Выполнение лабораторной работы «Явление резонанса в цепи переменного тока» в Microsoft Excel с помощью программы «Начала электроники»

1. Контрольные вопросы.

3.1. Как зависят реактивные сопротивления конденсатора и катушки индуктивности от частоты переменного тока?

3.2. Почему сила тока в последовательной цепи с конденсатором, катушкой и резистором имеет максимум при определенной частоте и стремится к нулю при очень малой и очень большой частоте.

3.3. Почему при резонансе напряжение на резисторе равно напряжению источника переменного тока?

3.4. При каком условии наступает резонанс в последовательной цепи переменного тока?

3.5. Как используется явление резонанса в быту, технике, науке?

1. Краткое теоретическое описание.

Рассмотрим электрическую схему на рис.1., в которой последовательно соединенные конденсатор, резистор и катушка индуктивности подключены к генератору переменного напряжения:

Рис.1.

В этой цепи возникают вынужденные колебания силы тока и напряжения на отдельных её элементах. Амплитуда колебаний силы тока в цепи будет зависеть от частоты  приложенного постоянного напряжения генератора, так как сопротивления реактивных элементов – конденсатора и катушки индуктивности зависят от частоты.

При низкой частоте  переменного тока емкостное сопротивление конденсатора будет очень большим, поэтому сила тока в цепи будет мала. В обратном предельном случае большой частоты  переменного тока большим будет индуктивное сопротивление катушки , и сила тока в цепи опять будет мала.

Полное сопротивление Z цепи, изображенной на рис.1., определяется формулой:

.

Ясно, что максимальная сила тока в цепи будет соответствовать такой частоте ₀ приложенного переменного напряжения, при которой индуктивное и ёмкостное сопротивления будут одинаковы:

(1)

При равенстве реактивных сопротивлений катушки и конденсатора, амплитуды напряжений на этих элементах также будут одинаковыми U_C = U_L. Колебания напряжения на катушке и конденсаторе противоположны по фазе, поэтому их сумма при выполнении условия (1) будет равна нулю. В результате напряжение U_R на активном сопротивлении R будет равно полному напряжению генератора U, а сила тока в цепи достигает максимального значения . Циклическая частота  колебаний силы тока и Э.Д.С. при этом равна

(2)

и совпадает с циклической частотой свободных незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в колебательном контуре при приближении циклической частоты  внешней переменной Э.Д.С. к частоте ₀ свободных незатухающих колебаний в контуре называется резонансом в электрической цепи переменного тока. Частота  = ₀ называется резонансной циклической частотой. Резонансная циклическая частота не зависит от активного сопротивления R. График зависимости I_m от  называется резонансной кривой. Резонансные кривые имеют тем более острый максимум, чем меньше активное сопротивление R:

Рис.2.

2.8. Лабораторная работа № 8

Явление резонанса в цепи переменного тока

Цель: изучение установившихся вынужденных колебаний в цепях переменного тока. Исследование явления резонанса.

1. Краткое теоретическое описание.

Рассмотрим электрическую схему на рис.1., в которой последовательно соединенные конденсатор, резистор и катушка индуктивности подключены к генератору переменного напряжения:

Рис.1.

В этой цепи возникают вынужденные колебания силы тока и напряжения на отдельных её элементах. Амплитуда колебаний силы тока в цепи будет зависеть от частоты  приложенного постоянного напряжения генератора, так как сопротивления реактивных элементов – конденсатора и катушки индуктивности зависят от частоты.

При низкой частоте  переменного тока емкостное сопротивление конденсатора будет очень большим, поэтому сила тока в цепи будет мала. В обратном предельном случае большой частоты  переменного тока большим будет индуктивное сопротивление катушки , и сила тока в цепи опять будет мала.

Полное сопротивление Z цепи, изображенной на рис.1., определяется формулой:

.

