50024

Изучение работы источника напряжения

Лабораторная работа

Физика

Изучение работы источника напряжения Цель: Изучение работы источника напряжения. 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. 2 Выражая из 1 сопротивление R и подставляя в 2 получим зависимость напряжения на нагрузке от силы тока в цепи...

Русский

2014-01-14

88 KB

52 чел.

Лабораторная работа № 4.21*

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 определяется по формуле

.                                                        (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). Анализ формулы (3) показывает, что при напряжении на нагрузке UR = e, сила тока I = 0;        а  при         отсутствии внешнего сопротивления UR =0, сила тока принимает максимальное значение, равное току короткого  замыкания I=IКЗ,  IКЗ =ε/r.

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  IКЗ, внутреннее сопротивление источника тока при этом рассчитывается  по формуле .

Полезная мощность, развиваемая источником напряжения, (мощность,  выделяемая на нагрузке R)  определяется по формуле:

.                                                    (4)

График зависимости PR(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, обеспечивающего максимальную мощность, необходимо взять производную от выражения (4) по R и приравнять ее к нулю. Максимальная мощность Pmax во внешней цепи выделяется при внешнем сопротивлении равном внутреннему сопротивлению источника  

  (5)

и определяется выражением

.  (6)

Зависимость (6) позволяет определить внутреннее сопротивление источника тока еще одним способом, построив зависимость выделяемой во внешней части цепи мощности от величины нагрузки и определив сопротивление, обеспечивающее максимум мощности.

Коэффициентом полезного действия источника напряжения называется отношение выделяемой во внешней цепи мощности (PR =I×UR) к полной мощности развиваемой источником напряжения  (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 напряения используется генератор регулируемого постоянного напряжения блока ГН1 с включенным внутренним сопротивлением (кнопка Rвн должна быть нажата). Переменное сопротивление находится на стенде с объектами исследования С3-ЭМ01.

1. Собрать схему (рис. 4).

2. Изменяя переменное сопротивление R (от 100 до 1500 Ом) и вращая регулятор потенциометра на блоке сопротивлений, снять значения напряжения UR и силы тока в цепи I при разных значениях сопротивления нагрузки R. Результаты занесите в таблицу 1.

3. По данным таблицы построить зависимость напряжения на нагрузке UR от силы тока в цепи согласно примеру, изображенному на рис. 2. Экстраполируя график до пересечения с осями определить ЭДС источника e1 и ток короткого замыкания IКЗ. По формуле  определить внутреннее сопротивление источника r1. Результаты занести в табл. 1.

4.  По формуле (6), используя значения  e1 и r1, вычислить теоретическое значение максимальной мощности во внешней цепи PMAX1. Результат занести в табл. 1.

5. Используя данные табл. 1, определить мощность, выделяемую во внешней цепи по формуле PR=I×UR при каждом сопротивлении нагрузки R. Результаты занести в табл. 1. По данным таблицы построить график зависимости . По графику определить максимальное значение мощности PMAX2 и соответствующее ему сопротивление . Результаты  занести в таблицу 1.

6. Определить ЭДС e2. Для этого подключить вольтметр к выходам ГН1. Записать полученный результат в табл. 1.

Сравнить значения ЭДС e, внутреннего сопротивления r и полезной максимальной мощности PMAX, 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

1

100

2

200

3

300

4

400

5

500

6

600

7

700

8

800

e2, В

r2,Ом

PMAX2, мВт

9

900

10

1000

11

1100

12

1200

13

1300

14

1400

15

1500

Контрольные вопросы

Сила тока и напряжение в электрической цепи. Законы Ома.

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

Принцип определения ЭДС в данной лабораторной работе.

Принцип определения внутреннего сопротивления в данной лабораторной работе.

КПД источника напряжения.


Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19850. УМОЗАКЛЮЧЕНИЕ. Условные, разделительные и условно-разделительные силлогизмы 261 KB
  В процессе познания очевидные утверждения составляют лишь часть всех истин. Обычно для установления истины приходится в каждом случае производить особое исследование, т.е. четко поставить вопрос
19851. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Паралогизмы, софизмы и парадоксы 118 KB
  Тема о доказательстве занимает в курсе логики особо важное место. В ней объединяются все рассмотренные ранее логические формулы и законы логики, правильное соблюдение которых обеспечивает логически стройную и последовательную мысль
19852. Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Схема ПЭМ 1007 KB
  Лекция 17 Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа ПЭМ. Схема ПЭМ. Все современные просвечивающие электронные микроскопы ПЭМ могут работать в двух режимах – в режиме изображения и в режиме дифракции. Ход лучей в этих режимах указан на рис. 17: а – режим ...
19853. Требования к приготовлению образцов для ПЭМ. Препарирование порошковых материалов. Ультромикротомирование 934 KB
  Лекция 18 Требования к приготовлению образцов для ПЭМ. Препарирование порошковых материалов. Ультромикротомирование. Химическая и электрохимическая полировка. Метод ионнолучевого утонения. Весь процесс электронномикроскопических исследований условно можно разбит...
19854. Принцип работы сканирующих зондовых микроскопов. Пьезокерамические сканеры. Процесс сканирования поверхности в СЗМ 659.5 KB
  Лекция 19 Принцип работы сканирующих зондовых микроскопов. Пьезокерамические сканеры. Процесс сканирования поверхности в СЗМ. Визуализация информации получаемой с помощью СЗМ. Для исследования микрорельефа поверхности и ее локальных физических свойств в последнее д...
19855. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Получение изображения поверхности в режиме постоянного туннельного тока и в режиме метода постоянной высоты 417.5 KB
  Лекция 20 Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа СТМ. Получение изображения поверхности в режиме постоянного туннельного тока и в режиме метода постоянной высоты. Модуляционная методика определения локальной работы выхода. Измерение вольтамперных харак
19856. Принцип действия атомно-силового микроскопа (АСМ). Схема реализации обратной связи в АСМ 878.5 KB
  Лекция 21 Принцип действия атомносилового микроскопа АСМ. Схема реализации обратной связи в АСМ. Параметры кантилеверов в АСМ. Контактные и бесконтактные методики измерения. Атомносиловой микроскоп АСМ был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом Кэлвином Куэйтом и Кри...
19857. Принцип действия магнитно-силового микроскопа (МСМ). Квазистатические методики в МСМ 1.67 MB
  Лекция 22 Принцип действия магнитносилового микроскопа МСМ. Квазистатические методики в МСМ. Колебательные методики в МСМ. Магнитносиловой микроскоп МСМ был изобретен И. Мартином и К. Викрамасингхом в 1987 г. для исследования локальных магнитных свойств образцов. Дан...
19858. Принцип действия растрового электронного микроскопа. Схема РЭМ. Понятие увеличения в РЭМ 137.5 KB
  Лекция 23 Принцип действия растрового электронного микроскопа. Схема РЭМ. Понятие увеличения в РЭМ. Детектор электронов. Растровый электронный микроскоп РЭМ является одним из наиболее распространенных аналитических приборов используемых как в исследовательских ла