Электрические цепи постоянного тока (практическая работа)

Занятие по рабочей программе №03

Дисциплина: ОП.06 «Электротехника и электроника»

Раздел 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

Тема: Электрические цепи постоянного тока.

Практическое занятие №1

1. Расчёт простых электрических цепей.

2. Расчёт последовательного и параллельного соединения резисторов.

3. Расчёт смешанного соединения резисторов.

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Электрические цепи постоянного тока.

Цель работы: Научиться применять законы Ома и Кирхгофа для расчёта электрических цепей.

ПЛАН

1. Ознакомление с методическими указаниями и примерами решения задач. 2. Решение задач 3. Оформление работы 4. Сдача работы на проверку

2. Выполнение практического задания.

1. Ознакомление с методическими указаниями и примерами решения задач

Методические указания к практической работе № 1

Решение задачи требует знания закона Ома для всей цепи и её участков, первого закона Кирхгофа и методики определения эквивалентного сопротивление цепи при смешанном соединении резисторов

Пример 1. Для схемы, приведенной на рис. 1 определить эквивалентное сопротивление цепи R_ab токи в каждом резисторе и напряжение U_ab, приложенное к цепи. Заданы сопротивления резисторов и ток I₄ в резисторе R₁,. Как изменятся токи в резисторах при:

а) замыкании рубильника Р₁,

б) расплавлении вставки предохранителя Пр4?

В обоих случаях напряжение U_ab остается неизменным.

Решение относиться к теме «Электрические цепи постоянного тока». После усвоения условия задачи проводим поэтапное решение, предварительно обозначив стрелкой направление тока в каждом резисторе. Индекс должен соответствовать номеру резистора, по которому он проходит.

Решение.

1. Определяем общее сопротивление разветвления R₂,R₃, Резисторы соединены параллельно, поэтому

Теперь схема цепи имеет вид, приведенный на рис. 1, б)

2. резисторы R_2-3, и R₅ соединены последовательно, их общее сопротивление

R_2-3,5= R_2-3+ R₅ = 6+4=10 Ом

Соответствующая схема приведения на рис 1, в).

3. Резисторы R_2,3,5 и R₄ . соединены параллельно, их общее сопротивление

Рис. 1

4. Находим эквивалентное сопротивление всей цепи:

R_ab=-R₁+R_2,3,4,5 = 5+5=10 Ом. (рис. 1, д).

5. Зная силу тока I₄, находим напряжение на резисторе R₄:

U₄ =I₄ R₄= 5·10 = 50 В.

Это же напряжение приложено к резисторам R_2,3 +R₅ (рис, 1, б). Поэтому ток в резисторе R₅

.

6. Находим падение напряжения на резисторе R₅:

U₅ = I₅ · R₅= 5·4 = 20 В.

Поэтому напряжение на резисторах R_{2- 3},

U_2,3=U₄ — U₅ = 50—20 = 30 В.

7. Определяем токи в резисторах R₂ и R₃:

I₁ = U_2,3 /R₂ = 30/15 = 2А; I₃=U₂, ₃ /R₃ 30/10 = 3 А.

Применяя первый закон Кирхгофа, находим ток в резисторе R₁

I₁= I₂+I₃+I₄ = 2+3 + 5=10A.

8. Вычисляем падение напряжения на резисторе R₁

U₁ = I₁ · R₁= 10·5 = 50 В.

9. Находим напряжение U_AB приложенное ко всей цепи:

U_AB=I₁ R_AB= 10·10= 100 B или U_AB=U₁ +U₄=50+50= 100 B

10. При включении рубильника P₁ сопротивление R₁ замыкается накоротко, и схема цепи имеет вид, показанный на рис. 1. Эквивалентное сопротивление цепи в этом случае

R^’_ab=R_2,3,4,5=5 Ом

Поскольку напряжение U_ab остается равным 100 В, можно найти токи в резисторах R₄ R₅

I₄=U_ab/R₄=100/10=10 A; I₅=U_ab/(R₂,₃+R₅)=100/(6+4)= 10 A.

Определим падение напряжения на резисторе R₅

U₅=I₅R₅=10·4=40 B

Поэтому напряжение на резисторах R₂, R₃

U_2,3= U_ab –U₅= 100—40 = 60 B.

Теперь можно найти токи в резисторах R₂ и R₃.

I₂ = U_2,3/R₂ = 60/15 = 4А; I₃=U_2,3/R₃ = 60/10 = 6 А.

Проверим правильность вычисления токов, используя первый закон Кирхгофа:

I = I₂+I₃+I₄ = 4 + 6+10 = 20А.

Однако

I= U_AB/R_2,3,4= 100/5 = 20 А.

Таким образом, задача решена, верно.

11. При расплавлении предохранителя Пр4 резистор R₄ выключается и схема принимает вид, показанный на рис. 1, ж.

Вычисляем эквивалентное сопротивление схемы:

Поскольку напряжение U_AB остается неизменным, находим токи I₁ и I₅

I₁ = I₅ = U_AB / R_AB = 100/15 = 6,67 А.

