Medvedev_9587_lab_10

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Физики

отчет

по лабораторной работе №10

по дисциплине «Физика»

Тема: «Передача мощности в цепи постоянного тока»

Студент гр. 9587		Медведев Г.Н.
Преподаватель		Иманбаева Р.Т.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы: экспериментальное исследование зависимости полезной мощности, полной мощности и коэффициента полезного действия (КПД) источника от отношения сопротивлений нагрузки и источника.

Приборы и принадлежности: стенд для сборки измерительной цепи; два источника с различными ЭДС; миллиамперметр и вольтметр; переменный резистор.

Методика измерений

Источник ЭДС E с внутренним сопротивлением Ri, нагруженный на внешнее сопротивление R1, создает в цепи ток I = E / (R₁ + R_i).

Полная мощность P = EI, развиваемая источником, делится между нагрузкой и источником следующим образом:

P_e /P = U_е /U = R₁/(R₁+ R_i) = η, P_i /P = U_i /U = R_i /(R₁ + R_i) = 1 – η,

где P_e= IU_e – мощность, выделяющаяся в нагрузке (полезная); P_i= IU_i – мощность, выделяющаяся на внутреннем сопротивлении источника; U_e и U_i – падения напряжения на нагрузке и на внутреннем сопротивлении источника соответственно; η – КПД источника.

С увеличением внутреннего сопротивления от нуля (короткое замыкание) до бесконечности (разомкнутая цепь) напряжение U_e возрастает от нуля до значения, равного ЭДС, а ток в цепи уменьшается от I_кз = E/R_i при коротком замыкании до нуля при разомкнутой цепи.

Мощность P_e равна нулю как при коротком замыкании, так и при разомкнутой цепи. Максимальная полезная мощность P_{e max} достигается, когда R₁ = R_i, при так называемом согласовании сопротивлений источника и нагрузки. В этом случае P_{e max} = E₂/(4R_i).

Полная мощность P с увеличением сопротивления нагрузки уменьшается и в режиме согласования составляет P = E₂/(2R_i), т. е. половину мощности, развиваемой источником в режиме короткого замыкания: P_кз = E₂/R_i.

Напряжение U_e в режиме согласования равно половине ЭДС E. КПД источника равен нулю при коротком замыкании и единице при разомкнутой цепи; в согласованном режиме η = 0.5.

Переключателем SB₁ источники G₁ и G₂ с различными ЭДС и внутренними сопротивлениями могут быть поочередно подключены к нагрузке R₁. Ток I и напряжение U_e на резисторе R₁ измеряют миллиамперметром PA₁ и вольтметром PV₁. Режим разомкнутой цепи осуществляется отключением нагрузки кнопкой SB₂; показание вольтметра при этом равно ЭДС источника.

Схема установки для исследования цепи постоянного тока

Вопросы для подготовки:

54. Запишите формулу полной мощности в режиме короткого и режиме согласования, во сколько раз они отличаются?

в режиме согласования

в режиме короткого замыкания

Р в режиме согласования в 4 раза меньше Р в режиме короткого замыкания

64. Запишите закон Джоуля-Ленца.

- закон Джоуля-Ленца в интегральной форме

- закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме

Протокол наблюдений к лабораторной работе №10 «Передача мощности в цепи постоянного тока»

Студент гр. 9587		Медведев Г.Н.
Преподаватель		Иманбаева Р.Т.

Источник G1	№	R, Ом	I, мА	Ue, мВ
E, В	1	5	12	60
4,2	2	104	9,354	972,816
	3	203	7,664	1556
	4	302	6,491	1960
	5	401	5,63	2258
	6	500	4,97	2485
	7	599	4,449	2665
	8	698	4,027	2811
	9	797	3,678	2931
	10	896	3,384	3032
	11	995	3,134	3118

Источник G2	№	R, Ом	I, мА	Ue, мВ
E, В	1	5	25,668	128,34
4,8	2	104	16,783	1745
	3	203	12,468	2531
	4	302	9,917	2995
	5	401	8,233	3301
	6	500	7,038	3519
	7	599	6,146	3681
	8	698	5,455	3808
	9	797	4,903	3908
	10	896	4,453	3990
	11	995	4,078	4058

Обработка экспериментальных результатов:

1) Вычислим для каждой пары значений тока I и напряжения U_e значения мощностей (полной P и полезной P_e), КПД η, а также

Необходимые формулы:

Источник G1	Р, мВт	Ре, мВт		R/Ri
	50,4	0,72	1,43	0,01
	39,287	9,1	23,16	0,3
	32,189	11,924	37,04	0,59
	27,262	12,724	46,67	0,88
	23,646	12,71	53,75	1,16
	20,874	12,35	59,17	1,45
	18,686	11,856	63,45	1,74
	16,913	11,319	66,93	2,02
	15,448	10,782	69,79	2,31
	14,213	10,261	72,19	2,6
	13,163	9,773	74,24	2,88

Источник G2	Р, мВт	Ре, мВт		R/Ri
	123,206	3,294	2,67	0,03
	80,558	29,294	36,36	0,57
	59,846	31,557	52,73	1,12
	47,602	29,701	62,39	1,66
	39,518	27,181	68,78	2,2
	33,782	24,767	73,31	2,75
	29,501	22,626	76,7	3,29
	26,184	20,77	79,32	3,84
	23,534	19,159	81,41	4,38
	21,374	17,767	83,12	4,92
	19,574	16,547	84,53	5,47

2) Построим графиков зависимости мощностей (полной P и полезной P_e) и КПД η от отношения сопротивлений :

3) Определим для каждого источника максимальную полезной мощность , мощность короткого замыкания и внутреннее сопротивление :

Необходимые формулы:

Источник G1	Pe max, мВт	Ркз, мВт	Ri, Ом
	12,783	51,13	345,032

Источник G2	Pe max, мВт	Ркз, мВт	Ri, Ом
	31,648	126,593	181,989

Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы были исследованы зависимости мощности, полной мощности и коэффициента полезного действия источника от отношения сопротивлений нагрузки и источника. Было подтверждено, что с увеличением внутреннего сопротивления от малых значений до больших, напряжение в цепи возрастает от близкого к нулю до примерно равного ЭДС, а ток уменьшается от тока короткого замыкания до близкого к нулю. Также было выполнено условие достижения максимальной мощности и КПД при согласовании сопротивлений.