Устройство нормального элемента

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 22Следующая ⇒

В качестве нормального элемента обычно используется ртутно-кадмиевый элемент, ЭДС которого очень мало меняется со временем (поляризация мала). Схема устройства этого элемента представлена на рисунке 4. Этот элемент состоит из ртутного электрода (положительный полюс) и амальгамы кадмия (отрицательный полюс). Между ними помещается сернокислая ртуть Hg₂SO₄ и раствор сернокислого кадмия CdSO₄.

Hg₂SO₄ CdSO₄

асбест

CdHg

Рис. 4

Электродвижущая сила нормального элемента (ЭДС) при температуре 20⁰С равна . С изменением температуры окружающего воздуха она меняется очень мало. Зависимость от температуры ЭДС нормального элемента описывается формулой:

Так при температуре 25⁰С ЭДС нормального элемента изменится на 44, 95 мкВ.

Техника безопасности

1. Включение цепи в электрическую сеть производить только после проверки ее преподавателем, инженером или лаборантом

2. В процессе работы не касаться руками токоведущих частей установки

3. По окончании работы отключить цепь от электрической сети

4. Разобрать схему

6. Контрольные вопросы

1. Сформулируйте необходимые условия существования электрического тока.

2. Какие силы называются сторонними силами?

3. Что называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока?

4. В каких единицах измеряется ЭДС источника тока?

5. Вывести формулу для ЭДС через напряженность поля сторонних сил.

6. Каково назначение источника тока?

7. Назовите известные вам источники тока.

8. Какими способами можно измерить ЭДС источника тока?

9. В чем состоит метод компенсации для измерения ЭДС источника тока?

10. Сформулируйте и поясните закон Ома для однородного участка цепи, для неоднородного участка цепи и для полной цепи.

11. Выведите закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме.

12. Сформулируйте правила Кирхгофа для расчета электрических цепей.

13. Примените правила Кирхгофа для вывода рабочей формулы для измерения ЭДС источника тока методом компенсации.

14. Какие преимущества имеет метод компенсации для измерения ЭДС источника тока перед другими методами?

15. Объясните схему и порядок выполнения работы по измерению ЭДС методом компенсации.

16. Что показывает вольтметр, подключенный к клеммам источника тока?

17. В каком случае показания вольтметра, подключенного к клеммам источника тока, можно принимать за ЭДС источника тока?

18. Как устроен нормальный элемент?

19. Какими свойствами обладает ЭДС нормального элемента?

20. Каким образом обеспечивается точность измерения ЭДС в данной лабораторной работе?

Лабораторная работа №9

Исследование электрической цепи постоянного тока

Цель работы:

1. Изучить энергетические превращения в электрической цепи постоянного тока.

2. Исследовать зависимость полной и полезной мощности от силы тока в цепи.

3. Определить коэффициент полезного действия источника тока и установить его зависимость от силы тока в цепи.

Основные понятия и законы

Основными элементами электрической цепи являются источник тока и потребитель тока. Потребителем тока является любое устройство, которое совершает полезную работу при прохождении по нему тока. Примерами потребителей тока являются бытовые электронагревательные приборы и другие устройства, для работы которых необходимо электрическое напряжение. Схема электрической установки изображена на рисунке 1.

Рис. 1

На рисунке 1 изображена типичная схема из источника тока, электродвижущая сила (ЭДС) которого равна , внутреннее сопротивление источника тока , ключа К, измерительных приборов – амперметра A и вольтметра V, а также из потребителя тока R.

По закону Ома для полной цепи можно найти силу тока по формуле:

(2)

Из этой формулы следует:

(3)

В формуле (3) величина (4) называется внутренним падением напряжения, а величина (5) называется внешним напряжением или напряжением на потребителе. Это напряжение равно напряжению на клеммах источника и оно измеряется вольтметром:

(6)

Если электрический заряд перемещается по проводнику, который представляет собой потребитель электрического тока из точки с потенциалом в точку с потенциалом , то при этом совершается работа, величина которой определяется формулой:

(7)

Используя различные формулировки закона Ома для однородного участка цепи, эту формулу можно записать в виде:

(8)

или

(9)

По определению мощность тока – это работа, которая совершается за единицу времени, и может быть определена по формулам:

(10)

Рассмотренная здесь работа называется полезной работой, а мощность называется полезной мощностью .

Аналогично можно определить работу, которая совершается при перемещении заряда внутри источника тока или внутреннюю работу , а также внутреннюю мощность :

(11)

Полная мощность, выделяющаяся в замкнутой электрической цепи, равна сумме мощностей во внутренней и внешней части цепи:

(12)

Из формулы (12) полезную мощность, развиваемую на внешнем участке, можно найти из формулы:

(13)

Из формулы (13) следует, что полезную мощность можно выразить в виде произведения двух сомножителей:

(14)

Из формулы (14) следует, что полезная мощность равна нулю в двух случаях:

1) (15). Условие (15) выполняется при очень большом внешнем сопротивлении;

2) (16). Условие (16) выполняется, когда в цепи нет внешнего сопротивления, тогда ток в цепи максимален и равен току короткого замыкания: .

Из формулы (14) следует, что при некоторой силе тока в цепи, полезная мощность будет иметь максимальное значение. Чтобы найти силу тока, при которой мощность будет принимать максимальное значение, продифференцируем формулу (14) по силе тока и приравняем нулю полученную производную:

(17)

Из формулы (17) следует, что сила тока, при которой полезная мощность принимает максимальное значение, будет равна:

(18)

Используя закон Ома для полной цепи, определим, при каком внешнем сопротивлении будет выполняться условие (18):

(19)

Таким образом, максимальная полезная мощность выделяется во внешней цепи, если внешнее сопротивление, то есть сопротивление потребителя, равно внутреннему сопротивления, то есть сопротивлению источника тока.

На основе формулы (14) и результатов проведенного анализа можно построить график зависимости полезной мощности от силы тока в цепи. Вид этого графика представлен на рисунке 2.

P_e

I_max

I₀

P_max

Рис. 2

Из формулы (14) следует, что график зависимости полезной мощности от силы тока представляет собой параболу «ветви» которой направлены в сторону, противоположную направлению оси P_e. Такой график представлен на рисунке 2.

Так как электродвижущая сила (ЭДС) источника тока , то график зависимости полной мощности от силы тока представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, что следует из формулы (12):

(12)

Зная полезную и полную мощность источника тока, можно определить коэффициент полезного действия источника тока . По определению коэффициент полезного действия равен отношению полезной мощности к полной мощности:

(20)

Подставляем в формулу (20) формулу для полезной мощности (14) и формулу полной мощности (12) и получаем зависимость коэффициента полезного действия источника тока от силы тока:

(21)

Коэффициент полезного действия источника тока можно найти, зная напряжение на потребителе или напряжение во внешней цепи:

(22)

Кроме того, коэффициент полезного действия источника тока можно выразить через внутреннее сопротивление (сопротивление источника тока) и внешнее сопротивление (сопротивление потребителя):

(23)

Из формулы (21) следует, что коэффициент полезного действия источника тока при постоянной ЭДС и постоянном внутреннем сопротивлении , зависит только от силы тока. Эта зависимость имеет линейный характер, так как сила тока в формуле (21) входит в первой степени. График зависимости коэффициента полезного действия от силы тока представляет собой прямую линию.

При силе тока в цепи, близкой к нулю, то есть при очень большом сопротивлении внешней цепи, коэффициент полезного действия источника тока имеет наибольшее значение, близкое к единице: .

Коэффициент полезного действия источника принимает наименьшее значение, равное нулю при силе тока равной силе тока короткого замыкания:

при (24)

Из формулы (19) следует, что максимальная полезная мощность выделяется в такой цепи, в которой внешнее сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению цепи . Подставляем это условие в формулу (23) и получаем коэффициент полезного действия источника тока при максимальной полезной мощности:

(25)

Порядок выполнения работы

В данной лабораторной работе необходимо исследовать зависимости полной мощности, полезной мощности и коэффициента полезного действия источника тока от силы тока и построить соответствующие графики:

; ; .

