лабораторные работы по физике

Л/р № 14. Исследование работы источника тока в зависимости от нагрузки.

Цель работы: Определить статические параметры источника тока электродвижущую силу ε и внутреннее сопротивление r , а также как зависят основные характеристики электрической цепи (напряжение U, сила тока I, полезная мощность P, коэффициент полезного действия η) от сопротивления нагрузки R, чтобы определить оптимальное значение нагрузки R источника тока.

Оборудование: Источник тока, реостат, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода.

Вводная часть: Величины, характеризующие работу источника тока делятся на статические и динамические. Знание характера поведения этих величин позволяет разумно использовать ресурсы источников тока. Познакомимся с ними в теории и на практике, чтобы в итоге работы иметь возможность сформулировать, какова оптимальная нагрузка на источник тока.

Статические параметры не меняются при изменении нагрузки. К ним относятся электродвижущая сила ε и внутреннее сопротивление r источника. Для химических источников они лишь немного меняются со временем (ε - падает, r - увеличивается).

Динамические, напротив, сильно зависят от нагрузки. К ним относятся сила тока I, напряжение U, полезная мощность P, коэффициент полезного действия η и др.

Статические характеристики наряду с нагрузкой R определяют поведение динамических, поэтому ε и r считают главными характеристиками источника тока.

Наша задача узнать эти характеристики и увидеть, как они зависят от сопротивления нагрузки. На практике самые легко измеряемые параметры электрической цепи напряжение U (с помощью вольтметра) и сила тока I (с помощью амперметра).

Измерив их, мы легко определим остальные. Мощность P = IU.

Сопротивление R = U/I.

Коэффициент полезного действия η = U/ε.

ЭДС ε и внутреннее сопротивление r источника найдем, используя пару, измеренных нами в ходе работы, значений тока и напряжения. Лучше брать неблизкие значения, например:

U₁ + I₁r_I = εI

;

U₅ + I₅r_I = εI

Взяв еще два уравнения,

можно будет найти еще пару значений ε и r:

U2 + I2rII = εII

;

U6 + I6rII = εII

а по ним вычислить средние значения εср и r_ср, что даст большую точность:

εср = (εI+ εII)/2; r_ср = (r_I + r_II)/2.

Откладывая по горизонтальной оси значения R, а по вертикальной оси значения I, U, P, η (в соответствующем масштабе), получим нужные нам графики зависимостей, а по ним определим оптимальные нагрузки Rдля источника тока.

Ход работы:

1.  Соберите электрическую цепь по схеме. Ключ перед началом работы должен быть разомкнут, а реостат выведен на максимальное сопротивление.

2.  Начертите в отчетном листе таблицу для записи результатов:

3.  Приготовьтесь быстро снять показания амперметра и вольтметра. Еще раз проверьте положение реостата (он должен быть установлен на максимальное сопротивление). Включите на короткое время цепь и быстро снимите показания приборов. Выключите цепь. Запишите значения тока I и напряжения U в первый столбец таблицы.

4.  Передвиньте движок реостата в сторону уменьшения сопротивления примерно на 1/8 его рабочей длины. Замкните ключ, быстро снимите новые показания приборов, выключите цепь, запишите эти показания в соседний столбец таблицы.

5.  Повторяйте пункт 4, каждый раз уменьшая сопротивление реостата на 1/8, пока не останется последняя 1/8 его длины. Старайтесь не включать цепь надолго, снимайте показания приборов как можно быстрее. Экономьте ресурс батареи особенно на последних этапах измерений! Это даст вам наилучший результат.

6.  Зная силу тока I и напряжение U в каждом случае, подсчитайте значение сопротивления реостата R, значение ЭДС ε и внутреннего сопротивления r вашего источника тока, рассчитайте значение мощности P, КПД η и занесите эти данные в таблицу.

7.  По полученным данным постройте графики зависимостей, расположив их по вертикали один строго под другим, для возможности сравнения их друг с другом. По горизонтальной оси отложите сопротивление цепи R (строго в одном масштабе), а по вертикальной оси

значения I, U, P, η (в соответствующем масштабе). С первого до последнего графика проведите сквозной вертикальный пунктир, проходящий через важное значение R = r_ср.

8.  Рассмотрите особенности полученных кривых. Сделайте подробный вывод, о характере каждой из полученных зависимостей, используя знания об анализе функций из математики, а также о совокупности графиков. Запишите в выводе и значения полученных вами ЭДС ε и внутреннего сопротивления r вашего источника тока. Ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1.  При каком значении нагрузки R достигается наибольший ток I в нагрузке? Каковы при этом значения других параметров U, P, η? Насколько выгодно эксплуатировать источник тока в таком режиме?

2.  При каком значении нагрузки R достигается наибольшее напряжение U на нагрузке? Каковы при этом значения других параметров I, P, η? Насколько выгодно эксплуатировать источник тока в таком режиме?

3.  При каком значении нагрузки R достигается наибольшая мощность P в нагрузке? Каковы при этом значения других параметров I, U, η? Насколько выгодно эксплуатировать источник тока в таком режиме?

4.  При каком значении нагрузки R достигается наибольший КПД η источника тока? Каковы при этом значения других параметров I, U, P? Насколько выгодно эксплуатировать источник тока в таком режиме?

5.  Сравните между собой ответы на предыдущие 4 вопроса. Какое значение нагрузки R является самым оптимальным для работы вашего источника тока?