Практические занятия по электротехнике для профессии наладчик
Практическое занятие №1.
«Изучение обозначений элементов электрических цепей постоянного тока. Составление простых электрических цепей из заданных элементов».
Задание для практической работы разработано на основе программы «Основы электротехники» для профессии «Наладчик станков и оборудования в механообработке».
Целями работы являются:
Изучить обозначения элементов электрических цепей постоянного тока.
Научиться составлять простые электрические цепи из заданных элементов.
Научиться использовать основные законы электротехники при решении задач.
Закрепить полученные на уроке знания .
Приобрести навыки самостоятельной работы.
При выполнении практической работы обучающиеся, должны :
изучить таблицу «Элементы цепи и величины их характеризующие»;
выполнить самостоятельную работу по составлению цепи;
решить задачи на основные законы постоянного тока.
Основные электрические величины и формулы для их определения.
№
Название величины
Её обозначение
Единицы измерения
Формула для определения.
1
Электродвижущая сила
·
В(вольт)
· =Астор/q
Астор- работа сторонних сил(Дж)
q- переносимый заряд(Кл)
2
Сила тока
I
А(ампер)
I =q/t
3
Электрическое сопротивление
R
Ом
R =
··l/S
· - удельное эл. сопротивление (Ом.м)
l- длина проводника (м)
S- площадь поперечного сечения проводника (м2)
4
Напряжение (разность потенциалов)
U(
·
·)
В
U=
·
·=А/ q
5
Работа эл. тока
А
Дж(джоуль)
Вт.ч(ватт-час)
А=I·U·
·t
6
Эл. мощность
Р
Вт(ватт)
Р= I·U
Основные законы электротехники.
Закон Ома для замкнутой (полной) цепи: ток в замкнутой неразветвленной электрической цепи прямопропорционален ЭДС и обратно пропорционален полному сопротивлению: I=
· /(R+r)
R- сопротивление внешнего участка цепи (Ом)
r- сопротивление внутреннего участка (источника тока) (Ом).
Закон Ома для участка цепи: ток на участке цепи прямопропорционален падению напряжения на концах этого участка и обратно пропорционален сопротивлению участка: I =U/R .
Первый закон (правило) Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в узле эл. цепи равна нулю:
· I = 0 т.е. I1+ I2+ I3++ In=0.
Закон Джоуля – Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником при прохождении по нему тока прямопропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:
Q = I2·R·
·t Q- количество теплоты (Дж).
Карточка №1.
Определить время прохождения заряда в 0,6 Кл по проводнику при значении тока 0,5А.
Для радиоприёмника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм2. Определить необходимую длину проволоки(
·никелина=42·10-8Ом·м).
Через эл. паяльник, включённый в сеть напряжением 220В, проходит ток 0,3А. Определить сопротивление эл. паяльника.
Аккумулятор с внутренним сопротивлением 0,4 Ом работает на лампочку с сопротивлением 12,5Ом, при этом ток в цепи равен 0,26 А. Определить ЭДС аккумулятора.
На цоколе эл. лампы написано 220В и 200Вт.Определить силу тока и сопротивление нити накаливания.
Карточка №2.
Определить время прохождения заряда в 0,9 Кл по проводнику при значении тока 0,03А.
определить сечение нихромовой проволоки длиной 20 м, если её сопротивление 25 Ом(
·нихрома=110·10-8Ом·м).
По эл. лампе сопротивлением 210 Ом протекает ток 0,2 А. Определить напряжение в эл.сети.
Аккумулятор с внутренним сопротивлением 0,4 Ом и ЭДС 3,5 В питает лампочку , при этом ток в цепи равен 0,26 А. Определить сопротивление лампочки.
На масляном обогревателе написано 1000Вт и 220В. Определить силу тока и сопротивление обогревателя.
Карточка №3.
Определить время прохождения заряда в 1,6 Кл по проводнику при значении тока 1А.
Проволока сечением 0,5 мм2 и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом, Определить материал проводника( удельное сопротивление поводника).
Через обогреватель включённый в сеть 220в проходит ток0,5 А Определить сопротивление обогревателя.
Кислотный аккумулятор с ЭДС 3В замкнут на потребитель сопротивлкнием 2,6 Ом при этом сила тока в цепи 1А. Определить внутреннее сопротивление аккумулятора.
