Реферат: Электрическое активное сопротивление
Реферат: Электрическое активное сопротивление
Министерство образования Российской Федерации
Волгоградский государственный технический университет
Кафедра «Техническая эксплуатация и ремонт автомобиля»
СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Основы научных исследований»
Тема: Электрическое активное сопротивление
Вариант № 63
Студент:
Ветров Алексей Семёнович
Группа:
АТ-314
Направление:
5521 «Эксплуатация транспортных средств»
Преподаватель:
Зотов Николай Михайлович
Дата сдачи на проверку:_______
Роспись студента:_______
Волгоград 2004 г.
Содержание.
1.
Характеристика заданной
физической величины и её применение…………………………………………………….3
2. Способы, датчики и приборы используемы для измерения
заданной величины……………………………..4
·
Мост Уитстона………………………………………………………………5
·
Омметры……………………………………………………….6
·
Измерение сопротивлений
способом вольтметра и амперметра…………………………………………………….8
3.
Список используемой литературы………………………..10
Характеристика заданной физической величины и
её применение.
Активным, или резистивным, сопротивлением обладает
элемент цепи, в котором происходит необратимый процесс превращения
электрической энергии в тепловую. Активное сопротивление является параметром
резистивного элемента в цепи переменного тока. Сопротивление одного и того же
повода переменному току (э.д.с. самоиндукции можно пренебречь) несколько
больше, чем постоянному току, т.е. Ra > Rст , что
обусловлено явлением поверхностного эффекта. Условно активное сопротивление
(как и статическое) обозначается буквами R, r, а на на электрических схемах замещения резистивный
элемент изображается в виде вытянутого прямоугольника.
Явление поверхностного эффекта физически можно
объяснить (по предложению В. Ф. Миткевича) следующим образом. Цилиндрический
проводник сечением S с переменным током i
упрощённо можно представить себе
собранным из n полых
цилиндров с одинаковой площадью поперечного сечения So. Предположим, что ток каждого из цилиндров i=i/n создаёт вокруг
своего цилиндра по одной магнитной линии. В результате наружный слой проводника
будет сцеплен с магнитной линией только своего тока, а каждый последующий в
направление к оси – со своей и другими внешними линиями. Наибольшим числом
силовых линий окружена сердцевина проводника. Поскольку магнитное поле
переменное, в полых цилиндрах будут индуцироваться разные э.д.с. и они будут иметь
различные индуктивные сопротивления: наибольшее – внутренний цилиндр,
наименьшее – внешний. Это приводит к тому, что плотность переменного тока в
сечении провода не постоянная – в сердцевине минимальная и постепенно
увеличивается к наружным слоям.
В результате радиального вытеснения переменного
тока из внутренних слоёв провода в наружные полезное сечение провода данному
току как бы уменьшается, а его сопротивление увеличивается. Соответственно
увеличиваются и потери энергии на нагрев провода. При высоких частотах
переменного тока электроны вытесняются из проводника даже наружу – провод
излучает часть своей энергии в виде оранжево- голубого свечения. По этой
причине мощные КЛ современных электропечей выполняются полыми кабелями, а ВЛ –
сталеалюминевыми проводами; наружный проводящий слой последних делается из
алюминия, внутренний – в виде стального троса для придания проводу механической
прочности.
Поскольку мощность пропорциональна квадрату
тока, активное сопротивление приёмника электроэнергии определяется мощностью Р
и действующим переменным током I:
R=P/I²,
(1)
Явление поверхностного эффекта в проводнике
характеризуется коэффициентом поверхностного эффекта:
k=R/Rст, (2)
значение которого находится в прямой зависимости от
диаметра d, удельной теплоёмкости v, абсолютной магнитной проницаемости ma
материала провода и частоты переменного
тока f:
____
k=φ(d√vμaf ).
