Опис схеми для вимірювання

Теоретичні відомості

Повне коло складається з джерела струму, е.р.с. якого ε і внутрішній опір r, та зовнішнього опору R. Сила струму I в такому колі визначається законом Ома для повного кола:

 

(1)

При проходженні струму частина енергії джерела витрачається в зовнішній ділянці кола, а частина – у внутрішній. Робота струму в зовнішній частині кола дорівнює I²Rt, у внутрішній – I²rt.

Повна робота:

 

А = I2Rt + I2rt.

(2)

 

Потужність – це фізична величина, яка дорівнює відношенню роботи до часу:

 

Поділивши (2) на t, одержимо:

P = I2R + I2r = Pk + Pi.

(3)

 

Перший доданок P_к = I²R визначає потужність струму в зовнішній частині кола, цю потужність називають корисною потужністю. Другий доданок P_i = I² r – це потужність струму у внутрішній частині кола.

З (1) одержимо:

I(R + r) =ε;

тепер (10.3) можна подати у виді:

 

Р = I2(R + r) = Іε.

(4)

 

К.к.д. джерела струму називають відношення корисної потужності до повної:

 

.

(5)

 

Вираз для Р_к перетворимо, використавши (10.1):

 

(6)

 

З виразу (6) видно, що Р_к дорівнює нулю у двох випадках: при короткому замиканні (R = 0) і при розімкнутому колі (R = ¥).

Досліджуючи вираз (6) як функцію f(R) на екстремум, можна показати, що корисна потужність має максимум при R = r; максимальне значення корисної потужності дорівнює:

 

(7)

 

Згідно з виразом (5), к.к.д. в цьому випадку дорівнює h = 0,5 або h = 50%. В багатьох випадках такий к.к.д. є невигідним. К.к.д. дорівнює 100%, якщо коло розімкнене (R = ∞), але при цьому Р_к = 0. Таким чином, одержати одночасно і максимальну корисну потужність і максимальний к.к.д. неможливо.

В електроенергетиці намагаються забезпечити високий к.к.д. установок. Для цього потрібно, щоб опір зовнішньої частини кола R був більший від внутрішнього опору r джерела.

Опис схеми для вимірювання

 

Схема установки зображена на рис. 1.Вона складається з послідовно з’єднаних джерела струму, додаткового опору, магазину опорів, міліамперметра та вимикача. Як джерело струму використовується лужний акумулятор. В цьому акумуляторі анод виготовлено з гідроокису нікелю NI(OH)₂, а катод – з дрібнозернистого заліза. Електроліт – 20%-ний розчин КОН. Нормальне значення е.р.с. акумулятора дорівнює 1,3 В. Лужні акумулятори мають менші е.р.с. і к.к.д. ніж кислотні, але більш зручні в користуванні.

Акумулятори мають дуже малий внутрішній опір, порівняний з опором з’єднувальних провідників. Оскільки необхідно дослідити роботу акумулятора при опорах R як більших, так і менших r, то в схему включають додатковий опір, який штучно збільшує опір акумулятора. На схемі цей опір позначено як внутрішній опір r. Виставляючи з допомогою магазину опорів зовнішній опір R, слід враховувати опір амперметра R_A, тобто R = R_м+ R_А, де R_м – опір магазину.

 

Хід роботи

 

1. Складіть коло за схемою рис.10.1.

2. Запишіть в робочий зошит значення додаткового опору r та опору амперметра: r=40 Ом, R_A=5 Ом на межі вимірювання 100 мА. (Значення r, R_A атакож п.3 уточніть у викладача!)

3. Замкніть ключ. Змінюйте опір магазину R_м від 5 до 95 Ом через кожні 10 Ом, а потім до 295 Ом через 50 Ом. Щоразу вимірюйте силу струму в колі. Результати запишіть в таблицю (не забудьте, що R = R_м + R_А).

4. Розімкніть ключ і обчисліть для кожного значення R корисну потужність Р_к і к.к.д. h:

; .

5. Побудуйте графіки залежностей Р_к(R) і h(R). Зробіть висновок.

 

Контрольні запитання

 

1. Сформулюйте Закон Ома для повного кола

2. В яких одиницях вимірюються робота і потужність електричного струму?

3. Що називають к.к.д. джерела струму?

4. З якою метою в схему включають додатковий опір? З яких міркувань вибране його значення?

 

Для запису результатів можна рекомендувати таку таблицю (нагадуємо, що r = 40 Ом; R_А = 5 Ом ):

Табл. 1

Rм, Ом	R = Rм + RA, Ом	I, × 10-3A	Pк, Bт	h, %
....	....