Elektrická kapacita a indukčnost

Podobné dokumenty
Rezistor je součástka kmitočtově nezávislá, to znamená, že se chová stejně v obvodu AC i DC proudu (platí pro ideální rezistor).

NÁVAZNOST EL. VELIČIN OD PRIMÁRNÍCH ETALONŮ K DMM A KALIBRÁTORŮM

Vazební mechanismy přenosu rušivých signálů. Jiří Dřínovský UREL, FEKT, VUT v Brně

Základní pasivní a aktivní obvodové prvky

Obvodové prvky a jejich

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

Tématické okruhy teoretických zkoušek Part 66 1 Modul 3 Základy elektrotechniky

Elektromechanický oscilátor

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

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

1.1 Měření parametrů transformátorů

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Kapacita, indukčnost; kapacitor-kondenzátor, induktor-cívka

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

Měření závislosti indukčnosti cívky (Distribuce elektrické energie - BDEE)

Třída přesnosti proudu. Principy senzorů

KAPACITNÍ, INDUKČNOSTNÍ A INDUKČNÍ SNÍMAČE

1.1. Základní pojmy 1.2. Jednoduché obvody se střídavým proudem

ELT1 - Přednáška č. 6

Fyzikální praktikum...

Impedanční děliče - příklady

Elektromagnetismus 163

Přehled veličin elektrických obvodů

Korekční křivka měřícího transformátoru proudu

Měřicí přístroje a měřicí metody

7 Měření transformátoru nakrátko

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

9 Měření na jednofázovém transformátoru při různé činné zátěži

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Střední od 1Ω do 10 6 Ω Velké od 10 6 Ω do Ω

Název: Téma: Autor: Číslo: Prosinec Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

Učební osnova předmětu ELEKTRICKÁ MĚŘENÍ. studijního oboru M/01 ELEKTROTECHNIKA (silnoproud)

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

4. Zpracování signálu ze snímačů

13 Měření na sériovém rezonančním obvodu

Určeno pro posluchače bakalářských studijních programů FS

u = = B. l = B. l. v [V; T, m, m. s -1 ]

3. Kmitočtové charakteristiky

Kompenzovaný vstupní dělič Analogový nízkofrekvenční milivoltmetr

ODBORNÝ VÝCVIK VE 3. TISÍCILETÍ. MEII Měření na pasivních součástkách

19. Elektromagnetická indukce

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

6 Měření transformátoru naprázdno

METROLOGIE VYBRANÝCH KINEMATICKÝCH VELIČIN

Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava 8. TRANSFORMÁTORY

2.6. Vedení pro střídavý proud

Systémy analogových měřicích přístrojů

Příklady: 31. Elektromagnetická indukce

Transformátor trojfázový

2. STŘÍDAVÉ JEDNOFÁZOVÉ OBVODY

Rezonanční obvod jako zdroj volné energie

TRANSFORMÁTORY Ing. Eva Navrátilová

3.1 Magnetické pole ve vakuu a v látkovén prostředí

Vyjadřování přesnosti v metrologii

1 JEDNOFÁZOVÝ INDUKČNÍ MOTOR

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

popsat princip činnosti základních zapojení čidel napětí a proudu samostatně změřit zadanou úlohu

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2) Přednáška 1

Stacionární magnetické pole. Kolem trvalého magnetu existuje magnetické pole.

CW01 - Teorie měření a regulace

LC oscilátory s transformátorovou vazbou

R 0 = R 1 + R 2. V současnosti je R Z >> R 0, dělič se počítá naprázdno R 1. U 1 R 2 R Z U 2 Přenos:

ZÁKLADY ELEKTROTECHNIKY pro OPT

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

Základní otázky ke zkoušce A2B17EPV. České vysoké učení technické v Praze ID Fakulta elektrotechnická

Usměrňovače, filtrace zvlněného napětí, zdvojovač a násobič napětí

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

Měření kapacity Opakování kapacita C (farad F) kapacita deskového kondenzátoru

Vítězslav Stýskala TÉMA 1. Oddíly 1-3. Sylabus tématu

Mˇeˇren ı vlastn ı indukˇcnosti Ondˇrej ˇ Sika

České kalibrační sdružení

LABORATORNÍ PROTOKOL Z PŘEDMĚTU SILNOPROUDÁ ELEKTROTECHNIKA

5. ELEKTRICKÁ MĚŘENÍ

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

Měření výkonu jednofázového proudu

ρ = měrný odpor, ρ [Ω m] l = délka vodiče

Teorie elektromagnetického pole Laboratorní úlohy

5.0 ZJIŠŤOVÁNÍ FÁZOVÝCH PŘEMĚN

Laboratorní cvičení č.11

ELEKTROMAGNETICKÉ POLE

LC oscilátory s nesymetrickým můstkem II

=2πf. i(t)=im.sin(ωt)

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

Elektro-motor. Asynchronní Synchronní Ostatní DC motory. Vinutý rotor. PM rotor. Synchron C

Elektro-motor. Asynchronní Synchronní Ostatní DC motory. Vinutý rotor. PM rotor. Synchron C

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

Zdroje napětí - usměrňovače

NESTACIONÁRNÍ MAGNETICKÉ POLE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

2 Přímé a nepřímé měření odporu

Strana 1 (celkem 11)

Profilová část maturitní zkoušky 2016/2017

Radioelektronická měření (MREM) Měření impedance. 8. přednáška. Jiří Dřínovský. Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

PSK1-15. Metalické vedení. Úvod

Fyzika. 8. ročník. LÁTKY A TĚLESA měřené veličiny. značky a jednotky fyzikálních veličin

9.1 Přizpůsobení impedancí

Název: Autor: Číslo: Srpen Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

Digitální učební materiál

KABELOVÉ VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH VODIČŮ. Helena Uhrová

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

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, měření elektrického napětí

Transkript:

Elektrická kapacita a indukčnost Do šedesátých let minulého století se jako primární etalony elektrické impedance používaly téměř výhradně etalony vlastní a vzájemné indukčnosti. Tyto etalony byly konstruovány především s ohledem na to, aby byly co nejstabilnější a aby bylo možno s co největší přesností stanovit všechny rozměry potřebné pro výpočet jejich indukčnosti. Přednost byla dávána použití etalonů vzájemné indukčnosti, které mají proti etalonům indukčnosti vlastní řadu výhod (např. menší kmitočtovou závislost indukčnosti, menší ztrátový činitel ap.). Při realizaci absolutních etalonů vzájemné indukčnosti se zpravidla vycházelo ze zásad formulovaných v roce 907 A. Campbellem a později rozpracovaných R. M. Willmottem. Přesné stanovení vzájemné indukčnosti etalonu je velmi obtížné a vyžaduje celou řadu měření. Především je třeba změřit průměry a délky jednotlivých vinutí, stoupání šroubovic těchto vinutí a průměry vodičů, kterými jsou vinutí realizována. Dokonce je třeba znát závislosti rezistivit vodičů na mechanickém napětí, aby bylo možno stanovit korekce na nerovnoměrné rozložení proudu po průřezu, ke kterému dochází proto, že vodič navinutý na kostru etalonu je po průřezu nerovnoměrně mechanicky namáhán. Problémy bývají i s umístěním etalonu tak, aby jejich indukčnosti nebyly žádným způsobem ovlivňovány přítomností feromagnetických předmětů. Z těchto důvodů lze hodnotu absolutního etalonu vzájemné indukčnosti jen těžko stanovit s chybou menší než 0-4 %. Primární etalon elektrické kapacity na základě Thompson- Lampardova teorému Nové možnosti etalonáže kapacity přinesl v roce 955 objev Thompson-Lampardova teorému, na jehož základě lze realizovat kapacitní etalony (dále TLK), tj. vypočitatelné kondenzátory, u nichž lze změnou aktivní délky elektrod dosáhnout přesně známých změn kapacity. K výpočtu těchto změn stačí znát pouze permitivitu vakua a změnu jediného rozměru - aktivní délky elektrod. Obr. : Schéma TLK a změna jeho aktivní délky V metrologických laboratořích se TLK nejčastěji realizují způsobem naznačeným na obr., kde E je stínicí kryt a A, B, C, D jsou hlavní elektrody etalonu tvaru kruhových válců, F a G jsou stínicí elektrody, které jsou na stejném potenciálu jako stínicí kryt. Vše je umístěno ve vakuu. Posouváním elektrody G lze měnit délku úseku, na němž elektrody A a C, příp. B a D nejsou odstíněny, a tím i kapacity C AC, příp. C BD mezi nimi. Na koncích elektrod F a G jsou opticky propustné plochy, které spolu s jinými optickými prvky, jež na obrázku nejsou vyznačeny tvoří Fabryho-Perotův interferometr. Část monochromatického světla přivedeného do duté elektrody F prochází dutou elektrodou G přímo bez odrazů do hlavy interferometru a interferuje zde se světlem, které sem dospěje až po odrazech na čelních plochách elektrod G a F, tj. až po proběhnutí optické dráhy o dvojnásobek aktivní délky elektrod delší, než je dráha světla postupujícího přímo. Ze změn interferenčního obrazce, pozorovaného v zorném poli

interferometru lze vyhodnocovat změny ve vzdálenosti elektrod F a G. V případě, že se jako světelného zdroje použije např. He-Ne laseru, lze změny řádově desítek cm vyhodnocovat s nejistotami řádově 0-6 %. Obr. 2: Schéma návaznosti etalonů a měřidel kapacity 2

Změna kapacity kondenzátoru závisí na změně polohy elektrody G podle následujícího vztahu: ΔC = Δl ε ln 2 0 π () 2 kde ε je permitivita vakua. Konstanta ε ln 0 0 π má hodnotu,953 549 043 pf/m. Za účelem dosažení větších hodnot kapacity byl ve Francii realizován TLK s více než čtyřmi hlavními elektrodami. Sekundární etalony kapacity Jako sekundární etalony elektrické kapacity se používají přesně zhotovené kondenzátory zvláštních konstrukcí, které jsou určené pro uchovávání a přenos jednotky elektrické kapacity. Takový etalonový kondenzátor musí být konstruovaný a vyrobený z takového materiálu, aby jeho hodnota kapacity byla časově stálá, hodnota kapacity musí být jednoznačně definovaná, jeho elektrické pole musí být přesně ohraničené a rozptylové pole minimální, dielektrikum mezi deskami musí mít vysoký izolační odpor, dielektrické ztráty kondenzátoru musí být co nejmenší, teplotní závislost kapacity musí být co nejmenší a jeho vlastní indukčnost musí být zanedbatelná. Desky takových kondenzátorů se vyrábějí z Invaru, dielektrikum je plynové nebo lépe z korundu nebo z taveného křemene. Teplotní závislost (0 až 20) 0-6 K - vyžaduje temperaci při použití. Kromě etalonů s pevnou kapacitou se užívají také etalony s proměnnou kapacitou, rozšíření a realizace stupnice kapacity se provádí pomocí střídavých můstků: transformátorový můstek, ale také Scheringův můstek, můstek Maxwellův a Wienův. Schéma návaznosti etalonů kapacity je na obr. 2. Toto schéma je ještě z doby federace. Nyní používané sekundární etalony kapacity byly dříve navazovány na vypočitatelný kondenzátor v Sovětském svazu, nyní je určitá možnost navazovat kondenzátor 0 pf v BIPM. Obr. 3: Schéma kvadraturního můstku Kvadraturní můstek umožňuje vhodným způsobem porovnávat různé veličiny, odpor a kapacitu. Tím je možné navazovat jednotky kapacity na jednotky odporu a naopak. Protože se musí jednat o můstek napájený střídavým proudem, zařazené prvky se musí posuzovat jako impedance (nebo admitance), které mají reálnou a imaginární složku. V rovnováze na můstku musí být vyrovnané jak reálné, tak také imaginární složky zařazených prvků, proto musí mít můstek minimálně dva vyvažovací prvky a musí tomu být přizpůsobena i indikace vyrovnání. Můstek je znázorněný na obr. 3. Je napájen střídavým napětím Uˆ. V můstku jsou zařazeny 3

