Capacitate reactivă

18-RO Ela, A saptea dimensiune si laboratorul de pe Jupiter - Hipnoza Regresiva Ana Oprea (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Capacitate reactivă

AC Circuite electrice


Intrebarea 1

Nu stați acolo! Construiți ceva!

Învățarea de a analiza matematic circuitele necesită mult studiu și practică. În mod obișnuit, elevii practică prin lucrul prin numeroase probleme de probă și verificând răspunsurile lor față de cele oferite de manual sau instructor. În timp ce acest lucru este bun, există o cale mult mai bună.

Veți învăța mult mai mult prin construirea și analizarea circuitelor reale, permițând echipamentul de testare să furnizeze "răspunsurile" în loc de o carte sau de o altă persoană. Pentru exerciții de construire a circuitelor de succes, urmați acești pași:

  1. Cu atenție măsurați și înregistrați toate valorile componentelor înainte de construcția circuitului.
  2. Desenați diagrama schematică pentru circuitul care urmează să fie analizat.
  3. Construiți cu atenție acest circuit pe un panou sau alt mediu convenabil.
  4. Verificați precizia construcției circuitului, urmărind fiecare cablu la fiecare punct de conectare și verificând elementele unu-câte unul pe diagramă.
  5. Analiza matematică a circuitului, rezolvarea tuturor valorilor tensiunii și curentului.
  6. Măsurați cu atenție toate tensiunile și curenții, pentru a verifica corectitudinea analizei.
  7. Dacă există erori substanțiale (mai mari de câteva procente), verificați cu atenție construcția circuitului în funcție de diagramă, apoi calculați cu atenție valorile și re-măsurați cu atenție.

Pentru circuitele de curent alternativ în care reactanțele inductive și capacitive (impedanțe) sunt un element semnificativ în calcule, recomandăm inductori și condensatori de înaltă calitate (high-Q) și alimentarea circuitelor cu tensiune joasă (frecvența liniei electrice funcționează bine) efecte parazitare. Dacă sunteți într-un buget restrâns, am constatat că tastatura electronică ieftină servesc drept "generatoare de funcții" pentru producerea unei game largi de semnale de frecvență audio-frecvență. Asigurați-vă că alegeți o tastatură "voce" care imită îndeosebi un val sinusoidal (vocea "panflute" este de obicei bună), dacă formele de undă sinusoidale reprezintă o ipoteză importantă în calculele dvs.

Ca de obicei, evitați valorile rezistenței foarte mari și foarte scăzute, pentru a evita erorile de măsurare cauzate de încărcarea contorului. Vă recomand valori rezistor între 1 kΩ și 100 kΩ.

O modalitate prin care puteți economisi timp și reduce posibilitatea de eroare este să începeți cu un circuit foarte simplu și să adăugați incremental componente pentru a crește complexitatea acestuia după fiecare analiză, mai degrabă decât să construiți un circuit complet nou pentru fiecare problemă de practică. O altă tehnică de economisire a timpului este de a reutiliza aceleași componente într-o varietate de configurații diferite de circuite. În acest fel, nu va trebui să măsurați valoarea unei componente mai mult decât o dată.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Lăsați electronii înșiși să vă dea răspunsul la propriile "probleme practice"!

Note:

Experiența mea a fost că studenții au nevoie de multă practică cu analiza circuitului pentru a deveni competenți. În acest scop, instructorii oferă de obicei studenților lor o mulțime de probleme de practică prin care să lucreze și oferă răspunsuri elevilor să-și controleze munca. În timp ce această abordare îi face pe studenți să se familiarizeze cu teoria circuitelor, nu reușește să le educe pe deplin.

Elevii nu au nevoie doar de practică matematică. Aceștia au nevoie, de asemenea, de circuite de construcție practice practice și de echipamente de testare. Deci, sugerez următoarea abordare alternativă: elevii ar trebui să- și construiască propriile "probleme de practică" cu componente reale și să încerce să prezică matematic diferitele valori de tensiune și curent. În acest fel, teoria matematică "vine în viață", iar studenții dobândesc o experiență practică pe care nu ar câștiga doar prin rezolvarea ecuațiilor.

Un alt motiv pentru a urma această metodă de practică este de a preda studenților metodă științifică : procesul de testare a unei ipoteze (în acest caz, predicții matematice) prin efectuarea unui experiment real. Elevii vor dezvolta, de asemenea, abilități reale de depanare, deoarece uneori fac erori de construcție a circuitelor.

