Katarzyna Martula
Sprawozdanie z ćwiczenia nr 27
Temat : Wyznaczanie indukcyjności cewki i pojemności kondensatora
w obwodzie prądu zmiennego.
1.Wstęp teoretyczny.
Prąd elektryczny jest to zjawisko fizyczne wywołane uporządkowanym ruchem ładunków elektrycznych przez badany przekrój poprzeczny danego ośrodka. Przepływ prądu elektrycznego wywołuje zjawiska: magnetyczne, cieplne, chemiczne, mechaniczne, świetlne i inne za pośrednictwem których poznaje się istnienie prądu elektrycznego.
Rozróżnia się m. inn. prąd elektryczny:
stały - prąd jednokierunkowy , którego natężenie nie ulega zmianie w fumkcji czasu
zmienny - w funkcji czasu zmienia się natężenie lub zwrot.
Jeśli w przypadku prądu zmiennego zmiany zachodzą okresowo , to prąd taki nazywa się przemiennym , a wartość średnia całookresowa natężenia pr\ądu równa się zeru.
i śr (t) = (1/ T) ∫ i (t)dt = 0
gdzie: T - okres zmian prądu - czas , w którym prąd wykonuje jeden cykl zmian.
Najprostszym i najczęściej spotykanym prądem elektrycznym przemiennym jest prąd sinusoidalny, którego przebieg jest sinusoidalną funkcią czasu.
i(t) = Im sin(ωt + ϕ)
gdzie: i(t) - wartość chwilowa natężenia prądu.
Im - wartość szczytowaprądu.
ω - pulsacja (częstość kątowa) ω = 2πf ; f - częstotliwość
ϕ - faza początkowa (początkowy kąt fazowy) - wielkość ta pozwala określić wartość prądu w chwili początkowej , tj. w chwili od której rozpoczęto rozpatrywać przwbieg danej wielkości.
Prąd przemienny charakteryzują również takiewielkości jak wartość średnia prądu oraz wartość skuteczna.
Wartość skuteczną określa poniższy wzór:
ISK = √ (1/T) ∫ i2 (t)dt
Interpretacja fizyczna wartości skutecznej prądu przemiennego jest następująca::
Wartość skuteczna natężenia prądu, jest to wartość liczbowo równa takiej wartości prądu stałego, który w tym samym czasie i na tym samym oporze wydzieli taką samą ilość ciepła.
Wartość średnia całookresowa prądu przemiennego jest równa zero, dlatego podaje się wartość średnią pólokresową. Wartość tę można policzyć ze wzoru:
IŚR = (1/π) 0∫π/2 i(t)dt
Wartość średnia półokresowa prądu przemiennego jest równa takiej ilości prądu stałego który w tym samym czasie (połowie okresu) przeniesie taki sam ładunek co dany prąd przemienny.
Rozpatrując obwody prądu elektrycznego , możemy wyróżnić następujące elementy tych obwodów : odbiorniki o oporności czynnej i biernej. Do pierwszej grupy zaliczamy m. inn. rezystory , do drugiej zaś cewki i kondensatory.
Odbiornik o oporności czynnej to takie odbiorniki których indukcyjność oraz pojemność jest znikomo mała i można ją pominąć.
Prąd przepływający przez taki odbiornik wyrazi równanie:
i = Im sin ωt
Spadek napięcia u na oporności czynnej R przy jej niezmiennej wartości jest tym większy , im większa jest wartość przepływającego prądu, więc chwilowe napięcie jest największe (Um) w chwili, gdy wartość chwilowa przepływającego prądu i jest szczytowa (Im) . Gdy prąd i = 0 , to napięcie u = 0. Napięcie i prąd na rezystancji są zgodne w fazie , osiągają w tych samych momentach swe wartości szczytowe dodatnie i ujemne oraz zerowe. Między prądem i napięciem chwilowym zachodzi związek:
u = R Im sin ωt
A między wartościami szczytowymi:
Um = R Im
Wpływ pojemności na natężenie prądu zmiennego.
Napięcie doprowadzone do okładzin kondensatora o pojemności C zmienia się sinusoidalnie , tj. wg równania:
u = Um sinωt
Prąd jaki będzie płynął przez kondensator związany będzie z przemieszczeniem ładunku q, dlatego możemy zapisać:
i = dq/dt
korzystając z równania:
dq = C du = C Um ωcosωt dt
i biorąc pod uwagę dwa ostatnie związki:
i = C ωUm cosωt
Mając na względzie, że:
cosα = sin(α+π/2)
otrzymujemy:
i = CωUmsin(ωt+π/2)
Rownanie to wskazuje , że przepływający przez pojemność prąd zmienny ma natężenie o przebiegu sinusoidalnym , które wyprzedza napięcie o kąt 90 0. Szczytowa wartość natężenia prądu wynosi:
Im = CωUm , a dla wartości skutecznych : I = CωU
Kondensator przewodzi prąd zmienny . Stanowi on dla prądu zmiennego pewną oporność, której wartość wyraża się stosunkiem wartości skuyecznej napięcia U do prądu I. Oporność tę nazywa się opornością bierną poemnościową i oznacza XC .
Xc = U/I = 1/ωC = 1/ (2πfC)
Wpływ indukcyjności na natężenie prądu zmiennego.
Jeżeli do żródła prądu stałego o napięciu U przyłączymy cewkę o indukcyjności L o wielu zwojach z przewodu o znikomo małej oporności , to przez taką zwojnicę mógłby teoretycznie płynąć prąd o bardzo dużym natężeniu ograniczonym tylko opornością wewnętrzną źródła.
Jeżeli tą samą cewkę pozbawioną oporności czynnej przyłączymy do żródła prądu zmiennego, to okaże się , że natężenie tego prądu będzie ograniczone. Prąd w obwodzie ogranicza siła elektromotoryczna indukcji własnej eL , której wartości są zależne od współczynnika indukcyjności własnej L zwojnicy i od szybkości zmian strumienia , a więc częstotliwości zmian prądu przepływającego przez uzwojenie cewki w myśl zależności:
eL = - z dφ/dt lub eL = - L di/dt
Gdy przez indukcyjność przepływa prąd zmienny , to wartość chwilową tego prądu wyraża równanie:
i = Im sinωt
Spadek napięcia uL na indukcyjności równoważy siłę elektromotoryczną indukciji własnej. Można to zapisać następująco:
uL = -eL
Podstawiając za eL równanie definiujące s.e.m. samoindukcji oraz różniczkując wyrażenie na wartość chwilową prądu otrzymamy:
uL = - eL = L di/dt = LωIm cosωt = LωImsin(ωt + π/2)
Z powyższego równania wynika , że napięcie doprowadzone do zacisków idealnej cewki wyprzedza prąd o 90 0.
Bezwzględna wartość szczytowa napięcia na indukcyjności jest równa szczytowej wartości s.e.m. indukcyjności własnej:
Um = Em = LωIm , A wartość skuteczna U = E = LωI
Ze wzoru wyrażającego zależność między wielkościami skutecznymi U , I i pulsacją ω prądu przepływającego , oraz indukcyjnością L odbiornika określamy tzw. oporność bierną indukcyjną XL
XL = U/I = ωL = 2πfL
Obwód szeregowy RLC.
Szeregowy obwód RLC składa się z szeregowo połączonych : rezystancji , indukcyjności i pojemności. Napięcie chwilowe między zaciskami zewnętrznej części takiego układu jest sumą algebraiczną napięć na poszczególnych częściach obwodu
u = uR + uL + uC
Wartość skuteczna napięcia doprowadzonego do zacisków układu jest suma geometryczną napięć składowych UL , UR , UC . Należy pamiętać o tym że napięcia UL i UC są przesunięte w fazie względem napięcia UR odpowiednio o + 90 0 i - 90 0. Poniższy rysunek przedstawia wykres wskazowy dla takiego przypadku:
U2 = UR2 + (UL - UC)2
U = √ (IR)2 + (IXL - IXC)2 = I √ R2 + (XL - XC)2
Wyrażenie pod pierwiastkiem nazywa się opornością pozorną (impedancją) i często oznacza się literą Z
Z = √ R2 + (XL -XC)2
Jest to pierwiastek z sumy kwadratów oporności czynnej i biernej , gdzie oporność bierna jest sumą geometryczną oporności biernej pojemnościowej i oporności biernej indukcyjnej występujących w obwodzie.
Obwody zasilane prądem zmiennym , zawierające elementy czynne i bierne powodują przesunięcia fazowe pomiędzy prądem a napięciem. Kąt przesunięcia fazowego jest określony przez arc tg stosunku oporności biernej od oporności czynnej:
ϕ = arc tg (XL - XC)/R
Wzór wyrażający zależność między natężeniem prądu a napięciem :
I = U/Z
wyraża w najogólniejszej postaci prawo Ohma dla odcinka lub części zewnętrznej obwodu prądu przemiennego zawierającego oporność czynną i bierną .
WYKONANIE ĆWICZENIA
1. Obwód pomiarowy :
2. Pomiary.
2a. Cewka bez rdzenia dla prądu stałego.
U [V] |
1.75 |
3.5 |
5.25 |
7.0 |
8.75 |
10.75 |
12.5 |
13.2 |
I [A] |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0.75 |
R [Ω] |
17.5 |
17.5 |
17.5 |
17.5 |
17.5 |
17.9 |
17.9 |
17.6 |
2b. Cewka bez rdzenia dla prądu zmiennego.
U[V] |
6 |
10.5 |
15 |
17 |
21 |
30 |
35 |
I[A] |
0.3 |
0.5 |
0.7 |
0.8 |
1.0 |
1.4 |
1.6 |
Z[Ω] |
20 |
21 |
21.4 |
21.3 |
21 |
21.9 |
31.3 |
2c. Cewka z rdzeniem dla prądu zmiennego.
U[V] |
13 |
19 |
30 |
36 |
43 |
48 |
60 |
72 |
I[A] |
0.2 |
0.3 |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0.8 |
1.0 |
1.2 |
Z[Ω] |
65 |
63.3 |
60 |
60 |
61.4 |
60 |
60 |
60 |
2d. Kondensator dla prądu zmiennego.
U[V] |
40 |
50 |
60 |
80 |
100 |
120 |
140 |
150 |
I[A] |
0.11 |
0.15 |
0.18 |
0.25 |
0.32 |
0.39 |
0.45 |
0.48 |
Z[Ω] |
363.6 |
333.3 |
333.3 |
340 |
312.5 |
307.7 |
311.1 |
312.5 |
Wnioski :
Wyliczona wartość rezystancji cewki indukcyjnej wynosi R = 17.5Ω , natomiast jej impedancja bez rdzenia Z = 21.3Ω, odpowiednio z rdzeniem Z = 61.2Ω, w związku z czym można zauważyć iż rdzeń ferromagnetyczny wsunięty w uzwojenia selonoidu powoduje gwałtowny wzrost jego impedancji. Impedancja badanego kondensatora wynosi Z = 323.6Ω , element ten w przeciwieństwie do cewki dla napięć stałych stanowi rozwarcie.
UC
UL
UR
U
UL - UC
U
L
C
V
A