Вопросы и задания для контроля
Лабораторная работа 2. 4 «Изучение зависимости напряжения на зажимах, мощности и КПД источника тока от внешнего сопротивления и силы тока »
Теоретические основы
Основные понятия, определения и формулы
1. Полная мощность источника ЭДС – это работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени: 
I (1)
2. Полезная мощность –это мощность, выделяемая во внешнюю цепь: 
(2), где R – сопротивление внешней цепи.
3. Коэффициентом полезного действия источника ЭДС называется отношение 
(3).
Цель работы — закрепить знания законов постоянного электрического тока. Получить и проанализировать экспериментальные зависимости:
1) напряжения на зажимах источника ЭДС от внешнего сопротивления и тока;
2) полезной мощности от внешнего сопротивления и тока;
3) КПД источника ЭДС от внешнего сопротивления и тока.
Вопросы для допуска к лабораторной работе
1. Назовите какие зависимости Вы должны исследовать.
2. Какой участок цепи называется однородным?
3. Сформулируйте и запишите закон Ома для однородного участка цепи.
4. Какой участок цепи называется неоднородным?
5. Сформулируйте и запишите закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС (обобщенный закон Ома).
6. Что такое электрическое сопротивление, в каких единицах оно измеряется? Что такое резистор?
7. Какие приборы используются для измерения напряжений и токов в электрических цепях?
|
|
|
8. Сопротивление какого прибора больше: амперметра или вольтметра?
Методика и порядок измерений
Для источника с ЭДС, равной 
, и внутренним сопротивлением r в замкнутой цепи при изменении внешнего сопротивления R от нуля до бесконечности, напряжение на зажимах источника будет меняться от нуля до максимального значения, равного ЭДС источника.
Проанализируем ожидаемые зависимости P(I) и 
(I).
Полезная мощность меньше мощности источника ЭДС на величину энергии, теряемой в единицу времени в результате выделения теплоты на внутреннем сопротивлении источника ЭДС: P=Pист 
, тогда 
. Откуда следует, при отсутствии тока в цепи будет максимальное значение КПД – =1, а его минимальное значение =0 будет при соблюдении равенства 
=1. Последнее условие выполняется при токе I= 
т.е. в случае, когда сопротивление внешней нагрузки R=0; такой ток называется током короткого замыкания (Iкз).
| Рис. 1 — Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи P и КПД источника η от силы тока |
(4), т.е. зависимость P(I) представляет собой параболу, ветви которой спускаются вниз. Из выражения (4) следует, что P(I=0)=P(I=Iкз)=0, т.е. в случае короткого замыкания вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к его перегреву и разрушению. Максимум функции P(I) найдем, используя правило Лопиталя: 
. Откуда находим значения силы тока в цепи, при котором полезная мощность будет максимальной: 
. Подставив полученное значение в (4), найдем максимальную полезную мощность, которую можно получить при использовании данного источника ЭДС: 
(5) Таким образом, ожидаемые зависимости будут иметь вид, приведенный на рис.1. На этом рисунке представлена также зависимость мощности источника ЭДС от тока; наклон этой линейной зависимости будет тем круче, чем больше величина ЭДС. Из приведенных графиков видно, что при максимальной полезной мощности, КПД источника равен 50%. |
|
|
Выражение (2) для полезной мощности, учитывая закон Ома для замкнутой неоднородной цепи, можно записать и в виде: P= 
. Проведя анализ полученной функции P(R), можно предсказать ее вид; показать, что она достигает максимума, когда величина внешнего сопротивления равна сопротивлению источника ЭДС: R=r, а максимальное значение полезной мощности , т.е. совпадает с раннее полученным выражением (5).
|
|
|
Измерения
1. Ознакомьтесь с принципиальной схемой лабораторной установки, проверьте правильность ее сборки (рис. 2).
| | |
| Рис. — Принципиальная схема и общий вид лабораторной установки: | |
2. Включите в сеть источник постоянного тока . Если он регулируемый, установите напряжение по указанию преподавателя.
3. Изменяйте сопротивление реостата в соответствии с рекомендациями преподавателя, записывая при этом показания амперметра и вольтметра в таблицу.
4. Закончив измерения, рассчитайте соответствующие значения 
и 
.
5. Выберите два значения тока 
и 
, существенно отличающихся друг от друга, и определите внутреннее сопротивление 
и ЭДС 
источника, решив систему уравнений:
6. Рассчитайте значения КПД источника 
в каждой точке.
7. По полученным данным, постройте графики зависимостей:
· напряжения от сопротивления;
· напряжения от силы тока;
· полезной мощности от сопротивления;
· полезной мощности от силы тока;
· КПД от сопротивления
· КПД от силы тока.
|
|
|
8. Сравните рассчитанное значение ЭДС с максимальным измеренным напряжением, рассчитанное значение внутреннего сопротивления с определенным по графику 
для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением r.
Таблица
| № измерения |  , В
|  , А
|  , Ом
|  , Вт
| 
|
| 1 | |||||
| |||||
| 15 |
9. Сформулируйте выводы по работе.
Вопросы и задания для контроля
I уровень
1. Как практически измерить напряжение и силу тока на участке цепи?
2. Каким образом могут соединяться проводники в электрических цепях?
3. Как определить общее сопротивление цепи при последовательном соединении проводников?
4. Как определить общее сопротивление цепи при параллельном соединении проводников?
5. Что такое ток короткого замыкания и от чего зависит его величина?
6. Как избежать разрушительного действия тока короткого замыкания?
7. Что такое вольтамперная характеристика (ВАХ)? Приведите примеры ВАХ. Все ли материалы и устройства подчиняются закону Ома?
8. Когда падение напряжения на участке цепи совпадает с разностью потенциалов на этом участке цепи?
9. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца и запишите соответствующую ему формулу.
10. Что такое работа и мощность электрического тока? В каких единицах они измеряются?
11. Дайте определение полезной мощности и коэффициента полезного действия (КПД) электрической цепи.
12. За счет каких сил совершается полезная работа при движении зарядов по замкнутой цепи?
13. При каком внешнем сопротивлении от источника тока можно получить максимальную полезную мощность?
II уровень
14. Как изменится сила тока, протекающего через проводник, если увеличить в 2 раза напряжение на его концах, а длину проводника уменьшить в 2 раза?
15. Два резистора с сопротивлениями R1 = 5 Ом, R2 = 10 Ом соединены последовательно. Чему равно отношение падений напряжений U1 / U2 на этих резисторах?
| 16. Чему равна сила тока, протекающего через общую часть электрической цепи? | 17. 
|
| 18. В цепи, изображенной на рисунке, ползунок реостата перемещают вверх. Как изменились показания амперметра и вольтметра? | 19. 
|
20. Чему равно в номинальном режиме сопротивление лампы накаливания, на которой написано: U = 220 В, P = 100 Вт?
21. Имеются две лампы, рассчитанные на напряжение 220 Вт каждая. Мощности этих ламп равны P1 = 50 Вт, P2 = 100 Вт. Сравните электрические сопротивления этих ламп в рабочем режиме.
22. Получите выражение для КПД электрической цепи.
23. Выведите выражение для определения величины внешнего сопротивлении, при котором от источника ЭДС можно получить максимальную полезную мощность.
24. Сделайте анализ функции P(I)
25. ЭДС элемента равен 1,6 В и внутреннее его сопротивление – 0,5 Ом. Чему равен КПД элемента при силе тока 2,4 А?
Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 163; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!