Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с применяемым оборудованием, соберите электрические схемы для исследования вольт-амперных характеристик источников электрической энергии в Multisim и подключите измерительные приборы.

2. В соответствии с вариантом задания, постройте вольт-амперные характеристики источников тока и напряжения и занесите результаты отдельных измерений в таблицу 7.

3. Сделайте выводы о проделанной работе.

Таблица 7 Результаты эксперимента

Расчетные значения

Результаты моделирования

Сопротивление нагрузки, Ом

Сопротивление нагрузки, Ом

,А

,А

,В

,В

Пояснения к работе

Известно, что никакая электрическая схема не может обходиться без источника электрической энергии. Но эту энергию необходимо откуда-то получать. Рассмотрим процесс получения электрической энергии из химической на примере гальванического элемента (рисунок 22).

Рисунок 22 Гальванический элемент

Рассмотрим основные процессы, происходящие в гальваническом элементе. В простейшем случае гальванический элемент представляет собой две пластины – из меди Cu и из цинка Zn, помещенные в раствор серной кислоты .Вследствие химических процессов ионы цинка переходят в раствор серной кислоты, оставляя на цинковой пластине избыток отрицательных зарядов. На медной же пластине скапливаются положительно заряженные частицы. Между разноименно заряженными пластинами возникает электрическое поле. По мере растворения цинка растет заряд, а вместе с ним и напряженность. Электрическое поле противодействует переходу ионов цинка в раствор, поэтому на определенной стадии растворение цинка прекращается. Напряжение, или разность потенциалов между пластинами, при которой накопление зарядов прекращается, служит количественной мерой сторонней силы. При соединении пластин проводником в замкнутой цепи будет действовать ЭДС химического элемента

и установится электрический ток. При этом заряд каждой из пластин уменьшится и появится направленное движение ионов в растворе серной кислоты. Направленное движение ионов сопровождается их взаимными столкновениями, что создает внутреннее сопротивление гальванического элемента постоянному току.

Таким образом, гальванический элемент, эскизное изображение которого показано на рисунке 22а, а изображение на принципиальных схемах на рисунке 22б, можно представить в виде схемы замещения (рисунок 22в). Стрелка ЭДС указывает направление движения положительных зарядов внутри источника под действием внешних сил.

Рассмотрим процессы в электрической цепи, состоящей из источника электрической энергии, подключенного к резистивному элементу (рисунок 23).

Рисунок 23 Источник напряжения

Свойства источника электрической энергии как элемента схемы замещения можно задать его внешней характеристикой, то есть зависимостью напряжения от токаI, протекающего в этой цепи.

Если ЭДС и внутреннее сопротивление источника являются постоянными величинами, то его внешняя характеристика определяется выражением

,

которому соответствует прямая на рисунке 24а.

Рисунок 24 Внешняя характеристика источника питания

Уменьшение напряжения между выводами a и b источника электрической энергии при увеличении тока объясняется увеличением падения напряжения на внутреннем сопротивлении.

Во многих случаях внутреннее сопротивление источника ЭДС мало по сравнению с сопротивлением нагрузки и справедливо неравенство

.

В этих случаях, пренебрегая падением напряжения на внутреннем сопротивлении источника, можно сказать:

.

Источник энергии с малым внутренним сопротивлением можно заменить идеализированной моделью, для которой . Такой идеализированный источник называется идеальным источником ЭДС с одним параметром Е. У такого источника напряжение между зажимамиa и b не зависит от тока в нагрузке.

В ряде специальных случаев (цепи с электронными лампами и полупроводниковыми приборами) внутреннее сопротивление источника энергии во много раз больше сопротивления нагрузки . При выполнении условияток в таких цепях определится выражением

,

то есть равен току короткого замыкания источника. Источник электрической энергии с большим внутренним сопротивлением (источник тока) можно заменить идеализированной моделью, у которой ,и для которой справедливо равенство

,

то есть ток источника не зависит от сопротивления нагрузки внешней цепи, а изменяется напряжение между выводами источника. На рисунке 24в построена внешняя характеристика источника тока.

От схемы замещения реального источника энергии, представленной в виде последовательного соединения источника ЭДС и его внутреннего сопротивления, можно перейти к схеме замещения с идеальным источником тока (рисунок 25). Для этого необходимо выполнить следующие математические преобразования.

Рисунок 25 Источник тока

или

Последнее выражение можно истолковать следующим образом: ток источника J складывается из тока I в резистивном элементе и токав резистивном элементе с сопротивлением, включенном между выводамиa и b источника энергии.

В завершении изучения данной темы, остановимся на том, как реализовать рассмотренные выше принципы в Multisim. Чтобы снять вольт-амперную характеристику, например источника напряжения, необходимо в Multisim собрать схему, показанную на рисунке 26.

Рисунок 26 Схема исследования источника напряжения в Multisim

Основным «действующим лицом» в этой схеме является переменный резистор R2. Если на его изображении два раза щелкнуть левой кнопкой мыши, то появится диалоговое окно (рисунок 27).

Рисунок 27 Диалоговое окно настроек переменного резистора

В этом диалоговом окне можно установить все необходимые настройки. Для решения нашей задачи – снятие вольт-амперной характеристики источника напряжения – потребуется лишь небольшая часть из них. Надписью Кнопка (Key) обозначается кнопка клавиатуры, с помощью которой можно изменять величину сопротивления переменного резистора. Т.е., когда Вы запустите модель схемы с помощью кнопки или клавишиF5, то, нажимая кнопку «А» (английскую) сможете изменять величину сопротивления в процессе моделирования.

Надпись Сопротивление (Resistance) определяет величину сопротивления переменного резистора. Т.е. величина сопротивления может изменяться от нуля до значения, указанного в этом поле.

Надпись Инкремент (Increment) определяет то, насколько будет изменяться величина сопротивления при каждом нажатии на кнопку управления. Например, если в поле Сопротивление (Resistance) установлено сопротивление 100 Ом, то при каждом нажатии на кнопку «А» (кнопка управления) сопротивление резистора будет увеличиваться на пять процентов от номинала (100 Ом), т.е. на 5 Ом. Чтобы величину сопротивления уменьшить на этот же шаг, необходимо нажать комбинацию клавиш <Shift+A>.

Все рассмотренные выше настройки можно изменить. Например, можно выбрать другую величину шага изменения сопротивления. Для этого нужно ввести требуемое значение инкремента.

Итак, чтобы снять вольт-амперную характеристику источника напряжения нужно собрать указанную выше схему, запустить ее и, изменяя значение сопротивления нагрузки от номинального (минимальный ток) до нуля (максимальный ток), записать показания измерительных приборов. Таким образом, должен получиться набор значений «ток-напряжение». Для того, чтобы построить вольт-амперную характеристику источника напряжения эти точки нужно показать на графике и соединить их. В нашем случае получилась вольт-амперная характеристика источника напряжения, показанная на рисунке 28. Как видно из рисунка, при сопротивлении нагрузки 5 Ом напряжение, которое может «выдать» источник питания равно 10 вольт. При этом на внутреннем сопротивлении падает 2 вольта (12 вольт – ЭДС источника, а10 вольт – падение на нагрузке).

Рисунок 28 Вольт-амперная характеристика источника напряжения

Таким образом, если из точки вольт-амперной характеристики провести перпендикуляр на ось ординат (ось напряжений), то он разделит ее на две части: нижняя показывает величину падения напряжения на нагрузке, а верхняя – на внутреннем сопротивлении источника. При этом верхняя часть ограничена сверху величиной ЭДС источника.