(3)
Активное сопротивлении медных и алюминиевых
проводов небольшого диаметра (до 10 мм) при частоте переменного тока 50 Гц
незначительно превышает статистическое(для них k немного больше
единицы), но существенно больше его в стальных проводах с большой магнитной
проницаемостью ma
.
К преемникам электроэнергии имеющим практически
только активное сопротивление относятся лампы накаливания, резисторы, реостаты,
нагревательные приборы, электрические печи сопротивления и бифилярные
(безреактивные) катушки, индуктивностью и емкостью которых ввиду их малости
можно пренебречь. Таким образом, в автомобилях электрическое активное
сопротивление можно встретить в лампах накаливания осветительных элементов, а
также в электрооборудовании в которых применяются резисторы.
Лампа накаливания электрическая, источник света,
в котором преобразование электрической энергии в световую происходит в
результате накаливания электрическим током тугоплавкого проводника. Для
автомобилей напряжения ламп накаливания равно напряжению бортовой сети
12В;24В. Кратковременное включение на напряжение, превышающее номинальное на
15%. выводит лампу из строя. Срок службы до 1000 ч и более, поэтому лампы
должны устанавливаться в местах, обеспечивающих лёгкость их замены. Световая
отдача Л. н. зависит от конструкции, напряжения, мощности и продолжительности
горения и составляет 10-35 лм/Вт.
Резистор (англ. resistor, от лат. resisto -
сопротивляюсь), структурный элемент электрической цепи, основное функциональное
назначение которого оказывать известное (номинальное) сопротивление
электрическому току с целью регулирования тока и напряжения. В радиоэлектронных
устройствах Р. нередко составляют более половины (до 80%) всех деталей.
Некоторые Р. применяют в качестве электрических нагревательных элементов.
Выпускаемые промышленностью Р. различаются по величине сопротивления (от 1 ома
до 10 Мом), допустимым отклонениям от номинальных значений сопротивления (от
0,25 до 20%) и рассеиваемой мощности (от 0,01 до 150 вт).
Способы, датчики и приборы используемы для измерения
заданной величины.
В основу любого измерения сопротивления
положен закон Ома:
R = U/I. (4)
Исходя из этого можно определить величину
сопротивления R, пропуская известный ток I через резистор, сопротивление которого подлежит
измерению, и измеряя падение напряжения на нём.
Практически удобнее и точнее измерить сопротивление при помощи моста Уитстона (рис.1).
Источник постоянного напряжения питает две ветви Rx, Rn
и R1, Р2 схемы моста. Измеряемое сопротивление Rx можно
сравнить с сопротивлением Rn эталонного резистора изменением отношения R1/R2 до тех
пор, пока показание нуль- гальванометра G не станет
равным нулю.
Рис. 1. Мост Уитстона для измерения сопротивлений.
При этом
Ux/Un=Rx/Rn=U1/U2=R1/R2 и Rx=RnR1/R2 (5)
Если
Rx очень мало (в пределах 1 Ом— 10 мкОм), то переходные
сопротивления сравнимы с измеряемым сопротивлением и вносят значительную
погрешность в результат измерения. В этом случае применяют несколько более
сложный мост Томсона, который также прост в эксплуатации.
Мосты Уитстона и Томсона в простом и удобном
для пользования исполнении обеспечивают точность измерения порядка 1%; точность
лабораторных мостов прецизионного исполнения достигает 10E-6 и
выше. Измерительные мосты упомянутого типа могут быть выполнены с
автоматическим уравновешиванием, т. е. в виде так называемых автоматических
мостов, в которых ток IG в
гальванометре вызывает срабатывание реверсивного двигателя, изменяющего
отношение R1/R2 до тех пор, пока оно не станет равным нулю. Такой
мост может быть выполнен в виде стрелочного и цифрового измерительного
прибора, непосредственно определяющего Rx.
Для приближенного измерения сопротивлений с
точностью в несколько процентов применяют омметры с прямым отсчетом. Они
осуществляют измерение на основе упомянутой выше зависимости между током и
напряжением и прямо показывают при помощи логометра (значение) R=U/I.
