Оперативное измерение электромагнитных релаксационных процессов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №30 (134) декабрь 2016 г.

Дата публикации: 02.01.2017

Статья просмотрена: 11 раз

Библиографическое описание:

Черкасская Е. Н., Веретенников Д. А. Оперативное измерение электромагнитных релаксационных процессов // Молодой ученый. — 2016. — №30. — С. 101-103. — URL https://moluch.ru/archive/134/37644/ (дата обращения: 15.12.2018).



Релаксационные процессы весьма многообразны. Исследование электрических релаксационных процессов, связанных с зарядкой и разрядкой конденсаторов в RC–цепи, имеет большое значение для практической деятельности военного инженера любой специальности. Такую возможность курсантам дает выполнение лабораторной работы по измерению электроемкости конденсаторов.

Конденсаторы являются важным элементом большинства электрических цепей, что обусловлено их способностью накапливать энергию электрического поля, поэтому важно уметь рассчитывать емкости отдельных конденсаторов и батарей конденсаторов. Теоретический расчет электроемкости конденсаторов часто затруднен, что связано с особенностями их устройства, размеров и т. п. Поэтому в ряде случаев проще экспериментально определить емкость конденсатора, используя выражения, в которые входит емкость. В основе экспериментальных методик определения емкости конденсаторов могут лежать методы сравнения неизвестной емкости с эталонной (известной), процессы зарядки и разрядки конденсатора и другие.

В предлагаемой лабораторной работе лабораторная установка с помощью измерительно-вычислительного комплекса ИВК-3/Э сопряжена с персональным компьютером и датчиками физических величин (рисунок 1).

Рис. 1. Схема лабораторной установки

Это позволяет автоматизировать процесс прямых и косвенных измерений физических величин в исследуемых релаксационных процессах, визуализировать на экране монитора результаты измерений и сразу получать их графические зависимости, что существенно сокращает время на реальный физический эксперимент, но зато дает возможность курсантам осуществить его детальное планирование и последующий всесторонний анализ.

В моменты замыкания и размыкания цепи, представленной на рисунке 1, в ней возникает так называемый переходной или неустановившийся процесс. Если переключатель S1 поставить в правое положение, то в замкнутой цепи появляется электрический ток и начинается процесс зарядки конденсатора С1 (или С2 в зависимости от положения переключателя S2). Собственное электростатическое поле конденсатора, направленное навстречу электрическому полю источника напряжения, замедляет во времени процесс зарядки и уменьшает величину зарядного тока. В момент времени, когда силы электростатического поля конденсатора будут равны сторонним силам электрического поля источника тока, электрический ток в цепи станет равным нулю. Это означает, что конденсатор полностью зарядился, и напряжение на его обкладках UC стало равно напряжению на зажимах источника тока U0.

(1)

При переключении S1 в левое положение происходит процесс разрядки конденсатора. Закон изменения напряжения на обкладках конденсатора при его разрядке через резистор R имеет вид:

(2)

Полученные результаты (1) и (2) показывают, что процессы зарядки и разрядки конденсатора — установление электрического равновесия — происходят не мгновенно, а с конечной быстротой, т. е. являются релаксационными. Быстрота установления электрического равновесия в цепи, содержащей конденсатор и резистор, зависит от произведения

(3)

Величина τ имеет размерность времени и называется постоянной времени данной электрической цепи. Постоянная времени показывает, через какое время после отключения источника ЭДС напряжение на обкладках конденсатора уменьшается в e = 2,71 раза.

Если изменения силы тока происходят достаточно медленно, то мгновенные значения силы тока во всех сечениях цепи будут практически одинаковыми и такой ток можно считать квазистационарным. Это позволяет применять к квазистационарным токам законы, установленные для постоянного тока: закон Ома, правила Кирхгофа, закон Джоуля — Ленца. Критерием медленности или условием квазистационарности токов служит условие:

tпол <<(4)

где tпол — время распространения электромагнитного поля, порождаемого изменяющимся электрическим током вдоль цепи; — характерное время рассматриваемого неустановившегося процесса (зарядки или разряда конденсатора в RC — цепи).

Использование в данной лабораторной установке измерительно-вычислительного комплекса ИВК-3/Э, сопрягаемого с ЭВМ, позволяет существенно сократить учебное время, затрачиваемое курсантами на проведение рутинных эмпирических измерений, расчет физических величин и их погрешностей, построение графиков. В лабораторной работе на экране монитора представлены зависимости напряжения разряда каждого конденсатора и их соединений (последовательного и параллельного) от времени U(t). По графику зависимости U(t) определяется постоянная времени τ.

Зная сопротивление R, и определяя в процессе эксперимента , можно из соотношения (3) найти искомую емкость С.

Методы компьютерной метрологии [1] предоставляют курсантам возможность овладеть новым способом получения информации об исследуемых процессах, что, безусловно, стимулирует их познавательный интерес, учебную деятельность, позволяет каждому развить свои творческие способности, приобрести навыки самостоятельной и групповой учебно-исследовательской деятельности. В ходе выполнения подобных лабораторных работ закладывается база не только физических знаний, но и умений использования компьютера, его мультимедийных возможностей для дальнейшего изучения специальных дисциплин, последующей трудовой деятельности.

