2 семестр лабы Шейнман БТС / ЛР 10 / 0501 Конунников ЛР10
.pdfФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
кафедра физики
ОТЧЕТ
по лабораторной работе № 10
«Передача мощности в цепи постоянного тока»
Выполнил: Конунников Г. А.
Группа № |
0501 |
Преподаватель: Шейнман И. Л.
Вопросы |
|
Задачи ИДЗ |
Даты |
Итог |
||||
|
|
|
|
|
|
|
коллоквиума |
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
43 |
68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Санкт-Петербург, 2021
2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10
ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: экспериментальное исследование зависимости полезной мощности, полной мощности и коэффициента полезного действия
(КПД) ис¬точника от отношения сопротивлений нагрузки и источника.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: стенд для сборки измерительной цепи; два источника с различными электродвижущими силами (ЭДС);
миллиамперметр и вольтметр; переменный резистор. Схема установки для исследования цепи постоянного тока представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема установки для исследования цепи постоянного тока
Источник ЭДС E с внутренним сопротивлением Ri, нагруженный на внешнее сопротивление R1, создаёт в цепи (рис. 1) ток
I = E/(R1 + Ri).
Полная мощность P = EI, развиваемая источником, делится между нагрузкой и источником следующим образом:
Pe/P = Ue/U = R1/(R1 + Ri) = , Pi/P = Ui/U = Ri/(R1 + Ri) = 1 – ,
где – мощность, выделяющаяся в нагрузке (полезная),
Pi = IUi – мощность, выделяющаяся на внутреннем сопротивлении источника;
3
Ue и Ui – падения напряжения на нагрузке и на внутреннем сопротивлении источника соответственно; – КПД источника.
С увеличением внутреннего сопротивления от нуля (короткое замыкание)
до бесконечности (разомкнутая цепь) напряжение Ue возрастает от нуля до значения, равного ЭДС, а ток в цепи уменьшается от Iкз = E/Ri при коротком замыкании до нуля при разомкнутой цепи.
Мощность Pe равна нулю как при коротком замыкании, так и при разомкнутой цепи. Максимальная полезная мощность Pe max достигается, когда
R1 = Ri, при так называемом согласовании сопротивлений источника и нагрузки. В этом случае
Pe max = E2/(4Ri).
Полная мощность P с увеличением сопротивления нагрузки уменьшается и в режиме согласования составляет P = E2/(2Ri), т. е. половину мощности,
развиваемой источником в режиме короткого замыкания:
Pкз = E2/Ri.
Напряжение Ue в режиме согласования равно половине ЭДС E.
КПД источника равен нулю при коротком замыкании и единице при разомкнутой цепи; в согласованном режиме = 0.5.
4
5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Рассчитаем по соответствующим формулам значения , , , ⁄
для каждого источника, результаты вычислений сведем в таблицы.
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
= |
|
= |
|
|
|
|
|
|
= |
|
||||
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
− |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Полученные результаты измерений и вычислений для источника G1
приведены в таблице 3. При Е1 = 5
Таблица 3 – Результаты измерений и вычислений для источника G1
№ |
I, −, А |
, В |
∙ , Вт |
∙ , Вт |
|
⁄ |
1 |
9,2 |
0 |
0,46 |
0,4232 |
0,0092 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
7 |
1,4 |
0,35 |
0,245 |
0,007 |
0,3888 |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
5,4 |
3,2 |
0,27 |
0,1458 |
0,0054 |
1,77777 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
3,6 |
0,2 |
0,08 |
0,004 |
2,57 |
|
|
|
|
|
|
|
5 |
3,3 |
4 |
0,165 |
0,05445 |
0,0033 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
3 |
4,2 |
0,15 |
0,045 |
0,003 |
5,25 |
|
|
|
|
|
|
|
7 |
2,5 |
4,6 |
0,125 |
0,03125 |
0,0025 |
11,5 |
|
|
|
|
|
|
|
8 |
2,2 |
4,8 |
0,11 |
0,0242 |
0,0022 |
24 |
|
|
|
|
|
|
|
9 |
2 |
5 |
0,1 |
0,02 |
0,002 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
10 |
1,8 |
5,1 |
0,09 |
0,0162 |
0,0018 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Полученные результаты измерений и вычислений для источника G2 приведены в таблице 4. При Е1 = 5
6
Таблица 4 – Результаты измерений и вычислений для источника G2
№ |
I, −, А |
, В |
∙ , Вт |
∙ , Вт |
|
⁄ |
1 |
8 |
0 |
0,448 |
0,3584 |
0,008 |
0 |
2 |
6,7 |
1,2 |
0,375 |
0,2514 |
0,0067 |
0,27272 |
3 |
5 |
2,8 |
0,28 |
0,14 |
0,005 |
1 |
4 |
4 |
3,8 |
0,224 |
0,0896 |
0,004 |
2,111 |
5 |
3,4 |
4,2 |
0,19 |
0,06474 |
0,0034 |
3 |
6 |
3,2 |
4,6 |
0,179 |
0,05734 |
0,0032 |
4,6 |
7 |
2,8 |
5 |
0,157 |
0,0439 |
0,0028 |
8,333 |
8 |
2,4 |
5,2 |
0,134 |
0,03226 |
0,0024 |
13 |
9 |
2,2 |
5,4 |
0,123 |
0,0271 |
0,0022 |
0 |
10 |
2 |
5,8 |
0,112 |
0,0224 |
0,002 |
0 |
2. Построим графики зависимости соответствующих параметров. |
|
||||||||
График зависимости , |
, от |
⁄ |
для источника G1. |
|
|
||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
0,01 |
|
|
0,45 |
|
|
|
|
|
|
0,009 |
|
|
0,4 |
|
|
|
|
|
|
0,008 |
|
|
0,35 |
|
|
|
|
|
|
0,007 |
|
P,Pe, Вт |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
0,006 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
0,25 |
|
|
|
|
|
|
0,005 |
Pe |
|
|
|
|
|
|
|
|
КПД |
КПД |
|
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
0,004 |
|
|
|
0,15 |
|
|
|
|
|
|
0,003 |
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
0,002 |
|
|
0,05 |
|
|
|
|
|
|
0,001 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
-5 |
0 |
5 |
10 |
|
15 |
20 |
25 |
30 |
|
|
|
|
R1/Ri |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
График зависимости , |
, от |
⁄ |
для источника G2. |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
0,009 |
|
|
|
|
|
0,45 |
|
|
|
|
0,008 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,4 |
|
|
|
|
0,007 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,35 |
|
|
|
|
0,006 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт |
|
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,005 |
P |
||
|
|
0,25 |
|
|
|
|
КПД |
Pe |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
P,Pe, |
|
|
|
|
|
|
0,004 |
КПД |
|
|
|
|
|
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,15 |
|
|
|
|
0,003 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
0,002 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,05 |
|
|
|
|
0,001 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
-5 |
0 |
|
|
5 |
10 |
15 |
|
|
|
|
|
|
|
R1/Ri |
|
|
|
|
|
|
|
3. Рассчитаем значения Ri для соответствующих источников G1 и G2 |
|||||||
данные занесем в таблицу 5. |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
= ( − ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8
Таблица 5 – Значения Ri для соответствующих источников G1 и G2
|
|
|
Е1 = 5 |
|
|
|
Е2 = 5,6 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
|
I, −, А |
|
, В |
, Ом |
I, −, А |
|
|
, В |
, Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
9,2 |
0 |
|
543,4782609 |
8 |
0 |
|
700 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
7 |
1,4 |
514,2857143 |
6,7 |
1,2 |
656,7164 |
|||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
5,4 |
3,2 |
-347,826087 |
5 |
2,8 |
-350 |
|||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
4 |
3,6 |
350 |
4 |
3,8 |
450 |
|||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
3,3 |
4 |
|
303,030303 |
3,4 |
4,2 |
411,7647 |
||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
3 |
4,2 |
266,6666667 |
3,2 |
4,6 |
312,5 |
|||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
2,5 |
4,6 |
160 |
2,8 |
5 |
|
214,2857 |
||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
2,2 |
4,8 |
90,90909091 |
2,4 |
5,2 |
166,6667 |
|||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
2 |
5 |
|
0 |
2,2 |
5,4 |
90,90909 |
||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
1,8 |
5,1 |
1000 |
2 |
5,8 |
1000 |
|||
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
̅ = ∑ |
|
= , Ом |
̅ = ∑ |
|
|
= , Ом |
||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Рассчитаем для каждого источника |
и |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
К.З. |
|
|
= |
2 |
|
|
|
= |
2 |
|
|
̅̅̅ |
|
̅̅̅ |
|
||||||
|
|
|
К.З. |
|
|
||||
|
|
4 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
4.1 Для источника G1: |
|
|
|
|
|
|||
|
= 0.022 Вт |
|
= 0.088 Вт |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
К.З. |
|
|
|
|
|
|
4.2 Для источника G2: |
|
|
|
|
|
|||
|
= 0.021 Вт |
|
= 0.086 Вт |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
К.З. |
|
|
|
|
|
|
Вывод: В ходе |
эксперимента |
исследованы зависимости полезной |
||||||
мощности, полной мощности и коэффициента полезного действия (КПД)
источника от отношения сопротивлений нагрузки и источника, которые получили расчетным путем, построили относительно этих данных графики зависимости , , (КПД) от 1⁄ .
9
Контрольные вопросы
43. В суть компенсационного метода? Каковы основные источники погрешности при измерении ЭДС методом компенсации?
Ответ:
Источники погрешности – шкала потенциометра (имеет наименьшую среди всех приборов точность градуировки), шкала микроамперметра.
68. Единицы измерения мощности. Соотношение между единицами
«Джоуль» и «киловатт-час».
Ответ:
Единицей измерения мощности является ватт (Вт), равный одному джоулю в секунду (Дж/с).
Киловатт-час равен количеству энергии, потребляемой устройством мощностью один киловатт в течение одного часа. Поскольку 1 Вт с = 1 Дж, 1 кВт ч = 1000 Вт 3600 с = 3,6 МДж.