Согласно другому способу при
известном напряжении измеряют ток, причем шкалу градуируют непосредственно в
омах. Омметры этого типа встраивают в универсальные (многопредельные) приборы
для измерения тока и напряжения.
Омметры.
Электронные омметры (подгруппа Е6) широко
используются для измерения активных сопротивлений в диапазоне 10Е-4 - 10Е12 Ом
при измерении сопротивлений резисторов, изоляции, контактов, поверхностных и
объемных сопротивлений и в других случаях.
В основе большинства электронных омметров
лежат достаточно простые схемы, которые приведены на рис. 2.
Если
в схемах, представленных на рис. 2, использовать магнито-
Рис. 2, Последовательная (а) и параллельная (б)
схемы омметров
электрический измерительный механизм, то при соблюдении
условия U = Const показания будут определяться значением измеряемого
сопротивления Rx.
Следовательно, шкала может быть отградуирована в единицах сопротивления.
Для последовательной схемы включения Rx
(рис. 2, а)
α= SU /R+Rx; (6)
а для параллельной схемы включения Rx
(рис. 2, б)
a= SU*Rx/(RRx+RД(R+Rx);
(7)
где S= Bsw/W
- чувствительность магнитоэлектрического измерительного механизма.
Так как все значения величин в правой части
уравнений (6) и (7), кроме Rx, постоянны,
то угол отклонения определяется значением Rx. Такой прибор называется омметром. Из выражений (6) и
(7) следует, что шкалы омметров при обеих схемах включения неравномерны. В
последовательной схеме включения в отличие от параллельной, нуль шкалы
совмещен с максимальным углом поворота подвижной части. Омметры с
последовательной схемой соединения более пригодны для измерения больших
сопротивлений, а с параллельной схемой — малых. Обычно омметры выполняют в виде
переносных приборов классов точности 1,5 и 2,5. В качестве источника питания
применяют сухую батарею.
С течением времени напряжение батареи падает,
т. е. условие U = const не выполняется. Вместо этого, трудно выполнимого на
практике условия, поддерживается постоянным значение произведения ВU =
const, а следовательно, и SU == const. Для этого в магнитную систему прибора встраивается
магнитный шунт в виде ферромагнитной пластинки переменного сечения, шунтирующей
рабочий воздушный зазор. Пластинку можно перемещать с помощью ручки,
выведенной на переднюю панель. При перемещении шунта меняется магнитная
индукция В.
Для регулировки омметра с последовательной
схемой включения перед измерением замыкают накоротко его зажимы с надписью «Rx», и в том случае, если
стрелка не устанавливается на отметке «О», перемещают ее до этой отметки с
помощью — шунта. Регулировка омметра с параллельной схемой включения
производится при отключенном резисторе Rx. Вращением рукоятки шунта
указатель устанавливают на отмётку шкалы соответствующую значению Rx= ∞
.
Необходимость установки нуля является
крупным недостатком рассмотренных омметров. Этого недостатка нет у омметров с
магнитоэлектрическим логометром.
Схема включения логометра в омметре представлена на
рис. 3. В этой схеме 1 и 2— рамки логометра, обладающие
сопротивлениями R1 и R2; Rн и RД — добавочные резисторы, постоянно включенные в схему.
Так как
I1=U/(R1+Rн); I2=U/(R2+RД+Rx), (8)
Тогда
a= F((R2+RД+Rx)/(R1+Rн), (9)
т. е. угол отклонения определяется значением Rx
и не зависит от напряжения U.
Рис. 3. Схема включения логометра в омметре.
Конструктивно омметры с логометром выполняют весьма
разно образно в зависимости от требуемого предела измерения, назначения
(щитовой или переносный прибор) и т. п.
Точность
омметров при линейной шкале характеризуется приведенной погрешностью по
отношению к пределу измерения. При нелинейной (гиперболической) шкале
погрешности прибора характеризуются. также приведенной погрешностью, %, но по
отношению к длине шкалы, выраженной в миллиметрах, т. е; γ=(∆l/lшк)100.
