МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ С ИСТОЧНИКОМ НЕГАРМОНИЧЕСКОЙ ЭДС
Предлагаемая методика изучения электрических цепей, содержащих источник периодической негармонической ЭДС, состоит из следующих элементов: а) теоретическое изучение разложения периодической негармонической функции в ряд Фурье; б) овладение алгоритмом расчета электрических цепей с негармоническими источниками ЭДС; в) компьютерное моделирование процессов, происходящих в цепях с периодической негармонической ЭДС, проведение соответствующего вычислительного эксперимента; г) постановка натурного эксперимента, позволяющего сравнить кривые тока и напряжения на резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности с синусоидой при различных параметрах цепи.
В качестве источника периодической негармонической ЭДС предлагается использовать формирователь прямоугольных импульсов, содержащий геркон, на который намотано 400 витков медной проволоки ПЭЛ 0,2. Геркон с последовательно соединенным резистором 47 Ом подключены к источнику постоянного напряжения (например, ИПС-1). Обмотка, расположенная на герконе, подсоединена к звуковому генератору ГЗШ. Выходное напряжение снимают с резистора. При подаче на размещенную на герконе обмотку переменного напряжения частотой 20-50 Гц происходит периодическое замыкание и размыкание контактов геркона и на резисторе возникают прямоугольные имульсы напряжения, амплитуда которых равна напряжению на полюсах источника постоянного напряжения.
Для сравнения кривых тока и напряжения на активной и реактивной нагрузке к выходу формирователя прямоугольных импульсов подключают последовательно соединенные резистор, конденсатор и катушку индуктивности. Нами использовались реостат на 1 кОм, конденсатор 6 мкФ, и дроссельная катушка индуктивности из комплекта школьного кабинета физики. Фотографии получающихся осциллограмм напряжения на резисторе, катушке индуктивности и конденсаторе представлены на рис 1.1, 1.2 и 1.3 соответственно.
Так как сопротивление резистора не зависит от частоты, то кривая тока повторяет кривую напряжения. Катушка индуктивности оказывает большое сопротивление гармоникам тока высокого порядка, поэтому их амплитуда меньше и кривая тока больше похожа на синусоиду, чем кривая напряжения. С ростом частоты сопротивление конденсатора падает, то есть более высоким гармоникам тока он оказывает меньшее сопротивление. Поэтому кривая тока через конденсатор меньше похожа на синусоиду, чем кривая напряжения.
Компьютерное моделирование цепи с периодической негармонической ЭДС удобно осуществить в среде Electronics Workbench. На рис. 2 представлена схема исследуемой цепи и осциллограммы напряжения на резисторе (совпадает с кривой тока) и на катушке индуктивности. Результаты натурного и вычислительного экспериментов хорошо согласуются с теорией.