Контрольные вопросы

1. Что такое электрический ток? Каковы условия его возникновения?

2. Дайте определение силы тока.

3. Дайте определение электродвижущей силы источника тока.

4. Сформулируйте и запишите первое и второе правила Кирхгофа. Следствием каких фундаментальных законов физики являются эти правила?

5. Каким требованиям должны удовлетворять приборы (амперметр, вольтметр), используемые для измерений на различных участках электрической цепи?

6. От каких параметров зависит сопротивление металлических проводников?

7. Назовите основные способы соединения проводников. Какие соотношения для токов напряжений и сопротивлений выполняются в этих соединениях?

Лабораторная работа № 5 Изучение зависимости мощности источника тока от сопротивления нагрузки

Цель работы: исследование зависимости полезной мощности источника тока, его полной мощности и КПД от сопротивления нагрузки.

Приборы и принадлежности: выпрямитель УНИП-7А, 2 магазина сопротивлений типа Р33, миллиамперметр, вольтметр цифровой В7-35.

Литература: [1], § 2.5; [4], § 71-72, 74, 76, 78; [6], § 60.

Введение

Рассмотрим цепь постоянного тока, в которой источник ЭДС Е, имеющий внутреннее сопротивление r, замкнут на внешнюю нагрузку сопротивлением R. Сила тока в такой цепи подчиняется закону Ома:

(1)

Полная мощность P₀ источника тока определяется следующими выражениями:

(2)

С ростом сопротивления нагрузки от нуля до бесконечности полная мощность уменьшается от максимального значения Е²/r до нуля.

Полезная мощность P_п источника тока, реализуемая на нагрузке, также зависит от R:

(3)

Легко видеть, что c ростом сопротивления нагрузки при R « r полезная мощность тока возрастает, а при R » r - убывает. Следовательно, при некотором значении внешнего сопротивления полезная мощность источника тока проходит через максимум. Исследование на экстремум функции (3) приводит к выводу, что это реализуется при сопротивлении нагрузки, равном внутреннему сопротивлению источника ЭДС.

Коэффициент полезного действия источника тока определяется выражениями:

(4)

С ростом сопротивления нагрузки КПД источника возрастает, приближаясь к единице. В условиях максимальной полезной мощности (R = r) η = 0,5.

Описание экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Источником ЭДС является универсальный выпрямитель УНИП-7А, имеющий два выхода на 10 В. Выходы соединяются последовательно через магазин сопротивлений (50 Ом). С его помощью искусственно увеличивается внутреннее сопротивление источника тока. Другой магазин сопротивлений играет роль нагрузки. Сила тока в цепи измеряется миллиамперметром, напряжение – цифровым вольтметром, имеющим большое внутреннее сопротивление.

Рис. 1

Измерения и обработка результатов

Соберите электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 1. Переключатели диапазонов ЭДС в том и другом каналах выпрямителя установите в положение 0 – 10 В. Перед включением выпрямителя установите рукоятки, с помощью которых производится регулировка ЭДС на выходе его каналов, в крайнее левое положение (Е = 0). Рукоятками магазина сопротивлений наберите значение R = 200-300 Ом. Включите выпрямитель и рукоятками регулировки ЭДС установите такое ее значение, при котором напряжение на нагрузке будет равно 4 - 5 В.

Исследуйте зависимость полезной и полной мощности источника тока от сопротивления нагрузки в интервале от 300 до 0 Ом при неизменном значении ЭДС источника, т.е. при неизменном положении рукояток регулировки ЭДС. Рекомендуется сопротивление нагрузки в интервале от 300 до 100 Ом уменьшать последовательно на 30 Ом, а в интервале от 90 Ом до 0 – на 10 Ом. При каждом значении сопротивления нагрузки регистрируйте показания амперметра и вольтметра.

Определите внутреннее сопротивление и ЭДС источника тока по данным двух произвольных измерений. Пусть при сопротивлении нагрузки R₁ сила тока равна I₁, а при сопротивлении R₂ сила тока равна I₂. В соответствии с законом Ома I₁(R₁+r) = I₂(R₂+r) = E. Используя это уравнение, найдем внутреннее сопротивление источника тока

и его ЭДС.

При каждом значении сопротивления нагрузки вычислите полезную P_п = IU и полную P₀ = IE мощность источника тока, а также его КПД Результаты измерений и вычислений сведите в табл. 1:

Таблица 1

R

I

U

Pп

P0

η

E

r

Постройте графики зависимости полезной и полной мощности источника тока от сопротивления нагрузки (на одной графической плоскости), а также график зависимости η(R).

Проанализируйте результаты проведенного исследования.