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        電路暫態(tài)過程及教學(xué)探究

        2018-05-14 13:52:20丁衛(wèi)民
        關(guān)鍵詞:暫態(tài)過程方波電容器

        丁衛(wèi)民

        [摘 要] 電路暫態(tài)過程是自然界中常見的自然現(xiàn)象,一般所經(jīng)時(shí)間短暫,但影響卻很大,既有利也有弊,擬通過實(shí)例進(jìn)行利弊探討,并對(duì)中職學(xué)校講授該內(nèi)容從方法上進(jìn)行研究和探討。

        [關(guān) 鍵 詞] 暫態(tài)過程;利弊;演示;實(shí)驗(yàn);三要素

        [中圖分類號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603(2018)29-0058-02

        電路暫態(tài)過程是由于電路發(fā)生狀態(tài)改變后所引起的一種時(shí)間很短的自然現(xiàn)象,從能量角度看,是能量重新分配的結(jié)果,暫態(tài)過程雖然時(shí)間很短,但所產(chǎn)生的影響卻是巨大的,客觀地說,這種影響是兩方面的,既有害也有利,正確認(rèn)識(shí)電路的暫態(tài)過程,在工程實(shí)際中是非常重要的,也是必要的,下面就對(duì)其做一個(gè)探討和研究。

        一、電路的暫態(tài)過程

        暫態(tài)過程實(shí)際上并不是電路所獨(dú)有的概念,在日常生活中,在各個(gè)領(lǐng)域里都存在暫態(tài)過程。例如,一個(gè)正常轉(zhuǎn)動(dòng)的電風(fēng)扇,當(dāng)我們把開關(guān)切斷后,并不會(huì)立刻停下來,而是要經(jīng)過一個(gè)時(shí)間過程,慢慢地停下來,這段過程就是暫態(tài)過程。諸如此類的還有靜止的電風(fēng)扇通電后轉(zhuǎn)動(dòng)到穩(wěn)定速度的過程、進(jìn)站的火車制動(dòng)后到完全停止的過程等。

        電路的暫態(tài)過程是電路從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的過程。電路穩(wěn)定狀態(tài)的改變一般通過電路接通、切斷、短路、電壓改變或參數(shù)改變等來實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)稱其換路。

        但是,并不是所有的電路都能發(fā)生暫態(tài)過程,電路具有產(chǎn)生暫態(tài)過程的必要條件是電路中含有儲(chǔ)能元件即電容C或電感L,這是必備的內(nèi)因條件,而電路發(fā)生換路是外因條件。之所以必須含有儲(chǔ)能元件電容或電感,是因?yàn)閮?chǔ)能元件中的能量不能發(fā)生突變,換路后儲(chǔ)能元件中的能量平衡被打破,必須重新尋找新的平衡,而這是需要時(shí)間的一個(gè)過程,所以說暫態(tài)過程本質(zhì)上是能量重新分配的過程。

        二、電路暫態(tài)過程的利弊及研究意義

        在工程實(shí)際中,電路的暫態(tài)過程有利有弊,下面從幾個(gè)方面來認(rèn)識(shí)。

        案例一:在電力生產(chǎn)中,發(fā)電機(jī)、送電線路的各種短路故障、空載投入電纜線路等,將產(chǎn)生電路的暫態(tài)過程。此時(shí)的瞬間可能產(chǎn)生比穩(wěn)定狀態(tài)大數(shù)倍至數(shù)十倍的電壓或電流,即過電壓、過電流,過電壓有可能破壞電氣設(shè)備的絕緣,從而威脅電氣設(shè)備和人身安全;過電流產(chǎn)生的電動(dòng)力,可能造成電氣設(shè)備的機(jī)械破壞。

