ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ. Лабораторный комплекс ЛКЭ-2П является универсальным стендом, представляющим собой плитовой каркас с размещенными на нем электроэлементами

Лабораторный комплекс ЛКЭ-2П является универсальным стендом, представляющим собой плитовой каркас с размещенными на нем электроэлементами, узлами и измерительными приборами
(рис. 5). Комплект соединительных проводов позволяет собирать из деталей и узлов комплекса лабораторные установки, ориентированные на проведение конкретных исследований цепей постоянного
тока.

Рис. 5 Лабораторный комплекс ЛКЭ-2П

При выполнении данной лабораторной работы используется лишь часть электроэлементов стенда: щелочной аккумулятор, являющийся источником тока; портативный мультиметр в качестве амперметра и магазин сопротивлений. С помощью комплекта соединительных проводов из этих элементов собирается исследуемая электрическая цепь.

Аккумулятор подключается через клеммы « », «+12В». Магазин сопротивлений состоит из четырех рядов резисторов. В каждом ряду также четыре резистора, которые внутренним монтажом соединены последовательно, а сами ряды между собой не соединены.

Мультиметр подключается через гнезда «com» и «10А» или «com» и «200mA», а поворотным переключателем мультиметра включается соответствующий диапазон измерений. Измерительная схема мультиметра, включающая гнездо «200mA», защищена плавким предохранителем, сгорающим, если измеряемый ток превышает 200mA даже на 10%. Поэтому если величина измеряемого тока неизвестна или предположительно может превышать 200 мА, то при сборке схемы используют гнездо «10А». И только убедившись, что реальный ток в цепи меньше 200 мА, можно произвести соответствующие переключения. Это обеспечит высокую точность измерений во всем диапазоне значений тока в исследуемой цепи.

На рис. 6 приведен пример соединения элементов в замкнутую цепь с сопротивлением нагрузки, составленным из нескольких последовательно соединенных резисторов. Сплошными линиями показаны стационарные внутренние соединения, а штриховыми линиями - соединения, выполняемые с помощью соединительных проводов.

Рис. 6. Схема соединения элементов в замкнутую цепь.
Нагрузкой являются последовательно соединенные резисторы и

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В ходе эксперимента получают значения тока в замкнутой электрической цепи для ряда конкретных значений сопротивления нагрузки, т.е. экспериментальную зависимость силы тока от сопротивления нагрузки получают в табулированном (табличном) виде. При этом необходимо помнить, что экспериментально полученные значения силы тока включают систематические и случайные погрешности. Точные значения ЭДС источника и его внутреннего сопротивления экспериментатору неизвестны. Знать же эти величины необходимо для вычисления мощности и КПД. Их можно получить, если найти аналитический вид функции , которая бы наилучшим образом аппроксимировала экспериментальную зависимость силы тока от сопротивления нагрузки. Такую аппроксимацию целесообразно выполнить методом наименьших квадратов, минимизируя сумму квадратов отклонений экспериментально полученных значений силы тока для ряда значений сопротивления нагрузки от значений аппроксимирующей функции, вычисленных при тех же значениях . Очевидно, что аппроксимирующую функцию в данном случае целесообразно выбрать исходя из закона Ома для замкнутой цепи [см. формулу (6)]. В результате задача сводится к минимизации следующей суммы:

. (19)

Частные производные от по и , приравненные нулю, образуют систему двух уравнений, решение которой дает значения ЭДС и сопротивления нагрузки, обеспечивающие минимизацию суммы (19). Эти значения и максимально приближены к истинным значениям и могут быть использованы для построения графиков аппроксимирующей функции тока, мощностей и КПД.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ лабораторной РАБОТЫ
НА РЕАЛЬНОЙ установке

1. Внешним осмотром убедитесь в исправности установки, отсутствии механических повреждений и нарушении изоляции проводов.

2. Включите мультиметр в режим измерения тока до 10 А.

3. Используя соединительные провода, соберите цепь из последовательно соединенных источника тока, мультиметра и крайнего слева резистора нижнего ряда магазина сопротивлений ( =1 Ом). Измерьте значение силы тока в цепи и запишите его в первой строке третьей графы табл. 1.

4. Выбирая из магазина сопротивлений нужный резистор или используя последовательное соединение нескольких резисторов, наберите сопротивление нагрузки , указанное в следующей строке табл. 1.

5. Используя набранное сопротивление, источник тока и мультиметр, соберите замкнутую цепь, измерьте значение силы тока и внесите его в соответствующую графу табл. 1.

6. Повторяя пп. 4-6, заполните полностью третью графу табл. 1.

7. Для обработки результатов измерений перейдите к компьютеру.

8. На экране монитора в меню «Физическая лаборатория», подведя курсор и щелкнув левой кнопкой мыши, откройте раздел «Электричество и магнетизм». Затем, этой же кнопкой выберите лабораторную работу «Определениеэнергетических характеристик электрической цепи постоянного тока» и, подведя курсор, активируйте клавишу «Выполнить». При этом откроется окно с изображением передней панели и описанием лабораторной установки ЛКЭ-2П.

