Исследование зависимости полезной мощности источника тока от нагрузки
Приборы и принадлежности: источник тока (постоянный), амперметр, вольтметр, реостат-потенциометр(или магазин сопротивлений), ключ.
Мощность какого-либо источника тока численно равна количеству энергии, отдаваемой источником тока в единицу времени. Если источника тока, ЭДС которого ε, а внутреннее сопротивление r, замкнуть на внешнее сопротивление R, то полное количество энергии, выделяемое им в единицу времени, т.е. полная его мощность выражается формулой:
(1)
где I – сила тока в цепи. Энергия, выделяемая во внешний участок цепи за одну секунду, которой мы можем пользоваться для практических целей, равна полезной мощности P, которая выражается формулой
(2)
где U – напряжение на зажимах источника тока при замкнутой внешней цепи. Отношение полезной мощности P ко всей развиваемой мощности P0 носит название коэффициента полезного действия
(3)
Полезная мощность P и коэффициент полезного действия меняется с изменением силы тока в цепи. Проведем теоретическое исследование зависимости этих величин от силы тока. По закону Ома
откуда следует
(4)
Первый член правой части этого равенства есть напряжение во внешней цепи U=IR. Из (4) получим:
Подставляя в (2) значение U, будем иметь
(5)
Рис. 1. Изменение мощности в зависимости от нагрузки
Анализ выражения (5) приводит нас к заключению, что при I=0 и при полезная мощность равна нулю. Первый случай соответствует разомкнутой внешней цепи, второй – короткому замыканию. Из выражения (5) следует, что зависимость полезной мощности от силы тока изображается параболой (рис.1), которая пересекается ось абсцисс в двух точках: в начале координат при I=0 и в точке, где .
Следовательно, с увеличением силы тока, полезная мощность сначала увеличивается достигая максимума, а потом начинает убывать. Чтобы найти при каком значении силы тока мощность имеет максимум, нужно от выражения (5) взять первую производную по I, учитывая, что ε и r для данного источника величины постоянные
Приравнивая правую часть к нулю, находим
(6)
Такое значение силы тока будет тогда, когда внешнее сопротивление равно внутреннему сопротивлению источника тока (R=r).
Чтобы выяснить характер зависимости η от I, преобразуем уравнение (3), заменяя в нем U, через ( ε – I r )
(7)
Это выражение приводит нас к заключению, что зависимость η от I – линейная. Полезная мощность достигает при I = ε/2r, т.е. при КПД, равном η= 50%, в чем легко убедиться, если в (7) подставить значения силы тока из (6). Для экспериментального исследования этих зависимостей собирают схему, изображенную на рис.3.
Рис. 2. Изменение КПД от нагрузки
При разомкнутом ключе К измеряют схему источника тока. Замыкая ключ и меняя R, наблюдают показания амперметра. Полезная мощность подсчитывается по формуле (2); коэффициент полезного действия (КПД) по формуле (3). Результаты опыта должны быть представлены графически.
Порядок выполнения работы.
1. Собирают схему (рис.3).
Рис. 3. Измерительная схема
2. Выбор первоначальной нагрузки:
а) Если дан реостат, то ставят на самое большое сопротивление R;
б) Если магазин сопротивлений, то ставят на сопротивление большее внутреннего, рассчитанное из условия максимума.
3. При разомкнутом ключе К измеряют ЭДС источника тока.
4. Замыкают ключ К, измеряют вольтметром, амперметром, показания записывают.
5. Перемещая движок реостата R увеличивают силу тока, записывают новые показания амперметра и вольтметра. Так поступают до тех пор пока реостат не будет выведен совсем (предполагается, что источник имеет значительное внутреннее сопротивление, т.е. не боится короткого замыкания).
6. Повторяют все измерения в обратном порядке. Все результаты заносят в таблицу.
7. Вычисляя для каждого значения тока по формуле (2) полезную мощность P и коэффициент полезного действия по формуле (3) строят график зависимости и .
8. Находят абсолютную и относительную погрешность одного какого-нибудь наблюдения. Для этого сначала находят относительные погрешности для P и из формулы (1) и (2).
Погрешности ΔU, ΔI и Δε – определяют классами точности приборов.
8. Вычисляют абсолютные погрешности
;
Контрольные вопросы.
1. Что такое ЭДС, напряжение, сила тока, сопротивление?
2. Сформулировать правила Кирхгофа.
3. Сформулировать законы Ома.
4. Когда достигается максимальный КПД источника? Как рассчитать это условие?
Литература
1. Грабовский Р. И. Курс физики, 1980, §11,12,13,часть2.
Дата добавления: 2016-09-03; просмотров: 1581 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов
Читайте также:
Рекомендуемый контект:
Поиск на сайте:
© 2015-2021 lektsii.org – Контакты – Последнее добавление
ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ:
, (1)
I- сила тока в цепи; Е- электродвижущая сила источника тока, включённого в цепь; R- сопротивление внешней цепи; r- внутреннее сопротивление источника тока.
МОЩНОСТЬ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ ВО ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ
. (2)
Из формулы (2) видно, что при коротком замыкании цепи (R®0) и при R®эта мощность равна нулю. При всех других конечных значениях Rмощность Р1> 0. Следовательно, функция Р1 имеет максимум. Значение R0, соответствующее максимальной мощности, можно получить, дифференцируя Р1 по R и приравнивая первую производную к нулю:
. (3)
Из формулы (3), с учётом того, что R и r всегда положительны, а Е ? 0, после несложных алгебраических преобразований получим:
R0 = r. (4)
Следовательно, мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения при сопротивлении внешней цепи равном внутреннему сопротивлению источника тока.
При этом сила тока в цепи (5)
равна половине тока короткого замыкания. При этом мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает своего максимального значения, равного
. (6)
Когда источник замкнут на внешнее сопротивление, то ток протекает и внутри источника и при этом на внутреннем сопротивлении источника выделяется некоторое количество тепла. Мощность, затрачиваемая на выделение этого тепла равна
. (7)
Следовательно, полная мощность, выделяемая во всей цепи , определится формулой
= I2(R+r) = IE (8)
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ источника тока равен . (9)
Из формулы (8) следует, что
, (10)
т.е. Р1 изменяется с изменением силы тока в цепи по параболическому закону и принимает нулевые значения при I = 0 и при . Первое значение соответствует разомкнутой цепи ( R>> r ), второе – короткому замыканию ( R<< r). Зависимость к.п.д. от силы тока в цепи с учётом формул (8), (9), (10) примет вид
(11)
Таким образом, к.п.д. достигает наибольшего значения h =1 в случае разомкнутой цепи ( I = 0), а затем уменьшается по линейному закону, обращаясь в нуль при коротком замыкании.
Зависимость мощностей Р1, Рполн = EI и к.п.д. источника тока от силы тока в цепи показаны на рис.1.
Рис.1. I0 E/r
Из графиков видно, что получить одновременно полезную мощность и к.п.д. невозможно. Когда мощность, выделяемая на внешнем участке цепи Р1, достигает наибольшего значения, к.п.д. в этот момент равен 50%.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
Рис. 2.
Соберите на экране цепь, показанную на рис. 2. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник э.д.с.
Разместите далее последовательно с источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку в нижней части экрана) и амперметр (кнопка там же). Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр , измеряющий напряжение на нагрузке.
Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в местах рабочей зоны экрана, где должны находиться соединительные провода.
4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой . Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, обозначенное в таблице 1 для вашего варианта.
Таблица 1. Исходные параметры электрической цепи
Номер варианта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
Е, В | 10,0 | 9,5 | 9,0 | 8,5 | 8,0 | 8,5 | 9,0 | 9,5 |
r, Ом | 4,8 | 5,7 | 6,6 | 7,5 | 6,4 | 7,3 | 8,2 | 9,1 |
5. Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Счёт» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.
6. Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.
7. Вычислите по формулам (2), (7), (8), (9) Р1, Р2, Рполн и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в табл.2.
8. Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P1 = f(R), P2 = f(R), Pполн=f(R), h = f (R) и U = f(R).
9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.
Таблица 2. Результаты измерений и расчётов
R, Ом | 2,0 | 2,5 | 3,0 | … | 20 |
U, В | |||||
I, А | |||||
P1, Вт | |||||
P2, ВТ | |||||
Pполн, ВТ | |||||
h |
Вопросы и задания для самоконтроля
- Запишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.
- Что такое ток короткого замыкания?
