3.3. Методика вимірювання

Безпосереднє вимірювання змінного струму в потрібному діапазоні частот здійснюється за допомогою амперметра (рис. 3.2, а), прямий метод викликає певні труднощі. Тому в лабораторній роботі використаний непрямий метод вимірюван-ня, заснований на законі Ома: у коло струму І_х, що вимірюється, підключається активний опір з відомим значенням R_вим, і вимірюють вольтметром спадання напруги U на ньому (рис. 3.2, б). У цьому випадку

I_{х вим} = U/R_вим.

Рисунок 3.1

Щоб введення R_вим істотно не змінило початкове значення струму в колі, його опір повинен бути набагато менше опору кола Z:

; ;

при , при .

У лабораторному макеті R_вим = 3 Ом.

У гілці з активним опором Z = R фази напруги й струму збігаються. Якщо значення R відомо, то струм можна обчислити без введення в коло вимірювального опору за формулою ,

де U – падіння напруги на R.

Фазометр вимірює фазовий кут між двома напругами, тобто зрушення фази однієї напруги стосовно фази іншої. Та напруга, стосовно якої вимірюється фазове зрушення, називається опорною. Вибір її довільний і проявляється тільки у позначці кута, що вимірюється. Відповідно фазометр має дві пари вхідних клем.

Приклад увімкнення фазометра для вимірювання зрушення фаз на ділянці 1–2 схеми (тобто різниці фаз напруги U₂₃ і напруги U₁₃) наведений на рис. 3.3.

Рисунок 3.3

Якщо в цій схемі R << z, фаза і модуль струму у колі практично визначиться реактивним елементом Z. Фаза напруги на активному опорі R збігається з фазою цього струму. Тому обмірюване фазове зрушення між U₂₃ і U₁₃, що вимірюється, по суті є зрушенням фаз між струмом і напругою U₁₃.

При R << z U₁₃ ≈ U₁₂. Отже, показання фазометра можна вважати фазовим зрушенням струму в реактивному елементі Z відносно напруги на ньому U₁₂≈ U₁₃. При положенні стрілки фазометра лівіше нуля треба змінити положення тумблера "опережает" на "отстает", причому положення "опережает" означає, що зрушення по фазі береться з позначкою "+ ", "отстает" – з позначкою "−".

3.4. Підготовка пристрою до роботи

3.4.1. Увімкнути у розетки мережі 220 В кабелі живлення генератора, вольтметра та фазометра. З'єднати вихідні клеми генератора з гніздами 1 і 3 макета.

3.4.2. Установити на вольтметрі межу вимірювання 10 В.

3.4.3. Увімкнути після дозволу викладача всі прилади.

3.4.4. Записати в лабораторний журнал значення L і С, використовувані у макеті.

3.5. Порядок виконання роботи

3.5.1. Переконатися в тому, що активний опір і зрушення фаз між струмом та напругою не залежить від частоти у колі з чисто активним приймачем R₁, R₂. Для цього необхідно:

• Скласти за допомогою перемикачів S1 і S2 схему дослідження підключити до неї фазометр (рис. 3.4).

Рисунок 3.4

• Установити на генераторі частоту 5 кГц і напругу 5 В, яку виміряти виносним вольтметром, підключивши його до гнізд 1−3 макета.

• Підтримуючи напругу U₁₃ = 5 В, виміряти напругу U₂₃ і фазовий кут на двох частотах. Результати вимірювань занести в табл. 3.1.

Таблиця 3.1

F, кГц	5	50
U23, В
, град
, мА

• Для наведених частот розрахувати значення струму I_R і результати занести в табл. 3.1. Виміряти й записати напругу U₁₂ для однієї із частот.

3.5.2. Досліджувати вплив частоти на індуктивний опір і зрушення фаз між струмом і напругою у колі, що імітує коло з ідеальною котушкою індуктивності. Для цього необхідно:

• Скласти за допомогою перемикачів S1 і S2 схему дослідження (рис. 3.5).

Рисунок 3.5

• Установити на генераторі частоту 5 кГц і напругу 5 В, яку виміряти виносним вольтметром, підключивши його до гнізд 1−3 макета.

• Підтримуючи напругу U₁₃ = 5 В, виміряти напругу U₂₃ і фазове зрушення струму відносно вхідної напруги U₁₃, створене котушкою індуктивності, на чотирьох частотах. Результати вимірювань занести в табл. 3.2.

Таблиця 3.2

F, кГц	5	10	15	20
U23, В
, град
XL, Ом

• Для всіх частот розрахувати індуктивний опір за формулою

; ;

оскільки та

Результат занести в табл. 3.2.

3.5.3. Досліджувати вплив частоти на ємнісний опір і зрушення фаз між струмом і напругою у колі, що імітує коло з ідеальним конденсатором індуктивності. Для цього необхідно:

• Скласти за допомогою перемикачів S1 і S2 схему дослідження

(рис. 3.6).

Рисунок 3.6

• Установити на генераторі частоту 5 кГц і напругу 5 В, яку виміряти виносним вольтметром, підключивши його до гнізд 1−3 макета.

• Підтримуючи напругу U₁₃ = 5 В, виміряти напругу і фазове зрушення, створене конденсаттором, на чотирьох частотах. Результати вимірювань занести в табл. 3.3.

Таблиця 3.3

F, кГц	5	10	15	20
U23, В
, град
XС, Ом

• На всіх частотах розрахувати ємнісний опір за формулою

оскільки та .

Результати розрахунків занести в табл. 3.3.

3.5.4. Досліджувати фазові співвідношення й перевірити виконання другого закону Кірхгофа для кіл зі змінним струмом у послідовному RL-колі. Для цього необхідно:

• Скласти схему за допомогою перемикачів S₁ і S₂ дослідження (рис. 3.7).

• Установити на генераторі частоту 5 кГц і напругу 5 В, яку виміряти виносним вольтметром, підключивши його до гнізд 1−3 макета.

Рисунок 3.7

• Виміряти напруги U₁₂, U₂₃, фазове зрушення напруги U₂₃ відносно U₁₃ на чотирьох частотах. Результати вимірювань занести в табл. 3.4.

Таблиця 3.4

F, кГц	5	10	15	20
U12, В
U23, В
, град

3.5.5. Досліджувати фазові співвідношення та перевірити виконання другого закону Кірхгофа у колі зі змінним струмом у послідовному RC-колі. Для цього необхідно:

• Скласти схему за допомогою перемикачів S₁ і S₂ дослідження (рис. 3.8).

Рисунок 3.8

• Установити на генераторі частоту 5 кГц і напругу 5 В, яку виміряти виносним вольтметром, підключивши його до гнізд 1−3 макета.

• Виміряти напругу U₁₂, U₂₃ і фазове зрушення напруги U₂₃ відносно U₁₃ на чотирьох частотах. Результат занести в табл. 3.5.

Таблиця 3.5

F, кГц	5	10	15	20
U12, В
U23, В
, град