лаборатор электр магнетизм для студентов / Э5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36(Э5)

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКА ТОКА ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ

Цель работы:

усвоить понятия работы, мощности и КПД источника тока в электрической цепи. Задача работы:

исследовать влияние сопротивления нагрузки на величину полезной мощности, КПД источника и силу тока в электрической цепи.

I.УКАЗАНИЯ К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ

.

При подготовке к лабораторной работе необходимо:

1)изучить следующие разделы теоретического материала: "Работа и мощность тока.

Закон Джоуля-Ленца" ([1] - §37, 38; [2] - §2.3; 2.5; 2.9);

2)ответить на вопросы для самоконтроля;

3)подготовить бланк протокола выполнения лабораторной работы.

II.ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Принципиальная электрическая схема установки приведена на рис. 1.

εK

r

V

mА

R

Рис 1. Электрическая схема рабочей установки.

V - вольтметр, mA - миллиамперметр, ε - источник тока с сопротивлением r, R - реостат с регулируемым сопротивлением.

Реостат с регулируемым сопротивлением R используется в качестве нагрузки.

В случае замкнутой электрической цепи работа кулоновских сил обращается в нуль, т. к. поле этих сил потенциально, и работу совершают только сторонние силы. Поэтому полная работа для всей замкнутой цепи равна работе источника тока:

Аполн=Аист=εIt.

Аналогично, полная мощность:

Полезная, выделяемая в нагрузке, мощность определится соотношением:

Рполезн=U·I=I2R. (2)

По закону Ома для замкнутой цепи:

Учитывая, что ε и r являются постоянными величинами, видим, что полезная мощность Рполезн зависит только от сопротивления нагрузки R. При коротком замыкании (R=0) и при разомкнутой внешней цепи (I=0, R=∞) полезная мощность

Рполезн обращается в нуль.

Определим, при каких значениях R полезная мощность максимально велика. Для этого функцию Рполезн=f(R) исследуем на экстремум:

dPполезн ⁄dR =P′полезн(R)=0==> ε2 (R + r)2 −ε2 R4 2(R + r) = 0. (R + r)

Приравнивая нулю числитель этой дроби, получаем:

ε2(R+r)2-2 ε2R(R+r)=0 или ε2(R+r)·( r - R)=0.

Последнее равенство выполнимо только при R=r.

Таким образом, полезная мощность становится максимально большой тогда, когда внешнее сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению источника тока. При этом:

Анализ этой формулы показывает, что КПД изменяется от 0 до 1, если сопротивление нагрузки R увеличивается от 0 до ∞. Максимальному значению полезной мощности (R = r) соответствует значение КПД равное 50%.

Таким образом, требования одновременного получения максимальной мощности и максимального КПД не могут быть выполнены. Выбор тех или иных значений этих величин определяется конкретными условиями эксплуатации источников.

Из формул (1) и (3) следует, что полная мощность и сила тока в электрической цепи максимальны при R=0 и стремятся к 0 при R→∞. Режиму максимальной полезной мощности (R=r) соответствуют значения полной мощности и силы тока вдвое меньшие их максимальных значений.

III.ПРОГРАММА РАБОТА

.

1.Измерить величины I и U, соответствующие различным положениям движка реостата R.

2.По полученным I и U рассчитать R, а так же значения полезной мощности Рполезн, полной мощности Рпол и η.

3. Построить графики зависимости

Рполезн = f(R); Рполн = f(R); I = f(R); η = f(R).

4. Сделать выводы.

IV. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Если ЭДС источника тока не задана, то измерить её вольтметром, подключив вольтметр (с соблюдением полярности) к концам источника тока при разомкнутой внешней цепи.

2.Замкнуть цепь. Плавно увеличивая сопротивление реостата, записать 8-10 значений напряжения U и силы тока I. Одно из измеренных значений напряжения должно равняться половине ЭДС, так как при этом напряжении полезная мощность максимальна. Результаты записать в таблицу.

3.Вычислить по закону R = UI сопротивление нагрузки, соответствующее различным значениям I и U. Результаты записать в таблицу.

4.Вычислить по формулам (4), (1) и (5) полезную мощность Рполезн, полную мощность

Рпол и η.

5.Построить по результатам измерений и вычислений графики зависимости Рполезн, Рпол, η и силы тока I, от сопротивления нагрузки R и сделать выводы.

V.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Что называется разностью потенциалов, ЭДС, напряжением? Как они связаны между собой?

2.Как выражается напряжение для однородного и неоднородного участков электрической цепи?

3.Какую характеристику электрической цепи измеряет вольтметр? Почему в данной работе можно считать, что вольтметр измеряет напряжение?

4.Как записывается закон Ома для однородного, неоднородного участков и всей замкнутой цепи?

5.Что называется работой тока, мощностью тока?

6.Как записывается закон Джоуля-Ленца? Следствием какого закона он является?

7.Что называется работой источника тока, мощностью источника тока?

8.Как записываются формулы полезной и полной мощности? Какой мощности соответствует мощность источника тока?

9.Где выделяются полезная, бесполезная и полная мощности?

10.Как получается условие, при котором полезная мощность максимальна (дать вывод формулы) ?

11.Как определяется КПД источника тока? При каком условии он максимален?

12.Почему полезная мощность максимальна при КПД равном 50%?

13.Почему полезная мощность максимальна при значении напряжения, равном половине ЭДС?

14.Каковы максимальные значения полной мощности и силы тока в электрической цепи?

15.Какие значения полной мощности и силы тока соответствуют режиму максимальной полезной мощности?