        案例二:電容器的充電和放電是電路暫態(tài)過程的典型實(shí)例,例如,一組40微法的電容器,從高壓電網(wǎng)上切除,在切除瞬間,電容的電壓為3.5千伏,切除后,電容器經(jīng)本身的泄漏電阻Rs=100兆歐放電,經(jīng)計(jì)算得知,大約一個(gè)半小時(shí)后,電容器兩端仍有1千伏的高壓。說明儲(chǔ)存于電容器的電場(chǎng)能量全部放出是需要一定時(shí)間的,因此,若誤認(rèn)為該電容器組已從3.5千伏的電網(wǎng)上切除,覺得已脫離電源人體可與之接觸,則是非常危險(xiǎn)的。因此,在檢修具有大電容的設(shè)備時(shí),必須充分放電后才能進(jìn)行工作。

        案例三:應(yīng)用RC積分電路,由方波輸入產(chǎn)生暫態(tài)過程可構(gòu)成三角波,應(yīng)用RC微分電路,由方波輸入產(chǎn)生暫態(tài)過程可構(gòu)成尖脈沖波,由電容的充放電電路,將電容在不同電阻大小的充、放電波形作為輸出可構(gòu)成鋸齒波。

        由上可見,研究電路暫態(tài)過程有很重要的實(shí)際意義。不但能夠利用電路暫態(tài)過程產(chǎn)生電子電路中的特定波形電信號(hào),還能有效控制和預(yù)防由于暫態(tài)過程所可能引起的過電壓、過電流而使電氣設(shè)備或元件損壞。

        三、電路暫態(tài)過程的教學(xué)探究

        電路暫態(tài)過程是中職電類專業(yè)電路基礎(chǔ)課程中一個(gè)非常重要的內(nèi)容,考慮到中職教學(xué)“淡化理論、夠用為度、培養(yǎng)技能、重在應(yīng)用”的原則,在講授這個(gè)內(nèi)容時(shí),改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式,采用恰當(dāng)適宜的教學(xué)方法和解題方式,以定性解釋為主,定量計(jì)算為輔,充分發(fā)揮演示、實(shí)驗(yàn)、多媒體、仿真各種手段,使學(xué)生以最簡(jiǎn)的方式接受這個(gè)內(nèi)容,為專業(yè)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

        (一)演示法

        如圖1所示電路,開關(guān)S原來是閉合的,燈泡HL是亮的。

        (1)如果元件B是電阻元件R,當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí),觀察到:燈HL立刻變黑了,這說明電路沒有出現(xiàn)暫態(tài)過程。

        (2)如果元件B是電感元件L,當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí),觀察到:燈HL突然變得更亮,隨即變暗以致黑了,這說明電路出現(xiàn)了暫態(tài)過程。

        (3)如果元件B是電容元件C,當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí),觀察到:燈HL不會(huì)立刻變黑,而是逐漸變暗的,這也說明電路出現(xiàn)了暫態(tài)過程。

        通過上述三種情況演示,學(xué)生很容易就能理解,電路暫態(tài)過程的出現(xiàn)是由于開關(guān)S的斷開引起的,但這只是外因條件,只有當(dāng)內(nèi)因條件滿足時(shí)也就是電路中含有儲(chǔ)能元件時(shí)(即當(dāng)元件B是電感或電容時(shí)),電路中才發(fā)生暫態(tài)過程。當(dāng)元件B是電阻元件(即耗能元件)時(shí),電路中是沒有暫態(tài)過程的。

        通過這個(gè)現(xiàn)象,學(xué)生就會(huì)更加認(rèn)識(shí)到暫態(tài)過程的本質(zhì),即電路暫態(tài)過程的實(shí)質(zhì)是:儲(chǔ)能元件具有儲(chǔ)能特性,而儲(chǔ)存的能量不能發(fā)生突變,無論是從無到有,還是從有到無,從多到少或是從少到多,都要經(jīng)歷一段時(shí)間來重新分配。

        (二)實(shí)驗(yàn)法

        方案1:用數(shù)字萬用表測(cè)電壓,記錄電壓隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù),通過描點(diǎn)方法在直角坐標(biāo)系中畫出電容的充、放電電壓曲線。實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示,其中取R=470 KΩ,C=10 μF,E=6 V。將開關(guān)S合向1可完成充電過程實(shí)驗(yàn),并依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)作出u-t曲線如圖3所示。

