ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКА ТОКА - КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕ СКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - Методические указания к лабораторной работе 37 по ...
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОСТИ И КПД
ИСТОЧНИКА ТОКА
КАФЕДРА ФИЗИКИ
Методические указания
к лабораторной работе №37
по разделу «Электричество и магнетизм»
Курск 20062 Составители: Сычев Г.Т, В. М. Пауков Методические указания к лабораторной работе №37 по разделу "Электричество, постоянный ток и магнетизм"/ Курск. гос. техн. у-т.; Сост.: Г.Т. Сычев, В. М. Пауков./ Курск, 2006 Излагаются методические рекомендации по выполнению заданий лабораторной работы №37 Предназначена для обучения студентов всех специальностей. Ил. 2 Библиогр.назв 3. Таблиц 1. Рецензент Докт. ф-м. н. профессор В. М. Полунин
3
Цель работы:
Установить экспериментальную зависимость мощности и КПД
источника тока от силы потребляемого тока в цепи и сравнить с
теоретическим предсказанием условий достижения максимума
полезной мощности.
Принадлежности:
1. Лабораторная установка для экспериментального исследования
токовой зависимости мощности и КПД источника тока (Рис.1).
Внутри установки все
приборы смонтированы
согласно электрической
0 3
V
0 250 Реостат ––R схеме (Рис.2), которая
mA
Э.Д.С.В позволяет получить набор
Ключ парных значений силы
V÷mA тока и электрического
напряжения на концах
Рис.1 Внешний вид установки. проволочного резистора,
как приемника мощности
источника тока.
Задание 1.
V
Ознакомиться с результатами
исследований условий получения
Ключ максимального значения полезной
E
+ мощности источника тока.
- r Величина тока в цепи
определяется по закону Ома для
mA полной цепи уравнением:
E
i= , (1)
R+r
где E – электродвижущая сила
источника тока и r – его внутреннее
R
сопротивление – остаются
Рис.2 Электрическая схема постоянными величинами,
установки независящими от значений
переменного сопротивления реостата
R, которые определяют значения полезной мощности, потребляемой
в цепи:4
,
W1 = i ⋅ U = i 2 ⋅ R (2)
где R – значение электрического сопротивления потребителя
энергии,
i – значение тока в цепи, определяемое уравнением (1).
Так что полезная мощность в конечных переменных будет
определяться выражением:
E2 ⋅ R
W1 = , (3)
( R + r )2
Квадратичная зависимость полезной мощности от
электрического сопротивления – приёмника энергии источника тока
позволяет предположить наличие экстремума полезной мощности от
сопротивления R, если судить по формуле (3) или от силы тока, если
судить по формуле (2).
Так как сила тока является промежуточной переменной, то
необходимо анализировать функцию W1(R) (3) на экстремум. Для
этого надо определить R, при котором первая производная полезной
мощности по переменному сопротивлению (R) будет равна нулю.
dW1 Ε 2 ⋅ [( R + r ) 2 − 2 ⋅ R ⋅ ( R + r )] Ε 2 ⋅ ( Ri + r ) ⋅ ( R + r − 2 ⋅ R ) Ε 2 (r − R )
= = = =0 4)
dR ( R + r )4 ( R + r )4 (R + r )3
Из формулы (4) следует, что производная может быть равна
нулю только при условии, что сопротивление (R) приёмника энергии
источника тока достигнет значения внутреннего сопротивления
самого источника, то есть R => r.
Определим, какое значение в этих условиях будет принимать
коэффициент полезного действия ŋ, который определяется
отношением полезной мощности W1 к полной мощности W2
источника тока.
Если полная мощность W2 источника тока определяется
произведением силы тока в цепи на ЭДС источника тока E, то
полезная – потребляемая мощность определяется произведением
силы тока в цепи на величину электрического напряжения U.
Учитывая сказанные определения для КПД можно записать
расчётную формулу в следующем виде:
ι ⋅U ι⋅R R
η= = = (5)
ι ⋅ Ε ι ⋅ (R + r ) (R + r )
Так как в точке максимума полезной мощности электрическое
сопротивление потребителя энергии источника тока равно5
внутреннему сопротивлению самого источника тока (R=>r), то
величина КПД оказывается равна 0,5 (50 %).
Задание 2.
Экспериментальное исследование токовой зависимости
полной, полезной мощностей и коэффициента полезного
действия источника тока.
Порядок выполнения 2-го задания:
1. Ручку переключателя установить в нейтральное положение.