Напряжение на резисторах R₂, R₃

U_2,3 = I₁ R_2,3 = 6,67-6 = 40 В.

Находим токи I₃ I₂

I₂ = U_2,3/R2 = 40/15 = 2,67 A;

I₃= U_2,3/ R₃ = 40/10 = 4 A.

Сумма этих токов равна току I₁

I₁= I₂ + I₃ = 2,67 + 4 = 6,67A.

Пример 2. Расчет сложных электрических цепей по методу уравнений Кирхгофа.

Пусть задана электрическая цепь, для которой известны величины сопротивлений всех резисторов, а также величина и направление всех ЭДС.

Перед составлением уравнений по законам Кирхгофа следует произвольно задать направление тока в ветвях, показав их на схеме стрелками. Если действительное направление тока, в какой – либо ветви противоположно выбранному, то после решения уравнений этот ток получится со знаком минус. Число необходимых уравнений равно числу неизвестных токов, причем число уравнений по первому закону Кирхгофа должно быть на единицу меньше числа узлов цепи, остальные уравнения составляются по второму закону Кирхгофа. При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа следует выбирать наиболее простые контуры и так, чтобы каждый из них содержал одну ветвь, не входившую в ранее составленные уравнения. Для удобства записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо задать направление обхода контура (по часовой стрелке или против).

Составим уравнения для данного примера.

Количество неизвестных токов 5. Поэтому необходимо составить 5 уравнений Кирхгофа.

Количество узлов 3. Значит по первому закону Кирхгофа мы можем составить 3-1=2 уравнения.

По второму закону Кирхгофа составляем оставшиеся 5-2=3 уравнения.

1. Для узла а: - I₁+I₂+I₃ = 0.

2. Для узла б: I₁-I₃-I₄-I₅ = 0.

3. Для контура I: Е₁+Е₃=I₁R₁+I₁R₂+I₃R₃.

4. Для контура II: -Е₂-Е₃= -I₃R₃+I₄R₄.

5. Для контура III: Е₅-Е₆= - I₄R₄+ I₅R₅+ I₅R₆.

2. Решение задач

Практическая работа состоит из двух заданий.

ЗАДАНИЕ 1. Цепь постоянного тока содержит несколько резисторов, соединенных смешанно. Схема цепи с указанием сопротивлений резисторов приведена на соответствующем рисунке. Номер рисунка, заданные значения одного из напряжений или токов и величина, подлежащая определению, приведены в табл. 1. Всюду индекс тока или напряжения совпадает с индексом резистора, по которому проходит этот ток или на котором действует это напряжение. Например, через резистор R3 проходит ток І3 и на нем действует напряжение U3. Определить также мощность, потребляемую всей цепью, и расход электрической энергии цепью за 8 ч работы (Приложение 1).

ЗАДАНИЕ 2. Рассчитать токи во всех ветвях схемы по методу уравнений Кирхгофа (Приложении 2).

3. Оформление работы

Работа выполняется вручную на двойном листе в клеточку (четыре страницы). Наличие полей (2-3 см – обязательно)

На первой странице выполняется следующая запись:

Практическая работа № _____

Тема: _____________________

Дисциплина: ______________

Группа: ___________________

Студент:__________________

На второй странице (на развороте листа) выполняется следующая запись: цель работы; условие задачи; схему задачи; решение задачи.

Третья и четвёртая страница используется для продолжения решения задачи, векторной диаграммы (если есть в задании); ответа, записи и решения следующей задачи.

Если одного двойного листа оказалось недостаточно для выполнения практической работы, можно вложить внутрь дополнительный лист в клеточку (одинарный или двойной). В этом случае на верхней строке листа должна быть надпись:

_________________________________

(фамилия, инициалы)

В этом случае все листы работы должны быть пронумерованы, номер страницы проставляется в нижней части листа.

Записи выполняются ручкой с чернилами синего цвета

Все схемы выполняются карандашом и с использованием соответствующих чертёжных инструментов.

При выполнении векторных диаграмм можно использовать карандаши разного цвета (ручки с чернилами разного цвета)

4. Сдача работы на проверку

Работа сдаётся преподавателю

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Составить конспект практической работы

2. Выполнить Задание 1 и 2. (Решение задач в соответствии с вариантом, вариант 1 - №1 по списку в учебном журнале, №11 – вариант 1, №12 – вариант 2 и т.д.)

3. Конспектировать: Законы Ома для участка цепи. Закон Ома для всей цепи.

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 1.

ЗАДАНИЕ 1.

Вариант 1 Вариант 2

Вариант 3 Вариант 4

Вариант 5 Вариант 6

Вариант 7 Вариант 8

Вариант 9 Вариант 10

Приложение 2.

ЗАДАНИЕ 2. Рассчитать токи во всех ветвях схемы по методу уравнений Кирхгофа.

В ариант 1

В ариант 2

Вариант 3

Вариант 4

Вариант 5

В ариант 6

Вариант 7

Вариант 8

Вариант 9

Вариант 10