- Что такое полная мощность?
- Как вычисляется к.п.д. источника тока?
- Докажите, что наибольшая полезная мощность выделяется при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений цепи.
- Верно ли утверждение, что мощность, выделяемая во внутренней части цепи, постоянна для данного источника?
- К зажимам батарейки карманного фонаря присоединили вольтметр, который показал 3,5 В.
- Затем вольтметр отсоединили и на его место подключили лампу, на цоколе которой было написано: Р=30 Вт, U=3,5 В. Лампа не горела.
- Объясните явление.
- При поочерёдном замыкании аккумулятора на сопротивления R1 и R2 в них за одно и то же время выделилось равное количество тепла. Определите внутреннее сопротивление аккумулятора.
Пишу для школьников (для лучшего понимания ими основ физики). Материал излагаю в соответствии с признанной ныне научной трактовкой физических явлений. Критике существующей теории и глубоким теоретическим рассуждениям здесь не место.
На рисунке изображена замкнутая электрическая цепь, состоящая из источника постоянного тока и переменной нагрузки во внешней части цепи.
Источником постоянного тока может быть электрическая машина, о которой говорится в статье “Искровой разряд”; батарея гальванических элементов, аккумулятор и др.
Роль источника тока заключается в создании (генерировании) электрической энергии: в разделении положительных и отрицательных зарядов; в создании и поддерживании разности потенциалов между конечными точками цепи, в которую включена нагрузка (электрическая лампочка, электроплитка. электродвигатель и т. д.).
При прохождении тока через нагрузку электрическая энергия превращается в другие виды энергии :тепловую (в электроплитке); в тепло и свет (в электрической лампе); в механическую энергию (в электродвигателе).
Превращение энергии из одного вида в другой всегда связано с работой.
При прохождении тока по проводнику совершается работа, её совершают электрические силы (или электрическое поле). Кратко эту работу называют работой тока.
Рассматривая участок цепи, по которому проходит ток, получим следующее выражение для работы тока:
Работа тока равна произведению напряжения между концами участка на протекающий ток и время его протекания.
В случае, если участок цепи однородный (не содержит источника тока), то
тогда получим ещё две формулы для работы тока:
Если ток проходит через неподвижный проводник, то единственным результатом работы тока является его нагревание. Тогда количество выделившейся теплоты
Это запись закона Джоуля – Ленца.
Если кроме нагревания ток совершает ещё механическую работу, например, приводя в действие электродвигатель (мотор), то работа
лишь частично переходит в тепло.
В этом случае работа тока больше количества выделившейся теплоты, но закон Джоуля – Ленца выполняется.
Работа, совершаемая током в единицу времени, называется мощностью тока:
Единицей мощности тока является 1 Вт:
1 Вт – мощность выделяемая током 1 А в проводнике, между концами которого поддерживается напряжение 1 В.
Основная формула мощности для участка цепи:
Мощность постоянного тока на любом участке цепи выражается произведением силы тока на напряжение между концами участка цепи.
Так как для однородного участка цепи
то мощность можно найти ещё по формулам:
Обычно говорят не о работе, а о потребляемой из сети некоторым прибором (электроплитка, лампочки и др.) или двигателем (мотором) мощности электрического тока. Говоря о мощности (например, электродвигателя), отмечают, что работа двигателя совершается за счёт тока.
На приборах часто отмечается потребляемая ими мощность – мощность, необходимая для нормальной работы этого прибора.
Согласно закону сохранения энергии, для замкнутой электрической цепи можно записать:
Здесь
есть полная или затраченная работа, совершаемая сторонними силами, существующими внутри источника, по переносу заряда по цепи.
В гальваническом элементе такими силами являются силы химической реакции.
– это полезная работа, совершаемая электрическим полем при прохождении тока через нагрузку;
это работа, совершаемая внутри источника, по преодолению его внутреннего сопротивления.
Так как работа, совершённая за единицу времени, есть мощность, то из уравнения (1) получим выражение для мощности:
Здесь
есть полная или затраченная мощность, это мощность развиваемая источником тока.
это мощность выделяемая внутри источника тока
это полезная мощность, создаваемая во внешней части цепи (на нагрузке).
Здесь U – напряжение на зажимах источника при замкнутой цепи (при разомкнутой цепи оно равно ЭДС источника).
Так как для однородного участка цепи напряжение равно произведению тока на сопротивление, то полезную мощность можно найти ещё по следующей формуле:
Ток в замкнутой цепи
тогда формулу для полезной мощности можно записать так:
Проанализируем зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки.
При коротком замыкании вся развиваемая источником мощность выделяется на его внутреннем сопротивлении в виде теплоты.
Таким образом, полезная мощность, развиваемая во внешней цепи, достигает максимального значения тогда, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника.
На следующем рисунке показан график зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки.
Получена формула для нахождения максимальной полезной мощности
При этом ток в цепи в два раза меньше тока короткого замыкания:
Но чему при этом будет равно КПД источника?
Коэффициент полезного действия (КПД) источника показывает, какая часть затраченной (полной) работы источника пошла на пользу или КПД есть отношение полезной работы к затраченной:
Получается, что если добиваться максимальной мощности во внешней цепи, то получим КПД работы всего 50%, то есть половина затраченной мощности источника расходуется бесполезно – переходит в тепло, нагревая источник тока.
Выгоднее брать сопротивление нагрузки больше внутреннего сопротивления источника. Тогда ток в цепи уменьшится, а КПД источника увеличится.
Подумайте над решением следующих задач.
1. ЭДС аккумулятора 2 В, его внутреннее сопротивление 0,4 Ом, сопротивление внешней цепи 1 Ом. Найти разность потенциалов на зажимах аккумулятора и КПД его работы. Ответ: 1,43 В; 71 %.
2. Какую максимальную полезную мощность может выделить аккумулятор с ЭДС 10 В и внутренним сопротивлением 1 Ом? Каково при этом сопротивление внешней цепи? Ответ: 25 Вт; 1 Ом.
3. КПД источника тока, замкнутого на внешнее сопротивление R, равно 60%. Каков будет КПД источника, если внешнее сопротивление увеличить в 6 раз? Ответ: 90%.
Ответ: 7,7 Вт; 12 Вт; 40%; 25%.
Ответ: 2,7 10 4 кг.
К.В. Рулёва
Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.
Предыдущая запись: Решение задач на мощность тока.
Следующая запись: Ещё раз о зарядке и разрядке конденсатора.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.7.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ И
КПД ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Фамилия И.О. _____________ Группа ______ Дата
______
Введение
Цель данной работы –
экспериментально проверить теоретические выводы о зависимости полезной мощности
и КПД источника тока от сопротивления нагрузки.
Электрическая цепь состоит из
источника тока, подводящих проводов и нагрузки или потребителя тока. Каждый из
этих элементов цепи обладает сопротивлением.
Сопротивление подводящих проводов
обычно бывает очень мало, поэтому им можно пренебречь. В каждом участке цепи
будет расходоваться энергия источника тока. Весьма важное практическое значение
имеет вопрос о целесообразном расходовании электрической энергии.
Полная мощность Р, выделяемая в
цепи, будет слагаться из мощностей, выделяемых во внешней и внутренней частях
цепи: P = I2 ·R + I2·r = I2(R + r). Так
как I(R + r) = ε, то Р =I·ε,
где R
– внешнее сопротивление; r – внутреннее сопротивление; ε – ЭДС источника
тока.
Таким образом, полная мощность,
выделяемая в цепи, выражается произведением силы тока на ЭДС элемента. Эта
мощность выделяется за счет каких-либо сторонних источников энергии; такими
источниками энергии могут быть, например, химические процессы, происходящие в
элементе.
Рассмотрим, как зависит мощность,
выделяемая в цепи, от внешнего сопротивления R, на которое замкнут элемент.
Предположим, что элемент данной ЭДС и данного внутреннего сопротивления r
замыкается внешним сопротивлением R; определим зависимость от R полной мощности
Р, выделяемой в цепи, мощности Ра, выделяемой во внешней части цепи
и КПД.
Сила тока I в цепи выражается по
закону Ома соотношением
Полная мощность, выделяемая в
цепи, будет равна
При увеличении R мощность падает,
стремясь асимптотически к нулю при неограниченном увеличении R.
Мощность, выделяющаяся во внешней
части цепи, равна
Отсюда видно, что полезная
мощность Ра равна нулю в двух случаях – при R = 0 и R = ∞.
