Работа практикума «Резонанс напряжений»

Работа практикума «Резонанс Напряжений»

В статье В.А.Кубицкого «Пути рационализации физического практикума» дается обоснование необходимости пересмотра школьного физического практикума в 9 – 10 классах.

Учет таких важных моментов в подготовке и проведении практикума, как фактор времени, учебно – методическая целесообразность, экономические и организационные вопросы, в настоящее время является актуальной проблемой, особенно для сельской школы.

На протяжении ряда лет разработкой данной проблемы занимаемся и мы, в частности при организации политехнического практикума по электро – и радиотехнике. Покажем на примере лабораторной работы «Резонанс напряжений» некоторую возможность рационализации практикума. Эту работу мы считаем полезным ввести в физический практикум и с целью профессиональной ориентации учащихся, так как явление резонанса широко используется и учитывается в технике. Ниже предлагаем описание работы.

Цель работы – ознакомиться с электрическими процессами, происходящими в цепи переменного тока, содержащей последовательно соединенные конденсатор и катушку индуктивности, при изменении емкости конденсатора.

Оборудование: источник переменного тока 12 – 18 В, трансформатор школьной разборный, батарея конденсаторов БК – 58, вольтметр переменного тока на 50 В – 2 шт., провода соединительные.

Общие сведения

Резонанс напряжений возможен в любой неразветвленной цепи, имеющей индуктивность и емкость. Практически в такой цепи всегда есть активное сопротивление. Основным признаком резонанса напряжений служит равенство напряжений: Uʟ = Uϲ

Разделив обе части равенства на силу тока, получим: = , или Rʟ = Rϲ.

Таким образом, при резонансе напряжений индуктивное сопротивление в цепи равно емкостному.

Явление резонанса напряжения можно создать, изменяя индуктивность L и емкость C цепи или частоту f питающего источника. В данной работе резонанс напряжений достигается изменением емкости. Из основного условия резонанса напряжений Rʟ = Rϲ следует, что ωƥL = , или ωƥ² = .

Поскольку ωƥ = 2 π f ƥ, то f ƥ = .

Резонансная частота f ƥ зависит от индуктивности и емкости цепи, а поэтому является собственной частотой этой цепи. Резонанс напряжений в цепи наступает в том случае, когда частота генератора совпадает с собственной частотой данной цепи. При резонансе напряжений цепь будет вести себя так, как будто она содержит только одно активное сопротивление. При этом ток и напряжение сети совпадают по фазе.

Итак, резонанс напряжений может наступить: а) если при постоянной индуктивности емкость меняется и становится равной

C = .

б) если при постоянной емкости меняется индуктивность и становится равной L = .

в) если изменение обеих величин приводит к равенству

ωƥL = .

г) если, наконец, частота сети, изменяясь, становится равной

f ƥ = .

При резонансе напряжение на катушке и конденсаторе может значительно превосходить напряжение, приложенное к зажимам цепи. Явление резонанса напряжений опасно для изоляции аппаратуры и для обслуживающего персонала. Поэтому при эксплуатации промышленных электроустановок принимают меры для предупреждения резонанса напряжений. В радиотехнике резонанс напряжений широко используется для усиления колебаний.

В данной лабораторной работе резонанс напряжений наблюдается в пределах 36 В, что не опасно для учащихся.

Порядок выполнения работы:

1. Соберите электрическую цепь по схеме, указанной на рисунке, и покажите учителю. (В качестве катушки индуктивности используйте катушку на 220 В от школьного разборного трансформатора)

   Vккпп

1. Выполните измерения сначала при напряжении переменного тока 12 В, изменяя емкость батареи конденсаторов от 0 до 58 мкФ.

2. Показания вольтметров и занесите в таблицу для каждого значения емкости батареи конденсаторов.

1. По данным таблицы постройте в одной системе координат графики зависимости (C) и (C).Для построения используйте результаты измерений в пределах емкостей конденсаторов от 0 до 8 мкФ. При этом возьмите следующий масштаб: по горизонтали – четыре клетки соответствуют 1 мкФ, а по вертикали одна клетка – 2 В. По графикам найдите, при какой емкости наступает резонанс напряжений.

2. Выполните это же исследование при напряжении переменного тока 18В.