Электричество / Лабораторная работа N6

Лабораторная работа N6

Определение мощности и к.п.д. источника постоянного тока

Цель работы: Изучение зависимости мощности и к.п.д. источника постоянного тока от величины внешнего сопротивления.

1. Теория вопроса. Источник тока служит для разделения разноименных электрических зарядов, при этом на его клеммах накапливаются противоположные заряды, и между клеммами возникает разность потенциалов. Разделение зарядов происходит за счёт работы неэлектрических сторонних сил. Рассматривая работу сторонних сил Aст, можно отметить , что она связана с перемещением заряда q против сил поля разделенных зарядов. Отношение Аст/q называют э.д.с. источника тока. Э.Д.С. источника тока называется физическая величина, числено равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи. Э.Д.С. числено равна разности потенциалов на клеммах разомкнутого источника. Э.Д.С. и напряжение в СИ измеряются и вольтах (В).

Закон Ома для полной (замкнутой) электрической цепи, состоящей из источника тока с Э.Д.С. и внутренним сопротивлением r и внешнего сопротивления R , выражается уравнением:

I =  /(r+R)= U/R (1)

Полная мощность, выделяемая током в цепи, будет слагаться из мощностей, выделяемых во внешней и во внутренней частях цепи.

Р₀= I²R+I²r = I²(R+ r)= I (2)

Мощность , получаемая приемником энергии определяется формулами :

P = I²R = IU =  ² R/(R+ r)² (3)

Коэффициент полезного действия определяется отношением мощности Р, выделяемой во внешней цепи, ко всей мощности, отдаваемой в цепь источником тока, т.е.

 = P/P₀ = U/ = R/(R+ r) (4)

Исследуем теперь полученные выражения для P и r₀, определим характер и изменения этих величин в зависимости от сопротивления внешней цепи (приёмника энергии) R. P= f₁(R)

Согласно формуле (3), эта функция имеет следующий вид :

P =  ²R /(R+r₀)²

При RR₀ (короткое замыкание), P0 . При R  ( т.е. при бесконечном увеличении внешнего R сопротивления, Р также стремится к нулю. Следовательно, полезная мощность Р при некотором внешнем сопротивлении 0<R<  достигают наибольшего значения.

Чтобы найти значение R₁, при котором Р достигает максимум, возьмем производную от Р по R и приравняем её к нулю:

(5)

Рис. 1. Рис. 2.

Отсюда находим R=r₀ , то есть наибольшего значения Р достигает при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлении. Это максимальное значение полезной мощности на основании формулы (3) равно:

= f₂(R) = R/(R+r₀) =U/

Графически зависимость Р от R изображается кривой на рис.1.

Как видно из формулы (4), когда R=r₀ , т.е. при условии максимума полезной мощности, к.п.д. будет равен 0.5

2. Описание установки. Схема установки собрана согласно рисунку 3.Источник постоянного тока представлен выпрямителем ВП 24/1, внутреннее сопротивление которого искусственно увеличено добавочным сопротивлением r₀ , включающегося тумблером S₁ .Внешнюю электрическую цепь составляет регулируемое сопротивление R, состоящее из двух последовательно соединенных реостатов, амперметра, вольтметра и тумблера S₂ .

Рис. 3.

3. Ход работы.

1. Включить блок питания ВП 24/1 .

2. Включить тумблер S₁ , измерить э.д.с.  (при разомкнутой внешней цепи можно, считать, что вольтметр показывает э.д.с.)

3. Включить тумблер S₂ внешней цепи, выставить реостаты в крайнее положение, соответствующее наименьшему току, измерить силу тока I и напряжение U .

4. Увеличивая реостатов силу тока через 0,1 А, снять показания силы тока I и напряжения U.

5. Данные пунктов 2-4 занести в таблицу 1.

N0	E	U	I	R	P		P0
	B	B	A	Ом	Вт		Вт

6. По формулам (1), (2), (3), (4) рассчитать P₀,P,, R.

7. По полученным данным построить графики зависимости: P₀ =f₁(R); P= f₂(R); = f₃(R).

8.Проанализировать полученные графики в выводе к работе .

4. Контрольные вопросы

1.Для чего служит и что представляет собой источник тока ?

2. Что такое сторонние силы?

3. Что называется Э.Д.С. источника тока?

4. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

5. Что называется Р мощностью электрического тока?

6. Что называется к.п.д. источника тока?

7. Как включается амперметр и вольтметр в цепь при измерениях силы тока и падения напряжения ?

8. График зависимости мощности и к.п.д. от внешнего сопротивления?

9. Что называется ценой деления прибора?