Исследуя функцию Ра
= f(R) на экстремум, получим, что Ра достигает максимума при R =
r, тогда
Чтобы убедится в том, что
максимум мощности Ра получается при R = r, возьмем производную Ра
по внешнему сопротивлению
Откуда
По условию максимума требуется
равенство нулю первой производной
r2
= R2
R
= r
Можно убедиться, что при этом
условии мы получим максимум, а не минимум для Ра, определив знак
второй производной .
Коэффициент полезного действия
(КПД) η источника ЭДС это величина отношения мощности Ра,
выделяющейся во внешней цепи, к полной мощности Р, развиваемой источником ЭДС.
В сущности КПД источника ЭДС
указывает, какая доля работы сторонних сил преобразуется в электрическую
энергию и отдается во внешнюю цепь.
Выражая мощность через силу тока
I, разность потенциалов во внешней цепи U и величину электродвижущей силы
ε, получим
То есть КПД источника ЭДС равен
отношению напряжения во внешней цепи к ЭДС. В условиях применимости закона Ома
можно далее заменить U = IR; ε = I(R + r), тогда
Следовательно, в том случае,
когда вся энергия расходуется на Ленц-Джоулево тепло, КПД источника ЭДС равен отношению
внешнего сопротивления к полному сопротивлению цепи.
При R = 0 имеем η = 0. С
увеличением R, КПД возрастает, стремится к значению η=1 при неограниченном
увеличении R, однако при этом мощность, выделяющаяся во внешней цепи, стремится
к нулю. Таким образом, требования одновременного получения максимальной
полезной мощности при максимальном КПД невыполнимы.
Когда Ра достигает
максимума, то η = 50%. Когда же КПД η близок к единице, полезная
мощность мала по сравнению с максимальной мощностью, которую мог бы развивать
данный источник. Поэтому для увеличения КПД необходимо по возможности уменьшать
внутреннее сопротивление источника ЭДС, например, аккумулятора или
динамо-машины.
В случае R = 0 (короткое
замыкание) Ра = 0 и вся мощность выделяется внутри источника. Это
может привести к перегреву внутренних частей источника и выводу его из строя.
По этой причине короткие замыкания источников (динамо-машины, аккумуляторные
батареи) недопустимы!
На рис. 1 кривая 1
дает зависимость мощности Ра, выделяемой во внешней цепи, от
сопротивления внешней части цепи R; кривая 2 дает зависимость от R полной
мощности Р; кривая 3 – ход КПД η от того же внешнего сопротивления.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться со схемой на стенде.
2. Установить с помощью магазина
сопротивление R = 100 Ом.
3. Замкнуть ключ К.
4. Произвести измерения силы тока в
цепи последовательно для различных девяти сопротивлений на магазине
сопротивлений, начиная от 100 Ом и выше. Внести в таблицу результаты измерений
силы тока, выразив их в амперах.
5. Выключить ключ К.
6. Вычислить для каждого
сопротивления Р, Ра (в ваттах) и η.
7. Построить графики Р, Ра
и η от R.
Контрольные вопросы
1. Что называется КПД источника ЭДС?
2. Вывести формулу КПД источника
ЭДС.
3. Что такое полезная мощность
источника ЭДС?
4. Вывести формулу полезной мощности
источника ЭДС.
5. Чему равна максимальная мощность,
выделяемая во внешней цепи (Ра)max?
6. При каком значении R полная
мощность Р, выделяющаяся в цепи, максимальна?
7. Чему равен КПД источника ЭДС при
(Ра)max?
8. Произвести исследование функции
(Ра) = f(R) на экстремум.
9. Зарисовать график зависимости Р,
Ра и η от внешнего сопротивления R.
10. Что такое ЭДС источника?
11. Почему сторонние силы должны быть
не электрического происхождения?
12. Почему недопустимо короткое
замыкание для источников напряжения?
№ п/п | R, Ом | I·10-3, | , Вт | , Вт | |
1 | |||||
2 | 100 | ||||
3 | 200 | ||||
4 | 300 | ||||
5 | 400 | ||||
6 | 500 | ||||
7 | 600 | ||||
8 | 700 | ||||
9 | 800 | ||||
10 | 900 |
r = 300 Ом