На вентиляторе написано 45Вт и 220В. Определить силу тока и работу , совершаемую его электродвигателем за 5 часов.
Практическое занятие №2.
«Расчёт сопротивления разветвлённой электрической цепи».
Задание для практической работы разработано на основе программы «Основы электротехники» для профессии «Наладчик станков и оборудования в механообработке».
Целями работы являются:
Научится применять законы последовательного и параллельного соединения резисторов при расчёте общего сопротивления участка цепи со смешанным соединением потребителей.
Научиться строить схемы замещения и определять эквивалентные сопротивления.
Закрепить знания , полученные на уроках.
Приобретать навыки самостоятельной работы.
При выполнении практической работы, обучающиеся, должны:
Изучить законы последовательного и параллельного соединения резисторов;
Выполнить самостоятельно расчет цепи со смешанным соединением резисторов.
Вариант №1.
Определить общее сопротивление участка цепи, если величина всех сопротивлений резисторов, включённых в цепь равна 1кОм.
Вариант №2.
Определить общее сопротивление участка цепи, если величина всех сопротивлений резисторов, включённых в цепь равна 2кОм.
Вариант №3.
Определить общее сопротивление участка цепи, если величина всех сопротивлений резисторов, включённых в цепь равна 3кОм.
Вариант №4.
Определить общее сопротивление участка цепи, если величина всех сопротивлений резисторов, включённых в цепь равна 0,5кОм.
Вариант №1.
Начертить неразветвлённую электрическую цепь, содержащую два резистора, амперметр, вольтметр подключённый к первому резистору, источник тока, ключ, соединительные проводники.
Вариант №2.
Начертить неразветвлённую электрическую цепь, содержащую два резистора, лампочку, амперметр, вольтметр подключённый ко второму резистору, источник тока, ключ, соединительные проводники.
Вариант №3.
Начертить неразветвлённую электрическую цепь, содержащую резистор, лампочку, амперметр, вольтметр подключённый к резистору, источник тока, ключ, соединительные проводники.
Вариант №4.
Начертить неразветвлённую электрическую цепь, содержащую два резистора, амперметр, вольтметр подключённый к двум резисторам, источник тока, ключ, соединительные проводники.
Практическое занятие №3.
Активные и реактивные элементы цепи переменного тока.
Цель работы: закрепить теоретические знания на практике путём решения задач.
Краткая теория.
Название сопротивления.
Обозначение и единица измерения.
Формула для определения
Вид закона Ома.
Векторная и временная диаграммы.
Активное сопротивление (создаётся при включении резистора, на котором эл. энергия превращается в тепловую).
Rа[Ом]
Rа=
··l/s
·- удельное сопротивление [Ом·м]
l-длина проводника [м]
s-площадь поперечного сечения проводника [м2]
I=U/R
Ток i и напряжение u совпадают по фазе т.е.
· =0.
Реактивные сопротивления:
Индуктивное сопротивление (создаётся при включении катушки индуктивности).
·L [Ом]
·L=
··L
·L=2
·fL
L-индуктивность катушки[ Гн]
I=U/
·L=
U/
··L
Напряжение u опережает ток i на
·=900.
Емкостное сопротивление (создаётся при включении конденсатора).
·С [Ом]
·С=1/
··C
·С=1/2
·fС
С-ёмкость конденсатора[ Ф]
I=U/
·С=
U·
··C
Ток i опережает напряжение u на
· =900.
Материальное оснащение урока: 1.таблица;
2.В.М. Прошин, Г.В. Ярочкина Сборник
задач по электротехнике.
Решить задачи.
Дроссель пускорегулирующей аппаратуры для люминесцентных ламп
имеет индуктивность 1,3 Гн. Вычислить индуктивное сопротивление на промышленной частоте.
При частоте 50 Гц емкостное сопротивление конденсатора равно
Ом. Вычислить ёмкость конденсатора.
Как изменится ёмкостное сопротивление конденсатора, если частота увеличится вдвое?
Практическое занятие №4.
«Резонанс токов и напряжений».
Цель работы: закрепить теоретические знания, полученные на уроке, путём решения задач.
Краткая теория.
