3. Вывод рабочей формулы
Падение напряжения во внешней цепи из уравнения ( 5 ) равно:
U = - I r . (10)
С учётом (8 ) полезную мощность Pп можно представить в виде:
Pп = IU = I(- Ir) = - I 2 r + I. (11)
Из
уравнения (11) видно, что полезная мощность
есть функция второй степени от тока Pп
=
(I
)
и графически имеет вид параболы со
смещённой от начала координат вершиной
(рис. 2 )
Из уравнения (11) следует, что Pп дважды обращается в нуль: при I = 0 (режим холостого хода) и при - I r = 0 , т.е. при силе тока I = / r (режим короткого замыкания).
Взяв производную от Pп по I из уравнения (11) и приравняв её к нулю, найдём значение силы тока I , при котором полезная мощность Pп имеет максимальное значение:
= - 2I
r
+
=
0, откуда I
=
.
Так
как падение напряжения во внешней цепи
равно U
=
- Ir
, то при I
=
получим:
.
Тогда
по формуле (8) получим при I
=
максимальное значение полезной мощностиPп
:
Pп
max
= IU
=

=
(12)
По
закону Ома для полной цепи
.
Сравнивая это выражение с I
=
,
получим, что Pп
= Pп
max ,
когда внешнее сопротивление цепи R
равно внутреннему сопротивлению
источника, т.е. при R
= r.
Из
выражения P
= I
видим, что зависимость P
=
( I
) является
линейной ( рис.2)
Из
выражения
видно, что зависимость
=
( I
)
является линейной (рис.2) . Очевидно, что
с увеличением силы тока
уменьшается от своего максимального
значения
= 1 (при I
= 0) до минимального
= 0 (при I
=
).
При I
=
,
что соответствует максимальному значению
полезной мощности, к.п.д. становится
равным:
.
Так как U = IR , то выражение (8) для полезной мощности можно записать в виде:
Pп = I 2 R. (13)
Подставляя
значение
,
получим:
(14)
Здесь величины и r - постоянные, следовательно, полезная мощность Pп является функцией внешнего сопротивления Pп = ( R ) (рис.3).
Из уравнения (14) видно, что при R = 0 (короткое замыкание) и при
R = (холостой ход) Pп = 0 . Взяв производную от Pп по R из уравнения (14) и приравняв ее к нулю, найдем значение внешнего сопротивления R, при котором Pп будет иметь максимальное значение.

Знаменатель здесь не равен бесконечности, значит числитель должен быть равен нулю, т.е.
2 (R + r)2 - 22R (R + r) = 2 (R + r) (R + r – 2R) = 0.
Это
равенство выполняется при R
= r
. Таким образом, Pп
= Pп
max
, когда
R
= r.
При этом из уравнения (14) имеем Pп
max
=
.
Выражение (7) для полной мощности можно представить в виде:
(15)
Из
уравнения (15) видно, что полная мощность
Р
принимает максимальное значение при
R
= 0 (короткое замыкание) , тогда Pmax
=
.
ПриR
полная мощность асимптотически
стремится к нулю (рис.3).
К.п.д. из уравнения (6) можно представить в виде:
(16)
Из уравнения (16) следует, что при R = 0 (короткое замыкание) к.п.д. = 0. При увеличении R к.п.д. возрастает и при R (холостой ход)
1 (рис.3). Так как полезная мощность достигает максимального значения при R = r , то в этом случае = 0,5.
Особенности трех режимов работы источника видны из таблицы 1.
Таблица1
|
Режимы |
I |
U |
Pп |
P |
|
|
холостого хода |
0 |
|
0 |
0 |
1 |
|
максимальной полезной нагрузки |
|
|
|
|
0,5 |
|
короткого замыкания |
|
0 |
0 |
|
0 |






