Порядок выполнения работы. РАБОТА ИСТОЧНИКА ТОКА В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ
РАБОТА ИСТОЧНИКА ТОКА В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ
Методические указания к лабораторной работе №6
по физике
(Раздел <<Электричество и магнетизм>>)
Ростов – на – Дону
Составители: Е. С. Богославская, В. С. Ковалева, И. Г. Попова,
Н. Н. Фролова
УДК 530.1
РАБОТА ИСТОЧНИКА ТОКА В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ
Метод. указания.- Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011.- 11с
Указания содержат краткое описание работы источника тока в замкнутой цепи и методику определения ЭДС и внутреннего сопротивления источника.
Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения, в программу учебного курса которых входит выполнение лабораторных работ по физике (раздел <<Электричество и магнетизм>).
Печатается по решению методической комиссии факультета
<<Нанотехнологии и композиционные материалы>>
Рецензент доцент каф. физики, к.ф.- м. н. Г.Ф.ЛЕМЕШКО
©Издательский центр ДГТУ, 2011
Работа источника тока в замкнутой цепи
Цель работы: 1) определить внутреннее сопротивление источника тока и его ;
2) исследовать изменения полезной мощности и источника тока в зависимости от его нагрузки.
Оборудование: источник тока (выпрямитель напряжением 6 В), амперметр, вольтметр, реостат, соединительные провода.
Теоретическая часть
Рассмотрим схему, изображенную на рис. 1.
|
|
|
|
единичного положительного
заряда по цепи, называется
электродвижущей силой ( ),действующей в цепи:
. (1)
При подключении к источнику тока внешнего сопротивления ток в цепи определяется законом Ома для полной цепи:
. (2)
Каждому значению внешнего сопротивления будет соответствовать определенное значение силы тока. Например, внешним сопротивлениям реостата и будут соответствовать силы токов и .
Используя закон Ома для полной цепи (2), запишем:
и (3)
Приравнивая правые части равенств (3), получим:
,
откуда
. (4)
Используя закон Ома для участка цепи:
, (5)
перепишем равенство (4) в виде:
,
откуда, внутреннее сопротивление
|
|
.
можно рассчитать по формуле:
или
, (7)
где и - номера измерений силы тока и напряжения.
Полная мощность, развиваемая источником тока, равна
. (8)
Мощность, расходуемая во внешней части цепи, т. е. полезная мощность, определяется формулой:
. (9)
Подставляя в выражение (9) формулу (2), получим:
. (10)
Здесь величины и - постоянные. Поэтому полезная мощность является функцией только внешнего сопротивления и при определенных условиях принимает максимальное значение. Чтобы определить эти условия, необходимо исследовать функцию (10) на экстремум:
.
Таким образом, полезная мощность источника тока становится наибольшей, когда внешнее сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению источника тока.
Мощность, выделяемая внутри источника тока – это мощность потерь . При этом энергия электрического тока переходит во внутреннюю энергию источника (происходит нагрев). Мощность потерь определяется по формуле
. (11)
Коэффициентом полезного действия ( или ) источника тока называется отношение полезной мощности к его полной мощности :
, (12)
или
. (13)
Полезная мощность достигает максимального значения при . В этом случае из формулы (13) следует, что равен 0,5 или 50%.
Представим выражение (12) в виде:
.
Заметим, что при силе тока оказывается равным . Затем при увеличении силы тока уменьшается, обращаясь в ноль при , т. е. при коротком замыкании источника тока.
Порядок выполнения работы
- Собрать цепь по схеме, изображенной на рис.1.
- Определить цену деления амперметра и вольтметра ; записать в таблицу (таблицу изобразить для десяти строк).
- Установить по заданию преподавателя первое значение силы тока, заметить при этом соответствующее значение напряжения.
- Записать показания амперметра и вольтметра в делениях в таблицу.
- Затем, увеличивая последовательно силу тока (шаг изменения силы тока задает преподаватель), довести ее до максимального значения, снимая 8-10 значений I и U.
- Вычислить значения силы тока и напряжения соответственно по формулам:
,
- Используя пять разных пар значений и (напр.: 1-5; 2-6; 3-7; 4-8; 5-10), по формулам (6) и (7) вычислить пять значений и .
Пример. Пусть Тогда
.
- Результаты вычислений записать в таблицу.
- Вычислить средние значения и .
- Используя полученные значения и , вычислить для каждого значения силы тока:
· внешнее сопротивление, используя формулу (5);
· полную мощность по формуле (8);
· полезную мощность по формуле (9);
· мощность потерь по формуле (11);
· по формуле (12).
- Внести их значения в соответствующие столбцы таблицы.
- Построить в одной системе координат графики зависимостей: .
- Построить графики зависимостей .
Таблица
№ | cA | nA | I | cV | nV | U | R | ε | r | P | Pп | P1 | η |
А/дел | A | В/дел | B | Ом | B | Ом | Bт | Bт | Bт | ||||
… | |||||||||||||
… | |||||||||||||
ср |
Контрольные вопросы
- Что называется электрическим током?
- Что называется силой тока?
- Запишите закон Ома для однородного участка цепи; для неоднородного участка цепи.
- Что называется источника тока?
- Сформулируйте закон Ома для полной цепи.
- Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника тока?
- Как определяется сила тока короткого замыкания?
- Сформулируйте правила Кирхгофа.
- Чему равна полная мощность, развиваемая источником тока?
- Что называется полезной мощностью?
- Как определяется мощность потерь?
- Как определяется источника тока?
- Как зависит полезная мощность источника тока от величины внешнего сопротивления?
- Чему равен источника тока при максимальной полезной мощности?
- При каких условиях источника тока достигает максимального значения?
Рекомендуемая литература
- Трофимова Т. И. Курс физики.- М.: Высш. шк., 2004.
- Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике.-М.:Наука, 2006.
- Кунаков В. С., Мардасова И. В. и др. Электростатика. Постоянный электрический ток: учеб. пособие- Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010.
Техника безопасности
1. К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.
2. Электрическую схему включать в сеть только после проверки преподавателем правильности ее сборки.
Составители: Е. С. Богославская, В. С. Ковалева, И. Г. Попова,
Н. Н. Фролова
РАБОТА ИСТОЧНИКА ТОКА В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ
Методические указания к лабораторной работе №6 по физике
(Раздел <<Электричество и магнетизм>>)
Редактор А. А. Литвинова
В печать
Объем Офсет. Формат
Бумага тип № Заказ № Тираж Цена
_______________________________
Издательский центр ДГТУ
Адрес университета и полиграфического предприятия:
344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1