Литература:

  1. Черкасская Е. Н. Методы компьютерной метрологии в лабораторном практикуме по физике. — Сборник научных статей по материалам Всероссийской НПК: «Академические Жуковские чтения», 2013. Часть 2. С. 145–148.
Основные термины (генерируются автоматически): процесс зарядки, конденсатор, лабораторная установка, обкладка конденсатора, разрядка конденсатора, электрический ток, электрическое равновесие.


Похожие статьи

Изучение процессов зарядки и разрядки конденсатора...

Рис. 3. Протекание процессов зарядки и разрядки конденсатора при увеличении частоты импульсов генератора.

На рис. 5 продемонстрирована зависимость напряжения на обкладках конденсатора от времени в случае, когда время зарядки невелико и промежуток времени...

Неисправности батарей статических конденсаторов...

Электрический конденсатор — это электротехническое устройство, которое состоит из двух (либо нескольких) обкладок, разделенных между собой диэлектриком. Главное свойство конденсатора — емкость...

Электрическое поле в диэлектриках с неоднородной структурой

Зарядим конденсатор, подключив к его обкладкам источник постоянного напряжения . На обкладках конденсатора появятся заряды противоположных знаков (рис.1), которые создадут электрическое поле , где – расстояние между обкладками конденсатора.

Выбор емкости конденсатора звена постоянного тока...

В статье рассмотрены вопросы выбора емкости накопительного конденсатора звена постоянного тока двухзвенного электрического преобразователя частоты с инвертором напряжения.

Влияние недостаточной производительности конденсатора на...

Главная задача — конденсация газообразного хладагента [1]. Для сохранения нормальной работоспособности конденсатора нужно обеспечить достаточную циркуляцию воздуха в помещении.

Сила электрического тока I = 14,6А.

Использование эффекта Зеебека для увеличения интенсивности...

Для увеличения интенсивности процесса конденсации хладагента применяются и другие методы, например, изложенные в публикации [9]. Применение вентилятора для обдува поверхности конденсатора широко применяется в витринных охладителях...

Цепно-полевой подход к анализу переходных процессов...

Электромагнитные процессы преобразования энергии импульсного электрического разряда

Электрическое состояние цепи при разряде предварительно заряженного конденсатора до напряжения источника питания на катушку индуктора описывается уравнением.

Переходные процессы при коммутации батареи статических...

Основные термины (генерируются автоматически): переходной процесс, принужденная составляющая тока, переходный процесс, бросок тока

Неисправности батарей статических конденсаторов, возникающих при наличии высших гармоник в системах электроснабжения.

Разработка экспериментальной установки «Башня Тесла» для...

Ее верхний вывод является одной обкладкой конденсатора, а второй

Переменный ток во вторичной обмотке открывает транзистор и подпитывает затухающие колебания.

Сильное электрическое поле может вызвать в воздушном промежутке самостоятельный разряд.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Изучение процессов зарядки и разрядки конденсатора...

Рис. 3. Протекание процессов зарядки и разрядки конденсатора при увеличении частоты импульсов генератора.

На рис. 5 продемонстрирована зависимость напряжения на обкладках конденсатора от времени в случае, когда время зарядки невелико и промежуток времени...

Неисправности батарей статических конденсаторов...

Электрический конденсатор — это электротехническое устройство, которое состоит из двух (либо нескольких) обкладок, разделенных между собой диэлектриком. Главное свойство конденсатора — емкость...

Электрическое поле в диэлектриках с неоднородной структурой

Зарядим конденсатор, подключив к его обкладкам источник постоянного напряжения . На обкладках конденсатора появятся заряды противоположных знаков (рис.1), которые создадут электрическое поле , где – расстояние между обкладками конденсатора.

Выбор емкости конденсатора звена постоянного тока...

В статье рассмотрены вопросы выбора емкости накопительного конденсатора звена постоянного тока двухзвенного электрического преобразователя частоты с инвертором напряжения.

Влияние недостаточной производительности конденсатора на...

Главная задача — конденсация газообразного хладагента [1]. Для сохранения нормальной работоспособности конденсатора нужно обеспечить достаточную циркуляцию воздуха в помещении.

Сила электрического тока I = 14,6А.

Использование эффекта Зеебека для увеличения интенсивности...

Для увеличения интенсивности процесса конденсации хладагента применяются и другие методы, например, изложенные в публикации [9]. Применение вентилятора для обдува поверхности конденсатора широко применяется в витринных охладителях...

Цепно-полевой подход к анализу переходных процессов...

Электромагнитные процессы преобразования энергии импульсного электрического разряда

Электрическое состояние цепи при разряде предварительно заряженного конденсатора до напряжения источника питания на катушку индуктора описывается уравнением.

Переходные процессы при коммутации батареи статических...

Основные термины (генерируются автоматически): переходной процесс, принужденная составляющая тока, переходный процесс, бросок тока

Неисправности батарей статических конденсаторов, возникающих при наличии высших гармоник в системах электроснабжения.

Разработка экспериментальной установки «Башня Тесла» для...

Ее верхний вывод является одной обкладкой конденсатора, а второй

Переменный ток во вторичной обмотке открывает транзистор и подпитывает затухающие колебания.

Сильное электрическое поле может вызвать в воздушном промежутке самостоятельный разряд.

Задать вопрос