Лабораторная работа № 4 изучение зависимости мощности и кпд источника тока от нагрузки
Цель работы: изучение режима работы источника тока при переменной внешней нагрузке.
Приборы и принадлежности: источник переменного тока, вольтметр, амперметр, резистор R1= 91 Ом и переменный резистор R2 = 2,2 кОм на модуле МО-З.
Краткая теория
В повседневной жизни мы постоянно пользуемся источниками электрической энергии и редко задумываемся об их оптимальном использовании. Мы присоединяем к источникам электрического тока бытовые электроприборы, различные электродвигатели и т. п. Все эти элементы называются общим словом - нагрузкой. Нагрузка обладает некоторым электрическим сопротивлением R и потребляет электрический ток силой I (рис. 1).
Рис.1. Электрическая цепь с внешней нагрузкой
Нагрузка является внешней частью электрической цепи, но есть еще и внутренняя часть цепи - это сам источник тока с его внутренним сопротивлением r. По источнику тока протекает тот же ток I и выделяется некоторая мощность, приводящая к его нагреванию.
Источник тока с электродвижущей силой ε создает в замкнутой цепи ток, сила которого определяется законом Ома:
(1)
При протекании тока по замкнутой цепи на сопротивлениях R и r выделяется тепловая энергия, мощность которой определяется законом Джоуля - Ленца. Мощность,выделяемая во внешнем сопротивлении Ре, - носит название внешней и часто является полезной мощностью.
.
(2)
Мощность, выделяемая во внутреннем сопротивлении Pi - внутренняя мощность. Она чаще всего расходуется бесполезно - тепло рассеивается в пространстве.
.
(3)
Полная мощность источника тока Р есть сумма внутренней и внешней мощности.
(4)
Порядок выполнения работы
1. Соберите схему, показанную на рис. 2. (Резисторы R1 и R2 находятся на планшете М0-3, источник переменного напряжения на 12 В - на вертикальной стенке модуля).
2. Изменяя сопротивление R2, проведите необходимое количество измерений силы тока (10 измерений) и соответствующее каждому значению тока напряжение. Силу тока изменяйте так, чтобы от максимального до минимального значения ток изменялся через примерно равные промежутки.
Максимальный ток получите, соединив клеммы 1 и 2 на планшете проводником (рис. 2) . При измерении ЭДС необходимо разомкнуть цепь резисторов R1 и R2, при этом ток в цепи становится практически равным нулю, т. к. входное сопротивление вольтметра очень велико.
3. Данные занесите в таблицу.
4. Для каждого измерения вычислите значения:
и запишите их в соответствующие столбцы таблицы.
Рис. 2. Электрическая схема с переменным сопротивлением R2
Таблица
|
№ изм. |
I мА |
U В |
R Ом |
P=I·e мВт |
Pe=I·U мВт |
Рi=Р - Рe мВт |
h % |
r=P/I2 Ом |
ri -<r>
|
(ri-<r>)2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
|
|
5. Рассчитайте среднее значение внутреннего сопротивления r и абсолютную погрешность его измерения методом Стьюдента
;
, (5)
где ri - каждое очередное значение r, п – количество измерений,
t(a ,n) - коэффициент Стьюдента.
6.Результат запишите в стандартном виде:
r = (< r > ± Dr) Ом; e =Dr/<r> , при a = 0,95.
7. Постройте графики зависимостей:
а) полной, полезной и внутренней мощности от силы тока I (на одном графике).
б) полной, полезной и внутренней мощности от внешнего сопротивления R (на другом графике).
в) к.п.д. от силы тока и от сопротивления R (на третьем графике).
8. Из графиков определите максимальную полезную мощность Ре тах.
9. Из графика Ре от R определите внутреннее сопротивление источника тока r. Сравните полученное значение r со средним из таблицы.