Лабораторная работа по агроинженерии, БелГАУ

Лабораторная работа №3 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТОКЕ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ. Цель работы: изучить законы Ома, Кирхгофа и Джоуля-Ленца, научиться измерять силу тока, напряжение и сопротивление в электрических цепях, изучить электрические цепи переменного тока, способы получения электрического тока, научиться определять активное, индуктивное и емкостное сопротивление, а также активную, индуктивную и полную мощность, изучить электроизмерительные приборы, используемые в цепях переменного и постоянного тока, а также приборы, используемые для электрических измерений неэлектрических величин. Оборудование: плакаты, слайды, видеоролики, видеоролики, магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические амперметры и вольтметры, индукционный счетчик, реостатный, термисторный, индукционный, емкостной и фоторезисторный преобразователи, тензометрические датчики. Порядок выполнения работы: дать определения электрического тока, силы тока, постоянного и переменного тока, работы и мощности тока; изучить законы Ома, Кирхгофа и Джоуля-Ленца; составить электрические схемы с последовательным и параллельным соединением проводников; произвести измерения силы тока, напряжения и сопротивления в составленных электрических цепях, изучить принцип получения переменного электрического тока, изучить принцип получения трехфазного электрического тока, дать определения и представить формулы для определения активного, индуктивного и емкостного сопротивлений, а также активной, индуктивной и полной мощностей, изучить условные обозначения, наносимые на электроизмерительные приборы, изучить принцип работы и зарисовать схемы магнитоэлектрического, электромагнитного, электродинамического измерительных приборов, и прибора для измерения расхода электрической энергии (индукционного счетчика), перечислить приборы, используемые для электрических измерений неэлектрических величин. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕМЕ Электрический ток – упорядоченное движение электрических зарядов. За направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов. Электрические заряды могут двигаться упорядочено под действием электрического поля. Поэтому достаточным условием для существования электрического тока является наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда. Электрическое поле может быть создано, например, двумя разноименно заряженными телами, соединяя которые проводником можно получить электрический ток. Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток. Если в начальный момент времени потенциал точки А (рисунок 3.1) проводника выше потенциала точки В, то перенос положительного заряда q из точки А к точке В приводит к уменьшению разности потенциалов между ними. Чтобы разность потенциалов оставалась неизменной, необходимо такой же точно заряд q перенести из точки В в точку А. Из точки А в точку В заряды движутся под действием сил электрического поля. Перемещение из точки В в точку А будет происходить в направлении против сил электрического поля. Такое перемещение заряда может осуществляться только под действием сил неэлектрической природы (из источника постоянного тока). Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источников постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Немецкий физик Георг Ом обнаружил, что отношение напряжения между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока в цепи есть величина постоянная и эту величину называют электрическим сопротивлением Расчет сложных (разветвленных) цепей состоит в отыскании токов в различных участках таких цепей по заданным сопротивлениям участков цепи и приложенным к ним ЭДС. Узлом называется точка разветвленной цепи, в которой сводится более двух проводников Правила Кирхгофа 1-е правило (правило узлов): алгебраическая сумма токов сходящихся в узле равна нулю. Положительными считаются токи, входящие в узел, отрицательными – токи, отходящие от узла. Применительно к рисунку 16.3 первое правило Кирхгофа будет иметь вид 2-е правило (правило контуров): в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивление соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС Измерение силы тока, напряжения и сопротивления На практике часто бывает нужно узнать силу тока в проводнике, напряжение на нем или его сопротивление. Принцип действия приборов основан на каком-либо действии тока (например на выделении тепла в проводнике), но чаще используется магнитное действие тока. Прибор для измерения силы тока называется амперметром и включается последовательно с проводником, в котором измеряется ток (рисунок 3.4, а). Прибор для измерения напряжения называется вольтметром и включается параллельно проводнику, к тем его точкам, между которыми измеряется напряжение (рисунок 3.4, б). ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Переменный электрический ток – ток, который периодически изменяется по модулю и направлению. Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явлений электромагнитной индукции. На рисунке 3.5 изображена примитивная установка для выработки переменного тока. Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной скоростью. Своими концами рамка закреплена на кольцах, вращающихся вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, выполняющие роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток, но поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В связи с этим в рамке возникнет ЭДС индукции. Трехфазный переменный ток В данное время в мировой промышленной практике широко распространен трехфазный переменный ток, который имеет множество преимуществ перед однофазным током. Трехфазной называют такую систему, которая имеет три электрические цепи со своими переменными ЭДС с одинаковыми амплитудами и частотой, но сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120° или на 1/3 периода. Каждая такая цепь называется фазой. Для получения трехфазной системы нужно взять три одинаковых генератора переменного однофазного тока, соединить их роторы между собой, чтобы они не меняли свое положение при вращении. Статорные обмотки этих генераторов должны быть повернуты относительно друг друга на 120° в сторону вращения ротора. Пример такой системы показан на рисунке 3.7. ЭДС, возникающая во втором генераторе, не будет успевать измениться, по сравнению с ЭДС первого генератора, т.е. она будет опаздывать на 120°. ЭДС третьего генератора также будет опаздывать по отношению ко второму на 120°. Однако такой способ получения переменного трехфазного тока весьма громоздкий и экономически невыгодный. Чтобы упростить задачу, нужно все статорные обмотки генераторов совместить в одном корпусе. Такой генератор получил название генератор трехфазного тока. Когда ротор начинает вращаться, в каждой обмотке возникает изменяющаяся ЭДС индукции. Из-за того что происходит сдвиг обмоток в пространстве, фазы колебаний в них также сдвигаются относительно друг друга на 120°. Активное, индуктивное и емкостное сопротивление. Активная, индуктивная и полная мощность Активным сопротивлением R называется физическая величина, определяемая отношением мощности переменного тока Р на участке электрической цепи к квадрату действующего значения силы тока I на этом участке ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА Обычно под термином «измерение» понимают процесс сравнения измеряемой величины с физически однородной ей величиной известного размера, называемой мерой. Следовательно, измерение представляет собой информационный процесс, результатом которого является получение измерительной информации – количественной (числовой) информации об измеряемых величинах. Для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (человеком), предназначен измерительный прибор. По способу образования показаний измерительные приборы делятся на показывающие и регистрирующие. Показывающий прибор допускает только отсчитывание показаний. Показания отсчитывают по шкале средства измерений, относительно которой перемещается указатель прибора, или по светящимся цифрам, возникающим на отсчетном устройстве в цифровых показывающих приборах. Регистрирующий прибор содержит механизм регистрации показаний. Если в приборе предусмотрена запись показаний в форме диаграмм, то его называют самопишущим прибором. Электрические измерительные приборы предназначены для измерения не только электрических величин – напряжения, силы, частоты и мощности тока, сопротивления, но и неэлектрических величин – температуры, влажности, уровня, давления и т.д. Электрические измерительные приборы, показания которых считывают с неподвижной градуировочной шкалы, относительно которой плавно перемещается стрелочный или световой указатель, называются аналоговыми. Приборы, показания которых представлены в цифровой форме на специальном отсчетном устройстве и изменяются дискретно (ступенями) при плавном изменении измеряемой величины, называются цифровыми. Аналоговые электроизмерительные приборы имеют электромеханический измерительный механизм, преобразующий электрическую величину в отклонение подвижной системы и связанного с ней указателя (стрелки). Преобразование электрической энергии измеряемой величины в механическую энергию отклонения подвижной системы и указателя происходит в результате взаимодействия магнитных и электрических полей. Всю информацию о принципе действия прибора, единицах измерения, точности, безопасности и т. п. указывают на шкале прибора (рисунок 3.8). Контрольные вопросы: 1. Что такое электрический ток? 2. Что называется силой тока? 3. Сформулируйте законы Ома для участка и для полной электрической цепи. 4. Что такое электрическое сопротивление и от чего оно зависит? 5. Что называется работой тока? 6. Как определить мощность электрического тока? 7. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца. 8. Перечислите правила Кирхгофа. 9. Какие электроизмерительные приборы включаются в цепь последовательно, а какие параллельно? 10. Как называется прибор для измерения слабых токов и малых напряжений? 11. Какой электрический ток называется переменным? 12. Как получают переменный электрический ток? 13. Что такое частота переменного тока, и в каких единицах она измеряется? 14. Как получают трехфазный переменный ток? 15. Дайте определения активного, индуктивного и емкостного сопротивления, активной, индуктивной и полной мощности. 16. Как рассчитываются активное, индуктивное и емкостное сопротивления, активная, индуктивная и полная мощности? 17. Что характеризует коэффициент мощности? 18. В чем принципиальное отличие показывающих и регистрирующих электроизмерительных приборов? 19. Какие условные обозначения наносятся на электроизмерительные приборы? 20. Устройство и принцип действия магнитоэлектрического прибора. 21. В чем заключается принцип работы электромагнитного прибора? 22. Можно ли измерять силу, напряжение и мощность электрического тока в цепях как постоянного, так и переменного тока электродинамическим прибором? 23. Как и какими приборами измеряют силу тока и напряжение электрических цепей? 24. Какими приборами измеряют расход электрической энергии? 25. Какие типы преобразователей относятся к параметрическим? Их назначение и принцип действия. 26. В чем заключается принцип работы генераторных преобразователей для электрических измерений неэлектрических величин?