Если собственные колебания в контуре, содержащем последовательно соединённые катушку индуктивности L и конденсатор ёмкостью C, совпадают с вынужденными колебаниями, поступающими от источника питания, а это возможно только, если
·L=
·С и
·=0, т.е. сдвиг фаз между I и U отсутствует. Величина тока I=U/R максимальна, так как минимальна величина сопротивления. В связи с этим напряжение на катушке индуктивности и конденсаторе возрастают и могут значительно превышать напряжение питания, если
·L=
·С>>R.
Резонанс напряжений - это явление увеличения напряжения на отдельных элементах цепи по отношению к напряжению источника питания.
Условием резонанса напряжений является равенство реактивных сопротивлений конденсатора и катушки индуктивности:
·L=
·С.
Получение резонанса напряжений возможно либо за счёт изменения частоты источника питания. Либо за счёт изменений собственной частоты контура. Т.е. индуктивности L и ёмкости C , т.к. собственная частота колебаний в контуре
·=1/
· LС. На практике чаще используют переменную ёмкость, изменение которой позволяет настроить контур в резонанс.
Резонанс напряжений - явление опасное и вредное, поскольку возможен пробой изоляции проводов и конденсаторов. В то же время в радиотехнике это явление нашло применение в приёмопередающих устройствах.
Резонанс токов – это явление резкого возрастания тока, возникающее в контуре, содержащем параллельно соединённые катушку индуктивности L и конденсатор ёмкостью C.
Явление резонанса токов широко используется в технике, например в технике связи и автоматике. В энергетических устройствах резонанс токов в отличие от резонанса напряженийявление безопасное , так как совпадение частоты источника питания с собственной частотой контура не приводит к нежелательным последствиям.
Материальное оснащение урока: 1.справочник;
2.В.М. Прошин, Г.В. Ярочкина Сборник
задач по электротехнике.
Решить задачи.
Определить резонансную частоту последовательного колебательного контура с параметрами: L=10 мГн; C=100 мкФ.
Параллельный колебательный контур имеет следующие параметры: сопротивление и индуктивность катушки - соответственно Rк=11Ом и Lк=53,2 мГн; подводимое напряжение U=220В частотой f=50 Гц. Определить ёмкость конденсатора С при настройке контура в резонанс.
На какое рабочее напряжение необходимо выбрать конденсатор при резонансе, если напряжение питания 21В, активное сопротивление катушки индуктивности 30 Ом, индуктивность 0.64 Гн?
Практическое занятие №6.
«Расширение пределов измерения вольтметра и амперметра».
Цель работы: закрепить теоретические знания, полученные на уроке, путём решения задач.
Краткая теория.
Расширение пределов измерения вольтметра или амперметра даёт возможность измерить данным прибором напряжение или силу тока значительно превышающих номинальные (то есть максимальное напряжение или силу тока обозначенное на шкале прибора). Для этой цели используют добавочное сопротивление или шунт.
Добавочное сопротивление – это резистор, включённый последовательно с вольтметром, который берёт на себя часть измеряемого напряжения.
Для определения величины добавочного сопротивления используют формулу: Rд =(n--1)Rv
Rд- добавочное сопротивление [Ом ];
Rv– внутреннее сопротивление вольтметра [Ом];
n – число, показывающее во сколько раз необходимо увеличить предел измерения: n =U измеренное/ U номинальное
Шунт- это резистор, включённый параллельно амперметру, через который будет проходить большая часть тока цепи.
Для определения сопротивления шунта используют формулу: Rш=RА/(n-1)
Rш- сопротивление шунта [Ом];
RА – внутреннее сопротивление амперметра [Ом];
n – число, показывающее во сколько раз необходимо увеличить предел измерения: n = I измеренное / I номинальное
Решить задачи.
Амперметр с пределом измерения 0,3 А имеет внутреннее сопротивление RА=0,008 Ом. Определить сопротивление шунта, обеспечивающего расширение предела измерения до 1,5 А.
Вольтметр, рассчитанный на 30 В с внутренним сопротивлением
3 кОм используется для измерения напряжения величиной 210 В. Какое минимальное добавочное сопротивление необходимо подключить к вольтметру для расширения предела измерения до нужной величины?
Верхний предел измерения вольтметра 100 В, его внутреннее сопротивление 10000 Ом, шкала имеет 100 делений. Определить цену деления вольтметра, если он включён с добавочным сопротивлением 30000 Ом.
Практическое занятие №7.
«Расчёт обмотки трансформатора».
