Методическая разработка лабораторной работы по теме «Опытная проверка законов Кирхгофа. Расчет баланса мощностей замкнутой электрической цепи»

Методическая разработка лабораторной работы по теме «Опытная проверка законов Кирхгофа. Расчет баланса мощностей замкнутой электрической цепи»
Автор Мокрова Ирина Иннокентьевна
ГБПОУ Московский технологический колледж
1.Правила техники безопасности при работе в лаборатории электротехники.
Лаборатория электротехники относятся к повышено опасным помещениям по вероятности поражения людей электрическим током. При выполнении лабораторных работ используется напряжение выше 42 В, поэтому меры безопасности имеют особо важное значение. Электрический ток силой в 50 миллиампер при протекании через тело человека может привести к травме, а в 100 миллиампер – к смертельному исходу.
Пожарная безопасность помещений характеризуется вероятность возникновения пожара. Аварийные пожарные режимы электрических приборов создаются при увеличении тока, увеличения выделяющейся мощности (при нагревании) в контактных соединениях, при снижении эффективности теплоотвода. Особенно часто это происходит при предельных нагрузках на электрооборудовании и измерительных приборах.
Находясь в лаборатории, каждый студент должен выполнять следующие правила:
1.Быть внимательным и дисциплинированным, точно выполнять указания преподавателя.
2.К выполнению работ допускаются только студенты, прошедшие инструктаж по правилам ТБ.
3.Запрещается пользоваться в лаборатории лиц не связанных с выполнением работ.
4.Запрещается пользоваться в лаборатории открытым огнем.
5.Каждый работающий в лаборатории должен знать места установки средств пожаротушения и уметь ими пользоваться.
6.В случае возникновения пожара необходимо немедленно сообщать об этом преподавателю.
7.В случае получения кем-либо травмы от электрического тока или при других несчастных случаях необходимо немедленно сообщить о происшедшем преподавателю и сказать пострадавшему посильную помощь.
8.В лаборатории необходимо соблюдать тишину и порядок. Хождение по лаборатории воспрещаться.
9.Перед выполнением работы необходимо внимательно изучить ее содержание и порядок выполнения.
10.Не приступать к выполнению работы без разрешения преподавателя.
11.Студенты выполняют сборку испытательной схемы только при отключенных источниках питания.
12.Включать источники питания схемы можно только с разрешения преподавателя/
13.Внесение изменений в собранную схему или сборка другой схемы, если это предусмотрено описанием лабораторной работы ,выполняется только после отключения источников питания. Каждую собранную схему перед включением источников проверяет преподаватель.
14.После окончания экспериментальной части лабораторной работы студенты отключают источники питания, а после проверки преподавателем полученных экспериментальных езультатов разбирают схему . Преподаватель проверяет состояние рабочего места.
2.Самостоятельная подготовка к работе
Предварительная подготовка к лабораторной работе должна обеспечить ее выполнение и сдачу (защиту) в течение одного занятия. Студенты, не ответившие на контрольные вопросы, к лабораторной работе не допускаются.
В процессе предварительной подготовки необходимо:
1.Ознакомиться с назначением и правилами эксплуатации оборудования и приборов, используемых в данной лабораторной работе.
2.Повторить правила техники безопасности при работе в лаборатории, уяснив, на какие из них необходимо обратить особое внимание при выполнение данной лабораторной работы.
3.По описанию лабораторной работы ознакомиться с порядком ее выполнения. Изучить электрические схемы используемые в работе и примерно оценить ожидаемые результаты экспериментов.
4.После повторения теоретического материала ответить на контрольные работы преподавателю в устной форме или письменно.
3.Составление отчета
Выполненная лабораторная работа оформляется в виде отчета. Отчет о проделанной работе составляется каждым обучающимся самостоятельно. В заголовке отчета указывают номер, точное наименование и цель работы. При составлении отчета нужно кратко описать использованную аппаратуру, приложить вычерченные электрические схемы, таблицы и графики в соответствии с указаниями , помещенным в описании каждой лабораторной работе в разделе «Содержание отчета». На графиках обозначают, к какому опыту и к какой таблице наблюдений они относятся; на осях координат обязательно указывают, какая величина отложена и в каких единицах она измеряется, каков масштаб.
В заключении на основании полученных экспериментальных данных следует сделать краткие выводы, содержащие объяснение полученных результатов с точки зрения теории. Характер и размер этих выводов определяются конкретными содержанием работы.
Лаборатория работа №3
Изучение законов Кирхгофа в многоконтурной цепи. Расчет баланса мощностей
Теория
Зако́ны Кирхго́фа (правила Кирхгофа) — соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Правила Кирхгофа позволяют рассчитывать любые электрические цепи постоянного и квазистационарного тока и имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения любых электротехнических задач. Применение правил Кирхгофа к цепи позволяет получить систему линейных уравнений относительно токов, и соответственно, найти значение токов на всех ветвях цепи. Сформулированы Густавом Кирхгофом в 1845 году.
Для расчета разветвленной сложной электрической цепи существенное значение имеет число ветвей и узлов.
Основные характеристики электрической цепи. Правила Кирхгофа
Ветвь электрической цепи Участок, состоящий только из последовательно включенных источников ЭДС и приемников с одним и тем же током.
Узел электрической цепи Место или точка соединения трех и более ветвей
Замкнутый контур Замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, при этом каждый узел в рассматриваемом контуре встречается не более одного раза.

Первый закон Кирхгофа Применяется к узлам и формулируется следующим образом: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Знаки определяются в зависимости от того, направлен ток к узлу или от него. Токи, подходящие к узлу, считаются положительными, отходящие от узла- отрицательными

Второй закон Кирхгофа В любом замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений на всех участках с сопротивлениями, входящих в этот контур, равно алгебраической сумме ЭДС.
Правила применения второго закона Кирхгофа 1.Произвольно выбрать положительные направления токов во всех ветвях
2.Направление обхода контуров выбрать по часовой стрелке.
3.Записать первый закон Кирхгофа для токов произвольно выбранных узлов электрической цепи(токи, походящие к узлу, считаются положительными. Токи, отходящие от узла-отрицательными4.Записать второй закон Кирхгофы для каждого замкнутого контура, учитывая. что
а) ЭДС записывается со знаком «+», если направление обхода контура совпадает с направлением эдс, в противоположном случае ставится зак «-»
б)Если ток, протекающий через данное сопротивление, совпадает с направлением обхода контура, то напряжение на этом сопротивлении берется со знаком “+”, в противном случае ставится знак “-”.

Баланс мощностей .  Это выражение закона сохранения энергии, в электрической цепи.
Cумма мощностей потребляемых приемниками, равна сумме мощностей отдаваемых источниками.
Содержание отчета:
Цель работы : Экспериментально проверить справедливость законов Кирхгофа , научиться рассчитывать баланс мощностей в разветвленной электрической цепи.
Перечень необходимого оборудования:
Элементы схем: R1, R2 — реостаты с сопротивлениями от 10 до 50 Ом Электроизмерительные приборы: амперметр постоянного тока с пределом измерения 2А; вольтметр постоянного тока с пределом измерения 4 В.
Источники питания: источник постоянного нерегулируемого напряжения 4 ВКонтрольные вопросы:
1. Какую роль играют законы Кирхгофа в электрической цепи?
2. Что называется ветвью?
3. Что называется контуром?
4. Сформулируйте 1 закон Кирхгофа
5. Какие токи считаются положительными?
6. Какие токи считаются отрицательными?
7. Сформулируйте 2 закон Кирхгофа
8. Запишите правила использования законов Кирхгофа для замкнутого контура
9. Как выбирают направление обхода контура?
10. Что называется балансом мощностей?
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Соберите электрическую цепь по схеме (рис. 1)
199072524257000378714079375А200А2150114079375А11111n
00А11111n
43814246380004381524129900424814241300004749164241300004149090241299003044190241299003044189241300008439142413000084391524129900
-5467353213102-3 В002-3 В-1333525019000
1405889198755V2225
00V2225
2853690170180А3
00А3
470154023177500-13335233680004914902317740033909013652500154876555880008439155587900
1548765276861004701540210820004381439370004248151320800030441892108200025298403936900
425450774700043815393690057302402228850053111402228850047491642286000
436816592075R3
00R3
2634615132715R2
00R2
425450132715R 1
00R 1
561594092075V1
00V1
56159409207500339090109220004701540920750029679909207500
42481410414000573024010414000474916410414000304418910414000
4248152787640054165506921400304419027812900
Рис 1.
2.Подключите, соблюдая полярность, вольтметр V1 к клеммам источника 4 В (правый контур).
3.Включите блок питания левого контура и с помощью реостата установите напряжение 1-3 В . (левый контур). В процессе включения источников и установки нужных напряжений стрелки миллиамперметров могут отклоняться влево от нуля и за последнюю оцифрованную отметку шкалы.
4.После включения обоих источников и установки нужных напряжений стрелки всех приборов должны находится в пределах их диапазонов измерений.
5.С помощью амперметров измерьте токи I2, I3, I4 на соответствующих резисторах, запишите показания приборов в таблицу.
6. С помощью переносных вольтметров измерьте напряжения я источников U1, U5..Запишите их показания в таблицу.
7.Измерить напряжение U2, U3, U4 на резисторах R2, R3, R4 соответственно, соблюдая полярность и поочередно подключая к клеммам резисторов. Результаты измерения запишите в таблицу
8.Выключите блок питания.
9. Заполните таблицу
Таблица
Из эксперимента
U1, BU2, BU3, BU4, BU5, BI2, BI3, BI4, BИз расчета
P2P3P4P2+P3+P410. Запишите в общем виде и с числовыми результатами уравнение для токов по первому закону Кирхгофа
11. запишите в общем виде и с числовыми результатами уравнение второго закона Кирхгофа для левого и правого замкнутого контура
12. Рассчитайте мощность источников и мощность, выделяющуюся на резисторах:
мощность источника U1P1=U1×I2, мВт_________________________________________________
мощность источника U5P5=U5×I4, мВт_________________________________________________
мощность, выделяющаяся на резисторе R2P2=U×I2, мВт_________________________________________________
мощность, выделяющаяся на резисторе R3
P3=U3×I3, мВт________________________________________________
мощность, выделяющаяся на резисторе R4P4=U4×I4, мВт_________________________________________________
В приведенных отношениях:
U1, U5- напряжение соответствующих источников, В;
U2, U3, U4- напряжение на резисторах R2, R3, R4 соответственно,I2, I3, I4- токи в ветвях цепи, А13.Результаты запишите в таблицу
14.Запишите уравнение баланса мощностей в электрической цепи.
15.Сделайте вывод о подтверждении законов Кирхгофа в рассматриваемой электрической цепи и объясните причину неполного совпадения экспериментальных данных с теоретическими.
Литература
1. Немцов М.В. Немцова М.Л. Электротехника и электроника: Учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального
образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 480 с.
2. Петленко Б.И., Иньков Ю.М., Крашенинников А.В., и др. Электро-
техника и электроника: Учебник для СПО/ Под редакцией: Инькова Ю.М.– М.: Издательский центр «Академия», 2013. – 368 с.
3. Гальперин М.В. Электротехника и электроника: учебник. – М.: «Форум», 2014. – 479 с.