電器理論基礎(chǔ)試驗(yàn)參考指導(dǎo)書

電器理論基本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書王宣東賈申利西安交通大學(xué)電器教研室3月目錄實(shí)驗(yàn)一導(dǎo)體發(fā)熱實(shí)驗(yàn) 1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?1二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 5四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 6五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)定 6實(shí)驗(yàn)二直流電弧特性實(shí)驗(yàn) 7一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?7二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 7三、實(shí)驗(yàn)線路 8四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 8五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)定 9實(shí)驗(yàn)三交流電弧特性實(shí)驗(yàn) 10一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?10二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 10三、實(shí)驗(yàn)線路 10四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 12五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)定 12實(shí)驗(yàn)四電弧演示實(shí)驗(yàn) 13一、水中碳電弧放電實(shí)驗(yàn) 13二、電弧在磁場作用下運(yùn)動(dòng) 15實(shí)驗(yàn)二直流電弧特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)坑^測不同條件下電弧外形；求取直流電弧伏安特性。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備如下表所示：序號名稱型號及規(guī)格數(shù)量1電弧實(shí)驗(yàn)裝置自制12碳棒Φ8mm23銅棒Φ8mm24直流電流表551型0～15A（30A）15直流電壓表T10-V0～150V16滑線式變阻器BX8-114.5A45Ω19變阻器ZX2-2110.1A21Ω2本實(shí)驗(yàn)所用電弧實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖2-1所示：圖2-1電弧實(shí)驗(yàn)裝置三、實(shí)驗(yàn)線路實(shí)驗(yàn)線路如圖2-2所示。1和2是兩個(gè)電極，它們通過可變電阻器R和滑線式變阻器Rf接到直流電源上。將電極1和2接觸后再緩慢分開，電極之間就產(chǎn)生電弧。通過電弧電流從直流電流表A讀取，電弧兩端電壓降從直流電壓表V讀取。調(diào)節(jié)可變電阻R，便可變化電弧電流，從而求得電弧電壓和電弧電流關(guān)系（即所謂直流電弧伏安特性）。其中：Rf為滑線式變阻器，額定電流為4.5A，電阻為0～45Ω；R為可變電阻器，額定電流為10.1A，共有7個(gè)接線端子（R1～R7），每兩個(gè)端子間電阻值為3.5Ω。圖2-2直流電弧實(shí)驗(yàn)線路四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀測不同材料作為電極時(shí)電弧燃燒狀況；

在觀測電弧燃燒狀況時(shí)，滑線式變阻器阻值應(yīng)當(dāng)始終在最小位置，可變電阻器應(yīng)在R1、R7上接線。求取弧長約為2mm和0.5mm時(shí)，電流在10A如下直流電弧伏安特性（碳電極，實(shí)驗(yàn)時(shí)電流由10A電流在5～10A時(shí)，滑線式變阻器阻值應(yīng)當(dāng)始終保持在最小位置，可變電阻器應(yīng)分別在R1、R5（電流約為9A），R1、R6（約7.5A），R1、R7（約6A）上接線。將可變電阻器接在R1、R7上不動(dòng)，迅速調(diào)節(jié)滑線式變阻器，使回路電流值不大于5A后再開始實(shí)驗(yàn)記錄。求取當(dāng)碳電極接觸時(shí)電流約為6A和9A兩種狀況下直流電弧臨界長度；

