Описание экспериментальной установки. Цель работы: овладение методикой исследования цепей постоянного тока.

Лабораторная работа ЭМК-7 К. Изучение законов постоянного тока

Цель работы: овладение методикой исследования цепей постоянного тока.

Задачи:

- изучение обобщенного закона Ома;

- изучение зависимости полезной мощности в цепи постоянного тока от сопротивления нагрузки.

Методика работы

Задание 1. Изучение обобщенного закона Ома.

В замкнутой электрической цепи, наряду с участками, на которых положительные носители заряда движутся в направлении электрического поля (в сторону убывания потенциала ), должны быть участки, на которых положительные заряды движутся в направлении, противоположном , т.е. в направлении возрастания потенциала. Такое перемещение возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда называется электродвижущей силой (ЭДС). Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называется неоднородным участком.

Работа электростатических (кулоновских) и сторонних сил на участке 1-2 по перемещению заряда равна [1]

. (3.1)

Величина, численно равная работе электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением на данном участке (1-2) цепи.

В соответствии с (3.1)

. (3.2)

Из (3.2) следует, что напряжение совпадает с разностью потенциалов лишь на однородном участке, когда нет сторонних сил, т.е. в этом случае .

Падение напряжения U₁₂ на участке цепи можно выразить в виде произведения силы протекающего тока и полного сопротивления данного участка, т.е.

, (3.3)

где – внутреннее сопротивление источника тока.

Приравнивая правые части (3.2) и (3.3) и решая полученное уравнение относительно силы тока, получим выражение закона Ома для неоднородного участка цепи (или обобщенного закона Ома)

. (3.4)

Задание 2. Изучение зависимости полезной мощности в цепи постоян­ного тока от сопротивления нагрузки.

Полная мощность , выделяемая источником тока в замкнутой цепи, равна

, (3.5)

где - сила тока;

- ЭДС источника.

Полезная мощность , выделяемая на внешней нагрузке , равна произведению напряжения на нагрузке и силы тока , т.е.

. (3.6)

Отношение полезной мощности к полной называется коэффициентом полезного действия источника тока

. (3.7)

Используя закон Ома для полной цепи

,

где - внутреннее сопротивление источника тока, и закон Ома для участка цепи , полезную мощность можно выразить через ЭДС источника, его внутреннее сопротивление и сопротивление нагрузки

. (3.8)

Это выражение показывает, что при (короткое замыкание) и при (разомкнутая цепь) полезная мощность стремится к нулю. Значит, кривая зависимости полезной мощности от внешней нагрузки имеет максимум. Исследуя выражение (3.3) на экстремум, т.е. приравнивая производную от по нулю , найдем, что максимальное значение полезной мощности достигается при (внешнее сопротивление равно внутреннему). Таким образом, увеличивая сопротивление от нуля и вычисляя каждый раз по (3.2) полезную мощность, можно на опыте убедиться, что она в начале возрастает от нуля, достигает максимального значения, затем вновь стремится к нулю.

Сопротивление , при котором достигается максимум , и будет равно внутреннему сопротивлению источника тока.

Описание экспериментальной установки

Задание 1. Обобщенный закон Ома изучается на не­однородномучастке цепи 1-2, состоящем из источника тока (=12 В) с внутренним сопротивлением и постоянного сопротивления . Для измерения зависимости разности потенциалов на участке 1-2 от протекающего по нему тока используется электрическая цепь, показанная на рисунке 3.1.

Здесь - вольтметр, включенный параллельно исследуемому участку цепи 1-2; - внешнее по отношению к участку 1-2 сопротивление, при помощи которого можно изменить ток в цепи; - амперметр для измерения этого тока; - потенциометр, с помощью которого изменяется напряжение, подаваемое от второго источника с ЭДС первого (исследуемого) источника.

В случае, когда ключ разомкнут и движок реостата находится в верхнем крайнем положении , ток протекает только в цепи , причем направление тока (от точки 1 к точке 2) и его величина определяются действием одного источника . Как видно из схемы, в данном случае всегда .

Как следует из закона Ома (3.4) для исследуемого участка 1-2, имеем

. (3.9)

При постоянных значениях , и эта зависимость носит линейный характер. График функции представляет собой прямую, пересекающую ось ординат в точке , (рисунок 3.2). Угол наклона прямой к оси абсцисс (оси тока) тупой, так как коэффициент при отрицателен и зависит от сопротивления участка .

Как видно из (1), приращение разности потенциалов связано с приращением тока как , откуда

. (3.10)

Вторая схема, используемая в этом задании, соответствует замкнутому ключу и перемещению движка в промежуточное положение на потенциометре. Ток на участке 1-2 в данном случае определяется не только источником , но и (=24 В), вклад которого определяется положением движка на потенциометре. Поэтому можно получить такое значение тока, при котором вклад источника в разность потенциалов окажется больше, чем источника , т.е. разность будет меньше нуля. График зависимости в таком случае пересекает ось токов, переходя в область отрицательных значений.

Задание 2. Рабочая схема экспериментальной установки, приведенная на рисунке 3.3, собирается на универсальном стенде 17Л-03. Измерение силы тока и напряжения производятся приборами, расположенными в измерительном блоке (АВI, ABO). Питание схемы осуществляется от генератора постоянного тока ГН2.

В силу небольшой величины внутреннего сопротивления источника тока в электрическую цепь последовательно включено сопротивление . В качестве внешней нагрузки используется магазин сопротивлений КМС-6, который позволяет изменять сопротивление от 0 до 900 Ом с интервалом в 100 Ом.

Рисунок 3.3