Исследование режимов работы источника электроэнергии

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)

Кафедра общей и технической физики СПГГИ (ТУ)

Лабораторная работа № 2

Исследование режимов работы источника электроэнергии

Рис. 1. Экспериментальная установка для определения напряжения холостого хода и внутреннего сопротивление источника напряжения.

Санкт-Петербург 2008

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Цель работы: 1. Определение внутреннего сопротивления и ЭДС различных источников электроэнергии. 2. Определение режима согласования источника с нагрузкой. 3. Исследование зависимостей полезной и полной мощности, развиваемых источником тока, и его коэффициента полезного действия (КПД) от нагрузочного сопротивления

Погрешность определения величины по данной методике возникает по двум причинам:

1.используемый для измерения вольтметр обладает ограниченной точностью;

2.через источник тока и вольтметр всё же течёт некоторый малый ток, который вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, и поэтому показания вольтметра будут несколько меньше величины .

Теперь допустим, что контакт К замкнут. В этом случае через внешнее сопротивление R пойдёт электрический ток, сила которого определяется законом Ома для замкнутой цепи:

внутреннем сопротивлении источника тока, равное I r. Поэтому показание вольтметра U будут меньше ЭДС источника на величину падения на внутреннем сопротивлении:

UI r

Впоследнем соотношении все величины, кроме внутреннего сопротивления, известны из измерений и поэтому величина r и падение напряжения на внутреннем сопротивлении,

равное I r, могут быть рассчитаны.

Рассмотрим теперь конкретные режимы работы источника тока. Исходя из закона Ома (1), можно показать, что ток в замкнутой цепи достигает наибольшего значения, равного

I max r , при R = 0. Этот режим работы источника в режиме короткого замыкания. Если

наоборот, сопротивление внешней цепи R , то ток асимптотически стремится к нулю. Такой режим называется режимом холостого хода. В этом случае, как было показано ранее, разность потенциалов между клеммами источника равна ЭДС.

Отметим также, что разность потенциалов U на клеммах источника одновременно является и падением напряжения на внешнем сопротивлении (см. рис. 2) и поэтому по закону Ома для участка цепи с использованием формулы (1):

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Так как сила тока I и разность потенциалов U измеряются приборами, задействованными в электрической цепи, то по соотношению (2) может быть определена величина внешнего (нагрузочного) сопротивления R = U/I. Таким образом, по измерениям в режимах разомкнутого и замкнутого контакта K могут быть определены как параметры

источника тока и r, так и величина внешнего сопротивления R.

Рассмотрим также замкнутую электрическую цепь с точки зрения развиваемой источником мощности. Как известно, мощность, выделяемая в виде тепла при прохождении электрического тока через сопротивление, определяется законом Джоуля-Ленца:

Соотношение (3) определяет полезную мощность, развиваемую источником на внешнем сопротивлении R. Аналогичное соотношение, но с сопротивлением r определяет мощность, выделяющуюся в виде тепла на внутреннее сопротивление источника.

Полная мощность является суммой полезной мощности и мощности, выделяющейся на внутреннем сопротивлении:

Очевидно, что полная мощность, развиваемая источником тока, достигает максимума в режиме короткого замыкания, т.е. при R = 0. В этом случае вся тепловая мощность выделяется внутри источника тока на его внутренне сопротивление. С ростом внешнего сопротивления полная мощность уменьшается, асимптотически приближаясь к нулевому значению.

Полезная мощность изменяется в зависимости от внешнего сопротивления более сложным образом. Действительно, Pполезн = 0 при крайних значениях внешнего

сопротивления: при R = 0 и R . Таким образом, максимум полезной мощности должен приходиться на промежуточные значения внешнего сопротивления.

Величину внешнего сопротивления, соответствующую максимуму полезной мощности, можно найти, используя метод дифференциального исчисления. Можно показать, что максимум полезной мощности соответствует R = r, т.е. равенству внешнего и внутреннего сопротивлений. В электротехнике режим максимальной полезной мощности называется режимом согласования источника тока с его нагрузкой.

При R = 0 будет = 0. При R величина асимптотически стремится к единице. Интересно отметить, что в режиме максимальной полезной мощности = 0,5, т.е. 50%.

Порядок выполнения эксперимента.

1.Проверить монтаж схемы в соответствии с рис. 2.

2.Включить в схему источник №1 (нестабилизированный).

3.Для десяти значений сопротивления R произвести измерения значений силы тока I и напряжения U. Значения сопротивлений устанавливаются при помощи перемещения контактного ползунка на реостате. Положения ползунка выбираются приблизительно

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

через равные промежутки по длине реостата. Результаты измерений и расчётов внести в таблицу 1:

Таблица 1. Результаты измерений и расчётов параметров нестабилизированного источника электроэнергии.

4.Поскольку в соответствии с формулой (2) при R напряжение на выходе источника оказывается равно ЭДС, то ЭДС можно непосредственно измерить, разомкнув контакт

К(рис. 2). Для реализации этого измерения необходимо отсоединить реостат, вынув из его контактного гнезда один из подводящих проводов, и измерить по вольтметру значение ЭДС:

изм ... В

5.Поскольку в соответствии с формулой (2) при R = r внешнее напряжение U оказывается равно половине ЭДС источника, можно подбором положения ползунка реостата

установить внешнее напряжение U изм / 2 и измерить сопротивление реостата, которое

в этом случае должно быть равно внутреннему сопротивлению источника r. Для измерения сопротивления в этом случае необходимо временно отсоединить подводящие к реостату провода. Измерить его сопротивление одним из мультиметров, включив его в режим омметра, и подсоединив к реостату. Записать измеренное сопротивление

Rèçì ... Ом

6.Восстановить схему в соответствии с рисунком 2.

7.Отключить сдвоенные контакты от источника №1 (предварительно его обесточив) и подключить их к контактам источника №2 (стабилизированного). Хотя напряжение в

источнике не высокое, будьте осторожны! – следите за свободными (оголенными) контактами, чтобы они не соприкасались друг с другом и с другими приборами (предметами). Повторить измерения, аналогичные пункту 3 и заполнить таблицу 2.

Таблица 2. Результаты измерений и расчётов параметров стабилизированного источника электроэнергии.

8.Восстановить схему в соответствии с рисунком 2 для источника №1.

Обработка результатов измерений

1.Записать закон Ома для полной цепи при любых двух измеренных значениях тока и

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

устанавливаемых при измерениях в пункте 3. Например, Ri – сопротивление в опыте №3, а

Содержание отчёта

Отчёт оформляется в соответствии с требованиями, предъявляемыми кафедрой ОТФ.

Контрольные вопросы

1.Как можно измерить ЭДС источника питания и чем определяется погрешность измерения ЭДС?

2.Как можно определить внутреннее сопротивление источника питания? Для всех ли источников это сопротивление является постоянной величиной?

3.Чем характеризуется режим короткого замыкания?

4.Каково должно быть сопротивление нагрузки источника с внутренним сопротивлением 5 Ом чтобы в ней выделялась максимально возможная мощность?

5.Что такое режим холостого хода работы источника питания и чем он характеризуется?

6.Допустим, что источник тока согласован с его нагрузкой. Что это значит? Каков КПД в этом режиме?

7.Допустим, что клеммы источника тока замкнуты накоротко. Какой величины ток пойдёт в этом случае? Чему равна полезная мощность в этом режиме? Чему равна полная мощность?

5