Petreceți câteva momente de timp cu clasa dvs. pentru a revizui unele dintre "regulile" de construire a circuitelor înainte de a începe. Discutați aceste probleme cu elevii dvs. în aceeași manieră Socratică, în mod normal, ați discuta cu întrebările din foaia de lucru, în loc să le spuneți pur și simplu ce ar trebui și nu ar trebui să facă. Nu mă mai opresc niciodată să fiu uimită de modul în care elevii slab înțeleg instrucțiunile atunci când sunt prezentați într-un format tipic de prelegere (instructor monolog)!

O modalitate excelentă de a introduce studenții la analiza matematică a circuitelor reale este să le determinăm mai întâi să determinăm valorile componentelor (L și C) din măsurătorile de tensiune și curent AC. Cel mai simplu circuit, desigur, este o singură componentă conectată la o sursă de alimentare! Nu numai că aceasta va învăța pe elevi cum să înființeze circuitele de curent alternativ în mod corespunzător și sigur, dar le va învăța cum să măsoare capacitatea și inductivitatea fără echipamentul de testare specializat.

Notă privind componentele reactive: utilizați condensatoare și inductori de înaltă calitate și încercați să utilizați frecvențe joase pentru alimentarea cu energie electrică. Transformatoarele de putere mici în trepte funcționează bine pentru inductori (cel puțin doi inductori într-un singur pachet!), Atâta timp cât tensiunea aplicată la orice bobina transformatorului este mai mică decât tensiunea nominală a transformatorului pentru această înfășurare (pentru a evita saturarea miezului ).

O notă adresată acelor instructori care se pot plânge de timpul "irosit" trebuie să-i facă pe elevi să construiască circuite reale în loc să analizeze doar matematic circuitele teoretice:

Care este scopul studenților care vă ia cursul "panoul de lucru" panoul panoului de lucru implicit?

intrebarea 2

Ca regulă generală, condensatorii se opun schimbării ( alegeți: sau) și fac acest lucru prin. . . (completa propozitia).

Pe baza acestei reguli, determinați modul în care un condensator ar reacționa la o tensiune AC constantă care crește în frecvență. Un condensator ar trece mai mult sau mai puțin curent, dat fiind o frecvență mai mare? Explică-ți răspunsul.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Ca regulă generală, condensatorii se opun schimbării și fac acest lucru prin producerea unui curent.

Un condensator va transmite o cantitate mai mare de curent alternativ, având aceeași tensiune AC, la o frecvență mai mare.

Note:

Această întrebare este un exercițiu în gândirea calitativă: ratele de schimbare aferente altor variabile, fără utilizarea unor cantități numerice. Regula generală menționată aici este foarte, foarte importantă pentru studenți de a stăpâni și a putea să se aplice într-o varietate de circumstanțe. Dacă nu află nimic despre condensatori, cu excepția acestei reguli, ei vor putea să înțeleagă funcția unui mare număr de circuite de condensatoare.

Întrebarea 3


∫f (x) dx Alertă de calcul!


Știm că formula referitoare la tensiunea instantanee și curentul într-un condensator este următoarea:

i = C de


dt

Cunoscând acest lucru, determinați în ce puncte de pe acest plan sinusoidal pentru tensiunea condensatorului este curentul de condensator egal cu zero și unde curentul se află la vârfurile sale pozitive și negative. Apoi, conectați aceste puncte pentru a desena forma de undă pentru curentul de condensator:

Cât de mult se schimbă faza (în grade) între formele de undă de tensiune și curent "# 3"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Pentru un condensator, tensiunea este întârziată și curentul conduce, printr-o schimbare de fază de 90 o .

Note:

Această întrebare este o aplicație excelentă a conceptului de calcul al derivatului : relaționarea unei funcții (curent instantaneu, i) cu rata de schimbare instantanee a unei alte funcții (tensiune, (de / dt)).

Întrebarea 4

Trebuie să știți că un condensator este format din două plăci conductoare separate printr-un material izolator electric. Ca atare, nu există o cale "ohmică" pentru ca electronii să curgă între plăci. Acest lucru poate fi justificat de o măsurare a ohmmetrului, care ne spune că un condensator are (aproape) o rezistență infinită odată ce este încărcat la tensiunea de ieșire completă a ohmmetrului.