В
СССР выпускается несколько типов электронных омметров. Омметры типов Е6-12,
Е6-15 имеют структурные схемы, близкие к схемам, приведенным на рис. 2б.
Пределы измерения 0,001—0,003... 100 Ом, приведенная погрешность 1,5—2,5%.
Омметры типов E6-1Q, Е6-13 имеют структурную схему, приведенную на рис.
2а. Пределы измерения 100—300—1000 Ом; 3—10...1000 кОм; 1—3...107
МОм; γ= 1.5; 2.5%.
Измерение сопротивлений способом вольтметра и амперметра.
Pис. 4 а и б. Эти способы могут быть применены для
измерения различных по значению сопротивлений. Достоинство этих схем
заключается в том, что по резистору с измеряемым сопротивлением можно
пропускать такой же ток, как и в условиях его работы, что очень важно при
измерениях сопротивлений, значения которых зависят от тока.
Рис. 4. Измерение сопротивлений вольтметром -и амперметром . |
Измерение сопротивления амперметром и
вольтметром основано на использовании закона Ома. Однако если собрать схемы,
показанные на рис. 4, и установить в цепи измеряемого сопротивления требуемый
условиями его работы ток, то, отсчитав одновременно показания вольтметра V
и амперметра А, а затем разделив первое на второе, получим лишь
приближенное значение измеряемого сопротивления
R’x= U/I.
(10)
Действительное значение сопротивления Rx
определится следующими выражениями:
для схемы рис. 4, а
Rx=U/Ix=U/(I-Iv)=U/(I-U/Rv); (11)_
для схемы рис. 4, б
Rx= (U-IxRa)/Ix.
(12)
Как видно из выражений (11) и (12), при
подсчете искомого сопротивления по приближенной формуле (10) возникает погрешность.
При измерении по схеме рис. 4, а погрешность получается за счет того,
что амперметр учитывает не только ток Ix
проходящий через резистор с изменяемым сопротивлением Rx но и ток Iv,ответвляющийся
в вольтметр.
При измерении по схеме рис. 4,б погрешность
появляется из-за того, что вольтметр кроме напряжения на резисторе с измеряемым
сопротивлением учитывает также значение падения напряжения на амперметре.
Поскольку в практике измерений этим способом
подсчет сопротивлений часто производится по приближенной формуле (4), то
необходимо знать, какую схему следует выбрать для того, чтобы погрешность была
минимальна.
Для схемы рис. 4, а относительная погрешность
(в процентах)
β=(R’x- Rx)/Rx =( - Rx/(Rx+Rv))*100 (13)
a для схемы рис. 4, б
β= (R’x-Rx)/Rx=( Ra/Rx)*100
(14)
Как видно из выражений (13) и (14), пользоваться
схемой рис. 4а следует в тех случаях, когда сопротивление Rv
вольт метра велико по сравнению с измеряемым сопротивлением Rx, а схемой рис. 4б — когда
сопротивление амперметра Ra мало по сравнению с измеряемым сопротивлением.
Обычно схему рис. 4a, целесообразнее применять для измерения малых
сопротивлении, а схему рис. 4б — больших.
Список используемой литературы.
1.
Атамалян Э. Г. Приборы и методы
измерения электрических величин – М.: Высшая школа, 1982.
2.
Левшина Е. С., Новицкий П. В.
Электрические измерения физических величин: - Л.: Энергоавтомиздат. 1983.
3.
Соловьёв В. А. Основы
измерительной техники. – Л.: Изд-во Ленинградского Ун-та 1980.
4.
Тер-Хататуров А. а. Алиев Т. М.
Измерительная техника: Учебное пособие для техн. вузов – М.: Высшая школа,
1991.
5.
Электрические измерения / Под ред.
В. Н. Малиновского –М.: Энергоатомиздат, 1987.
|