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RLC 电路暂态过程研究
实验目的:
1. 深入理解电路暂态过程的特性
2. 掌握用示波器观察和测量暂态信号的方法
实验装置:
用九孔电路实验板搭建RC、RL、RLC电路,并在电容两端接入示波器的通道。本次实验我们使用的是1500Hz、8Vpp的电源(用交流电模拟充放电过程),不同阻值的电阻、电容和电感元件,以及信号发生器和示波器。
实验内容:
测量 RC 放电曲线,并计算时间常数
电路方程
本次实验测量了如图三组RC电路的放电过程中Uc两端的电压变化
计算理论值:
由电路方程得到电路的时间常数τ=RC
测量数据:由示波器导出数据后处理得到三组RC电路放电曲线
其中纵坐标表示电容两端电压与初始电压的比值,横坐标表示时间。
将数据处理后,以Y=ln1Uc
如下图像分别是R=10、100、1000Ω时x-y的图像
斜率代表1/τ,计算得到时间常数τ的测量值:
测量值和理论值相差均为两倍左右,因为我们利用的是交流电模拟的放电过程最后稳态时U∞
C.分析
可以观察得到,在u(t)稳定时突然该改变u(t),因为电容储存的能力不能瞬时改变,uc(t)只能连续改变,而uc(t)改变的由电路方程可知与时间常数τ
如图:绿色(C=0.1μF,R=1kΩ)代表的RC电路放电过程最慢,
测量 RLC 串联电路振荡曲线,并计算固有频率和品质因数
电路方程
本次实验测量了两组Q>1/2,即欠阻尼情况下电容两端电压的衰减震荡数据。
计算理论值:
电路衰减振荡方程
固有频率ω0=1LC,品质因数Q
振荡“角频率”
测量数据:
通过示波器测得两组电路Uc两端电压变化得到如图:
测量得到振荡“角频率”ω‘为:
品质因数Q
i.上式给出实验中粗略估计??值的方法:由于??^(-Π) = 0.0432 ≈ 0,如果?? ? 1,大约经过??次振荡后电路就达到稳态。
可以数得第一组(R=100Ω),Q1=3;第二组(R=10Ω),Q2=7;
ii.由振幅衰减计算品质因数Q:
测出相邻的峰-谷高度差?1, ?2, ?3, …,根据 ?k= Ce ^(-αk)拟合出衰减系数α,
再由得到Q
虽然拟合较好,但Q的误差非常大,暂时没有分析出原因,希望在后续的学习中可以发现问题。
误差分析:
频率: 理论值较实验值偏大
第一组误差约为4.05%;第二组误差约为1.70%在接受范围内
由于仪器长时间使用导致L和C真实值比标定值更大;
测量和读数的误差
品质因数:
I.第一组较为接近,但测量值本就是粗略估计的读数所以误差分析没有意义;
第二组相差较大,由图像可以看出,在振荡衰减后期振幅较小,已不易判断振荡次数,所以导致相差较大。
II.
观察 RLC 串联电路的不同衰减模式
电路方程:
A.Q>1/2,欠阻尼,衰减振荡
可以看到Q值越大,振荡次数越多,衰减得越慢;
B.Q<1/2,过阻尼,双指数衰减
C.Q=1/2,临界阻尼
由于实验器材的限制我们没能得到这样的电路并观察它的衰减情况。
实验总结
本次实验探究了RC并联电路和RLC串联电路欠阻尼情况下的暂态过程,并分别计算和测量了他们的时间常数、品质因数等重要物理量,分析了误差来源;观察了RLC串联电路不同的衰减模式,对于电路方程和实际情况的结合有了更深的理解。
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