Лабораторна робота №
Вимірювання електричної ємності і індуктивності.
9.1 Мета роботи
Ознайомлення з різними методами вимірювання електричної ємності і індуктивності та приладами, що використовуються для цього. Ознайомлення з будовою мостів змінного струму і універсальних мостів, з будовою і застосуванням резонансних вимірювачів індуктивності (L) і ємності (С). Отримання навичок практичного виконання вимірювань ємності і індуктивності.
9.2 Програма роботи
Під час виконання лабораторної роботи студент повинен ознайомитись з рекомендованою літературою, особливу увагу звернути на будову мостів змінного струму та їх використання для електричних вимірювань. Здійснити вимірювання електричної ємності та індуктивності різними методами за вказівкою викладача. Результати вимірювань занести в протоколи. Зробити обробку результатів вимірювань та навести висновки про точність вимірювань кожним із методів.
9.3 Основні положення, необхідні для виконання роботи. Опис схеми установки
Вимірювання електричної ємності і індуктивності
Процеси, що проходять в колах змінного струму, характеризуються тим, що при кожному вимірюванні струму (напруги) змінюються електричні і магнітні поля, зв’язані з цими колами. В котушках індуктивності виникають ЕРС самоіндукції і взаємоіндукції, а в конденсаторах виникають зарядні і розрядні точки. Котушки індуктивності і конденсатори в колах змінного струму називають резистивними елементами. Для змінного струму вони є реактивними опорами. Зміна струму в колі з індуктивністю (L) або взаємоіндукцією (М) викликає виникнення ЕРС самоіндукції (еL) або взаємоіндукції (еМ), яка за законом Ленца протидіє зміні струму. Для струму, що змінюється по гармонічному закону миттєве значення напруги (U) на зажимах котушки індуктивності в кожен момент часу рівне по модулю значенню ЕРС самоіндукції і протилежне їй за знаком
,
де і Іm – амплітуди напруги і струму в котушці.
Для діючих значень струму і напруги , має розмірність опору і називається індуктивним опором ХL.
У колі з індуктивним опором струм відстає по фазі від напруги на кут і називається реактивним намагнічуючим струмом.
В електричному колі синусоїдального струму, що містить ємність (С), проходить безперервно перезарядження конденсатора і встановлюється струм . . Величину Хc називають ємнісним опором. Діюче значення струму в колі із ємнісним опором визначають з виразу . У такому колі струм випереджує по фазі напругу на кут . (Uс – напруга на обкладках конденсатора).
У системі СІ за одиницю електричної ємності прийнята Фарада (Ф). Фарада – ємність провідника, потенціал якого підвищується на 1 В, якщо на цей провідник помістити заряд в 1 кулон. Електричний конденсатор - це прилад, що складається із двох провідників електричного струму (обкладок), розділених діелектриком, який має здатність накопичувати електричну енергію. Ємність конденсатора визначається відношенням накопиченого у ньому електричного заряду (q) до напруги на його обкладках (U)
.
На практиці для зміни ємності використовуються більш малі похідні від Фаради одиниці: мікрофаради (мкФ), нанофаради (нФ) і пікофаради (пФ).
.
За одиницю вимірювання індуктивності прийнятий Генрі (Гн). Індуктивність в 1 Гн має така котушка, в якої при зміні струму на 1 А за 1 секунду розвивається ЕРС самоіндукції, рівна 1 В. В електро- і радіотехніці звичайно приймають більш менші одиниці: мілігенрі (мГн) і мікрогенрі (мкГн)
.
Індуктивність характеризує собою кількість енергії, збереженої котушкою індуктивності, при протіканні по ній електричного струму.
Конденсатори і котушки індуктивності характеризуються рядом параметрів, які, в свою чергу, поділяються на основні, похідні і остаточні. Основним параметром конденсатора є номінальна ємність (Сном), а для котушок індуктивності – номінальне значення індуктивності (Lном). Похідними параметрами є тангенс кута втрат (), добротність (Q), стала часу (), температурний коефіцієнт і т.д. До остаточних параметрів відносяться власна ємність і активний опір котушок індуктивності і втрати конденсаторів. Наявність остаточних параметрів викликає недосконалість конструкції і приводить до зміни основних параметрів. З врахуванням остаточних параметрів конденсатори і котушки індуктивності характеризують ефективними значеннями, що залежать від частоти змінного струму (f). Із збільшенням частоти індуктивний опір зростає, а ємність – зменшується. У зв’язку з цим калібрування котушок індуктивності і конденсаторів проводиться на номінальній частоті fном=1000 Гц.
За конструкцією конденсатори поділяються на два типи: постійної ємності (маркуються буквою “К”) і змінної – “КТ”. Крім того на маркуванні вказується матеріал, з якого виготовлений діелектрик, призначення конденсатора, номінальна ємність і номінальна робоча напруга.
Конденсатори постійної ємності поділяються на керамічні (позначаються К10 чи К15), кварцові (К20), скляні (К21), склокерамічні (К22), склоемальові (К23), слюдяні (К31, К32), паперові (К40, К41, К42), електролітичні алюмінієві (К50), танталові (К51, К52), повітряні (К60), вакуумні (К61), полістіролові (К70, К71), фторопластові (К72) і т.д. В залежності від діелектрика, що використовується, конденсатори можуть пропускати через себе постійний струм, який називається струмом втрати (ів). Відношення прикладеної до конденсатора напруги (U) до струму втрати визначає опір ізоляції Rіз. Постійний струм, що протікає через конденсатор, складає втрати енергії (Рвтрат). Величина втрат характеризується тангенсом кута втрат (), де – кут втрат. Завдяки втратам кут зсуву фаз між струмом і напругою в реальних електричних колах з реактивним опором є звичайно меншим 90 на кут . Як правило, цей кут невеликий і часто не враховується. Однак при високих частотах активні і реактивні опори стають взаємовимірювані і кут втрат необхідно враховувати. Тангенс кута втрат характеризує відношення активної і (Рвтрат) і реактивної (Qр) потужності резистивного елемента
,
де X – реактивний опір.
У залежності від втрат конденсатори умовно поділяють на три групи: без втрат (), з малими втратами () і з великими втратами (). Котушки індуктивності характеризуються величиною, зворотною , яка називається добротністю (Q).
.
З