Лабораторная работа № 1 исследование электрической цепи постоянного тока

Цель работы:

1. Ознакомление с элементами простейшей электрической цепи и с основными величинами, характеризующими работу цепи при различных режимах.

2. Изучение распределения потенциала в неразветвленной электрической цепи.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Ознакомиться с оборудованием и приборами лабораторной установки.

2. Собрать электрическую схему (рис. 1.5) и уяснить назначение отдельных ее элементов. Определить цену деления приборов.

3. Выполнить эксперимент по определению основных величин, характеризующих работу цепи в режиме холостого хода и номинальном режиме.

4. Расчетами определить основные величины цепи в режимах согласованной работы и короткого замыкания.

5. Построить по экспериментальным и расчетным точкам совмещенные графики зависимостей U₁=U(I), U₂=U(I) и P_г=P(I), ΔP=P(I), Р_н=Р(I), η= η(I) (см. рис. 1.2 и 1.3).

6. Определить распределение потенциала электрической цепи для указанного преподавателем значения тока.

7. Построить потенциальную диаграмму цепи (см. рис. 1.4).

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1. Элементы и режимы работы электрической цепи

1.1. Элементы цепи

Основными элементами электрической цепи являются источники и потребители электрической энергии, линии электропередач (ЛЭП) или соединительные провода.

В качестве источников постоянного тока широкое распространение получили генераторы постоянного тока, гальванические элементы и выпрямительные блоки питания, характеризующиеся электродвижущей силой (ЭДС) Е и внутренним сопротивлением R_о.

Потребителями электрической энергии являются нагреватели, электрические двигатели, электрические лампы и т.д., в которых электрическая энергия преобразуется соответственно в тепловую, механическую, световую и другие виды полезной энергии.

Все остальные элементы электрической цепи: электроизмерительные приборы, коммутационная аппаратура и т.д. являются вспомогательными. Любая электрическая цепь характеризуется током, электродвижущей силой и напряжением.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь (рис. 1.1) с источником электрической энергии (ИЭ) и потребителем (П) линией электропередач (ЛЭП).

Предположим, что в источнике ИЭ преобразуется какой-то вид энергии в электрическую. Это происходит за счет так называемых сторонних (не электрических: механических, химических, тепловых, световых и т.д.) сил, которые производят внутри источника разделение зарядов, создавая ЭДС. Величина, численно равная работе W, совершаемой сторонними силами (механические, химические и др.) при перемещении единицы заряда q внутри источника, называется ЭДС,

Е=W / q.

Единицей измерения ЭДС является вольт (В).[Е]=Дж/Кл=В.

Если цепь замкнуть (ключом S), то разделенные заряды под воздействием электрического поля стремятся объединиться. Вследствие движения зарядов в цепи возникает ток I, и в потребителе П сопротивлением нагрузки R_н преобразовывается энергия, запасенная источником, в какой-то другой вид полезной энергии (тепловую,

световую, механическую и т.д.). В то же самое время внутреннее сопротивление источника R_о, и сопротивление линии электропередач 2R_лбудут нагреваться этим током, что приводит к бесполезной затрате энергии источника.

Рис. 1.1

Вдоль пути вне источника (на пассивном участке цепи), где нет сторонних сил, величина, численно равная работе, которую совершает источник по переносу единицы заряда по данному участку цепи, называется напряжением U. Единица напряжения та же, что и ЭДС

[U] = Дж/Кл = В.

Из определений очевидно, что ЭДС источника равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи

E=U_вш+U_вн,

где U_вш – напряжение на нагрузке R_н и ЛЭП 2R_л (на внешнем участке цепи);

U_вн – напряжение на внутреннем сопротивлении R_о источника (на внутреннем участке цепи).

Рис. 1.2

Эта формула выражает закон сохранения энергии для электрических цепей. Измерить напряжение на различных участках цепи можно только при замкнутой цепи. ЭДС измеряют между зажимами источника при разомкнутой цепи.

Напряжение на пассивном участке цепи часто называют еще падением напряжения.

Электрическое напряжение вдоль пути вне источника между точками а и вназывают также разностью потенциалов между этими точками

U_ab = U_a-U_b.

Чтобы определить разность потенциалов, необходимо потенциал одной из точек приравнять к нулю, тогда потенциал другой точки будет равен падению напряжения между этими точками.

Для количественной оценки электрического тока служит величина называемая силой тока (или просто током), равная величине заряда в 1 кулон (Кл), прошедшей через данноесечение проводника за единицу времени t(c),

I =q / t.

Единицейсилы тока является ампер (А), [I] = Кл/с = А.

Ток в цепи (рис. 1.1) по закону Ома

I=E/(R_o+2R_л+R_н)=E/(R_∑ +R_н) (1.1)

где R_o- внутреннее сопротивление источника электроэнергии; 2R_л - сопротивление линии электропередач; R_Σ=R_о+2R_л - суммарное сопротивление источника и ЛЭП; R_н - сопротивление нагрузки.

Из соотношения (1.1) имеем

E=I(R_∑ +R_н )=U_вн+U_л+U_н, (1.2)

где U_вн- падение (потеря) напряжения на источнике электроэнергии, U_вн=R_oI.

U_н- падение напряжения на нагрузке (преобразование в полезную работу), U_н=IR_н;

U_л - падение (потеря) напряжения на ЛЭП, U_л=2R_лI.

Мощность Р_н, потребляемая нагрузкой, называется полезной мощностью электрической энергии и она равна

Р_н=I²R_н. (1.3)

Другая часть мощности источника электрической энергии, затрачиваемая на пути движения тока к нагрузке (в источнике и ЛЭП), называется мощностью потерь и равна

ΔР = I²(R_o + 2R_л) = I²R_Σ . (1.4)

Баланс мощностей для электрической цепи

Р_г=Р_н+ΔР=I²R_н+I²R_Σ, (1.5)

где Р_г - мощность, вырабатываемая источником электрической энергии

Р_г = ЕI. (1.6)

Коэффициент полезного действия электрической цепи есть отношение полезной мощности Р_нк мощности, вырабатываемой источником Р_г, и равен

=(Р_н/Р_г)*100%=((Р_г-Р)/Р_г)*100%=

=((1-Р)/Р_г)*100%=((1-I²R_Σ)/ EI)*100%(1.7)