Indukcyjnosc cewki i pojemnosc kondensatora, fff, dużo


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:

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:

0x08 graphic
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) 0π/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

0x08 graphic
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

0x08 graphic
0x08 graphic
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

0x08 graphic
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 :

0x08 graphic

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



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Indukcyjnosc cewki i pojemnosc kondensatora 2, Studia, Semestr 1, Fizyka, Sprawozdania
Wyznaczanie indukcyjnosci cewki i pojemnosci kondensatora w obwodze pradu przemiennego
Wyznaczanie współczynnika samoindukcji cewki i pojemności kondensatora, Emilia Wieteska
Indukcyjność cewki, fff, dużo
Indukcyjność cewki, fff, dużo
ćw' Wyznaczanie pojemności kondensatora i indukcyjności?wki
ćw' Wyznaczanie pojemności kondensatora i indukcyjności?wki
pojemność kondensatora
pierwsza strona sprawozdania, fff, dużo
FIZYKA 47, fff, dużo

więcej podobnych podstron