        同理,將開關(guān)S合向2可完成放電過程的實(shí)驗(yàn)。

        方案2:用方波發(fā)生器代替直流電源和開關(guān),用示波器觀察電容器的波形,電路如圖4所示。在方波電壓值為U0的半個(gè)周期內(nèi),電源對(duì)電容器C充電,而在方波電壓為零的半個(gè)周期內(nèi),電容器通過電阻R放電。具體操作如下:

        (1)調(diào)節(jié)方波信號(hào)發(fā)生器f=500 HZ、可變電阻R=0~5 KΩ、電容C=0.1 μF,函數(shù)發(fā)生器和示波器按圖4所示電路接線。

        (2)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R(R=1 KΩ、R=2 KΩ),觀察Vc的波形。

        (3)選用合適的掃描速率檔位和衰減檔位,完整地顯示暫態(tài)過程。用示波器逐點(diǎn)測(cè)試Uc和時(shí)間t值,如圖5所示。計(jì)算得到:t(=△xi),Uci=△ym-△yi。

        (三)解析法—— 一階電路的三要素法

        解析法分析一階電路暫態(tài)過程有兩種方式,其中經(jīng)典法是分析電路暫態(tài)過程的一種常用數(shù)學(xué)方法,要求按照電路定理列出微分方程,然后求解微分方程,計(jì)算過程比較繁瑣,對(duì)中職學(xué)生不合適,而三要素法是對(duì)經(jīng)典法求解電路暫態(tài)過程的概括和總結(jié),不必列出和求解電路的微分方程,直接計(jì)算出待求變量的初始值、穩(wěn)態(tài)值和電路的時(shí)間常數(shù)即可,具有簡(jiǎn)捷、方便的優(yōu)點(diǎn),以便幫助學(xué)生更好地理解該部分內(nèi)容。

        一階電路的三要素法基本步驟:

        1.求初始值y(0+)

        (1)畫出t=0-時(shí)刻(換路前)等效電路,求出uc(0-)或iL(0-)。注意:此時(shí)電容開路,電感短路。

        (2)由換路定律得:uc(0+)=uc(0-),iL(0+)=iL(0-)。

        (3)畫出t=0+時(shí)刻(換路后)等效電路,列電壓方程,求出y(0+)。此時(shí)電容用電壓值為uc(0+)=uc(0-)的電壓源置換,電感用電流值為iL(0+)=iL(0-)的電流源置換。

        2.求穩(wěn)態(tài)值y(∞)

        畫出t=∞時(shí)刻(暫態(tài)過程結(jié)束后)的等效電路,求出y(∞)。注意:此時(shí)電容開路,電感短路。

        3.求時(shí)間常數(shù)τ

        4.依據(jù)下列公式寫出所求變量的函數(shù)表達(dá)式

        當(dāng)然,也可以只求出電容電壓uc或iL的三要素,然后利用三要素法寫出uc或iL的解析式,再以u(píng)c或iL的解析式為依據(jù),求出其他電壓、電流的解析式。

        四、結(jié)語

        電路暫態(tài)過程作為一種重要的物理現(xiàn)象,有利有弊,我們必須明確產(chǎn)生原因和內(nèi)外因素,才能在實(shí)際中揚(yáng)長(zhǎng)避短,在中職教學(xué)中,特別要因材施教,化難為易、化繁為簡(jiǎn),定性為主、定量為輔,避開高等數(shù)學(xué)的繁雜推導(dǎo),采用演示、實(shí)驗(yàn)、圖像直觀顯示和三要素法簡(jiǎn)單計(jì)算的多種形式,實(shí)踐證明,這不失是一種好的教學(xué)方法,尚可在電專業(yè)的很多課程中借鑒實(shí)施。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王兆義,莫培玲.電工技術(shù)基礎(chǔ)與技能[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

        [2]李文聯(lián).RC電路的暫態(tài)過程探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].物理實(shí)驗(yàn),2003,23(9):23-25.

        [3]霍德華.電容器充放電及RC暫態(tài)過程教學(xué)體會(huì)[J].職業(yè)(下旬),2003(10):74.

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