавателя, разобрать схему и навести порядок на рабочем месте.