Теоретическая часть. Цель работы:изучение зависимости полезной мощности, коэффициента полезного действия, силы тока в цепи и напряжения от величины внешнего сопротивления

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Лабораторная работа № 4.

Цель работы: изучение зависимости полезной мощности, коэффициента полезного действия, силы тока в цепи и напряжения от величины внешнего сопротивления (нагрузки).

Материалы и оборудование: источник тока, переменное сопротивление, амперметр, вольтметр; программное обеспечение: Gnuplot; kse.exe.

Электрический ток представляет собой направленное, упорядоченное движение заряженных частиц (носителей тока) под действием поля. При отсутствии электрического поля носители тока совершают хаотическое движение, и через любую воображаемую поверхность проходит в обе стороны в среднем одинаковое число носителей любого знака, так что ток через поверхность равен 0. Количественной характеристикой электрического тока служит сила тока, которая определяется как заряд, переносимый через рассматриваемую поверхность в единицу времени.

Для поддержания постоянной величины силы тока необходимы сторонние силы, действующие либо на отдельных участках цепи, либо во всей цепи. Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами (гальванические элементы, аккумуляторы), диффузией носителей тока в неоднородной среде, электрическими полями, порождаемыми меняющимися во времени магнитными полями (генераторы) и т.д. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником тока.

Характеристикой источника тока является электродвижущая сила, которая определяется как работа сторонних сил источника тока по перемещению единичного положительного заряда с отрицательного полюса источника на положительный.

На участке электрической цепи, содержащей источник тока, кроме сторонних сил, на заряд действуют силы электростатического поля, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд, равна разности этих сил.

Закон Ома для замкнутой цепи:

где − э.д.с., действующая в цепи; −суммарное сопротивление всей цепи: ,( −внутреннее сопротивление источника; − сопротивление внешнего участка цепи).

Мощность источника может расходоваться на совершение работы в нагрузке и зависит от внутреннего сопротивления и сопротивления нагрузки. Мощность, развиваемая источником, выделяется на внутреннем сопротивлении источника и сопротивлении нагрузки . Полезной мощностью является мощность, выделяемая на нагрузочном сопротивлении .

Отношение полезной мощности, развиваемой источником, называется коэффициентом полезного действия:

Из формул видно, что при заданных и , и зависят от внешнего сопротивления в цепи (сопротивления нагрузки). Чтобы выяснить условия, при которых полезная мощность достигает максимума, первую производную приравниваем нулю:

где , .

При этом условии коэффициент полезного действия равен:

Зависимости от сопротивления нагрузки легко проанализировать теоретически, используя формулы графики этих зависимостей приведены на рис. 3.

Рис.3. Зависимости мощности, коэффициента полезного действия, тока и напряжения источника тока от сопротивления нагрузки.

Интерпретация проделанной работы применительно к социально-экономической сфере достаточно проста с использованием метода аналогий. Например, динамика (зависимость передаваемой мощности) (продаваемой продукции) от сопротивления нагрузки (эластичности спроса-предложения) похожи (аналогичны), поскольку в условиях равновесия работают потенциальные модели, основанные на принципе наименьшего действия и принципе непрерывности (закон полного тока). При равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению генератора (издержек производителя) имеет место максимальная передача мощности (максимальная прибыль) при этом эластичность единичная.

Рассмотрим второй случай: сопротивление нагрузки равно бесконечности, т.е. разрыв цепи постоянный ток не течет и в нагрузке не выделяется мощность – это соответствует абсолютно неэластичному спросу. Напряжение на выходе равно приблизительно электродвижущей силе генератора (источника тока). Произведенная продукция не находит спроса. Мы рассматриваем только тот случай, когда производитель только продает, а покупатель покупает.

Рассмотрим третий случай: сопротивление нагрузки равно нулю, в цепи течет ток короткого замыкания. Это соответствует тому состоянию, когда продукция предлагается по цене ниже рыночной или вообще бесплатно, в результате спрос (ток) значительно возрастает и достигает в предельном случае (сопротивление нагрузки равно нулю) величины тока короткого замыкания. Продавец не получает прибыли и работает себе в убыток.

Практическая часть

Исследование зависимости силы тока, напряжения, полезной мощности и коэффициента полезной мощности в замкнутой цепи от величины внешнего сопротивления (нагрузки) по схеме лабораторного макета.

1. Измерить напряжение на клеммах источника без нагрузки, показания вольтметра будут близки к величине э.д.с. источника. Записать показания вольтметра.

2. Подключить нагрузку к источнику. Изменяя сопротивление нагрузки измерить силу тока и напряжения на нагрузке, результаты измерения произвести не меньше, чем для десяти значений силы тока в цепи, перекрывающих весь диапазон.

3. Вычислить значения , и и занести в таблицу.

4. Построить графики зависимости

5. По графику определить ток короткого замыкания и внутреннее сопротивление источника.

Контрольные задания

1. Что такое электрический ток?

2. Назовите условия возникновения электрического тока.

3. Что такое сторонние силы? Дайте определение электродвижущей силы.

4. При каком сопротивлении нагрузки полезная мощность максимальна?

5. Каково значение к.п.д. источника тока при максимальной полезной мощности ?

Дата добавления: 2015-07-02