admitancey, Y 2, Y 3, a Y 4. Admitance Y a Y 3 jsou tvořeny kapacitními etalony, admitance Y a 2 Y 4 jsou tvořeny odporovými etalony. Můstek má dva indikátory vyvážení IV a IV2 a vyvažuje se jednak změnou dělicího poměru n indukčního děliče, jednak změnou amplitudy a fáze napětí Uˆ 2 (odvozuje se z napětí Uˆ pomocí vhodných indukčních poměrových prvků a vhodných obvodů pro posun fáze). Části můstku jsou vhodně uzemněny a stíněny, čímž se zjednoduší matematický popis. Pro můstek vyvážený na obou indikátorech pak platí jednoduché vztahy umožňující vzájemný přepočet z odporových etalonů na kapacitní nebo naopak. Na obr. 4 je uveden komplikovaný způsob, jakým se provádělo porovnání primárních etalonů kapacity a odporu ve Velké Británii, který vedl v důsledku i ke zpřesnění hodnoty odporového etalonu Ω. Obr. 4: Měřicí řetězec prožívaný v NPL ve Velké Británii na odvození ohmu od vypočitatelného etalonu kapacity a na porovnání Hallova odporu s odvozeným ohmem a s národní reprezentací ohmu. Elektrická indukčnost Vlastní indukčnost cívky L určuje poměr mezi celkovým magnetickým tokem Φ a konstantním proudem I protékajícím cívkou podle vztahu L = Φ/I a je definovaná vztahem: u= L di, kde u je elektromotorické napětí, které se indukuje při časové změně prou- d t du i. 4

Vzájemná indukčnost M pro dvě vázané cívky je definovaná jako poměr mezi magnetickým tokem Φ 2 v druhé cívce a proudem I v první cívce podle vztahu M = Φ 2 /I, z principu vzájemnosti musí také platit i opačný vztah M = Φ /I 2. I vzájemnou indukčnost lze definovat dynamicky pomocí indukovaného elektromotorického napětí: u M d 2 i dt =. u M di 2= nebo dt Etalony indukčnosti slouží pro uchovávání a přenos jednotky indukčnosti. Etalony musí splňovat následující podmínky: hodnota indukčnosti musí být časově stálá, nezávislá na velikosti proudu protékajícího etalonem, nesmí být závislá na kmitočtu proudu, musí mít co nejmenší teplotní závislost a hodnota kapacity a odporu etalonu musí být co nejmenší. Jako etalony se používají přesně vyrobené cívky a vázané cívky. Přesto, že je teoreticky možné vytvářet absolutní etalony vlastní indukčnosti a etalony vzájemné indukčnosti na základě výpočtů, jak se to dělalo dříve, přesnost takových etalonů je dnes již nedostačující. Proto se jednotky indukčnosti odvozují na základě etalonů kapacity a odporu při měřeních na střídavých můstcích, jak plyne ostatně i z uvedeného schématu návaznosti na obr. 5. Používají se etalony indukčnosti s jednou hodnotou, etalony s proměnnou hodnotou, stupnice indukčností se vytváří a rozšiřuje pomocí můstkových měření. Stav etalonů v ČR V České republice máme primární etalon kapacity, nemáme primární etalony indukčnosti. Navázání našich sekundárních etalonů těchto veličin se provádí přes sekundární etalony odporu pomocí kvadraturních můstků. Sekundární etalony odporu 0 Ω a 0 kω pravidelně navazujeme v BIPM v Paříži. Podle: Boháček J.: Metrologie elektrických veličin, ČVUT, Praha, 994 Harich L., Progner V.: Elektrický odpor, kapacita a indukčnost, VÚNM, Praha, 980 5

Obr. 5: Schéma návaznosti etalonů a měřidel indukčnosti 6