Ясно, что максимальная сила тока в цепи будет соответствовать такой частоте ₀ приложенного переменного напряжения, при которой индуктивное и ёмкостное сопротивления будут одинаковы:

(1)

При равенстве реактивных сопротивлений катушки и конденсатора, амплитуды напряжений на этих элементах также будут одинаковыми U_C = U_L. Колебания напряжения на катушке и конденсаторе противоположны по фазе, поэтому их сумма при выполнении условия (1) будет равна нулю. В результате напряжение U_R на активном сопротивлении R будет равно полному напряжению генератора U, а сила тока в цепи достигает максимального значения . Циклическая частота  колебаний силы тока и Э.Д.С. при этом равна

(2)

и совпадает с циклической частотой свободных незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в колебательном контуре при приближении циклической частоты  внешней переменной Э.Д.С. к частоте ₀ свободных незатухающих колебаний в контуре называется резонансом в электрической цепи переменного тока. Частота  = ₀ называется резонансной циклической частотой. Резонансная циклическая частота не зависит от активного сопротивления R. График зависимости I_m от  называется резонансной кривой. Резонансные кривые имеют тем более острый максимум, чем меньше активное сопротивление R:

Рис.2.

2. Порядок выполнения работы.

2.1. Соберите на монтажном столе схему, показанную на рис. 1., предварительно выбрав значения параметров элементов следующими:

Генератор: U_эф = 100 В;  = 10 Гц;

Резистор: R = 200 Ом; Р = 500 Вт;

Конденсатор: С = 10 мкФ; U_раб = 400 В;

Катушка: L = 1 Гн.

2.2. Изменяя частоту генератора от 10 Гц до 100 Гц через 10 Гц, с помощью вольтметров измерьте напряжения на катушке, конденсаторе, резисторе и занесите измеренные значения в таблицу. В наборе конструктора имеется лишь два мультиметра, поэтому придется , изменяя частоту генератора, провести измерения дважды – сначала подключив вольтметры к катушке и конденсатору, а второй раз – подключив вольтметр к резистору.

2.3. Постройте графики зависимости напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке в зависимости от частоты генератора.

2.4. Рассчитайте по формуле (2) частоту резонанса и сравните полученное значение с экспериментальным.

2.5. Измените параметры элементов и повторите измерения и расчеты.

2.6. Попытайтесь объяснить экспериментальные графики зависимости напряжений на элементах от частоты переменного тока в цепи.

1. Контрольные вопросы.

3.1. Как зависят реактивные сопротивления конденсатора и катушки индуктивности от частоты переменного тока?

3.2. Почему сила тока в последовательной цепи с конденсатором, катушкой и резистором имеет максимум при определенной частоте и стремится к нулю при очень малой и очень большой частоте.

3.3. Почему при резонансе напряжение на резисторе равно напряжению источника переменного тока?

3.4. При каком условии наступает резонанс в последовательной цепи переменного тока?

3.5. Как используется явление резонанса в быту, технике, науке?

2. Порядок выполнения работы.

2.1. Соберите на монтажном столе схему, показанную на рис. 1., предварительно выбрав значения параметров элементов следующими:

Генератор: U_эф = 100 В;  = 10 Гц;

Резистор: R = 200 Ом; Р = 500 Вт;

Конденсатор: С = 10 мкФ; U_раб = 400 В;

Катушка: L = 1 Гн.

2.2. Изменяя частоту генератора от 10 Гц до 100 Гц через 10 Гц, с помощью вольтметров измерьте напряжения на катушке, конденсаторе, резисторе и занесите измеренные значения в таблицу. В наборе конструктора имеется лишь два мультиметра, поэтому придется , изменяя частоту генератора, провести измерения дважды – сначала подключив вольтметры к катушке и конденсатору, а второй раз – подключив вольтметр к резистору.

2.3. Постройте графики зависимости напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке в зависимости от частоты генератора.

2.4. Рассчитайте по формуле (2) частоту резонанса и сравните полученное значение с экспериментальным.

2.5. Измените параметры элементов и повторите измерения и расчеты.

2.6. Попытайтесь объяснить экспериментальные графики зависимости напряжений на элементах от частоты переменного тока в цепи.