Теоретические основы лабораторной работы

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

Профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

Отчет по лабораторной работе №5

По дисциплине: Физика

Тема: Энергетика источника тока

Выполнил:

студент АПН – 15 /Якимова А.Н. /

(подпись) (Ф.И.О.)

ПРОВЕРИЛ:

Руководитель: доцент ________________ /Стоянова Т.В. /

кафедры ОТФ (подпись) (Ф.И.О)

(должность)

Санкт-Петербург

Цель работы: 1. Определение внутреннего сопротивления и ЭДС различных источников электроэнергии. 2. Определение режима согласования источника с нагрузкой. 3. Исследование зависимостей полезной и полной мощности, развиваемых источником тока, и его коэффициента полезного действия (КПД) от нагрузочного сопротивления.

Теоретические основы лабораторной работы

Явление, используемое в данной работе- изменение магнитного потока кругового тока в пространстве.

Электрический ток - любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.

За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительные носители.

Постоянный ток - ток, сила тока и направление которого не меняются со временем.

Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока - заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, с другой - наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение.

Для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения (сторонних сил). Такие устройства называются источниками тока.

Основной закон, используемый в данной работе - закон Ома. Для однородного участка цепи он выглядит следующим образом: , сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Закон Ома для замкнутой цепи:

Сила тока – скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника за единицу времени. Это количественная характеристика электрического тока.

- это мгновенное значение силы тока

Сопротивление – величина, характеризующая сопротивление проводника электрическому току. Для однородного линейного проводника длиной l и площадью поперечного сечения S сопротивление равно:

Напряжение – обобщенное понятие разности потенциалов. Физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи.

U=j₁-j₂+e₁₂, где(j₁-j₂₎ – разность потенциалов, В.e₁₂ – электродвижущая сила на данном участке цепи, В.

Разность потенциалов – физическая величина, определяемая работой, совершаемой силами поля при перемещении единичного положительного заряда из точки с большим потенциалом в точку с меньшим.

Электродвижущая сила (ЭДС) – физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда из точки с меньшим потенциалом в точку с большим потенциалом:

Мощностью называется работа, совершаемая в единицу времени:

- мгновенное значение мощности

Для замкнутой цепи мощность равна:

P=ε I

Полезной мощностью называется мощность, выделяемая на внешнем сопротивлении:

Полной мощностью называется сумма мощностей, выделяемых на внешнем и внутреннем сопротивлениях:

Коэффициентом полезного действия источника тока называется отношение полезной мощности к полной:

Полная мощность достигает свое наибольшее значение при R=0 (случай короткого замыкания) и уменьшается при увеличении внешнего сопротивления. Наибольшее значение полезной мощности достигается при R=r.

Схема установки:

e- ЭДС источника тока;

К- ключ;

V- вольтметр;

А- амперметр;

R-реостат.

Основные расчётные формулы:

1) Электродвижущая сила источника тока (ЭДС)

2) Полезная мощность

3) Полная мощность

4) Коэффициент полезного действия

Погрешности прямых измерений:

Погрешности косвенных измерений:

- абсолютная погрешность ЭДС

- среднеквадратичная погрешность ЭДС

- абсолютная погрешность внутр. сопротивления

- среднеквадратичная погрешность внутр. сопротивления

Таблицы результатов измерений и вычислений:

Таблица 1 – Результаты измерений и расчётов параметров нестабилизированного источника электроэнергии.

Примеры расчётов:

1) Внутреннее сопротивление

2) ЭДС источника тока

3) Полезная мощность

4) Полная мощность

5) Коэффициент полезного действия

6) Расчет погрешности

Результат:

= (6 ± 0, 5) В

= (6, 74 ± 1, 9) Ом

Графический материал:

Рис. 1 – Зависимость полной мощности от внешнего сопротивления

Рис. 2 – Зависимость полезной мощности от внешнего сопротивления

Рис. 3 – Зависимость КПД от внешнего сопротивления

Вывод:

В ходе лабораторной работы определён ЭДС с помощью прямых и косвенных измерений. Рассчитанное значение близко к измеренному прямым путём. Погрешность при расчете ЭДС составила 0, 5%. Полная мощность (P_полн), развиваемая источником тока, достигает максимума в режиме короткого замыкания, т.е. при R = 0, что видно из графика на рисунке 1.Из графика на втором рисунке можно сделать вывод о том, что полезная мощность (P_полезн) равна нулю при крайних значениях внешнего сопротивления: при R= 0 и R ®¥, а максимум полезной мощности достигается при R = r. Из графика на рисунке 3 получим, что при росте нагрузочного сопротивления (R), растёт кпд (η). Выводы сделанные с помощью графического материала согласуются с теорией.