實(shí)驗(yàn)二十rlc串聯(lián)電路的暫態(tài)過程

實(shí)驗(yàn)二十 串聯(lián)電路的暫態(tài)過程電路的暫態(tài)過程就是當(dāng)電源接通或斷開后的“瞬間”，電路中的電流或電壓非穩(wěn)定的變化過程。電路中的暫態(tài)過程不可忽視，在瞬變時(shí)某些部分的電壓或電流可能大于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)最大值的好幾倍，出現(xiàn)過電壓或過電流的現(xiàn)象，所以如果不預(yù)先考慮到暫態(tài)過程中的過渡現(xiàn)象，電路元件便有損傷甚至毀壞的危險(xiǎn)。另一方面，通過暫態(tài)過程的研究，還可以從積極方面控制和利用過渡現(xiàn)象，如提高過渡的速度，可以獲得高電壓或者大電流等。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?研究串聯(lián)電路的暫態(tài)特性。 2研究串聯(lián)電路的暫態(tài)特性。 3加深、和各元件在電路中的作用?！绢A(yù)習(xí)重點(diǎn)】 1電路、電路的暫態(tài)特性。2電阻、電容元件的功能。3示波器的原理和使用方法?！緦?shí)驗(yàn)原理】1串聯(lián)電路串聯(lián)電路的暫態(tài)過程就是當(dāng)電源接通或斷開后的“瞬間”，電路中的電流或電壓非穩(wěn)定的變化過程。將電阻和電容串聯(lián)成如20-1所示的電路圖，當(dāng)與“1”接通時(shí)，其充電方程為： （20.1） 或?qū)懗?（20.2） 圖20-1 RC串聯(lián)電路的暫態(tài)過程示意圖上述方程的初始條件是，因此可以解出式（20.2）的解 （20.3）式中 （）稱為串聯(lián)電路的時(shí)間常數(shù)，單位為秒；（）為電容器端電壓為時(shí)所貯藏的電荷量大小，單位為庫侖；為時(shí)刻電容器貯藏的電荷量。由式（20.3）可計(jì)算出電容和電阻兩端的電壓與時(shí)間關(guān)系的表達(dá)式： （20.4） （20.5）當(dāng)與“0”接通時(shí)，放電方程為： （20.6）根據(jù)初始條件 ，可以得到 （20.7） （20.8） （20.9） 由上述公式可知，和都按指數(shù)變化，值越大，則變化越慢，即電容的充電或放電越慢。圖20-2給出了不同值的變化情況，其中。圖20-2 不同值的變化示意圖2串聯(lián)電路將、和元件串聯(lián)組成如圖20-3所示的電路圖，先將K打向“1”，待穩(wěn)定后打向“2”，這稱為串聯(lián)電路的放電過程。此時(shí)方程為：,即。由于，則得 圖20-3 串聯(lián)電路的暫態(tài)過程 （20.10）初始條件為，和，這樣方程的解可以分為以下三種情況：（1）當(dāng)時(shí)，為欠阻尼狀態(tài)。式（20.10）的解為 （20.11）其中，。當(dāng)時(shí)，這時(shí)值很大，振幅的衰減很慢，阻尼振動(dòng)接近于電路的自由振蕩，此時(shí)。（2）當(dāng)時(shí)，為過阻尼狀態(tài)，不再出現(xiàn)振蕩狀態(tài)，式（20.10）的解為 （20.12）（3）當(dāng)時(shí)，為臨界阻尼狀態(tài)，式（20.10）的解為 （20.13）圖20-4為上述3種情況下的變化曲線，其中1為欠阻尼，2為過阻尼，3為臨界阻尼。圖20-4 串聯(lián)電路放電時(shí)的曲線示意圖對于充電過程，與放電過程類似，只是初始條件和最后平衡的位置不同。【儀器設(shè)備】雙蹤示波器、信號發(fā)生器、萬用表、 電容器、電感器、電阻箱等。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1串聯(lián)電路暫態(tài)過程的觀測參照圖的電路圖，為示波器，為方波信號發(fā)生器，用來代替圖20-1中的直流電源和開關(guān)。如圖20-6所示，方波信號在到時(shí)間內(nèi)，以恒定電壓加在電路兩端，這時(shí)電容在充電，而在到時(shí)間內(nèi)，輸出電壓降到零，相當(dāng)于放電過程。在此實(shí)驗(yàn)中，用示波器觀測電容器的周期性充放電過程，顯示出電容兩端的電壓變化規(guī)律。 圖20-5 串聯(lián)暫態(tài)過程電路圖 圖20-6 方波信號和充放電示意圖 （1）選擇合適的和值，根據(jù)時(shí)間常數(shù)選擇合適的方波頻率，一般要求方波的周期，這樣能夠完整地反映暫態(tài)過程，并且選用合適的示波器掃描速度，以完整地顯示暫態(tài)過程。（2）改變和值，觀測的變化情況，記錄下不同值的波形情況，并分別測量時(shí)間常數(shù)。（3）改變方波頻率，觀察波形的變化情況，分析相同的值在不同頻率時(shí)的波形變化情況。2.串聯(lián)電路暫態(tài)過程的觀測（1）觀測三種阻尼狀態(tài)電路如圖20-7，方波信號取，電容取，改變電阻值，在示波器上觀測三種阻尼狀態(tài)的波形。 圖20-7 串聯(lián)暫態(tài)過程電路圖實(shí)驗(yàn)時(shí)電阻由小到大逐漸增大，最初出現(xiàn)欠阻尼狀態(tài)，當(dāng)數(shù)值增大到某一數(shù)值（），波形剛好不出現(xiàn)振蕩，電路處于臨界阻尼狀態(tài)，記下臨界電阻，繼續(xù)增大電阻，便出現(xiàn)過阻尼狀態(tài)。繪出三種狀態(tài)波形。（2）測量欠阻尼狀態(tài)振蕩周期和時(shí)間常數(shù)。選一欠阻尼狀態(tài)波形，測量其個(gè)周期的時(shí)間，求出周期，記下、和的值。