滑線式變阻器阻值應(yīng)當(dāng)始終保持在最小位置，可變電阻器應(yīng)分別在R1、R5（電流約為9A），R1、R7（約6A）上接線。觀測測量電弧伏安特性精準(zhǔn)辦法。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)定描述不同材料電極時(shí)，直流電弧陽極斑點(diǎn)、陰極斑點(diǎn)和弧柱外形及其運(yùn)動(dòng)狀況；做出弧長約為2mm和0.5mm時(shí)直流伏安特性，并闡明由此得出什么結(jié)論；闡明6A和9A兩種狀況下直流電弧臨界長度不同因素。實(shí)驗(yàn)三交流電弧特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)坑^測不同條件下電弧外形；求取交流電弧伏安特性。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備如下表所示序號名稱型號及規(guī)格數(shù)量1電弧實(shí)驗(yàn)裝置自制12碳棒Φ8mm23銅棒Φ8mm24交流電流表T15-A0~115有鐵心電抗器3.4Ω10.4mH16變阻器ZX2-2110.1A21Ω17示波器TDS1SR-071B18滑線式變阻器BX8-114.5A45Ω1BX7-1620A2Ω1三、實(shí)驗(yàn)線路1、電阻性負(fù)載：實(shí)驗(yàn)線路如圖3－1所示。1和2是兩個(gè)電極，它們通過可變電阻器R、交流電流表A和滑線式變阻器Rf接到交流電源上。將電極1和2接觸后再緩慢分開，電極之間就產(chǎn)生電弧，電弧各種特性用示波器進(jìn)行觀測。示波器通道1（CH1）上顯示是電弧電壓波形；通道2（CH2）上顯示是電弧電流波形。感性負(fù)載：實(shí)驗(yàn)線路如圖3－2所示。電極1和2通過電阻Rf、交流電流表A和電感L接到交流電源上。將電極1和2接觸后再緩慢分開，電極之間就產(chǎn)生電弧，電弧各種特性用示波器進(jìn)行觀測。示波器通道1（CH1）上顯示是電弧電壓波形；通道2（CH2）上顯示是電弧電流波形。交流電弧伏安特性：將數(shù)字示波器換TDS為模仿示波器，接線辦法不變，選取X-Y模式，為X，為Y，即可在示波器上看到交流電弧電壓和電弧電流關(guān)系。圖3-1交流電弧實(shí)驗(yàn)線路——電阻負(fù)載