Explicați apoi modul în care un condensator este capabil să treacă continuu curent alternativ, chiar dacă nu poate trece continuu DC.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Te voi lăsa să înțelegi singuri!

Note:

Această caracteristică a condensatoarelor este extrem de utilă în circuitele electronice. Elevii dvs. vor găsi mai multe aplicații ale acestuia mai târziu în studiile lor!

Întrebarea 5

Are opoziția unui condensator la creșterea sau scăderea curentului alternativ, deoarece frecvența curentului crește "# 5"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Opoziția la curentul de curent alternativ ("reactanță") a unui condensator scade, pe măsură ce crește frecvența. Ne referim la această opoziție ca la "reacție", mai degrabă decât la "rezistență", deoarece ea nu are caracter disipativ. Cu alte cuvinte, reactanța nu cauzează nicio putere de a părăsi circuitul.

Note:

Cereți studenților dvs. să definească relația dintre reactanța condensatorului și frecvența ca fiind "direct proporțională" sau "invers proporțională". Acestea sunt două fraze utilizate frecvent în știință și inginerie pentru a descrie dacă o cantitate crește sau scade, pe măsură ce o altă cantitate crește. Studenții dvs. trebuie să cunoască cu siguranță aceste două fraze și să le poată interpreta și folosi în discuțiile lor tehnice.

De asemenea, discutați în acest context sensul cuvântului "non-disipativ". Cum am putea dovedi că opoziția față de curent exprimată de un condensator nu este disipativă? Care ar fi ultimul test al acestui lucru?

Întrebarea 6

Va crește curentul prin rezistență sau va scădea pe măsură ce plăcile de condensator se vor apropia mai mult?

Explicați de ce se întâmplă acest lucru, cu referire la reactanța capacitivă (X C ).

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Curentul va crește .

Următoarea întrebare: combinați ecuația capacității fizice și ecuația capacității de reactanță împreună pentru a forma o nouă ecuație care rezolvă reactanța (X C ) având în vedere toate specificațiile fizice ale condensatorului (suprafața plăcii, distanța și permitivitatea) și frecvența aplicată :

C = εA


d

X C = 1


2 πf C

Note:

Elevii ar putea să ghicească răspunsul corect chiar dacă nu știu nimic despre reactanța capacitivă, presupunând că plăcile mai apropiate înseamnă un circuit mai complet. Răspunsul real este mai complex decât acesta, și asta trebuie să scoți din discuția cu ei.

Întrebarea 7

Să presupunem că cineva ar trebui să vă ceară diferențierea reactanței electrice (X) de rezistența electrică (R). Cum ați face distincția între aceste două concepte similare unul de celălalt, folosind propriile dvs. cuvinte "# 7"> Dezvăluiți răspunsul Ascundeți răspunsul

Este foarte important pentru dvs. să înfruntați acest concept în propriile cuvinte, așa că asigurați-vă că ați verificat cu instructorul dvs. cu privire la exactitatea răspunsului la această întrebare! Pentru a vă oferi un loc pentru a începe, vă ofer această distincție: rezistența este frecarea electrică, în timp ce reactanța este stocarea energiei electrice. În mod fundamental, diferența dintre X și R este o chestiune de schimb de energie și se înțelege cel mai exact în acești termeni.

Note:

Acesta este un punct excelent de încrucișare cu studiile studenților în fizica elementară, dacă studiază fizica acum sau au studiat fizica în trecut. Acțiunile de stocare a energiei inductoarelor și condensatoarelor sunt destul de asemănătoare cu acțiunile de stocare a energiei maselor și izvoarelor (respectiv, dacă asociați viteza cu curentul și forța cu tensiunea). În același sens, rezistența este analogă cu frecare cinetică dintre un obiect în mișcare și o suprafață staționară. Paralelele sunt atât de precise încât proprietățile electrice ale lui R, L și C au fost exploatate pentru a modela sistemele mecanice de frecare, masă și rezistență în circuite cunoscute ca calculatoare analogice .

Întrebarea 8

Un condensator evaluat la 2.2 microfarade este supus unei tensiuni sinusoidale AC de 24 volți RMS, la o frecvență de 60 Hz. Scrieți formula pentru calculul reactanței capacitive (X C ) și rezolvați curentul prin condensator.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

X C = 1


2 πf C

Curentul prin acest condensator este de 19, 91 mA RMS.