9. Наведите мышью курсор на клавишу «Реальной установке» и левой кнопкой активируйте ее.

10. В таблицу на экране монитора для каждого сопротивления нагрузки ввести значения силы тока, полученные на реальной установке и зафиксированные в табл. 1.

Таблица 1

Номер изме-рения	Сопротивление нагрузки , Ом	Изме-ренное значение тока , А	Значение аппрокси-мирующей функции тока , А	Полная мощность , Вт	Полез-ная мощ-ность , Вт	КПД , %
ЭДС , В	Внутреннее сопротивление , Ом	Максимальное отклонение силы тока , %

11. Наведите мышью курсор на клавишу «Далее» и нажмите левую кнопку мыши. Встроенная программа компьютера по экспе­риментально полученным значениям тока методом наименьших квадратов выполнит расчет ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока. Занесите эти значения ЭДС и внутреннего сопротивления в табл. 1.

12. Следуя указаниям на экране монитора для каждого значения сопротивления нагрузки, рассчитайте значения аппроксимирующей функции тока , полной мощности , полезной мощности и КПД , используя соответственно формулы (6), (11)-(13). Результаты занесите в табл. 1.

13. Сравнивая значения тока в цепи, полученные экспериментально, с соответствующими значениями аппроксимирующей функции тока, убедитесь в корректности аппроксимации. Аппроксимацию считают корректной, если максимальное отклонение экспериментально измеренного тока от соответствующего значения аппроксимирующей функции не превышает 10-15%. Величину отклонения рассчитайте по формуле

. (20)

Максимальное отклонение внести в табл. 1.

14. Постройте графики аппроксимирующей функции тока; зависимостей полной и полезной мощности, а также КПД от сопротивления нагрузки.

15. На график аппроксимирующей функции тока нанесите экспериментальные значения силы тока .

16. Проанализируйте полученные кривые и сделайте выводы.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ лабораторной РАБОТЫ
НА КОМПЬЮТЕРНОМ ИМИТАТОРЕ

1. Выполните п. 8 раздела «Порядок выполнения лабораторной работы на реальной установке».

2. Наведите мышью курсор на клавишу «Компьютерном имитаторе» и левой кнопкой активируйте ее.

3. Наведите мышью курсор на кнопку у надписи «1 Ом» в таблице на экране монитора и щелкните левой кнопкой мыши. При этом на изображении панели лабораторной установки цифрами будут обозначены клеммы, которые необходимо соединить.

4. Наведите мышью курсор последовательно на каждую из обозначенных клемм, активируя их левой кнопкой мыши. По окончании операции клеммы автоматически соединятся.

5. Повторите п. 4 до образования замкнутой цепи, о чем будет свидетельствовать изменение текста в окне «Ход работы». Следуя указаниям этого текста, измерьте ток в цепи, установив предел измерения мультиметра «10А». Результат измерения появится в соответствующей графе таблицы экрана монитора. Этот результат занесите в третью графу табл. 1.

6. Следуя тексту в окне «Ход работы», разберите схему, наведите мышью курсор на кнопку следующего сопротивления, активируйте ее и повторите пп. 4-6 (выбирая соответствующий измеряемому току предел измерения мультиметра) до полного заполнения таблицы на экране монитора.

7. С помощью мыши активизируйте клавишу «Просмотр графиков» и занесите в табл. 1 появившиеся на экране монитора значения ЭДС и внутреннего сопротивления.

8. Выполните пп. 14-18 раздела «Порядок выполнения лабораторной работы на реальной установке».

Контрольные вопросы

1. Что такое электрический ток? Что принимают за направление электрического тока?

2. Что называется проводниками электрического тока? Типы проводников. Примеры. Укажите, по какому принципу проводники делятся на два типа.

3. Что такое сила тока? В чем она измеряется? Формула.

4. Какой ток называют постоянным? Условия существования постоянного тока.

5. Что такое источники тока? Каким образом происходит разделение зарядов в источниках тока? Сторонние силы. Что такое электродвижущая сила? В чем она измеряется?

6. Разность потенциалов. Электрическое напряжение в случае однородного и неоднородного участков цепи. Начертите неоднородный участок цепи. Укажите единицы измерения разности потенциалов и напряжения.

7. Электрическое сопротивление. Запишите формулу для сопротивления, отражающую его зависимость от геометрических размеров проводника. Единица измерения электрического сопротивления.

8. Закон Ома для участка цепи.

9. Закон Ома для замкнутой цепи.

10. Начертите простейшую замкнутую электрическую цепь. Какие элементы в нее входят? Какие величины характеризуют источник тока?

11. Работа и мощность тока, их единицы измерения.

12. Закон Джоуля – Ленца.

13. Коэффициент полезного действия электрической цепи. Единица измерения.

14. Запишите формулы для полной и полезной мощности. Зависимости полной и полезной тепловых мощностей, а также КПД от сопротивления нагрузки.