圖3-2交流電弧實(shí)驗(yàn)線路——電感負(fù)載其中：

Rf為滑線式變阻器，額定電流為20A，電阻為0～2Ω；

R為可變電阻器，額定電流為10.1A，共有7個(gè)接線端子（R1～R7），做交流電弧實(shí)驗(yàn)時(shí)接線在R1、R7兩個(gè)端子間，電阻值為21Ω。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀測電流約為10A時(shí)，不同負(fù)載性質(zhì)狀況下交流電弧電壓、電流波形和伏安特性，并進(jìn)行描繪；學(xué)習(xí)測量交流電弧伏安特性精準(zhǔn)辦法。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)定繪出不同負(fù)載性質(zhì)狀況下，交流電弧電壓、電流波形和伏安特性，并指出它們有何不同。實(shí)驗(yàn)四電弧演示實(shí)驗(yàn)一、水中碳電弧放電實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)裝置：采用一臺ZX7-120型號非晶態(tài)逆變式直流電焊機(jī)作為產(chǎn)生電弧電流源，電焊機(jī)輸入電壓為220V工頻交流電壓，可以輸出20～150A持續(xù)可調(diào)直流電流。裝置采用兩根不銹鋼棒作為電極柱，在其下端分別設(shè)有用來安裝石墨電極孔和螺紋。裝置陰極固定在支架上，陽極通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄方式可以沿著一種平滑軌道進(jìn)行水平方向移動(dòng)。燒杯中盛放蒸餾水作為碳電弧放電介質(zhì)。水中碳電弧放電裝置實(shí)物如圖4－1所示：圖4-1水中碳電弧放電裝置2、實(shí)驗(yàn)原理：在水中碳電弧燃燒過程中，陽極石墨棒中一某些碳元素在電弧高溫下與水發(fā)生反映：C+H2O=CO+H2，生成CO和H2氣體為放電電弧提供了一種類似于惰性氣體保護(hù)環(huán)境。如圖4－2所示，從陽極石墨棒蒸發(fā)出來碳粒子一某些沿著弧柱區(qū)運(yùn)動(dòng)至陰極，由于陰極表面溫度相對較低，這些碳粒子在陰極表面定向沉積，沿著電弧方向生長出多壁碳納米管如圖4－3所示。多壁碳納米管在陰極生長過程遵循“開口生長”機(jī)制，即納米管所有生長層在生長過程中都保持開口，碳原子簇沿軸向不斷增長到開口端，其中六元環(huán)不斷供應(yīng)導(dǎo)致納米管生長，而五元環(huán)引入則使納米管封閉起來，停止生長。而逸出弧柱區(qū)碳粒子，則在由弧柱區(qū)向氣泡壁運(yùn)動(dòng)過程中，由于溫度不斷地減少，碳粒子逐漸形成碳鏈、并進(jìn)一步形成六圓環(huán)為基本單元類石墨片斷，在氣泡壁附近，由于氣泡壁冷壁效應(yīng)，會存在很高溫度梯度，并且氣泡壁溫度也很低（水沸點(diǎn)，100℃），這些片斷會趨于彎曲形核并生長，由于該區(qū)域內(nèi)碳粒子各向同性，最后形成球狀碳納米洋蔥，如圖4－4所示圖4-2水中碳電弧放電物理模型示意圖圖4-3陰極沉積物中多壁碳納米管圖4-4水面漂浮物中碳納米洋蔥3、實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象：在蒸餾水中進(jìn)行碳電弧放電實(shí)驗(yàn)，電極采用純度為99.99%光譜純石墨棒，陰極采用直徑和長度均為20mm石墨棒，陽極采用直徑為6mm，長度為100mm石墨棒。一方面將陰極、陽極石墨棒分別固定在相應(yīng)不銹鋼電極柱上，在5000ml燒杯里注入約4000ml去離子水，通過調(diào)節(jié)燒杯支架高度，將電極充分浸入水中。在接通電源之前，將兩個(gè)石墨棒電極相接觸導(dǎo)致短路，然后打開電焊機(jī)，調(diào)節(jié)其電流至50A，然后通過旋轉(zhuǎn)手柄使陽極緩慢離開陰極約1mm而產(chǎn)生電弧。隨著陽極石墨棒不斷燒蝕，持續(xù)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)手柄，使兩電極之間弧隙距離保持恒定，使得電弧可以持續(xù)穩(wěn)定燃燒。水中電弧放電時(shí)產(chǎn)生了一團(tuán)熾熱高亮等離子體，并且電弧放電產(chǎn)氣憤泡不斷上升，氣泡中具有碳與水反映生成氣體產(chǎn)物。在放電過程中，陽極石墨棒在直流電流作用下逐漸燒蝕，因此需要通過旋轉(zhuǎn)手柄給進(jìn)陽極來保證電弧燃燒穩(wěn)定性。在燃弧過程中，蒸發(fā)碳元素一某些沉積在陰極表面，另某些漂浮在液面上或沉淀至燒杯底部，尚有一某些與水反映生成氣體。當(dāng)陽極碳棒損耗將近結(jié)束時(shí)，切斷電源，移開燒杯，收集產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完畢后，可以觀測到液體中電弧放電固體產(chǎn)物重要有三某些：1、陰極表面柱狀沉積物，其直徑與陽極直徑相近，長度為數(shù)毫米；2、水面上呈薄膜狀漂浮物；3、燒杯底部沉淀物。水中碳電弧放電燃弧過程陰極沉積物水面漂浮物二、電弧在磁場作用下運(yùn)動(dòng)1、交變磁場：1）實(shí)驗(yàn)重要裝置：電弧實(shí)驗(yàn)裝置（如實(shí)驗(yàn)2所述），勵(lì)磁線圈和變頻器，如下圖所示：勵(lì)磁線圈變頻器2）實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象：將線圈置于銅電弧附近，使線圈軸線水平穿過弧柱中心。采用一臺變頻器驅(qū)動(dòng)線圈，將變頻器頻率調(diào)節(jié)在5Hz，將變頻器頻率調(diào)節(jié)在5Hz，它輸出正弦脈寬調(diào)制波驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生一種低頻（5Hz）交變磁場。依照左手定則，在每個(gè)周期中，電弧處磁場方向保持水平先后交替狀態(tài)，電弧則分別受到向上和向下作用力（如圖4-5），從而產(chǎn)生明顯上下擺動(dòng)。圖4-5電弧等離子體在交變磁場中受力和運(yùn)動(dòng)方向示意圖2、恒定磁場：1）實(shí)驗(yàn)重要裝置：如下圖所示：線圈帶間隙銅電極2）實(shí)驗(yàn)