Цель работы: закрепить теоретические знания, полученные на уроке, путём решения задач.
Краткая теория.
Трансформаторэто статический (без подвижных частей) электромагнитный аппарат, который служит для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины (понижения или повышения напряжения).
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции или на взаимоиндукции т.е. на возможности передавать энергию с помощью электромагнитного поля от одной обмотки к другой.
Устройство однофазного трансформатора:
магнитопровод - выполнен из листов трансформаторного железа, назначение, которого состоит в передаче электромагнитного поля от одной обмотки к другой;
первичная обмотка – подключается к источнику переменного тока;
вторичная обмотка - к ней подключается нагрузка. Если число витков во вторичной обмотке больше числа витков в первичной, то трансформатор – повышающий. Если меньше, то понижающий.
Коэффициент трансформации k это отношение напряжения на вторичной обмотке U2 к напряжению на первичной обмотке U1:
k =U2/ U1= W2/ W1=
·2/
·1= I1/ I2
U2; U1 – напряжение во вторичной и первичной обмотках [В];
W2; W1 – число витков во вторичной и первичной обмотках;
·2;
·1 – ЭДС во вторичной и первичной обмотках [В];
I1; I2 – сила тока в первичной и вторичной обмотках [А];
Решить задачи.
Вариант №1.
Как называется обмотка трансформатора, подключаемая к сети?
На какое количество витков необходимо уменьшить вторичную обмотку трансформатора, напряжение в которой 24В, чтобы получить напряжение 12 В. Первоначальное количество витков в ней составляло 33, а в первичной - 300 витков. Трансформатор подключён к сети 220 В.
Вариант №2.
Как называется трансформатор, у которого количество витков в первичной обмотке больше , чем во вторичной?
Определить длину вторичной обмотки трансформатора, если известно, что напряжение в ней составляет 36 В, сила тока – 0,2А. выполнена она из медного проводника сечением 0,1 мм2 (
·меди= 1,7·10-8 Ом·м).
Вариант №3.
Как называется трансформатор, у которого количество витков во - вторичной обмотке больше, чем в первичной?
На какое количество витков необходимо уменьшить вторичную обмотку трансформатора, напряжение в которой 36В, чтобы получить напряжение 9 В. Первоначальное количество витков в ней составляло 150, а в первичной - 500 витков. Трансформатор подключён к сети
220 В.
Вариант №4.
Как называется обмотка трансформатора, к которой подключен потребитель?
Рассчитать длину первичной обмотки однофазного трансформатора, подключенного к сети 220В и определить её сопротивление, если известно, что обмотка выполнена из медного проводника сечением 0,05 мм2 (
·меди= 1,7·10-8 Ом·м).
Практическое занятие №8.
«Изучение однофазного двигателя постоянного тока».
Цель работы: закрепить теоретические знания, полученные на уроке, путём решения задач.
Краткая теория.
Электрические машины служат для преобразования электрической энергии в механическую (двигатели) и преобразования механической энергии в электрическую (генераторы).
Принцип действия электрических машин основан на явлении электромагнитной индукции.
В режиме двигателя машина постоянного тока преобразует подводимую электрическую энергию в механическую энергию вращения вала. Конструктивная схема электрического двигателя аналогична схеме генератора и включает в себя те же основные узлы: статор, ротор и коллектор. Схемы включения обмоток возбуждения двигателя те же, что и для генератора. Они служат для создания постоянного магнитного потока, в котором вращается якорь, если в его обмотках течёт электрический ток.
Если к обмотке якоря приложить напряжение U, то в ней потечёт ток. Взаимодействие тока и магнитного потока создаст электромагнитный момент, который заставит якорь вращаться. Как только он начнёт вращаться (пересекать магнитное поле), в его обмотках наведётся ЭДС, создающая ток, направленный навстречу току от приложенного напряжения.
Суммарный ток в якоре определяется по формуле:
Iя = (U – Eя )/
· Rя
В момент пуска при n=0 пусковой ток I я.п равен : I я.п = U/ Rя
Для ограничения пускового тока на время пуска в якорную цепь вводят реостат. В этом случае: Iя.п = U/ ( R я + R п.р.)
