4_el

Інструкційна картка до проведення

лабораторного заняття № 4

1. Тема заняття: Дослідження роботи джерела ЕРС

2. Мета проведення заняття: закріпити знання визначень електрорушійної сили джерела струму (ЕРС), внутрішнього опору джерела струму; дослідити залежності корисної і повної потужності, що розвиваються джерелом струму, і його коефіцієнта корисної дії (ККД) від опору навантаження.

3. Після виконання роботи студент повинен:

знати:

• визначення ЕРС, внутрішнього опору, потужності та ККД в електричному колі;

• закон Ома для кола постійного струму, яке містить ЕРС;

• методику дослідження режимів роботи джерел ЕРС;

• оптимальні, номінальні та критичні режими роботи джерел ЕРС;

вміти:

• збирати коло постійного струму за запропонованою викладачем схемою;

• виставляти параметри кола;

• змінюючи параметри кола, досліджувати режими роботи джерел ЕРС

мати навички:

- роботи в програмі Electronics Workbench.

4. ПРИЛАДИ ТА ОБЛАДНАННЯ

Реостат, набір резисторів, джерело постійної ЕРС, вимірювальні прилади, з'єднувальні провідники.

Лабораторна робота виконується на комп’ютері. Експериментальна установка модулюється за допомогою програми Electronics Workbench.

5. Інструктаж з техніки безпеки (згідно з інструкцією до виконання лабораторних робіт на ЕОМ)

6. Короткі відомості з теоретичної частини роботи.

Р

озглянемо електричне коло, подане на рис.1 Припустимо, що ключ К розімкнутий. В цьому випадку електричний струм йде тільки через вольтметр і джерело струму. Припустимо далі, що вольтметр має досить великий омічний опір. Тоді струмом, що протікає в колі, можна (в першому наближенні) нехтувати. Оскільки ми нехтуємо струмом в колі, то відсутнє падіння напруги на внутрішньому опорі джерела і, як наслідок, різниця потенціалів на клемах джерела виявляється рівною . Таким чином, при розімкненому ключі вольтметр реєструє величину електрорушійної сили (ЕРС) джерела струму .

Погрішність визначення величини за цією методикою виникає з двох причин:

використовуваний для виміру вольтметр має обмежену точність;

через джерело струму і вольтметр все ж тече деякий малий струм, який викликає падіння напруги на внутрішньому опорі джерела, і тому показання вольтметра будуть дещо менше величини .

Тепер припустимо, що ключ К замкнений. В цьому випадку через зовнішній опір буде проходити електричний струм, сила якого визначається законом Ома для замкнутого кола:

(1)

Проходження електричного струму в колі викликає падіння напруги на внутрішньому опорі джерела струму . Тому показання вольтметра будуть меншими за ЕРС джерела на величину падіння напруги на внутрішньому опорі:

У останньому співвідношенні усі величини, окрім внутрішнього опору, відомі з вимірів і тому величина і падіння напруги на внутрішньому опорі можуть бути розраховані.

Розглянемо тепер конкретні режими роботи джерела струму. Виходячи із закону Ома (1), можна показати, що струм в замкнутому колі досягає найбільшого значення, рівного , при =0. Цей режим роботи джерела називають режимом короткого замикання. Якщо навпаки, опір зовнішнього кола ^, то струм асимптотично прямуватиме до нуля. Такий режим називається режимом холостого ходу. В цьому випадку, як було показано раніше, різниця потенціалів між клемами джерела рівна ЕРС.

Відмітимо також, що різниця потенціалів на клемах джерела одночасно являється і падінням напруги на зовнішньому опорі (див. рис. 1) і тому за законом Ома для ділянки кола

(2)

Оскільки сила струму і різниця потенціалів вимірюються приладами, задіяними в електричному колі, то по співвідношенню (2) може бути визначена величина зовнішнього опору (навантаження). Таким чином, по вимірах в режимах розімкненого і замкнутого ключа K можуть бути визначені як параметри джерела струму ( і r, так і величина зовнішнього опору ).

Розглянемо також замкнуте електричне коло з точки зору потужності, що розвивається джерелом. Як відомо, потужність, що виділяється у вигляді тепла при проходженні електричного струму через опір, визначається законом Джоуля-Ленца :

(3)

Співвідношення (3) визначає корисну потужність, що розвивається джерелом на зовнішньому опорі . Аналогічне співвідношення, але з опором r визначає потужність, що виділяється у вигляді тепла на внутрішній опір джерела.

Повна потужність є сумою корисної потужності і потужності, що виділяється на внутрішньому опорі:

(4)

І, нарешті, відмітимо, що коефіцієнт корисної дії (ККД) джерела постійного струму :

(5)

Використовуючи співвідношення (3) - (5) можна показати, що

; ; . (6)

Повна потужність, що розвивається джерелом струму, досягає максимуму в режимі короткого замикання, тобто при =0. В цьому випадку уся теплова потужність виділяється всередині джерела струму на його внутрішньому опорі r. Зі зростанням зовнішнього опору повна потужність зменшується, асимптотично наближаючись до нульового значення.

Корисна потужність змінюється залежно від зовнішнього опору складнішим чином. Дійсно, =0 при межових значеннях зовнішнього опору: при =0 і ^. Таким чином, максимум корисної потужності повинен припадати на проміжні значення зовнішнього опору.

Величину зовнішнього опору, що відповідає максимуму корисної потужності, можна знайти, використовуючи метод диференціального числення. Можна показати, що максимум корисної потужності відповідає , тобто при рівності зовнішнього і внутрішнього опорів. У електротехніці режим максимальної корисної потужності називається режимом узгодження джерела струму з його навантаженням.

Легко бачити, що =0 при =0. При R^ величина  асимптотично прямує до одиниці. Цікаво відмітити, що в режимі максимальної корисної потужності =0,5 (тобто 50%).

7. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1 .Зібрати схему за рис.1 і показати її викладачеві для перевірки.Виставити параметри схеми =24 В (не змінюєм на протязі усієї лаб. роботи!), =2 Ом.

2. Змінюючи опір реостату відповідно до значень опору в таблиці, зняти і записати показання приладів (амперметра і вольтметра) для відповідних значень опорів.

3. Обчислити і записати до таблиці значення , , та η

Таблиця вимірів і обчислень.

R, Ом		10	7	5	4	3	2	1	0,2	0
U, B
I, A
, Вт
, Вт
, Вт
η

4. За даними таблиці побудувати (на окремому аркуші) в прямокутній системі координат графіки залежностей I, , , η як функції відносного опору R/ на одному графіку. Визначити з графіка максимальне значення .

5. За даними таблиці побудувати (на окремому аркуші) в прямокутній системі координат графіки залежностей , , , η як функції струму I . Відмітити на графіку срум короткого замикання.

6. Змінити опір на величину . Змінюючи опір реостату відповідно до значень опору в таблиці, зняти і записати у таблицю показання приладів для відповідних значень опорів.

R, Ом		10	7	5	4	3	2	1	0,2	0
U, B
I, A

7. Змінити опір на величину Ом. Змінюючи опір реостату відповідно до значень опору в таблиці, зняти і записати у таблицю показання приладів для відповідних значень опорів.

R, Ом		10	7	5	4	3	2	1	0,2	0
U, B
I, A

8. Корисуючис таблицями, заповненим в пп. 3, 6, 7 побудувати в одних координатних вісях на окремому аркуші залежності для рьох значень =2 Ом, Ом а .

9. Розрахувати теоретичне значення струму короткого замикання та порівняти з отриманим на практиці.

10. Розрахувати теоретичне та порівняти його з ориманим на практиці.

8. висновки.