Вивчення корисної потужності джерела струму в залежності від навантаження
Прилади й приналежності: джерело струму (постійний), амперметр, вольтметр, реостат-потенціометр (або магазин опорів), ключ.
Потужність будь-якого джерела струму чисельно дорівнює кількості енергії, що віддається джерелом струму в одиницю часу. Якщо джерела струму, ЕРС якого # 949 ;, а внутрішній опір r, замкнути на зовнішнє опір R, то загальна кількість енергії, що виділяється їм в одиницю часу, тобто повна його потужність виражається формулою:
де I - сила струму в ланцюзі. Енергія, що виділяється в зовнішній ділянку ланцюга за одну секунду, якої ми можемо користуватися для практичних цілей, дорівнює корисної потужності P, яка виражається формулою
де U - напруга на затискачах джерела струму при замкнутої зовнішньої ланцюга. Ставлення корисної потужності P до всієї потужності, що розвивається P0 носить назву коефіцієнта корисної дії
Корисна потужність P і коефіцієнт корисної дії змінюється зі зміною сили струму в ланцюзі. Проведемо теоретичне дослідження залежності цих величин від сили струму. Згідно із законом Ома
Перший член правої частини цієї рівності є напруга в зовнішньому колі U = IR. З (4) отримаємо:
Підставляючи в (2) значення U, будемо мати
Мал. 1. Зміна потужності в залежності від навантаження
Аналіз виразу (5) приводить нас до висновку, що при I = 0 і при корисна потужність дорівнює нулю. Перший випадок відповідає розімкнутому зовнішньому ланцюзі, другий - коротке замикання. З виразу (5) слід, що залежність корисної потужності від сили струму зображується параболою (рис.1), яка перетинається вісь абсцис в двох точках: на початку координат при I = 0 і в точці, де.
Отже, зі збільшенням сили струму, корисна потужність спочатку збільшується досягаючи максимуму, а потім починає спадати. Щоб знайти при якому значенні сили струму потужність має максимум, потрібно від виразу (5) взяти першу похідну по I, враховуючи, що # 949; і r для даного джерела величини постійні
Прирівнюючи праву частину до нуля, знаходимо
Таке значення сили струму буде тоді, коли зовнішній опір одно внутрішньому опору джерела струму (R = r).
Щоб з'ясувати характер залежності # 951; від I, перетворимо рівняння (3), замінюючи в ньому U, через ( # 949; - I r)
Цей вислів призводить нас до висновку, що залежність # 951; від I - лінійна. Корисна потужність досягає при I = # 949; / 2r, тобто при ККД, що дорівнює # 951; = 50%, у чому легко переконатися, якщо в (7) підставити значення сили струму з (6). Для експериментального дослідження цих залежностей збирають схему, зображену на рис.3.
Мал. 2. Зміна ККД від навантаження
При розімкнутому ключі До вимірюють схему джерела струму. Замикаючи ключ і змінюючи R, спостерігають показання амперметра. Корисна потужність підраховується за формулою (2); коефіцієнт корисної дії (ККД) за формулою (3). Результати досвіду повинні бути представлені графічно.
Порядок виконання роботи.
1. Збирають схему (рис.3).
Мал. 3. Вимірювальна схема
2. Вибір початкової навантаження:
а) Якщо дан реостат, то ставлять на найбільший опір R;
б) Якщо магазин опорів, то ставлять на опір більше внутрішнього, розраховане з умови максимуму.
3. При розімкнутому ключі До вимірюють ЕРС джерела струму.
4. Замикають ключ К, вимірюють вольтметром, амперметром, показання записують.
5. Переміщуючи движок реостата R збільшують силу струму, записують нові свідчення амперметра і вольтметра. Так надходять до тих пір поки реостат НЕ буде виведений зовсім (передбачається, що джерело має значний внутрішній опір, тобто не боїться короткого замикання).
6. Повторюють всі вимірювання в зворотному порядку. Всі результати заносять в таблицю.
7. Обчислюючи для кожного значення струму за формулою (2) корисну потужність P і коефіцієнт корисної дії за формулою (3) будують графік залежності і.
8. Знаходять абсолютну і відносну похибку одного якогось спостереження. Для цього спочатку знаходять відносні похибки для P і з формули (1) і (2).
похибки # 916; U, # 916; I і # 916; # 949; - визначають класами точності приладів.
8. Обчислюють абсолютні похибки
1. Що таке ЕРС, напруга, сила струму, опір?
2. Сформулювати правила Кірхгофа.
3. Сформулювати закони Ома.
4. Коли досягається максимальний ККД джерела? Як розрахувати цю умову?
1. Грабовський Р. І. Курс фізики, 1980, §11,12,13, часть2.