1. Для исследования указанных зависимостей необходимо собрать электрическую цепь, схема которой приведена на рисунке 1. Для искусственного увеличения внутреннего сопротивления источника тока, а значит для ограничения силы тока в цепи при малом внешнем сопротивлении, в цепь включают магазин сопротивлений . Очень часто такое сопротивление вмонтировано внутри источника тока.

Так как максимальное значение полезной мощности получается при равенстве внешнего R и внутреннего сопротивления, поэтому необходимо, чтобы сопротивления R и были сравнимы по порядку величины. Значение указывает преподаватель.

2. При разомкнутом ключе К записать показание вольтметра. Это показание принять за ЭДС источника тока.

3. Замкнуть ключ К и установить на магазине такое внешнее сопротивление, чтобы ток был наибольшим. Записать показания амперметра и вольтметра.

4. С помощью магазина сопротивлений R равномерно изменять ток от наибольшего значения до наименьшего значения таким образом, чтобы было измерено по 5 – 6 значений тока и напряжения при значениях и при значениях .

5. Разомкнуть ключ К и снова записать показание вольтметра .

6. Вычислить среднее значение ЭДС:

(26)

7. Вычислить для каждого значения силы тока полную мощность по формуле (12) .

8. Вычислить для каждого значения силы тока и напряжения полезную мощность по формуле (10) .

9. Для каждого значения тока и напряжения вычислить коэффициент полезного действия источника тока по формуле (22) .

10. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п	, мА	, В	, В	. Вт	, Вт

11. Построить графики зависимостей , , на одном рисунке. По оси абсцисс откладывать значения силы тока, а по оси ординат значения , и . Для каждой величины , и выбрать соответствующий размерам рисунка масштаб, оставляя масштаб для силы тока неизменным.

Техника безопасности

1. Не включать схему в электрическую сеть без проверки ее преподавателем, инженером или лаборантом.

2. Во время работы не касаться токоведущих частей установки.

3. По окончании измерений отключить источник тока от электрической сети и разобрать цепь.

4. Контрольные вопросы

1. Какие действия оказывает электрический ток?

2. В чем состоит тепловое действие электрического тока?

3. Назовите необходимые элементы электрической цепи и объясните их назначение.

4. Что называется внутренним сопротивлением цепи?

5. Что называется внешним сопротивлением цепи?

6. Что измеряет вольтметр, присоединенный к клеммам источника тока замкнутой электрической цепи?

7. Записать и пояснить закон Ома для однородного участка цепи, для неоднородного участка цепи и для полной цепи.

8. Запишите и поясните закон Джоуля – Ленца.

9. Что называется полной работой и полной мощностью цепи постоянного тока?

10. Вывести, как полная работа и полная мощность зависят от силы тока, от внутреннего и внешнего сопротивления цепи.

11. Что называется полезной работой и полезной мощностью электрической цепи?

12. Вывести, как полезная работа и полезная мощность зависит от силы тока, от внутреннего и внешнего сопротивления цепи.

13. Вывести, при каком внешнем сопротивлении полезная мощность будет максимальной?

14. Что называется коэффициентом полезного действия источника тока?

15. Вывести зависимость коэффициента полезного действия источника тока от силы тока, от внешнего и внутреннего сопротивления.

16. Найти значение коэффициента полезного действия, когда в цепи выделяется максимальная мощность.

17. Что называется коротким замыканием цепи? Изобразить схему короткого замыкания цепи.

18. Чему равен ток короткого замыкания?

19. Поясните особенности схемы, которая использовалась при измерениях.

20. Какой вид имеют графики зависимостей , , ?

Лабораторная работа №10

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 151617 18 19 20 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2017-04-12; Просмотров: 714; Нарушение авторского права страницы