В двигателе с последовательным возбуждением ток якоря Iя и ток возбуждения Iв один и тот же ток , следовательно, поток возбуждения пропорционален току якоря : Ф= к Iя. В этом случае вращающий момент пропорционален току якоря в квадрате:
Мвр =смФв Iя =к1 Iя2 ,
Т.е. плавное увеличение тока якоря ведёт к довольно резкому увеличению вращающего момента. В то же время: n = Ея /сеФв = k2/ Iя.
Решить задачи.
Пусковой ток в двигателе постоянного тока с номинальным напряжением 120 В и пусковым реостатом с сопротивлением 2,1 Ом составил 50 А. Определить пусковой ток рои отсутствии пускового реостата.
Определить сопротивление пускового реостата, обеспечивающего пусковой ток в цепи якоря, равный 40 а, если напряжение питания 120 В. А сопротивление обмотки якоря 0,5 Ом.
Практическое занятие №9.
«Изучение вольт - амперной характеристики полупроводникового диода».
Цель работы: закрепить теоретические знания, полученные на уроке, путём решения задач.
Краткая теория.
Полупроводниковый диод- это элемент цепи, обладающий односторонней проводимостью (пропускает ток только одного направления).
Р-n - переход является основой полупроводниковых диодов, которые применяются для выпрямления переменного тока.
Наибольшее применение в полупроводниковой технике находят германий (Gе) и кремний (Si). Это четырехвалентные элементы, у которых на внешней оболочке имеется четыре электрона. Связь валентных электронов с ядром непрочная, и электроны под действием внешней энергии (температуры, электрического поля, освещенности) могут покидать свой атом, становясь свободными. Освободившееся место, называемое дыркой, может заполниться электроном с соседнего атома, а образовавшаяся там дырка в свою очередь заполняется соседним электроном и т.д.
Таким образом, полупроводниковые материалы способны к электронной и дырочной проводимости под действием внешнего поля.
Главным признаком полупроводниковых материалов является сильная зависимость их удельного сопротивления от примесей.
Если в кристаллическую решетки чистого германия или кремния ввести примесь пятивалентной сурьмы(Sb), то в кристалле германия или кремния появляются свободные электроны. Такой полупроводник будет обладать электронной проводимостью, и будет называться «полупроводник
n-типа»( negative).
Если в кристаллическую решетки чистого германия или кремния ввести примесь трехвалентного индия (In) или вольфрама (W), то одна ковалентная связь останется свободной и может заполняться электроном с соседнего атома, Дырку, образовавшуюся после ухода электрона, занимает другой электрон и т.д. Такой полупроводник будет обладать дырочной проводимостью, и будет называться «полупроводник р-типа»(positive).
При соединении двух полупроводников n – р – типов между ними образуется n – р- переход, ширина зоны которого зависит от величины и направления внешнего электрического поля.
Основным свойством n – р- перехода является односторонняя проводимость т.е. хорошо проводит ток прямого направления и практически не проводит ток обратного направления.
ВАХ – вольт - амперная характеристика – это график зависимости силы тока от напряжения f=I(U), состоит из двух ветвей прямой Iпр (возрастающей) и обратной Iобр (практически совпадающей с осью абсцисс).
Прямой ток велик, так как создан основными носителями заряда, а их очень много при подключении напряжения прямой полярности (направление внешнего поля противоположно направлению контактного поля, что уменьшает запирающий слой у границы раздела р - и n- областей) ширина двойного слоя уменьшается, и в цепи возникает большой прямой ток Iпр.
Обратный ток очень мал, так как создан неосновными носителями заряда при подключении напряжения обратной полярности (направление внешнего поля совпадает по направлению с контактным полем и вызывает рост запирающего слоя и не даёт возможности проходить основным носителям заряда через n – р- переход ).
Основные параметры полупроводникового диода:
Прямое и обратное статическое сопротивление диода:
Rпр = Uпр / Iпр R обр = Uобр / Iобр.
Прямое и обратное дифференциальное сопротивление диода:
Rпр =
·Uпр / Iпр R обр =
·Uобр / Iобр.
Решить задачи.
Назовите основное свойство n – р – перехода.
Изобразите вольт - амперную характеристику идеального диода.
В соответствии со справочными данными выпрямительный диод КД203А имеет при токе 5А прямое падение напряжения 0,4 В, а при обратном напряжении 400 В обратный ток составляет 100 мкА. Вычислить прямое и обратное сопротивление диода.
15