Изучение работы источника напряжения

 

Цель: Изучение работы источника напряжения.

Приборы и принадлежности: Блок генератора напряжений ГН1, блок амперметра-вольтметра АВ1, стенд с объектами исследования С3-ЭМ01, соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Принципиальная схема работы любого источника напряжения приведена на рис. 1, где e - ЭДС источника, r - его внутреннее сопротивление, R - сопротивление внешней цепи (нагрузка). По закону Ома для замкнутой цепи сила тока

. (1)

Из закона Ома для однородного участка вытекает выражение для напряжения на нагрузке

. (2)

Выражая из (1) сопротивление R и подставляя в (2) получим зависимость напряжения на нагрузке от силы тока в цепи

(3)

(физический смысл последней формулы очевиден - ЭДС, действующая в контуре, равна сумме падений напряжений во внешней части цепи и на внутреннем сопротивлении источника). Из последней формулы видно, что данная зависимость является линейной (ее график приведен на рис.2, нанесенные на рисунке кресты обозначают экспериментальные данные, которые в идеальном случае все должны лежать на прямой, но из-за погрешностей эксперимента такое случается редко). Также видно, что при

I = 0; U_R = e,

а при U_R =0; I=I_КЗ,

где I_КЗ =ε /r – ток короткого замыкания.

Данные свойства зависимости (3) лежат в основе одного из методов экспериментального определения ЭДС источника и его внутреннего сопротивления. Для этого строится график зависимости напряжения на нагрузке от силы тока, который экстраполируется до пересечения с осями. Точка пересечения с осью напряжений дает значение ЭДС. Точка пересечения с осью тока дает ток короткого замыкания I_КЗ, который позволяет найти (при известной ЭДС) внутреннее сопротивление по формуле .

Полезная мощность, развиваемая источником, (мощность, выделяемая на нагрузке R)

. (4)

График зависимости P_R(R) приведен на рис. 3. Он представляет кривую, начинающуюся из нуля, возрастающую до максимума, а затем опять спадающую до нуля при R = ¥. Для определения сопротивления R_MAX обеспечивающего максимальную мощность необходимо взять производную от (4) по R и приравнять ее к нулю. Максимальная мощность во внешней цепи выделяется при внешнем сопротивлении равном внутреннему сопротивлению источника

(5)

. (6)

где -максимальная мощность в цепи

Зависимость (5) позволяет определить внутреннее сопротивление еще одним способом - построив зависимость мощности, выделяемой во внешней части цепи, от величины нагрузки и определив сопротивление, обеспечивающее максимум мощности.

Коэффициентом полезного действия источника тока называется отношение мощности выделяемой во внешней цепи P_R =I× U_R к полной мощности развиваемой источником P = I× e

. (7)

Из последней формулы видно, что в случае выделения полезной максимальной мощности КПД источника равен 0.5.

 

Порядок выполнения работы

 

Принципиальная электрическая схема, используемая в лабораторной работе, приведена на рис.4. В качестве источника ЭДС используется генератор регулируемого постоянного напряжения блока ГН1 с включенным внутренним сопротивлением (кнопка R_вн должна быть нажата). Переменное сопротивление находится на стенде с объектами исследования С3-ЭМ01.

1. Соберите схему (рис. 4).

2. Изменяя переменное сопротивление R(от 100 до 1500 Ом) вращая регулятор потенциометра на блоке сопротивлений, снимите зависимость напряжения U_R и силы тока в цепи I от величины сопротивления R. Результаты занесите в таблицу 1.

3. По данным таблицы постройте зависимость напряжения на нагрузке U_R от силы тока в цепи согласно примеру изображенному на рис. 1. Экстраполируя график до пересечения с осями определите ЭДС источника e₁, ток короткого замыкания I_КЗ. По формуле определите внутреннее сопротивление источника r₁. Результаты занесите в таблицу 1.

4. По формуле (6), используя значения e₁ и r₁, определите теоретическое значение максимальной мощности во внешне цепи P_MAX1. Результат занесите в таблицу 1.

5. Используя данные таблицы 1, определите мощность, выделяемую во внешней цепи по формуле: P_R=I× U_R при каждом сопротивлении нагрузки R. Результат занесите в таблицу 1. По данным таблицы постройте график зависимости P_R от R согласно рис. 3. По графику определите максимум мощности и соответствующее ему сопротивление R_max, определите внутреннее сопротивление источника r₂ по формуле и максимальную мощность во внешней цепи P_MAX2 по графику. Результаты занесите в таблицу 1.

6. Отключив внутреннее сопротивление генератора с помощью кнопки «R_вн», определите его ЭДС e₂. Для этого подключите вольтметр к выходам ГН1. Запишите полученный результат в таблицу 1.

8. Сравните значения ЭДС e, внутреннего сопротивления r и полезной максимальной мощности P_MAX полученные разными методами. Объясните возможное несовпадение результатов.

Таблица 1

№	R, Ом	I, мА	UR, В	PR, мВт	e1, В	IКЗ, мА	r1, Ом	PMAX1, мВт
					e2, В	r2, Ом	PMAX2, мВт

 

Контрольные вопросы

1. Сила тока и напряжение в электрической цепи. Законы Ома.

2. Мощность выделяемая в электрической цепи. Закон Джоуля - Ленца.

3. Принцип определения э. д. с. в данной лабораторной работе.

4. Принцип определения внутреннего сопротивления в данной лабораторной работе.

5. К. П. Д. источника напряжения.

 

Лабораторная работа № 4.24

12345

Поделиться:

Популярное:

1. Блок 9. Изучение формы распределения
2. Богословие и критическое изучение Библии
3. Внутренние силы и напряжения
4. Вопрос 2. Изучение и прогнозирование покупательского спроса.
5. Выбор сечений проводов по допустимым потерям напряжения
6. Глава 1. Изучение темы «Измерение информации»
7. Глава 9. ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ОБЩЕСТВЕННЫХ ЯВЛЕНИЙ
8. Главные напряжения при объемном
9. ДЕ 9 Статистическое изучение связи между явлениями
10. Единица напряжения называется
11. ЗИНЧЕНКО В.П., МАМАРДАШВИЛИ М.К. ИЗУЧЕНИЕ ВЫСШИХ ПСИХИЧЕСКИХ
12. ИЗУЧЕНИЕ АССОРТИМЕНТА КОМПЛЕКСНЫХ, ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИСКУССТВЕННЫХ КОЖ