4k
2 года назад · 2 фото · 1919 просмотров · 37 комментариев
Ничего не пойму! Как эта схема может работать? (2 фото)
Кто мне объяснит чему учат наших школьников?
С сайта по региональной олимпиаде по физике
Готовясь к олимпиаде по физике, десятиклассник Денис собрал электрическую цепь (см. рис. а), состоящую из четырёх одинаковых амперметров, диода и регулируемого источника тока. Полярность подключения амперметров и направление тока через источник указаны на схеме, а зависимость силы тока, протекающего через диод, от напряжения на нём представлена на рис. б. Изменяя силу тока I0, выдаваемую источником, Денис выяснил, что зависимость силы тока через один из амперметров от I0 имеет вид, изображённый на рис. в, где I1 — известный параметр. 1. Для какого из амперметров (A1, A3 или A4) справедлива зависимость, изображённая на рис. в? Свой ответ обоснуйте. 2. Определите, при каком значении I0 ток через амперметр A2 не течёт. 3. Постройте качественный график зависимости показаний амперметра A2 от силы тока через источник, указав на нём координаты характерных точек. Примечание: Источником тока называется устройство, через которое течёт заданный ток, независимо от параметров внешней цепи.
1. Если амперметры принимать идеальными, то задача не имеет смысла, потому что сопротивления их равны нулю (у всех), а это значит, что между клеммами источника тока сопротивление всегда будет равно нулю вне зависимости от состояния диода (открыт или заперт) т.е. можно тыкать пальцем в небо сколько угодно, пытаясь найти распределение тока между несколькими параллельно подключенными ветвями с нулевыми сопротивлениями.
2. Конструкция реального амперметра содержит в себе шунт, включенный параллельно измерительному механизму. См. картинку. Т.е. ток через амперметр будет течь всегда, вне зависимости от полярности его подключения.
3. Ток-то будет течь, а вот что покажет амперметр - это вопрос, на который не ответить без дополнительной информации. Которая не задана в условии.
Потому что, если, например, амперметр - стрелочный, то при смене полярности протекающего через него тока стрелка упадет на ноль и попытается уйти в значения, меньшие нуля. У реального стрелочного амперметра стрелка будет показывать в силу механики его конструкции что-то, меньше нуля. Но вот угадать это значение не получится, ибо все амперметры чуть-чуть разные. А по шкале отсчет снять тоже не выйдет, ибо отрицательные отсчеты там не предусмотрены. См картинку.
4. Сопротивление реального диода тоже не нулевое в закрытом состоянии, и нелинейное (т.е. зависящее от силы протекающего через него тока) в открытом состоянии.
Про характеристики диода в условии задачи не сказано ни слова, значит, ученик имеет право принимать любые (на его усмотрение и выбор) допущения. И все они будут правильными, ибо задача его не ограничивает. См картинку про реальный диод.
Соответственно, картинки тоже могут получиться сильно разными. И все они будут правильными, т.е. единственного правильного ответа задача не имеет.
Собрать то он ее может и собрал.
Но если источник хороший то где то должно нагреться и "пыхнуть"- цепь то чисто теоретическая о потоках тока- а в реальности должно быть КЗ
Для источника тока, кежим КЗ, это его нормальный режим, т.к. только в этом режиме он способен держать нужный ток.
Да и КЗ для него не бывает.
Простейшим источником тока является резистор, подсоединенный к источнику напряжения. Меняем сопротивление - меняем ток.
Единственная странность тут - ВАХ диода дана как идеального диода, а амперметры - неидеальные, так внутренне сопротивление идеального амперметра равно нулю.
Что по вопросам - 1. полагаю А1, так после перегиба часто тока пойдет по цепи через диод, 2. Ток через А2 течь не будет только в один момент - в момент открытия диода, когда падение напряжения на диоде будет равно падению напряжения на А1, так как диод имеет ВАХ идеального диода то этот момент нельзя зафиксировать на продолжительное время.
КЗ не будет, несмотря на минимальное сопротивление амперметров, так как у нас источник тока, а не источник напряжения. То есть ток будет постоянный, а напряжение будет само собой подстраиваться под имеющееся сопротивление цепи.
Рассмотрим два случая. В первом случае (красный рисунок) диод "закрыт", потому что напряжение на нем меньше порогового (в реальной жизни это обычно около 0,7 В, но не принципиально).
