Fyzikální praktikum...



Podobné dokumenty
3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 6. Název: Měření účiníku. dne: 16.

Fyzikální praktikum...

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

Fyzikální praktikum II

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jiří Kozlík dne:

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. stud. skup. FMUZV (73) dne

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu. P = 1 T

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Název: Měření paralelního rezonančního LC obvodu

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

13 Měření na sériovém rezonančním obvodu

Praktikum II Elektřina a magnetismus

Fyzikální praktikum II

Měření výkonu jednofázového proudu

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úlohač.5 Název: Měření osciloskopem. Pracoval: Lukáš Ledvina

Praktikum II Elektřina a magnetismus

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

1. Změřit metodou přímou závislost odporu vlákna žárovky na proudu, který jím protéká. K měření použijte stejnosměrné napětí v rozsahu do 24 V.

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

E L E K T R I C K Á M Ě Ř E N Í

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Fyzikální praktikum II

6 Měření transformátoru naprázdno

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Fyzikální praktikum I

Fyzikální praktikum III

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

3.5 Ověření frekvenční závislosti kapacitance a induktance

2 Teoretický úvod 3. 4 Schéma zapojení Měření třemi wattmetry (Aronovo zapojení) Tabulka hodnot pro měření dvěmi wattmetry...

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

Mˇeˇren ı vlastn ı indukˇcnosti Ondˇrej ˇ Sika

Fyzikální praktikum II

Elektrická měření pro I. ročník (Laboratorní cvičení)

3. Kmitočtové charakteristiky

2. Stanovte hodnoty aperiodizačních odporů pro dané kapacity (0,5; 1,0; 2,0; 5,0 µf). I v tomto případě stanovte velikost indukčnosti L.

Srovnání charakteristik tónového generátoru a zvukové karty PC

Měření kapacity kondenzátoru a indukčnosti cívky. Ověření frekvenční závislosti kapacitance a induktance pomocí TG nebo SC

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Zadané hodnoty: R L L = 0,1 H. U = 24 V f = 50 Hz

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 7: Rozšíření rozsahu miliampérmetru a voltmetru. Cejchování kompenzátorem. Abstrakt

2. STŘÍDAVÉ JEDNOFÁZOVÉ OBVODY

7 Měření transformátoru nakrátko

Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů FS

Praktikum II Elektřina a magnetismus

pracovní list studenta RC obvody Měření kapacity kondenzátoru Vojtěch Beneš

VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_01_Děliče napětí frekvenčně nezávislé Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing.

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Harmonický ustálený stav pokyny k měření Laboratorní cvičení č. 1

2. Měření odporu rezistoru a volt-ampérové charakteristiky žárovky

Laboratorní úloha č. 2 Vzájemná induktivní vazba dvou kruhových vzduchových cívek - Faradayův indukční zákon. Max Šauer

1. Změřte průběh intenzity magnetického pole na ose souosých kruhových magnetizačních cívek

DIGITÁLNÍ UČEBNÍ MATERIÁL

Harmonický průběh napětí a proudu v obvodu

Vítězslav Stýskala, Jan Dudek. Určeno pro studenty komb. formy FBI předmětu / 06 Elektrotechnika

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření na elektrických strojích - transformátor, část 3-2-4

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Praktikum IV

2 Přímé a nepřímé měření odporu

Pracoviště 1. Vliv vnitřního odporu voltmetru na výstupní napětí můstku. Přístroje: Úkol měření: Schéma zapojení:

Fázorové diagramy pro ideální rezistor, skutečná cívka, ideální cívka, skutečný kondenzátor, ideální kondenzátor.

1.1. Základní pojmy 1.2. Jednoduché obvody se střídavým proudem

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

C p. R d dielektrické ztráty R sk odpor závislý na frekvenci C p kapacita mezi přívody a závity

Praktikum III - Optika

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření Měření vlastní a vzájemné indukčnosti část Teoretický rozbor

Zpráva o měření. Střední průmyslová škola elektrotechnická Havířov. Úloha: Měření výkonu. Třída: 3.C. Skupina: 3. Zpráva číslo: 8. Den:

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření na elektrických strojích - transformátor, část 3-2-3

pracovní list studenta Střídavý proud Fázové posunutí napětí a proudu na cívce Pavel Böhm

Fyzikální praktikum...

Identifikátor materiálu: VY_32_INOVACE_351

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

Identifikátor materiálu: VY_32_INOVACE_352

LABORATORNÍ CVIČENÍ Elektrotechnika a elektronika

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Praktikum III - Optika

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Úlohač.XI. Název: Měření stočení polarizační roviny

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Posuzoval:... dne:...

Elektronické praktikum EPR1

Manuální, technická a elektrozručnost

4.6.6 Složený sériový RLC obvod střídavého proudu

Technická měření v bezpečnostním inženýrství. Elektrická měření proud, napětí, odpor

VY_32_INOVACE_EM_1.06_měření činného, zdánlivého a jalového výkonu v jednofázové soustavě

Úloha 1: Zapojení integrovaného obvodu MA 7805 jako zdroje napětí a zdroje proudu

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Jméno a příjmení. Ročník

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Fyzikální praktikum I

Laboratorní práce č. 3: Měření elektrického proudu a napětí

Měření vlastností střídavého zesilovače

Datum měření: , skupina: 9. v pondělí 13:30, klasifikace: Abstrakt

Název: Měření nabíjecí a vybíjecí křivky kondenzátoru v RC obvodu, určení časové konstanty a její závislosti na odporu

Digitální učební materiál

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Transkript:

Kabinet výuky obecné fyziky, UK MFF Fyzikální praktikum... Úloha č.... Název úlohy:... Jméno:...Datum měření:... Datum odevzdání:... Připomínky opravujícího: Možný počet bodů Udělený počet bodů Práce při měření 0-5 Teoretická část 0-1 Výsledky měření 0-8 Diskuse výsledků 0-4 Závěr 0-1 Seznam použité literatury 0-1 Celkem max. 20 Posuzoval:... dne:...

Pracovní úkol 1. Změřte účiník: a) rezistoru, b) kondenzátoru C = 10 µf) c) cívky. 2. Určete chybu měření. Diskutujte shodu výsledků s teoretickými hodnotami pro ideální prvky. Pro cívku vypočtěte indukčnost a odpor v sériovém a paralelním náhradním zapojení. 3. Změřte účiník sériového a paralelního zapojení rezistoru a kondenzátoru C = 1, 2, 5, 10 µf). Z naměřených hodnot stanovte odpor rezistoru. Určete chyby měření a rozhodněte, které z obou zapojení je v daném případě vhodnější pro stanovení odporu. 4. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu. 5. Výsledky úkolu 4. zpracujte graficky, v závislosti na zařazené kapacitě vyneste účiník, fázový posuv napětí vůči proudu a výkon. 1 Teorie Střední hodnota výkonu v obvodu s harmonickým průběhem proudu i a napětí u, vůči sobě fázově posunutým o ϕ je podle [1] roven P = 1 T T 0 ut)it) dt = UI cos ϕ 1) kde U a I jsou efektivními hodnotami proudu a napětí. Účiníkem pak nazveme výraz cos ϕ. Pro popis harmonických střídavých obvodů používáme komplexní symboliku u t) = U 0 e jωt+ϕ 1) 2) i t) = I 0 e jωt+ϕ 2) Z = u t) i t) = U 0 I 0 e jϕ = Ze jϕ = konst 4) kde u t) a i t) jsou okamžité hodnoty proudu a napětí, U 0 a I 0 špičkové hodnoty, ω frekvence, ϕ 1 a ϕ 2 fázové posuny proudu a napětí, Z impedance, Z její absolutní hodnota a ϕ = ϕ 1 ϕ 2 fázový rozdíl mezi proudem a napětím. Impedance je závislá na prvcích zařazených v obvodu a je časově nezávislá [1]. 1.1 Sériový RLC obvod Při sériovém řazení prvků RLC jsou dle [1] absolutní hodnota impedance a fázový posun rovny Z = R 2 + ωl 1 ) 2 5) ϕ = arctan ωl 1 6) R kde R je odpor rezistoru, L indukčnost zařazené cívky a C kapacita kondenzátoru. V případě, že některý prvek obvodu vynecháme, vynecháme příslušný člen ve vztazích výše. 2 3)

Obrázek 1: Schéma pro měření účiníku obvodu [1] 1.2 Paralelní RLC obvod Při paralelním řazení prvků RLC jsou dle [1] absolutní hodnota impedance a fázový posun rovny kde Y je tzv. admitance. 1.3 Náhradní zapojení 1 Z = Y = 1 R 2 + 1 ) 2 7) ωl ϕ = arctan ωrc R ) ωl Součástky nemají vždy ideální parametry, např. cívka má i nezanedbatelný odpor, a proto se používají náhradní zapojení, kdy se tento prvek nahradí dvěma ideálními spojenými sériově nebo paralelně. Pro sériové a paralelní náhradní zapojení cívky platí vztahy dle [1], které se dají dále upravit s využitím 1) a 4): R S = U I 8) 1 1 + tan 2 ϕ = P I 2 9) L S = U tan 2 ϕ ωi 1 + tan 2 ϕ = U ) P 2 1 ωi UI 10) R P = U 1 + tan 2 ϕ = U 2 I P 11) L P = U 1 + tan 2 ϕ ωi tan 2 ϕ = U 1 ωi ) 2 1 P UI 12) Protože R tvoří vždy reálnou část impedance, vztahy pro R P a R S platí i při zjišt ování odporu například v RC obvodu. 3

2 Pomůcky analogový wattmetr, digitální ampérmetr, dig. voltmetr, dig. wattmetr HM-8115-2, cívka, kapacitní dekáda, rezistor, laboratorní zdroj napětí, propojovací vodiče 3 Výsledky měření Podmínky měření Chybu měření analogovým wattmetrem byla odhadnuta jako 2 dílky nezřetelná ryska a popraskaná stupnice umožňovaly čtení hodnot pouze odhadem díky podsvětlení), což při daném rozsahu odpovídá 0,25 W. Chybu měření digitálním voltmetrem byla odhadnuta jako 0,1 V v důsledku kolísání hodnot, chyba měření ampérmetru je dle výrobce 0,5 % z hodnoty i z rozsahu. Digitální wattmetr HM-8115-2 měří zároveň i proud a napětí s přesností: wattmetr: 0, 5 % + 10 digits) voltmetr: 0, 4 % + 5 digits) ampérmetr: 0, 4 % + 5 digits) Kapacitní dekádu uvažujeme přesnou vzhledem k ostatním měřeným veličinám. ω = 2πf = 314 ± 4) s 1 Není-li uvedeno jinak, chyby nepřímých měření se počítají z výše uvedených pomocí vztahu pro výpočet nejistoty nepřímých měření [2] 3.1 Účiník jednotlivých prvků R, L a C P, U a I byly změřeny jednak analogově, jednak digitálně tab. 1). Účiník byl vypočítán ze vztahu 1). Dále byly pro cívku určeny podle vztahů 9) 12) parametry náhradního zapojení tab. 2). Tabulka 1: Účiník jednotlivých prvků obvodu P U I cos ϕ±σ cos ϕ [W] [V] [ma] analogově rezistor 2,5 50,5 49,6 1,0 ± 0,1 kondenzátor 0 53,7 165 0,00 ± 0,03 cívka 0,4 53,1 30,3 0,2 ± 0,2 digitálně rezistor 2,34 48,4 48 1,0 ± 0,2 kondenzátor 0,04 51,6 165 0,005±0,002 cívka 0,59 50 29 0,41 ± 0,08 Tabulka 2: Parametry náhradního zapojení cívky R P L P R S L S [kω] [H] [Ω] [H] analogově 7 ± 4 6 ± 3 400 ± 300 5 ± 3 digitálně 4, 2 ± 0, 2 6, 0 ± 0, 5 700 ± 300 5, 0 ± 0, 6 4

