Переходные процессы в RC- и RL- цепях
Переходными, в электрической цепи, принято называть процессы возникающие в результате различных воздействий (например: включений или отключений цепи от источника питания, обрывах или коротких замыканиях, импульсных возмущающих воздействий и так далее) и переводящих её из одного стационарного (установившегося) состояния в новое (другое) стационарное состояние.
Рассмотрим переходный процесс в RC-цепи (рисунок 1), в состав которой входят резистор R, конденсатор С, ключ К и источник питания, на зажимах которого поддерживается постоянное напряжение E=U.
Если установить ключ К в положение ”1” (рисунок 1), то начнётся процесс заряда конденсатора С через резистор R (рисунок 2,a). Для образовавшейся цепи будет справедливо соотношение :
Так как на конденсаторе напряжение скачком изменяться не может, то в момент (t=0) подключения цепи к источнику питания всё напряжение источника окажется на резисторе R, то есть uR = U, uc = 0.
где t – любой момент времени, τ – постоянная времени заряда конденсатора в секундах:
Значения напряжения на резисторе и общего тока RC-цепи уменьшаются также по экспоненциальному закону:
Поэтому, принято считать, что процесс заряда конденсатора заканчивается, когда напряжение на нём достигает значений 90,95 или 99% величины напряжения источника питания U=E.
В подавляющем большинстве случаев, как на практике, так и в теоретических расчётах, время t в течение которого конденсатор считается полностью заряженным, принимают равным 3τ. Также это можно отнести ко всем электрическим цепям, где токи меняются по экспоненциальному закону.
Ток в начальный момент ( t=0) разряда конденсатора будет иметь максимальное значение:
Но по мере разряда конденсатора (превращения накопленной в его электрическом поле энергии в тепловую на резисторе R ) напряжение на нём будет уменьшаться и, как следствие, будут уменьшаться по экспоненциальному закону ток в цепи и напряжение на резисторе:
Через некоторое время, например t=3τ (см. приведенную выше табл.), на конденсаторе останется примерно 5% напряжения от начального значения, что условно можно считать окончанием переходного процесса и возвратом схемы в исходное состояние когда: uC = 0, uR = 0, i = 0.
Теперь рассмотрим переходной процесс в RL-цепи (рис.3), в состав которой входят резистор R, катушка индуктивности L, ключ К и источник питания, на зажимах которого поддерживается постоянное напряжение E=U.
На рисунке 4,а показано что ток в цепи, особенно в начале подключения к источнику, нарастает с наибольшей скоростью, но уже при t= τ его рост значительно замедляется, а при t=3τ практически прекращается и можно считать что его величина достигла установившегося значения i=U/R. При этом, с ростом тока, ЭДС самоиндукции уменьшается до нуля, переходной процесс заканчивается.
Как подключить конденсатор в цепь постоянного тока
Подключение вольтметра
Вольтметр измеряет напряжение – разность потенциалов между двумя точками электрической цепи.
Так как напряжение получается между двумя точками, то и вольтметр подключается параллельно источнику питания или какому-нибудь элементу цепи. Как бы это странно или смешно ни звучало, но подключить вольтметр в цепь последовательно нельзя, потому что напряжение нельзя измерить в одной точке — обязательно нужны две точки.
Как известно, постоянный ток не изменяет своего направления с течением времени, значит, напряжение и полярность источника постоянного тока тоже не изменяются.
Если вольтметр цифровой, или вы измеряете напряжение мультиметром, то при неправильном подключении возможен один из вариантов:
- Прибор покажет измеренное значение, но со знаком «минус» перед ним. Знак минус говорит о неверной полярности или о том, что на плюсовом выводе вольтметра (на щупе) напряжение отрицательно относительно выбранной точки измерения (второго щупа).
- Прибор сам определит полярность и покажет измеренное значение.
- На экране не будет никаких значений или будут гореть «нули».
Причём первый вариант самый распространённый для большинства цифровых мультиметров.
Переменный ток изменяет своё направление с течением времени, например, в отечественной электросети, оно изменяется с частотой 50 герц. Простым языком плюс и минус на разноимённых проводах меняются местами 100 раз в секунду.
Поэтому при измерении переменного тока просто невозможно соблюдать полярность и выводы вольтметра подключаются к цепи произвольно.
ВАЖНО! При выборе вольтметра (и амперметра) учитывайте для измерения какого тока он предназначен, для переменного или постоянного. Есть приборы, которые могут измерять и постоянный, и переменный ток, а есть измеряющие только постоянный ток. На стрелочных приборах род измеряемой величины обозначается соответствующим знаком на шкале (см. таблицу ниже).
Особенности
Чтобы разобраться в особенностях подключения и работы вольтметра, нам нужно рассмотреть небольшую схему.
Стрелочный вольтметр состоит из двух основных частей:
- Измерительный механизм , в разных источниках его называют по-разному, например, измерительной головкой или гальванометром. В любом случае это устройство, состоящее из чувствительного элемента со стрелкой и шкалой. Стрелочные измерительные головки, как правило, универсальны и могут использоваться как для измерения тока, так и для измерения напряжения. В зависимости от принципа работы в устройстве измерительного механизма может быть рамка с катушкой и стрелкой, которая двигается в поле постоянного магнита (в магнитоэлектрических приборах) или катушка с подвижным сердечником, на котором закреплена стрелка (в электромагнитных приборах).
- Добавочный резистор Rд — это резистор, который подключается последовательно с измерительным механизмом и ограничивает ток через него. Он нужен для установки предела измерения прибора — чем больше предел измерения, тем больше сопротивление.
Почему вольтметр параллельно, а амперметр последовательно? | ЭТМ для профессионалов | Яндекс Дзен
- Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньшее влияние он оказывает на работу цепи, соответственно, результат измерения будет точнее.
- Сопротивление вольтметра должно быть как можно больше чем сопротивление элемента цепи на котором измеряют напряжение — Rв >> Rн .
Сопротивление и измерения
С вольтметром разобрались, а каким должно быть сопротивление амперметра, чтобы он не влиял на работу цепи и показывал силу тока точно? Так как амперметр подключается в цепь последовательно, то его внутреннее сопротивление будет ограничивать ток в цепи.
Для примера посчитаем, какой ток протекает в цепи 1, если напряжение источника питания E 10В, а в качестве нагрузки используется резистор R1 сопротивлением 5 Ом.
Итак, ток в цепи должен быть 2 ампера, а теперь подключим в цепь условный амперметр, сопротивление Ra которого 1 Ом, тогда он покажет ток:
Отличие измеренного амперметром тока от расчётного почти в четверть связано с высоким сопротивлением амперметра. То есть чем меньше сопротивление амперметра – тем меньше он влияет на ток в цепи. Соответственно сопротивление амперметра должно быть намного меньше, чем сопротивление нагрузки (Ra
Как и вольтметр, стрелочный амперметр состоит из двух основных частей:
Так как шунт подключается параллельно измеряемой головке, то и внутреннее сопротивление амперметра из-за шунта будет снижаться. При этом чем больше предел измерения, тем меньше сопротивление шунта и меньше внутреннее сопротивление амперметра.
Амперметр нельзя подключать к цепи параллельно!