Соответственно, через него ток не течет, а весь ток I0 течет через А1. Далее он делится на I4 и на I3. I3 протекает и через I3, и через I2. То есть I2 = I3. Затем и I4 и I3 суммируются в I0 и затекают обратно в источник тока.
Какие зависимости токов от I0? Очевидно, что линейные. Как как I0 в данном случае весь течет через А1, то график "в" относится явно не к А1, иначе бы на графике в точке I1 (1 относится к графику, а не к номеру амперметра), IA было бы равно I1, а не 2/3 от I1. Осталось узнать, какому из оставшихся амперметров принадлежит график "в".
Теперь второй случай (синий). Напряжение на диоде оказалось выше порогового, теперь ток течет в том числе через диод и его провода. Судя по вольт-амперной характеристике диода, у него сопротивление в точке U близко к 0 (ток бесконечность), значит почти весь ток начинает течь через диод, а не через амперметр А1. Впрочем, через амперметр тоже что-то может течь с учетом сопротивления проводов, поэтому пунктиром нарисуем ток через А1, предполагая, что он много меньше тока через диод.
Ток через А2 может течь в обоих направлениях, в зависимости от сопротивлений проводов и сопротивлений амперметров. А даже через источник тока ток мог бы течь в направлении противоположном полярности, если бы в цепи оказался еще один более мощный источник тока. Вульгарно говоря, смотря с какой стороны напор больше. В синем случае ток через А2 течет в обратном направлении.
Теперь посмотрим, из чего состоят токи I3, I4 и их сумма I0. В первом (красном случае) для I3 имеем сопротивление R2+R3 (соответствующих амперметров), а для I4 сопротивление R4. Во втором (синем случае) для I3 имеем сопротивление R3, а для I4 сопротивление R2+R4.
Значит на графике зависимости I3 от I0 в первом случае наклон должен быть меньше, а во втором больше, а для I4 наоборот. На графике "в" наклон во втором случае меньше (после перегиба ток растет медленнее, чем до перегиба), значит этот график соответствует амперметру А4.
Осталось ответить на вопрос, при каком значении I0 ток через А2 не течет. В пограничном значении - то есть при I0 = I1 (не ток амперметра 1, а I1 на графике "в")
А в чем тут проблема? Единственный не совсем понятный момент - может ли течь через А2 ток назад, но в условии спрашивается при каком значении ток не течет, значит, обратно он течь скорее всего не должен - если диод открылся (иначе ток через А2 течет всегда, но в разных направлениях). Графики б и в не противоречат обоим случаям. Можно, конечно, измерять наклон на графике в, но ведь график - качественный, единственная количественная точка (I1, 2/3I1) указана в условии.
Получаем схему: до открытия диода ток течет через А1 и потом параллельно через А2+А3 и А4; после открытия: параллельно через А3 и А1+А4 (ну или еще через А2 назад).
1. Схема в очевидно работает для А4, так как в начале через него течет ровно 2/3 тока I0, а потом меньше.
2. По графику видно что начиная с I1 диод открывается и ток более через А2 не течет (или течет в обратном направлении).
3. До I1 через А2 течет то, что не течет через А4, т.е. половина тока с рисунка в. А после I1 ток через А2 больше не течет (или течет в обратном направлении).
Да, каждый амперметр - это сопротивление, причем судя по графику "в" оно вполне себе линейное (т.е. от силы тока не зависит как минимум для величин 1/3I1 и 2/3I1).
Идеальный амперметр, и должен иметь идеальное линейное сопротивление. При чём минимальное!
Нестандартным тут является то, что источником служит источник тока, а не напряжения. Т.е. он сам себе нагрузка, а на выходе у него регулируется ток.
Таким образом короткого замыкания и бесконечных токов не будет.
Ну а дальше - думать надо.
А нагрузка у нас что? Амперметры?
Ху с ним, диодный мост, является нагрузкой?? А там диоды в два плеча.
Оригинально. Попробуйте в автомобильном аккумуляторе соединить клеммы. Он же сам себе нагрузка ????????????????????????????????????????????????????????
Вы, мил человек путаете источники тока и напряжения.
Источник напряжения нельзя закорачивать, иначе напряжение уйдет в 0, а ток в в бесконечность ( смотря сколько дури хватит у источника ).
Источник тока нельзя раскорачивать, иначе не будет собственно тока, а напруга полезет в бесконечность, пытаясь создать хоть какой нибудь ток ( смотря сколько дури хватит у источника ).
Если это знать, то задачка на один перекур.
Представьте вместо амперметров резисторы ( не важно, с каким малым сопротивлением!!! МЫ ИМЕЕМ ДЕЛО С ИСТОЧНИКОМ ТОКА!!! )
Ну для простоты зададим ток в 1А.
Если знакомы с законом Ома, то подсчет показаний займет пару минут.
А1 покажет 1А.
А4 покажет 0.66А.
А2 и А3 покажут 0.33А.
Диод в реальной жизни в схеме не участвует, ибо открывается при напряжении 0.6 - 0.7В, а падение напряжения на амперметрах гораздо ниже. Но если предположить такую дичь, и навалить бешеный ток, то при достижении на диоде напруги 0.6В, показания А1, А2, А4 перестанут изменяться при дальнейшем увеличении тока, ибо будут шунтированы открывшимся диодом. Меняться будут только показания А3.
Какая полуволна? Постоянный ток.
1. В 0 уйдёт сопротивление, напруга останется той же, а вот сила тока устремится в бесконечность. По экспоненте, если не сферический конь в вакууме.
2. Источники тока – это устройства, создающие и поддерживающие длительное время электрическое поле. Существуют различные источники тока, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделенные заряженные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс заряжен положительно, второй – отрицательно.
Источниками электрического тока являются батареи, аккумуляторы, динамо-машины, различные виды генераторов и т. д. Они производят электроэнергию за счет какого-нибудь другого вида энергии, например, химической, механической, тепловой и пр.
И изначально они - "раскорочены".
А ток идёт после замыкания цепи и генерируется\отдаётся источником только при работе этой цепи (нагрузки). А до этого там только напряжение
3. Подсчёт не займёт пару минут. Ибо сначала надо нарисовать схемы с резисторами(в данном случае - амперметрами) в одном и другом случае. Отдельные гении могут всё это провернуть в уме, а то и просто интуитивно, но это эксклюзивные особи, часто в природе не встречаются
Советую подойти к опытному электрику, или оперативно-ремонтному персоналу любой подстанции, и спросить. Что будет, если раскоротить трансформатор тока. Или обратиться в любую электротехническую лабораторию, и спросить - как проверяются автоматические выключатели, и какое при этом напряжение на выключателе. ( Хорошо, если пол вольта наберётся при токе 100-200А)
Ещё можно поинтересоваться, что такое "пожар железа" в раскороченом трансформаторе тока, когда если не происходит пробой вторички и короткое не появится само собой, то магнитопровод просто плавится из за отсутствия компенсации магнитным полем со стороны вторички.
Простенькая схема. В чем у вас проблема-то?
Амперметр - это просто сопротивление R0, диод - это сопротивление, которое либо бесконечность, пока напряжение меньше порогового, либо 0, когда выше.
Рисуете 4 графика для 4x сопротивлений IA(I0) (скорее всего они будут разные) и выбираете нужный.
Я именно из за этого и выложил пост! Это на образовательном сайте такую пургу выложили! А "ничего не пойму" просто сарказм был.
>> разве в центральной точке не будет замыкания. ? там вроде как плюс с минусом соединились.
Идеальный амперметр с нулевым сопротивлением - это сферический конь в ваккууме. Если решать подобную схему с идеальными амперметрами, то закономерно получится бред (КЗ).
При решении олимпиадных задач кроме всего прочего часто бывает нужно еще понять, в каких терминах и для какой физической модели данная задча придумана. Допущение (вполне логичное, если внимательно читать условие задачи) наличия ненулевого сопротивления у амперметра позволяет получить не бред, а какой-то осмысленный результат.
амперметр в реальности, да и в подобных задачах, обладает ненулевым внутренним сопротивлением, не является идеальным устройством.
и смысл тут именно в замене устройства минимальным сопротивлением.
и то, что приведено, аналог моста Винстона.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Измерительный_мостhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Измерительный_мост
за исключением нелинейного сопротивления диода, он и создает особенность на графиках.
>> Амперметр в цепи играет декоративную роль
Только когда его собственное сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением цепи, в которую он включен.
В цепи с нулевым сопротивлением он перестает играть декоративную роль и становится нагрузкой.
ему без разницы где плюс, где минус, так как абсолютное значение будет одинаковым, но и показывать будет с минусом или плюсом - это повлияет на представление зависимостей на графике.
Да, вот ссылка 10класс
https://os.mipt.ru/#/phys/class/0https://os.mipt.ru/#/phys/class/0