Tabulka 3: Účiník RC obvodu v závislosti na kapacitě analogově digitálně C P U I cos ϕ R P U I cos ϕ R [µf] [W] [V] [ma] [Ω] [W] [V] [ma] [Ω] sériově 1 0,13 50,8 14,5 0,2 ± 0,3 595 ±1189 0,23 51 15 0,3 ± 0,1 1040±703 2 0,63 50,7 27 0,5 ± 0,2 857 ± 343 0,74 50,7 27 0,5 ± 0,1 1023±387 5 1,63 50,0 42,2 0,8 ± 0,1 912 ± 140 1,80 50,1 42 0,9 ± 0,1 1021±251 10 2,13 49,7 46,9 0,9 ± 0,1 966 ± 114 2,26 50 47 1,0 ± 0,1 1022±225 paralelně 1 2,38 51,3 49,8 0,93±0,10 1108± 117 2,45 49,6 52 0,95±0,10 1004± 30 2 2,38 49,8 59 0,81±0,09 1045± 110 2,47 49,9 59 0,84±0,08 1008± 30 5 2,5 50,3 96,8 0,51±0,05 1014± 101 2,5 50,2 95 0,52±0,03 1008± 30 10 2,5 50,6 172 0,29±0,03 1025± 102 2,54 50,4 170 0,30±0,01 1000± 29 3.2 Sériový a paralelní RC obvod Závislost na zařazené kapacitě byla měřena pro paralelní i sériový obvod analogově i digitálně. Výsledky jsou v tab. 3. Účiník podle 1), odpor rezistoru podle vztahů 9) a 11), odpor kondenzátoru neuvažujeme. Uvážíme-li chyby měření odporu, jako nejpřesnější se jeví paralelní zapojení měřené digitálním wattmetrem, statistickým zpracováním byl tedy určen odpor: 3.3 Sériový RLC obvod R = 1010 ± 20) Ω V sériovém RLC obvodu byla sledována závislost účiníku, fazového posuvu a výkonu na zařazené kapacitě tab. 4). Účiník byl vypočítán jako v předchozím případě, fázový posuv jako jeho inverze. Protože kosinus je sudá funkce, byla vypočítána pouze jeho absolutní hodnota. Výsledky byly vyneseny do grafů 2 až 4 a proloženy teoretickými závislostmi s využitím vypočítaných parametrů R a L digitální hodnoty). Pro fázový posuv je to závislost 6), pro účiník závislost cos arctan ωl 1 ) 13) R a pro výkon závislost P = R 2 + U 2 ωl 1 ) 2 cos arctan ωl 1 R ) 14) 4 Diskuze výsledků Při měření účiníku jednotlivých prvků jsme se zdaleka největší chyby dopustili na analogovém wattmetru, kdy nebylo ze stupnice možno přesně odečíst hodnotu relativní chyba dosahovala až 100 %), což se pochopitelně projevilo i na nejistotách určení parametrů náhradního zapojení. Bylo ověřeno, že kondenzátor lze pokládat za ideální jeho odpor je téměř zanedbatelný), stejně jako rezistor nemá kapacitu ani indukčnost). Ne tak ovšem cívku, která má v důsledku dlouhého vinutí značný odpor. 5

Tabulka 4: Účiník, výkon a fázový posuv v závislosti na kapacitě C P U I cos ϕ ϕ [µf] [W] [V] [ma] [rad] 0,05 0,006±0,010 51 1 0,1±0,6 1,5±0,6 0,1 0,009±0,010 51,1 2 0,1±0,2 1,5±0,2 0,2 0,020±0,010 51,1 3 0,1±0,2 1,4±0,2 0,4 0,071±0,010 51 7 0,2±0,1 1,4±0,1 0,6 0,181±0,011 51,1 11 0,3±0,1 1,2±0,2 0,8 0,389±0,012 51,1 16 0,5±0,2 1,1±0,2 1 0,670±0,013 50,9 21 0,6±0,2 0,9±0,2 1,5 1,348±0,017 50,4 28 1,0±0,2 0,3±0,6 2 1,505±0,018 50,2 30 1,0±0,2 0,0±4,7 2,5 1,473±0,017 50,3 30 1,0±0,2 0,2±0,8 3 1,396±0,017 50,5 29 1,0±0,2 0,3±0,6 4 1,287±0,016 50,5 28 0,9±0,2 0,4±0,4 5 1,208±0,016 50,4 27 0,9±0,2 0,5±0,4 7 1,117±0,016 50,4 26 0,9±0,2 0,6±0,3 9 1,069±0,015 50,5 25 0,8±0,2 0,6±0,3 1,6 1,4 1,2 1,0 P [W ] 0,8 0,6 0,4 n a m e re n e h o d n o ty te o re tic k a z a v is lo s t 0,2 0,0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 C [µf ] Obrázek 2: Závislost výkonu sériového RLC obvodu na zařazené kapacitě proloženo závislostí 14)) 6

1,2 1,0 0,8 c o s ϕ 0,6 0,4 0,2 n a m e re n e h o d n o ty te o re tic k a z a v is lo s t 0,0-0,2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 C [µf ] Obrázek 3: Závislost účiníku sériového RLC obvodu na zařazené kapacitě proloženo závislostí 13)) 2,0 1,5 n a m e re n e h o d n o ty te o re tic k a z a v is lo s t 1,0 ϕ [ra d ] 0,5 0,0-0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 C [µf ] Obrázek 4: Závislost absolutní hodnoty fázového posuvu proudu a napětí sériového RLC obvodu na zařazené kapacitě proloženo závislostí 6)) 7

Pro určení odporu zařazeného do RC obvodu je nejvýhodnější paralelní digitální zapojení. Analogovým wattmetrem se na daném rozsahu dopouštíme značné chyby již při čtení hodnot a digitální sériové zapojení trpí velkým rozsahem ampérmetru vzhledem k malým měřeným proudům. Závislost fázového posuvu v RLC obvodu lze určit až na znaménko, to by se však dalo určit z průběhu funkce srovnáním s teoretickými předpoklady. V okolí kapacity 2 µf, kdy jsou proud a napětí v obvodu ve fázi viz obr. 4), se dopouštíme velké chyby v určení fázového posuvu v důsledku dělením číslem blízkým nule při výpočtu chyby měření. V případě závislosti výkonu na kapacitě se teoretická závislost zcela neshoduje s naměřenými hodnotami. Protože se však teoretická závislost počítá z experimentálně získaných parametrů R a L, věrohodnější jsou hodnoty naměřené. 5 Závěr Byl změřen účiník jednotlivých prvků R, L, C obvodu a parametry náhradního zapojení pro cívku viz tab. 1 a tab. 2). Dále byl stanoven odpor rezistoru pomocí měření účiníku v RC obvodu: R = 1010 ± 20) Ω Závislost výkonu, účiníku a fázového rozdílu mezi proudem a napětím v sériovém RLC obvodu odpovídá teoretickým předpokladům. Reference [1] Studijní text k Praktiku II. [online], [cit. 2013-12-26]. URL <http://physics.mff.cuni.cz/vyuka/zfp/_media/zadani/texty/txt_214.pdf> [2] Englich, J.: Úvod do praktické fyziky. Praha: Matfyzpress, první vydání, 2006, ISBN 80-867- 3293-2, 145 s. 8