К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ № 1

В контрольную работу входят 11 тем, т.е. весь первый раздел программы. На темы 1.2. и 1.6. предусмотрены задачи, на остальные темы - теоретические вопросы. В таблице 1 указаны варианты и данные к этим задаче №1, а также номера теоретических вопросов, в таблице 2 данные для задачи №2.

Методические указания к решению задачи 1

Решение задачи требует знаний закона Ома для всей цепи и ее участков, законов Кирхгофа, методики определения эквивалентного сопротивления цепи при смешанном соединении резисторов, а также умения вычислять мощность и работу электрического тока. Содержа­ния задач и схемы цепей приведены в условии, а данные к ним — в таблице 1. Перед решением задачи рассмотрите типовой пример 1.

Пример 1. Для схемы, приведенной на рис. 1, а, определить экви­валентное сопротивление цепи R_АВ и токи в каждом резисторе, а также расход электроэнергии цепью за 8 ч работы.

Решение. Задача относится к теме «Электрические цепи по­стоянного тока». Проводим поэтапное решение, предварительно обозна­чив стрелкой ток в каждом резисторе; индекс тока должен соответство­вать номеру резистора, по которому он проходит.

1. Определяем общее сопротивление разветвления R_CD, учитывая, что резисторы R₃ и R₄ соединены последовательно между собой, а с резистором R₅ параллельно: R_CD = (R₃ + R₄) R₅ / (R₃ + R₄+R₅) = (10 + 5)_*10 / (10 + 5 + 10) = 6 Ом (рис. 1,6).

2. Определяем общее сопротивление цепи относительно вводов СЕ. Резисторы и R_CD и R₂ включены параллельно, поэтому R_СЕ = R_CD R₂ / /(R_CD+R₂) = 6_*3 / (6+3)=2 Ом (рис. 1, в).

3. Находим эквивалентное сопротивление всей цепи: R_АВ = R₁ + R_СЕ = = 8 + 2 = 10 Ом (рис. 1, г).

4. Определяем токи в резисторах цепи. Так как напряжение U_AB приложено ко всей цепи, а R_АВ = 10 Ом, то согласно закону Ома I₁ = U_AB / R_AB = = 150/10 = 15 А.

Внимание! Нельзя последнюю формулу писать в виде I₁ = U_AB / R₁, так как U_АВ приложено ко всей цепи, а не к участку R₁.

Для определения тока I₁ находим напряжение на резисторе R₂, т. е. U_CE. Очевидно, U_CB меньше U_AB на потерю напряжения в ре­зисторе R₁, т. е. U_СЕ = = U_АВ – I₁ R₁ = 150 – 15_*8 = 30 В. Тогда I₁ = U_CE / R₂ = 30/3 = 10 А. Так как U_CD = = U_CD, то можно определить токи I_3,4 и I₅ : I_3,4 = U_CD/(R₃ + R₄) = 30/(10 + 5) = 2 А; I₅ = U_CD/R₅ = 30/10 = 3 А.

На основании первого закона Кирхгофа, записанного для узла С, проверим правильность определения токов:

I₁ = I₂ + I₃,₄ + I₅, или 15 = 10 + 2 + 3 = 15 А.

5. Расход энергии цепью за восемь часов работы:

W = Pt = U_ABI₁t = 150_*15_*8 = 18 000 Вт_*ч = 18 кВт_*ч.

Пусть в схеме примера 1 известны сопротивления всех резисторов, а вместо напряжения U_AB задан один из токов, например I₂ = 2 А. Найти остальные токи и напряжение U_AB. Зная I₂, определяем U_CE = I₂R₂ = 2-3 = 6 В. Так как U_CE = U_CD, то

I_3,4 = U_CD/(R₃ + R₄) = 6/(10 + 5) = 0,4 А;

I₅ = U_CD / R₅ = 6/10 = 0,6 А.

На основании первого закона Кирхгофа I₁ = I₂ + I_3,4 + I₅ = 2 + 0,4 + 0,6 = =3А. Тогда U_AB = U_CE + I₁R₁ = 6 + 3_*8 = 30 В.

При расплавлении предохранителя Пр₅ резистор R₅ выключается и схема принимает вид, показанный на рис. 1, д. Вычисляем экви­валентное сопротивление схемы: R'_AB = R₁+ (R₃ + R₄)R₂ / (R₃+R₄ R₂) = 8 + (10 + 5)_*3 / (10 + 5 + 3) = 10,5 Ом. Так как напряжение U_AB остается неизменным, находим ток I₁ = = U_AB/R'_AB = 150/10,5 = 14,28 А. Напряжение U_CE = U_AB – I₁R₁ = 150 - 14,28 _* 8 = = 35,75 В.

Тогда токи

I₂ = U_CE/R₂ = 35,75/3 = 11,9 A; I_3,4 = U_CE/R_3,4 = 35,75/(10 + 5) = 2,38 A.

Сумма этих токов равна току I₁ : 11,9 + 2,38 = 14,28 А.

Рис. 1

Методические указания к решению задачи 2

Эта задача относится к неразветвленным и разветвленным це­пям переменного тока. Перед ее решением изучите материал темы 1.5, ознакомьтесь с методикой построения векторных диаграмм, изложен­ной ранее.

Пример 2. Неразветвленная цепь переменного тока содержит катушку с активным, сопротивлением R_K = 3 Ом и индуктивным X_L = 12 Ом, активное сопротивление R = 5 Ом и конденсатор с сопро­тивлением x_C = 6 Ом (рис. 2,а). К цепи приложено напряжение U = 100 В (действующее значение). Определить: 1) полное сопротив­ление цепи; 2) ток; 3) коэффициент мощности; 4) активную, реак­тивную и полную мощности; 5) напряжение на каждом сопротивле­нии. Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи.

Решение. 1. Определяем полное сопротивление цепи:

Z = V(R_K+R)²+(x_L-x_C)² + = V(3 + 5)² + (12 - б)² = 10 Ом.

2. Определяем ток цепи

I = U/Z = 100/10 = 10 А.

3. Находим коэффициент мощности цепи. Во избежание потери знака угла (косинус - функция четная) определяем sin φ: sin φ = (x_L- - x_C)/Z = (12 - 6)/10 = 0,6; φ = 36°50'. По таблицам Брадиса определяем коэффициент мощности cos φ = cos 36°50' = 0,8.

4. Определяем активную, реактивную и полную мощности цепи:

Р = U I cosφ = 100-10_*0,8 = 800 Вт или Р = I²(R_K+ R) = 10² (3+5) =800 Вт;

Q = I²(x_L-x_C) = 10²(12 - 6) =600 вар или Q=U I sinq>=1000-10-0,6=600 вар;

S = UI = 100_*10 = 1000 B_*А или S = I² Z = 10²-10 = 1000 В_*А или

S = VP² +Q² = V800² + 600² = 1000 В_*А.

5. Определяем падения напряжения на сопротивлениях цепи: U_RK=10_*3 = 30 В; U_L = Ix_L = 10_*12 = 120 В; U_R = I_R = 10_*5 = 50 В; U_C = Iх_C = = 10_*6 = 60 В.

Построение векторной диаграммы начинаем с выбора масштаба для тока и напряжения. Задаемся масштабом по току: в 1 см - 2,0 А и масштабом по напряжению: в 1 см - 20 В. Построение векторной диаграммы (рис. 2, б) начинаем с вектора тока, который откладываем по горизонтали в масштабе 10 А/2 А/см = = 5 см.

Вдоль вектора тока откладываем векторы падений напряжения на активных сопротивлениях U_RK и U_R: 30 В/20 В/см = 1,5 см; 50 В/20 В/см = 2,5 см.

Из конца вектора U_R откладываем в сторону опережения вектора тока на 90° вектор падения напряжения U_L на индуктивном сопро­тивлении длиной 120 В/20 В/см = 6 см. Из конца вектора U_L отклады­ваем в сторону отставания от вектора тока на 90° вектор падения напряжения на конденсаторе Uc длиной 60 В/20 В/см = 3 см. Гео­метрическая сумма векторов U_RK, U_R, U_L, U_C равна полному напря­жению, приложенному к цепи.

Рис. 2