Note:

Am constatat în mod constant că analiza calitativă (mai mare decât, mai puțin sau egală) este mult mai dificilă pentru studenți decât pentru analiza cantitativă (punerea cifrelor pe calculator). Cu toate acestea, am găsit în mod constant la locul de muncă că persoanele care nu au calități calitative fac mai multe erori cantitative "prostești" deoarece nu pot valida calculele prin estimare.

În lumina acestui fapt, îi provoc pe elevii mei să analizeze calitativ formulele când le sunt prezentate pentru prima dată. Cereți elevilor dvs. să identifice ce se va întâmpla cu un termen al unei ecuații dacă alt termen ar fi fie să crească, fie să scadă (alegeți direcția schimbării). Utilizați simbolurile săgeată sus și jos, dacă este necesar, pentru a comunica grafic aceste modificări. Elevii dvs. vor beneficia în mare măsură în înțelegerea conceptuală a matematicii aplicate din acest tip de practică!

Întrebarea 9

La ce frecvență are un condensator de 33 μF 20 Ω de reactanță? Scrieți formula pentru rezolvarea acestei situații, pe lângă calcularea frecvenței.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

f = 241, 1 Hz

Note:

Asigurați-vă că îi cereți elevilor să demonstreze manipularea algebrică a formulei originale, oferind răspunsul la această întrebare. Modelarea algebrică a ecuațiilor este o abilitate foarte importantă de a avea și vine doar prin studiu și practică.

Întrebarea 10

Explicați toți pașii necesari pentru a calcula cantitatea de curent în acest circuit capacitiv AC:

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

I = 22, 6 mA

Note:

Actualul nu este greu de calculat, astfel încât evident cel mai important aspect al acestei întrebări nu este matematica. Mai degrabă, este procedura de calcul: ce trebuie făcut primul, al doilea, al treilea, etc., în obținerea răspunsului final.

Întrebarea 11

În circuitele de curent continuu, avem Legea lui Ohm de a lega împreună tensiunea, curentul și rezistența:

E = IR

În circuitele de curent alternativ, avem nevoie în mod similar de o formulă care să coreleze împreună tensiunea, curentul și impedanța . Scrieți trei ecuații, o rezolvare pentru fiecare dintre aceste trei variabile: un set de formule de lege pentru circuitele de curent alternativ. Fiți pregătit să arătați cum puteți folosi algebra pentru a manipula una din aceste ecuații în celelalte două forme.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

E = IZ

I = E


Z

Z = E


eu

Dacă se utilizează cantitățile de fazori (numere complexe) pentru tensiune, curent și impedanță, modul corect de a scrie aceste ecuații este după cum urmează:

E = IZ

I = E


Z

Z = E


eu

Formatul cu caractere aldine este un mod obișnuit de denotare a cantităților vectoriale în matematică.

Note:

Deși folosirea unor cantități de fazor pentru tensiune, curent și impedanță în forma AC a Legii lui Ohm oferă anumite avantaje distincte față de calculele scalare, aceasta nu înseamnă că nu se pot folosi cantități scalare. Adesea este oportună exprimarea unei tensiuni, a unui curent sau a unei impedanțe ca un număr scalar simplu.

Întrebarea 12

Este adesea necesar să se reprezinte cantitățile de circuit de CA ca numere complexe și nu ca numere scalare, deoarece atât unghiul de magnitudine cât și unghiul de fază sunt necesare pentru a lua în considerare anumite calcule.

Atunci când reprezintă tensiunile și curenții AC în formă polară, unghiul dat se referă la schimbarea de fază dintre tensiunea sau curentul dat și o tensiune sau curent "de referință" la aceeași frecvență în altă parte a circuitului. Deci, o tensiune de 3, 5 V ∠-45 o înseamnă o tensiune de magnitudine de 3, 5 volți, trecând în fază de 45 de grade în spatele (întârzierii) tensiunii de referință (sau curentului), care este definită ca fiind sub un unghi de 0 grade.

Dar ceea ce despre impedanță (Z) "# 12"> Reveal răspuns Hide răspuns

Z C = 15, 92 kΩ ∠ -90 o

Note:

Aceasta este o întrebare provocatoare, deoarece solicită elevului să apere aplicarea de unghiuri de fază unui tip de cantitate care nu posedă într-adevăr o formă de undă cum ar fi tensiunile AC și curenții. Conceptual, acest lucru este dificil de înțeles. Cu toate acestea, răspunsul este destul de clar prin calculul Legii lui Ohm (Z = E / I ).

