Изучение последовательной цепи переменного тока
учебно-методическое пособие по физике (11 класс) на тему

Инструктивная карта

Практическая работа

«Изучение последовательной цепи переменного тока»

Цель работы: изучение правила сложения напряжений в электрической цепи переменного тока

Оборудование: источник питания, ключ, мультиметр, катушка индуктивности (дроссель), резистор 68 Ом, плата для установки конденсаторов, конденсатор 4,7 мкФ

1. Изучите необходимые теоретические данные.        

Если соединить последовательно активное сопротивление катушку и конденсатор и подключить эту цепь к источнику переменного тока, то окажется, что общее напряжение, приложенное к электрической цепи, не равно сумме напряжений на отдельных ее участках. Причина этого заключается в том, что в цепи переменного тока фазы напряжений на отдельных элементах не совпадают, что приводит к уменьшению д6ействующего значения напряжения на выводах цепи по сравнению с суммой действующих значений напряжения на каждом элемента. Для объяснения этого  эффекта используют диаграммы, на которых ток и напряжение изображаются векторами.

                На активном сопротивлении сдвига фаз между током и напряжением нет. Принято изображать вектора тока в цепи и напряжения на активном сопротивлении  направленными вдоль положительного направления  горизонтальной оси.  На индуктивности напряжение опережает ток по фазе на 90°, а на емкости, наоборот, отстает от него на тот же угол. Поэтому напряжение на катушке – это вектор, направленный вдоль положительного направления вертикальной оси,  а направление вектора напряжения на конденсаторе выбирается противоположным – в отрицательном направлении вертикальной оси.  Длины векторов напряжения и тока на каждом участке цепи связаны законом Ома: Im=Um/X, где  Im , Um – амплитудные значения тока и напряжения , а Х – сопротивление конкретного элемента.

        Чтобы найти сумму трех векторов напряжений, сначала складывают вектора напряжения на емкости и индуктивности,   а затем к полученному вектору разности  Umc-UmL прибавляют вектор UmR. Таким образом, модуль суммы  всех векторов напряжений последовательной цепи на основании теоремы Пифагора равен: Um=  √U²mR+(UmC-UmL)²        (1).

        Это верно и для действующих значений напряжения:

                                     U=  √U²R+(UC-UL)²                                                   (2).    

        Таким образом, можно утверждать, что общее напряжение, приложенное к последовательной цепи переменного тока, равно геометрической сумме напряжений на отдельных ее элементах.

        В отличие от цепей постоянного тока, где общее  напряжение находят, складывая напряжения на отдельных участках, в цепях переменного тока нужно учитывать еще и сдвиг фаз между ними.

2. Выполните работу по плану.

• Соберите электрическую цепь согласно схеме, приведенной на рисунке ниже.
• Переключите мультиметр в режим измерения переменного напряжения в диапазоне 20 В.
• Подготовьте таблицу следующего вида для записи результатов  измерений и вычислений.

• Измерьте напряжение на резисторе, катушке, конденсаторе и на всех этих элементах, соединенных последовательно. Занесите данные измерений  номиналы деталей в таблицу.
• По формуле (2) рассчитайте для каждого случая общее напряжение и сравните полученную величину с измеренным значением напряжения. Оцените степень расхождения результатов (ε), полученных прямым измерением и с помощью расчета:

ε= │U-Uизм│/Uизм• 100%

• Убедитесь в непригодности формулы  U=UR+UC+UL для расчета цепей переменного тока, содержащих конденсаторы и катушки.
• Сделайте выводы по работе.