2. Определить цену деления вольтметра и миллиамперметра.
3. Ключ установить в верхнее положение, при этом
миллиамперметр ещё не подключается, а подключается только
вольтметр, который показывает ЭДС источника тока.
4. Определить рабочие пределы вращения ручки R реостата, и
установить её в крайнее левое положение.
5. Переключить ключ в нижнее положение, при котором в цепи
оказываются включёнными и вольтметр и миллиамперметр
6. Вращая рукоятку R установить минимальное значение тока в
цепи, при этом зарегистрировать показание вольтметра, чтобы
полученную пару экспериментальных значений занести в
таблицу. Постарайтесь установить такое значение тока, при
котором стрелка миллиамперметра отклонилась всего на два
деления шкалы
7. Последующие парные значения (10 ÷11) будете получать,
увеличивая силу тока в цепи вращением ручки реостата R
настолько, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась
каждый раз на два деления.
8. В целях сохранения работоспособности источника тока в
течение длительного времени, после каждого снятия значений
тока и напряжения, ручку переключателя ставьте в6
нейтральное положение, при котором источник тока
отключается.
Таблица регистрации и первичной обработки результатов
исследования работы источника тока.
№ п/п I,мА U, B W1=(i·U) W2=(i·Е) Ŋ=W1/W2
, , ,
мВт мВт %
1 0 Е= 0 0 100
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Задание 3.
Графически изобразить полученные экспериментальные
зависимости полезной W1 = i·U, полной W2 = i·Е мощностей, а
также КПД источника тока от величины тока и сравнить их с
теоретически ожидаемыми зависимостями.
Порядок выполнения задания 3.
1. Поскольку величина тока, измеряемая в миллиамперах,
принимает значения от 0 до 100 мA, и будет откладываться по
оси абсцисс – оси Х, то по этой оси надо отложить 10 см. – 100
мм. Таким образом, мы получим токовую шкалу с ценой
деления Ci=1мA/мм.
2. По левой оси ординат – оси Y будем откладывать значения
мощностей в милливаттах. Так как предельное значение полной
мощности принимает значение порядка 200 мВт, то7
целесообразно длину оси «У» взять 20 см. – 200 мм., то есть
установить цену деления Сw=1мВт/мм. Целесообразно значения
мощностей откладывать разными символами, например для W1
применять крестики «+», а для полной мощности W2 – нолики
«о».
3. Полученные значения КПД целесообразно откладывать по
правой оси ординат, начав её от предельного значения
потребляемого тока, то есть от 100 мA. Длину этой оси
целесообразно взять равной 200 мм., то есть с ценой деления 1%
в 2-х миллиметрах.
Таким образом, в плоскости одного листа Вы должны поместить
три кривые, причём максимум полезной мощности должен
соответствовать величинам КПД близким к 50%. Что
соответствует теоретическому анализу.8
W2 мВт Ŋ%
200 W2 100
W1 мВт
Ŋ%
50
W1
0%
0 100 i, мA·
Рекомендуемая система осей и предполагаемый вид
графиков токовой зависимости мощностей и КПД
источника тока.
Контрольные вопросы теста для защиты работы.
1. Напишите формулы закона Ома для замкнутой цепи и для
участка цепи.
2. Напишите формулу для определения полезной мощности
источника тока в замкнутой цепи.
3. При каком условии КПД источника тока окажется
максимальным.9
4. Напишите формулу для определения полной мощности в цепи
постоянного тока.
5. Напишите формулы для определения КПД источника тока
6. При каком условии полезная мощность (мощность во внешней
цепи) будет максимальной.
7. Какое соотношение сопротивлений в цепи соответствует
экономически выгодным условиям работы источника тока
8. Каков КПД источника тока при полезной максимальной
мощности источника тока.
9. Как изменится КПД, если источник тока заменить другим с
меньшим внутренним сопротивлением, но с той же ЭДС.
10. Напишите формулу, которая отражает физический смысл ЭДС
источника тока.
11. . От чего зависит ЭДС источника тока.
12. Какой природы не могут быть силы, обеспечивающие работу
источника тока.
13. Напишите формулу закона Джоуля-Ленца.
Литература для подготовки к ответам на контрольные
вопросы.
1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2002 г.,
542 с.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики, М.: Наука, 1 980. т.3, 4.
3. Физика. Электростатика. Постоянный ток.: Конспект лекций/
В. М. Полунин, Г. Т. Сычёв. Курск. Гос. Техн. Ун-т. Курск,
2003. 185c.Вы также можете почитать
