3. Mérés: RC-körök vizsgálata

A Fizipedia wikiből
A lap korábbi változatát látod, amilyen Bordacs (vitalap | szerkesztései) 2019. november 1., 20:16-kor történt szerkesztése után volt.


Tartalomjegyzék


Elméleti összefoglaló

Időben harmonikusan változó jel

Lineáris áramkörök és harmonikusan változó áram és feszültség jelek részletes tárgyalását lásd a Kisérleti Fizika 1 kurzus rezgésekről szóló fejezetében [1]. A fontosabb mennyiségeket és összefüggéseket alább összefoglaljuk. Az ábrán egy \setbox0\hbox{$T$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% periodus idővel változó, \setbox0\hbox{$f$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%=1/\setbox0\hbox{$T$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% frekvenciájú feszültség jel látható. Ha a jel amplitúdója \setbox0\hbox{$U_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% és fázisa \setbox0\hbox{$\varphi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, az időfüggést az alábbi alakban adhatjuk meg:
\[ U(t)=U_0cos(2\pi ft+\varphi).\]

Hasznos még bevezetni a körfrekvenciát \setbox0\hbox{$\omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%=2\setbox0\hbox{$\pi f$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. Az időbeli változást leíró differenciál egyenletek könnyebb kezeléséhez érdemes bevezetni az alábbi komplex változót, melynek valós része adja a mérhető jelet:

\[ U(t)=U_0e^{i(\omega t+\varphi)}=U_0e^i\varphi e^{i\omega t}.\]

A harmonikusan változó feszültség a komplex síkon egy \setbox0\hbox{$U_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% sugarú kört ír le. A komplex számot reprezentáló vektor fázisszöge \setbox0\hbox{$\omega t+\varphi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% állandó szögsebességgel fordul körbe.

Általános időben harmonikusan változó feszültség


Lineáris áramköri elemek

Lineáris áramköri elemek esetén az áthajtott áramot és az elemen eső fezsültséget vagy azok deriváltjait lineáris összefüggés kapcsolja össze. Legegyszerűbb ilyen elem az ohmikus ellenállás:
\[ U=RI \]

Az ellenálláson áthaladó áramot az alábbi komplex alakban adhatjuk meg

\[ I=I_0e^{i\omega t}, \]

melyből kiszámíthatjuk a rajta eső feszültsége:

\[ Ue^{i\omega t}=RI_0e^{i\omega t}. \]

Tehát az áram és a feszültség fázisa azonos az amplitúdokat pedig a \setbox0\hbox{$U_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%=\setbox0\hbox{$RI_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% összefüggéssel számolhatjuk ki.

Általános időben harmonikusan változó feszültség
Egy \setbox0\hbox{$L$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% induktivitással jellemezhető tekercs esetén a tekercs kapocsain mérhető feszültséget az alábbi képlet adja meg:
\[ U=L\frac{dI}{dt} \]

Az időben harmonikusan változó áramot ismét komplex alakban adjuk meg

\[ I=I_0e^{i\omega t}, \]

melyből a tekercs kapcsain mérhető feszültség:

\[ Ue^{i\omega t}=i\omega LI_0e^{i\omega t}. \]

Tehát a feszültség fázisa \setbox0\hbox{$\frac{\pi}{2}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-vel eltolódik az áramhoz képest, az amplitúdokat pedig a \setbox0\hbox{$U_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%=\setbox0\hbox{$\omega LI_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% összefüggéssel számolhatjuk ki. Érdemes bevezetni az ellenálláshoz hasonló fogalmat, az impedanciát. Ez a komplex mennyiség lineáris áramkörökben megadja a feszülség és az áram komplex arányát. Induktivitás esetén \setbox0\hbox{$Z_L$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%=\setbox0\hbox{$\omega L$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%.

Általános időben harmonikusan változó feszültség
A \setbox0\hbox{$C$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% kapacitással jellemezhető kondenzátor esetén ismert, hogy
\[ Q=CU. \]

Ezt az összefüggést deriválva és átrendezve a korábbiakhoz hasonló alakú kifejezést kapunk:

\[ \frac{dU}{dt}=\frac{1}{C}I, \]

hiszen a kondenzátor eltolási árama a töltésváltozással egyenlő. A komplex feszültség-áram összefüggés az alábbi alakot ölti:

\[ Ue^{i\omega t}=\frac{1}{i\omega C}I_0e^{i\omega t}. \]

Tehát a feszültség fázisa -\setbox0\hbox{$\frac{\pi}{2}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-vel eltolódik az áramhoz képest, az amplitúdokat pedig a \setbox0\hbox{$U_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%=\setbox0\hbox{$\frac{I_0}{\omega C}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% összefüggéssel számolhatjuk ki. A kondenzátorhoz tartozó impedancia \setbox0\hbox{$Z_C$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%=\setbox0\hbox{$\frac{1}{\omega C}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%.

Általános időben harmonikusan változó feszültség


Mérési feladatok

1. Feladat