 |
Основные физические законы
|
|
|
|
Кафедра общей и технической физики
Отчет по лабораторной работе №10
По дисциплине: физика
Тема: Энергетика источника тока.
Автор: студент гр. НГД-15-4 _____________ / Рузимуродов И.П. /
(подпись) (Ф.И.О.)
Оценка: ____________
Дата: _________________(проставляет преподаватель)
Проверил
Руководитель работы проф. ______________ /Пщелко Н.С./
(должность) (подпись) (Ф.И.О.)
Санкт-Петербург
Цель работы
Определение внутреннего сопротивления и электродвижущей силы источника электроэнергии; определение режима согласования источника с нагрузкой; исследование зависимостей полезной и полной мощности, развиваемых источником тока, и его КПД от нагрузочного сопротивления.
Явление, изучаемое в работе
Возникновение электрического тока под действием ЭДС источника в замкнутой цепи.
Краткие теоретические сведения
Работой тока называют работу сил электрического поля, создающего ток. Отношение работы Аст, совершаемой сторонними силами по перемещению заряда q вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой (ЭДС) источника: 
Силой тока называется скалярная величина, равная отношению заряда ∆q, который переносится сквозь площадь поперечного сечения проводника за время ∆t к этому промежутку времени: 
Для появления и поддержания электротока необходима разность потенциалов 
.
Если соединить две точки поля с разными потенциалами, то по проводнику потечет ток I. Разность потенциалов называется электрическим напряжением:
Кроме того, из Закона Ома для участка цепи электрическое напряжение равно произведению силы тока на электрическое сопротивление:
Способность проводника ограничивать силу тока в цепи называют электрическим сопротивлением. Электрическое сопротивление – физическая величина равная отношению напряжения U между концами проводника, являющегося участком цепи, к силе тока I:
|
|
|
Мощность электротока равна отношению работы тока A ко времени t, за которое эта работа была совершена:
Коэффициентом полезного действия (КПД) источника постоянного тока называется величина равная отношению полезной мощности электротока к полной мощности:
,
где Pполезн – мощность, выделяемая в виде тепла при прохождении электротока через сопротивление, определяется законом Джоуля – Ленца:
Pполн является суммой полезной мощности и мощности, выделяющейся на внутреннем сопротивлении:
Полная мощность, развиваемая источником тока, достигает максимума в режиме короткого замыкания, т.е. при R = 0. С ростом внешнего сопротивления полная мощность уменьшается, асимптотически приближаясь к нулевому значению. График зависимости КПД от внешнего сопротивления, как и график полной мощности, будет иметь асимптотический вид. При R→ ∞ величина η асимптотически стремится к единице, в режиме максимальной полезной мощности.
Основные физические законы
Закон Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника тока к суммарному сопротивлению всей цепи
,
где R – внешнее сопротивление цепи; r – внутреннее сопротивление источника тока.
Закон Джоуля – Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально силе тока, времени его прохождения по проводнику и падению напряжения на нем:
| V |
| A |
| e |
| K |
| r |
| R |
ε – источник тока
V – вольтметр
А – амперметр
R – реостат
r – внутреннее сопротивление источника
K – ключ.
Основные расчетные формулы
Сила тока:
где R - внешнее сопротивление, r - внутреннее сопротивление, ε - ЭДС источника тока.
|
|
|
Полезная мощность:
где U - разность потенциалов.
Полная мощность:
КПД:
ЭДС источника тока:
где i и k - номера разных измерений.
Внутреннее сопротивление:
Погрешность прямых измерений
ΔI=0,05 A
ΔU=0,1 B
Таблица №1
| Физ. величины | I | U | R | ε | Рполезн | Рполн | η | r |
| A | В | Ом | В | Вт | Вт | Ом | ||
| 0,34 | 3,5 | 10,294 | 5,20 | 1,190 | 1,7680 | 0,673 | ||
| 0,37 | 3,4 | 9,189 | 5,25 | 1,258 | 1,9425 | 0,648 | ||
| 0,42 | 3,1 | 7,381 | 5,20 | 1,302 | 2,1840 | 0,596 | ||
| 0,50 | 2,7 | 5,400 | 5,20 | 1,350 | 2,6000 | 0,519 | ||
| 0,59 | 2,2 | 3,729 | 5,15 | 1,298 | 3,0385 | 0,427 | ||
| 0,67 | 1,8 | 2,687 | 5,15 | 1,206 | 3,4505 | 0,350 | ||
| 0,76 | 1,4 | 1,842 | 5,20 | 1,064 | 3,9520 | 0,269 | ||
| 0,84 | 0,9 | 1,071 | 5,10 | 0,756 | 4,2840 | 0,176 | ||
| 0,92 | 0,6 | 0,652 | 5,20 | 0,552 | 4,7840 | 0,115 | ||
| 0,2 | 0,200 | 5,20 | 0,200 | 5,2000 | 0,038 |
Пример расчета измерений
Ом
Вт
Вт
В
В случае, когда R→∞, ε=U=5,2 В, что на 80% совпадает с вычисленными значениями. В случае, когда U=ε/2, r=R. Это значит, что мы можем вычислить внутреннее сопротивление источника. В этом случае U=2,6 В, I=0,52 А, r=U/I=5 Ом. Мы можем посчитать внутреннее сопротивление и по другой формуле.
Ом
Погрешности косвенных измерений (систематических)
где 
-показания вольтметра при 
-м измерений; 
-среднее значение показаний вольтметра; n- число измерений.
B
где I и U – показания амперметра и вольтметра при конкретном измерении; DI и DU – основные погрешности амперметра и вольтметра, определяемые по паспортным данным прибора, в нашем случае это погрешности прямых измерений. Чем больше величина I, тем меньше погрешность, поэтому ее расчет производится при Imax (десятое измерение).
Ом
Вт
Вт
Чем больше величина ε, тем меньше погрешность, поэтому ее расчет производится при εmax (второе измерение).
Графики
Окончательные результаты
ε=5,19±0,04 В
r=5,0±0,4 Ом
Вывод
В ходе лабораторной работы была определена ЭДС источника тока, его полная и полезная мощность, внутреннее сопротивление и КПД. Полная мощность достигает максимума в режиме короткого замыкания, т. е. при R→0. С ростом внешнего сопротивления полная мощность уменьшается, асимптотически приближаясь к нулю. 
при крайних значениях внешнего сопротивления – при R→∞ и R→0. Значит, максимум полезной мощности должен приходиться на промежуточные значения внешнего сопротивления. Можно заметить, что η→0 при R→0, а при R→∞ величина КПД асимптотически стремится к единице. В режиме максимальной полезной мощности, он же режим согласования источника тока с нагрузкой, η ≈ 50%.
|
|
|
|
|
|