Deși este natural să alocați un unghi de fază de 0o la sursa de 48 volți, făcându-l forma de undă de referință, acest lucru nu este de fapt necesar. Lucrați prin acest calcul cu studenții, asumându-vă unghiuri diferite pentru tensiune în fiecare caz. Ar trebui să găsiți că impedanța calculează a fi aceeași cantitate exactă de fiecare dată.

Întrebarea 13

Explicați cum ați putea calcula valoarea capacității unui condensator (în unități de Farads), prin măsurarea tensiunii AC, a curentului de curent alternativ și a frecvenței într-un circuit al acestei configurații:

Scrieți o singură rezolvare a formulei pentru capacitate având în vedere aceste trei valori (V, I și f).

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

C = eu


2 πf V

Note:

Cereți studenților dvs. să arate cum au ajuns la formula pentru calcularea lui C. Algebra nu este dificilă, dar este necesară o înlocuire.

Întrebarea 14

Un tehnician măsoară tensiunea pe bornele unei supape electromagnetice arse, pentru a verifica prezența tensiunii periculoase înainte de a atinge conexiunile prin cablu. Întrerupătorul de circuit al acestui solenoid a fost oprit și fixat cu o blocare, dar voltmetrul digital al tehnicianului înregistrează în continuare circa trei și jumătate de volți AC pe terminalele solenoidului!

Acum, trei și jumătate de volți AC nu este suficient de tensiune pentru a provoca orice rău, dar prezența ei confunde și îngrijorează tehnicianul. Nu trebuie să fie 0 volți, cu întrerupătorul dezactivat "# 14"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Capacitatea excesivă care există între contactele deschise ale întrerupătorului asigură o traiectorie cu impedanță ridicată pentru ca tensiunea de curent alternativ să ajungă la cablurile de testare a voltmetrului.

Următoarele întrebări: în timp ce tensiunea măsurată în acest caz era cu mult sub pragul general al industriei pentru pericolul de șoc (30 volți), un scenariu puțin diferit ar fi putut să ducă la o măsurătoare de tensiune mult mai mare "fantomă". Ar putea ca o tensiune capacitiv cuplată de acest tip să reprezinte un pericol pentru siguranță? De ce sau de ce nu?

Întrebare provocată: este posibil ca tehnicianul să disceadă dacă 3, 51 volți măsurați de voltmetru sunt sau nu "reali"? Cu alte cuvinte, ceea ce ar fi dacă această tensiune mică nu este rezultatul unei capacități excesive în contactele întreruptoare, ci mai degrabă o altă sursă de curent alternativ capabilă să furnizeze curent substanțial? Cum poate tehnicianul să determine dacă 3, 51 volți este sau nu capabil să furnizeze cantități semnificative de curent?

Note:

Nu pot să vă spun de câte ori am întâlnit acest fenomen: tensiunile AC "fantomatice" înregistrate de circuitele DMM cu impedanță ridicată care ar trebui să fie "moarte". Electricieni industriali folosesc adesea un instrument diferit pentru a verifica prezența tensiunii periculoase, un dispozitiv brut cunoscut sub numele de "Wiggy".

Întrebarea 15

Căștile audio fac detectori de tensiune foarte sensibili pentru semnalele AC în domeniul de frecvență audio. Cu toate acestea, difuzoarele mici din interiorul căștilor sunt ușor de deteriorat de aplicarea tensiunii DC.

Explicați modul în care un condensator ar putea fi folosit ca dispozitiv "de filtrare" pentru a permite semnalele AC până la o pereche de căști, dar bloca orice tensiune DC aplicată, pentru a preveni deteriorarea accidentală a căștilor în timp ce le utilizați ca instrument electric.

Cheia înțelegerii modului de a răspunde la această întrebare este să recunoaștem ceea ce un condensator "apare ca" la semnalele AC versus semnalele DC.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Conectați un condensator în serie cu difuzoarele pentru căști.

Note:

Recomand elevilor să construiască un circuit de izolare a transformatorului dacă intenționează să utilizeze o pereche de căști audio ca dispozitiv de testare (a se vedea numărul fișierului de întrebări 00983 pentru o diagramă completă schematică).

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →