МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

     На существование электрического сопротивления у проводников указывает классическая электронная теория проводимости металлов. В основе этой теории лежит факт: носителями электрического тока в металлах являются электроны проводимости - электроны внешних оболочек атомов. Эти электроны слабо связаны с ядрами атомов в узлах кристаллической решетки и могут участвовать в беспорядочном тепловом движении подобно атомам идеального газа. В отсутствии внешнего электрического поля суммарный заряд, переносимый электронами в каком - либо направлении, равен нулю. При наличии внешнего поля напряженности  электроны под действием силы поля  приобретают дополнительную скорость движения, которая направлена противоположно  (электрон имеет отрицательный заряд). Это направление движения электронов под действием поля, происходящее на фоне их беспорядочного движения, обуславливает перенос заряда и электрический ток в металлах.

     Электрическому току - направленному движению электронов проводник оказывает сопротивление, так как электроны встречают при своем движении ионы кристаллической решетки (неоднородности) и отдают им часть накопленной в электрическом поле энергии направленного движения. При этом снижается средняя скорость их направленного движения – скорость дрейфа и ограничивается переносимый заряд в единицу времени через сечение проводника, т.е. ограничивается сила тока. Ограничение силы электрического тока в цепи указывает на существование электрического сопротивления. Переданная ионам решетки энергия направленного движения электронов идет на увеличение интенсивности колебаний ионов и приводит к росту температуры проводника. На этом основано тепловое действие тока, широко применяемое на практике.

 Для того, чтобы установить, какими параметрами проводников определяется их сопротивление, воспользуемся известным выражением для плотности тока j:

,                                           (1)

где n - концентрация электронов проводимости, е - заряд электрона,

-средняя скорость направленного движения электронов. Будем считать, что время свободного пробега τ между двумя последовательными соударениями одинаково для всех электронов и что при каждом соударении электрон передает решетке накопленную в электрическом поле энергию полностью, начиная движение после соударения без начальной скорости ( ). При равноускоренном движении электрона под действием силы , средняя скорость равна половине его максимальной скорости – скорости в конце свободного пробега:

,                           (2)

где - ускорение , m - масса электрона. Подставляя (2) в (1), найдем:

,                                           (3)

Сравнивая выражение (3) с известным законом Ома в дифференциальной форме , получим для удельной электропроводности выражение:

,                                           (4)

Величина , называется удельным сопротивлением материала проводника, определяет его сопротивление R:

,                                                    (5)

где и S длина и поперечное сечение однородного проводника.

     Таким образом, сопротивление проводников, как это видно из

 (4) и (5), определяется концентрацией свободных электронов и временем их свободного пробега. Чем больше n и τ, тем меньше сопротивление.

     В электротехнике и радиотехнике свойство материалов иметь электрическое сопротивление используется в резисторах. Рассмотрим некоторые из них.

     1. Резисторы постоянного сопротивления.

Эти сопротивления на схемах изображаются так, как указано на рис.1.

Непроволочные резисторы изготавливаются из углеродистых соединений или металла. Они широко применяются в радиотехнических устройствах, так как дешевы, имеют небольшие размеры, малые собственные емкость и индуктивность. Стабильность непроволочных резисторов достаточно велика. Наиболее распространены следующие типы непроволочных постоянных резисторов: ВС - влагостойкие углеродистые, МТ- металлизированные теплостойкие, MЛТ - металлизированные лакированные теплостойкие, УЛМ- углеродистые лакированные малогабаритные и т.д.

     Проволочные постоянные резисторы (шунты и добавочные сопротивления к измерительным приборам, различные сопротивления в цепях с большими токами) применяют в тех случаях, когда нужно иметь очень точное сопротивление или на резисторе должна рассеиваться очень большая мощность. Для изготовления таких резисторов проволоку из высокоомного сплава наматывают на каркас из изоляционного - гетинакса, текстолита, фарфора. Проволочные резисторы обладают значительными собственными индуктивностью и емкостью и высокочастотных цепях применяются мало. Для уменьшения индуктивности выполняют бифилярную намотку: провод складывают вдвое, тогда токи в соседних витках имеют противоположное направление и магнитное поле обеих половин обмотки взаимно компенсируются.

2. Резисторы переменного сопротивления.

     Резисторы переменного сопротивления (рис.2) служат для регулировки токов и напряжений. К ним относятся непроволочные переменные резисторы и магазин сопротивлений. Непроволочные резисторы применяются в радиотехнике для регулировки громкости, тембра звучания. Наиболее распространены непроволочные переменные резисторы типов: СП - сопротивления переменные объемные, СПО - сопротивления переменные дисковые.

Реостаты выполняются из нихромовой проволоки, намотанной на керамический каркас. Сверху по специальному стержню, имеющему клемму, перемещается движок. В целях безопасности работы с реостатами они снабжены боковыми щитками. Реостат можно подключить в цепь как резистор постоянного сопротивления (рис.3а), используя только нижние клеммы. В этом случае значение сопротивления будет равно номинальному, записанному на панели реостата.

Чаще реостаты играют роль резисторов переменного сопротивления, в этом случае используется одна из нижних клемм и движковая (верхняя) клемма (рис.3б). Передвигая движок реостата можно непрерывно изменять сопротивление реостата от 0 до номинального значения.

     Существует еще один способ использования реостата в качестве делителя напряжения (потенциометра), когда необходимо подавать в цепь изменяемое напряжение. Тогда обе нижние клеммы подсоединяются к источнику напряжения, а с одной из нижних клемм и с движковой клеммы снимается регулируемое напряжение от 0 до U_вх напряжение (рис.4)

     В тех случаях, когда необходимо точно знать значение сопротивления, используют магазин сопротивлений. Эти приборы представляют собой набор резисторов, соединенных таким образом, что на декадных барабанах можно набирать необходимое значение сопротивления.

На практике используют различные способы соединения резисторов. Рассмотрим последовательное (рис.5а) и параллельное соединение резисторов (рис.5б). Известно, что общее сопротивление при последовательном соединении резисторов определяется по

следующим формулам:

R_об=R₁+R₂+R₃ ,                                        (8)

При параллельном :      ,                                    (9)

Расчет разветвленных цепей производится с использованием правил Кирхгофа.

Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения заряда цепи. Оно гласит: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю:

.                                            (10)

Второе правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения энергии:

Алгебраическая сумма падений напряжений на всех участках замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС источников, включенных в этот контур:

                                      (11)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

     В данной работе предлагается измерить сопротивления нескольких резисторов с помощью реохордного моста Р-38, принципиальная схема которого изображена на рис. 6. Мостовая схема постоянного тока, на которой основана работа реохордного моста Р-38, составлена из сопротивлений R_х, R, r₁, r₂, соединенных между собой проводниками. В одной из диагоналей этой схемы включается источник ЭДС. В другую диагональ включается чувствительный гальванометр G. Весь процесс измерений при помощи такой схемы сводится к обеспечению равенства нулю тока в мосте, т.е. тока, протекающего через гальванометр. Существует одно определенное соотношение между сопротивлениями в плечах моста, удовлетворяющих этому условию. Найдем это соотношение. При замыкании ключа К на участке АС, названному РЕОХОРДОМ, появится ток. Вдоль него будет наблюдаться равномерное падение потенциала от φ_А до φ_С.

По участку АВ пойдет ток I₁ и на сопротивлении R_x будет происходить падение потенциала от φ_А до φ_В, причем φ_А > φ_В > φ_С. Поэтому на участке АС всегда можно найти точку D с потенциалом φ_D=φ_B и свести к нулю ток через гальванометр. Такое положение называется равновесием моста. Запишем второе правило Кирхгофа для контуров АБD и BCD при равновесии моста:

Отсюда                               .                     (12)

Соотношение (12) позволяет найти значение сопротивления R_X, если известны R, r₁, r₂.

     Мост Р-38 представляет собой измерительный прибор, предназначенный для измерения омических сопротивлений от 0,3 до

30 000 Ом:

1) Он имеет следующие пределы измерений:

                                      1)от 0,3 до 3 Ом;

                                      2)от 3 до 30 Ом;

                                      3)от 30 до 300 Ом;

                                      4)от 300 до 3 000 Ом;

                                      5)от 3 000 до 30 000 Ом;

Переключение пределов осуществляется рычажным переключателем, его рукоятка снабжена точкой, которую можно переключать на отметки 1, 10, 100, 10 000.

На панели прибора смонтированы:

     1) Гальванометр G магнитоэлектрической системы. Шкала гальванометра имеет 10-0-10 деления и надписи “меньше” и “больше”.

2) Рукоятка реохорда, с помощью которого производится точное уравновешивание моста. Она связана со шкалой, имеющей отметки от 0,3 до 3. Эти цифры указывают величину отношения сопротивлений моста  при различных положениях скользящего контакта реохорда.

3) Переключатель пределов измерений П, с помощью которого в плечо сравнения ВС включается сопротивление определенного значения.

4) Зажимы для присоединения батареи. Мост Р-38 можно питать и переменным напряжением 127-220 В, но в данной работе используется только постоянное напряжение.

5) Зажимы для присоединения измеряемого сопротивления.

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

УПРАЖНЕНИЕ 1

Измерение сопротивления с помощью моста Р-38

1. Установить корректором стрелку гальванометра в нулевое положение.

2. Подвести к зажимам “B” напряжение от источника тока. Переключатель “питание” поставить в положение “-”. К зажимам “R_X” подключить измеряемое сопротивление.

3. Установить переключатель “гальв.” в положение “грубо” и уравновесить мост вращением рукояток переключателя пределов измерений и реохорда, затем перевести переключатель “гальв.” в положение “точно” и вращением рукоятки реохорда уравновесить мост.

4. Определить таким образом сопротивление каждого из трех предлагаемых резисторов.

5. Определить их общее сопротивление при последовательном и параллельном соединении. Полученный результат сравнить с теоретическим, используя в расчетах полученные значения в предыдущих опытах.

6. Определить погрешность результатов измерений по паспорту прибора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Пояснить причину возникновения сопротивления проводников.

2. Вывести формулу удельного сопротивления, исходя из классической электронной теории проводимости.

3. Рассказать о видах резисторов и способах их включения в электрические цепи.

4. Вывести формулу общего сопротивления при последовательном и параллельном их соединении.

5. Пояснить условие, при котором мост постоянного тока оказывается уравновешенным.

6. Рассказать об устройстве реохордного моста Р-38 и методике определения с помощью его сопротивлений резисторов.

РАБОТА № 4

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИБОРОВ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИТСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛИ ТОКА И НАПРЯЖЕИЯ

Цель работы: изучение принципа действия приборов магнитоэлектрической системы и использование их для расширения пределов измерения тока и напряжения.

Приборы и принадлежности: гальванометр, набор шунтов, магазины сопротивлений, контрольный вольтметр, контрольный миллиамперметр, потенциометр, источник тока.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ:

Приборы магнитоэлектрической системы наиболее часто употребляются для электрических измерений в цепях постоянного тока. Принцип их работы и их конструктивные элементы описываются ниже. В поле постоянного магнита NS особой формы перемещается цилиндр из магнитомягкого железа, служащий для усиления магнитного поля и придания силовым линиям в зазоре между магнитом и цилиндром радиального направления. В зазоре между полюсами магнита и цилиндром может свободно вращаться на оси рамка Р , состоящая из алюминиевого каркаса прямоугольной формы с намотанной на нем катушкой из тонкой изолированной проволоки. На оси рамки укреплена стрелка, конец которой при повороте рамки перемещается по шкале с делениями, и пружина П, поддерживающая равновесие рамки.

 При отсутствии тока в рамке (катушке) ее плоскость пружиной П удерживается параллельно силовым линиям поля постоянного магнита в средней его части. При протекании тока по катушке на стороны рамки действует сила со стороны магнитного поля (сила Ампера) так, что плоскость рамки стремится повернуться перпендикулярно силовым линиям поля постоянного магнита.

Перемещению рамки противодействует сила трения, а также сила упругости пружины П , один конец которой прикреплен к оси рамки, а второй - к корпусу прибора. Кроме того, при движении рамки в магнитном поле, как в катушке, так и в каркасе возникают индукционные токи, создающие тормозящий момент. В результата рамка поворачивается на некоторый угол a.

Характер движения рамки можно описать, пользуясь вторым законом механики для вращательного движения:

,                                       (1)

где I - момент инерции рамки, a - угол поворота рамки,

- сумма моментов действующих сил, включающая следующие величины: 1) Вращающий момент сил Ампера: М₁=nBSI       (2)

где S - площадь рамки, I - сила тока, n -число витков в катушке, В - индукция поля постоянного магнита в зазоре.

2) Противодействующий момент, созданный силой упругости пружины и пропорциональный углу поворота:

 М₂ = -k₁a.                           (3)

где k₁ - коэффициент упругости пружины, который, как известно, определяется свойствами пружины.

3) Тормозящий момент, пропорциональный скорости вращения рамки и обусловленный сопротивлением воздуха и индукционными токами, возникающий при ее движении в поле постоянного магнита:

,                                       (4)

где k₂ - коэффициент, определяющийся параметрами рамки.

Подставив значения М₁, М₂, М₃ в (1) имеем: 

.

Остановке стрелки соответствует равенство нулю скорости и ускорения движения рамки:                и        .            (5)

 Тогда                           nBSI = k₁a        

 и сила тока, текущего по рамке, определяется формулой:

,                                                (6)

 где  - есть динамическая постоянная, численно равная силе тока, при которой рамке приборов магнитоэлектрической системы отклоняется на единичный угол. Таким образом, для приборов магнитоэлектрической системы угол поворота рамки и стрелки пропорционален силе проходящего тока, т.е. такие приборы имеют равномерную шкалу и могут быть использованы для измерения силы тока.

     Достоинством приборов магнитоэлектрической системы является высокая точность. С помощью грузиков Р (рис.1) центр тяжести подвижной части переносится на ось. Вследствие этого результирующий механический момент сил тяжести подвижной системы равен нулю при любом положении рамки, и положение стрелки относительно шкалы не сказывается на точности измерений. Каркас и катушка служат одновременно магнитным успокоителем: в них наводятся индукционные токи, которые согласно правилу Ленца препятствуют движению рамки при ее колебаниях.

     К недостаткам приборов магнитоэлектрической системы относятся сложность их конструкции, чувствительность к перегрузкам и невозможность непосредственного использования в цепях переменного тока. Для использования этих приборов в цепях переменного тока необходимо выпрямительное устройство.

     Измерительный механизм магнитоэлектрической системы используется в гальванометрах для измерения заряда и небольших токов, а также в амперметрах и вольтметрах.

     Для измерения больших токов применяются амперметры, представляющие собой соединение гальванометра с включенным параллельно ему малым сопротивлением, называемым шунтом (рис.2).

                                           рис.2

При разветвлении цепи большая часть тока I течет через шунт и лишь небольшая доля - через гальванометр.

     Рассчитаем сопротивление шунта для гальванометра, используемого в качестве амперметра. Пусть необходимо расширить пределы измерений гальванометра по току в n раз, т.е. . Поскольку шунт и гальванометр включены параллельно, падение напряжения на них одинаково. Исходя из этого, имеем:

.                 (7)

Отсюда                         .           (8)

Сила тока через гальванометр I_г много меньше силы тока в общей цепи I, но прямо пропорциональна последней. Пользуясь этой пропорциональностью, можно отградуировать шкалу гальванометра непосредственно в значениях силы тока и применять его в качестве амперметра.  

     Включая последовательно с гальванометром очень большое добавочное сопротивление R_д >> R_г, можно уменьшить проходящий через прибор ток и использовать прибор, как вольтметр. Вольтметр включается параллельно участку цепи, на котором измеряется падение напряжения U. (рис. 3)       

По закону Ома сила тока, идущего через гальванометр прямо пропорционален напряжению U на участке: 

,                                         (9)

Пользуясь этой пропорциональностью, можно отградуировать шкалу гальванометра, используемого в качестве вольтметра.

     Пусть необходимо расширить пределы измерений гальванометра по напряжению в n раз, т.е. . Поскольку добавочное сопротивление R_д включается последовательно с гальванометром, через прибор и сопротивление будет идти один и тот же ток:

,                                   (10)

тогда:                                     (11)

Таким образом, для расширения предела измерений напряжения в n раз добавочное сопротивление должно быть в n-1 раз больше сопротивления гальванометра. Так же поступают в тех случаях, когда возникает необходимость увеличить верхний предел измерений, имеющихся в распоряжении экспериментатора амперметров (или милливольтметров, миллиамперметров).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

     В данной работе предлагается использовать прибор магнито- электрической системы - гальванометр для измерений силы тока и напряжения

УПРАЖНЕНИЕ 1: Шунтирование гальванометра.

     1. Рассчитать сопротивление шунта к гальванометру для измерения силы тока I = 10, 15, 20 мА  (по заданию преподавателя). Найти цену деления прибора, соответствующей выбранной силе тока I.

     2. Выбрать из имеющихся в наличии шунтов необходимый и проверить правильность расчета и выбора R_Ш путем сравнения показания изготовленного амперметра с показаниями контрольного прибора. Для этого собрать цепь, представленную на рис. 4 и провести указанные ниже измерения.

     3. Убедиться, что рукоятка регулятора напряжения источника стоит в крайнем левом положении, и замкнуть цепь ключом К.

     4. Увеличивая ток в цепи, получить отклонения стрелки гальванометра на одно, два, три … и т. д. делений шкалы. При этом записать показания контрольного миллиамперметра и показания гальванометра в таблицу 1.

рис. 4

 таблица.1

ПРИМЕЧАНИЕ: На практике оказывается, что опытная цена деления шунтированного прибора не совпадает с расчетной ценой деления. Это происходит вследствие неточности изготовления шунта, а так же не учета сопротивления проводов, соединяющих шунт с прибором.

5. Построить градуировочный график шунтированного прибора, определить цену деления шкалы прибора.

6. Найти погрешность измерения силы тока и указать на графике доверительный интервал.

УПРАЖНЕНИЕ 2.

Использование гальванометра для измерения напряжения.

1. Рассчитать добавочное сопротивление гальванометра для измерения напряжения U = 45, 60, 90 В (по заданию преподавателя). Найти заданную цену деления.

2. Собрать цепь (рис. 6), используя в качестве добавочного сопротивления магазин сопротивлений.

3. Установить расчетное добавочное сопротивление.

     4. Плавно увеличивая напряжение, получить отклонение стрелки гальванометра на одно, два, …. делений. При этом показания контрольного вольтметра и гальванометра занести в таблицу.2

5. Построить градуировочный график в координатах U_контр. -N по описанному в упражнении 1 методу и определить цену деления прибора.

     6. Определить погрешность измерения напряжения и указать на графике доверительный интервал.

таблица. 2

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На каком физическом принципе основана работа приборов магнитоэлектрической системы?

2. Какова роль металлического цилиндра, помещенного между полюсами магнита?

3. Выражение (8) для расчета сопротивления шунта получите с помощью правил Кирхгофа.

4. Можно ли прибором магнитоэлектрической системы измерить силу тока и напряжение в цепях переменного тока?

6. Почему в приборе магнитоэлектрической системы шкала равномерная?

7. Укажите достоинства и недостатки приборов магнитоэлектрической системы.

Р А Б О Т А № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ

ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Цель работы: исследование зависимости полезной мощности и коэффициента полезного действия источника тока при различных режимах его работы.

Приборы и принадлежности: амперметр, вольтметр, переменное сопротивление, ключи, соединительные провода, источник тока.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

     Распространенными источниками постоянного тока являются гальванические элементы и аккумуляторы.

     Если два различных металла погружены в водный кислотный или щелочной раствор, то между ними возникает разность потенциалов, равная разности их электрохимических потенциалов. Например, если цинковую пластинку опустить в раствор серной кислоты, то цинк растворяется. Однако в раствор уходят не нейтральные атомы цинка, а положительные ионы Zn⁺⁺, в результате чего раствор заряжается положительно, а цинковая пластинка – отрицательно. При этом между раствором и пластинкой возникает разность потенциалов. При различных комбинациях металлов, жидкостей и концентраций ионов в растворах могут возникнуть различные электрохимические потенциалы.

     Совокупность двух металлов и водного раствора кислоты или щелочи называют гальваническим элементом.

     Гальванический элемент, в котором вещества, расходуемые при работе в качестве источника тока, накапливаются при пропускании через него тока от постоянного источника (например, от выпрямителя), называют аккумулятором. Такую процедуру называют зарядкой аккумулятора.

     Наиболее распространенными являются кислотные (свинцовые) и щелочные (железно – никелевые) аккумуляторы.

     Источниками тока (точнее: источниками электрической энергии) создается стационарное электрическое поле сторонних сил, т. е. сил не электростатического происхождения. В гальванических элементах и аккумуляторах сторонние силы имеют химическую природу. Они могут быть так же механическими, электрическими (но не электростатическими), которые возникают по закону электромагнитной индукции Фарадея.

     Электростатическое кулоновское поле не может создать постоянного электрического тока в цепи, т.к. оно является потенциальным и его работа по замкнутому контуру равна нулю. Для существования тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках.

     Характеристикой источника тока является его электродвижущая сила (ЭДС). Численно она равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного, положительного заряда по всему контуру, обтекаемому током.

     Полезной мощностью называют мощность, развиваемую источником тока во внешнем участке цепи:

Р_a=IU=I²R,                                             (1)

где R - сопротивление внешнего участка цепи

По закону Ома:

                                  ,                                          (2)

 так что:                     ,                                   (3)

где r – сопротивление источника тока (внутреннее сопротивление);

ε– электродвижущая сила (ЭДС) источника.

     ЭДС источника тока приближенно можно измерить, подключив к нему вольтметр, сопротивление которого значительно больше внутреннего сопротивления источника.

     Действительно, закон Ома (2) дает выражение:

где  - напряжение на вольтметре. Если R >> r, то .

     Как видно из выражения (3), при ε=соnst и r =const полезная мощность является функцией только сопротивления внешней цепи R, т.е. Р_а=Р_а(R). Из выражения (3) следует, что Р_а=0 как при R=0 (режим короткого замыкания), так и при R=∞ (режим разомкнутой цепи). При конечном значении R полезная мощность Р_а> 0. Поэтому функция Р_а(R) при некотором значении R=R_max проходит через максимальное значение P_max.

Исследуя функцию P_a(R) на экстремум, можно найти, что R_max= r. (Нужно взять производную по R от правой части выражения (3), приравнять результат нулю и найти значение R = R_max, при котором

 Р_а = P_max)

     Таким образом, максимальная полезная мощность источника наблюдается при равенстве внешнего сопротивления цепи сопротивлению источника. Максимальная мощность, как следует из (3),

.

     Важной характеристикой режима работы источника является также коэффициент полезного действия (КПД) h - отношение полезной мощности к мощности, выделенной источником во всех участках цепи:

                       (4)

Поскольку всегда U £ E, то h £ 1. Выражение (4) можно представить так:

Отсюда видно, что максимальная полезная мощность, наблюдаемая при R=r, не соответствует наибольшему КПД. При максимальной мощности (P_max) коэффициент полезного действия h=0,5. С увеличением R КПД возрастает, стремясь к 1 при R® ¥. Однако при R® ¥  полезная мощность Р_а=I²R ®0, т.к. сила тока в цепи стремится к нулю. Поэтому, с практической точки зрения, условие получения максимального значения h интереса не представляет.

Полная мощность источника: 

                      (6)

Максимальна при токе короткого замыкания (R=0). Полезная же мощность при этом, как отмечалось выше, равна нулю. Поэтому режим короткого замыкания не только не вреден для источника, но и бесполезен. Графически зависимости Р_а, h  и Р от R, выраженные в(3), (5) и (6) представлены на рис.2.

На практике обычно пользуются зависимостями Р_а, h и P от силы тока:

Р_а = P-P_i = EI - r I²                                       (7)

                                                                            (8)

P =e I                                                        (9)

                                    рис. 2

Графически зависимости (7), (8) и (9) представлены на рис.3, из которого также следует, что условия получения наибольшей полезной мощности и наибольшего КПД несовместимы.

рис. 3

В силовых электрических установках важнейшим требованием является обеспечение высокого КПД, что достигается, как следует из (5), при малом сопротивлении источника по сравнению с сопротивлением нагрузки. При этом мощность P_i, выделяемая внутри источника, мала по сравнению с полезной мощностью.

     В случае короткого замыкания, как было отмечено выше, Р_а=0 и вся мощность выделяется внутри источника. Это может привести к перегреву внутренних частей источника и выходу его из строя. Поэтому короткие замыкания мощных источников недопустимы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

     В качестве источника постоянного тока в данной работе используется сухой гальванический элемент, либо щелочной аккумулятор (по указанию преподавателя). В сухом элементе (рис 4), имеющем широкое применение, вместо жидкого электролита, используется крахмалистая масса М консистенции густого клейстера, содержащая нашатырь. Сверху элемент заливается слоем смолы N, препятствующим выпадению массы при опрокидывании элемента и предохраняющим его от быстрого высыхания. Угольный электрод С имеет вид стерженька, а цинковый электрод Z_n образует корпус элемента. Подобным образом устроены различного рода малогабаритные батарейки, получившие широкое применение.

рис.4

     В данной работе используется щелочной аккумулятор. В щелочном железоникелевом аккумуляторе положительным электродом является порошкообразное железо, а отрицательным – оксид никеля. Электролитом служит раствор гидроксида калия КОН (20%).
ЭДС аккумулятора 1,13-1,4 В.

     Схема используемой в работе цепи представлена на рис. 4, где переменным сопротивлением R служит магазин сопротивлений.

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

1. Собрать цепь по схеме (рис.5).

2. Замкнуть ключ К_v и записать показания вольтметра. Полученное значение напряжения приближенно можно считать равным ЭДС источника e.

3. При наибольшем сопротивлении R (R≈R_mA+R_{маг.сопр.}) замкнуть ключи К_А и К_V,  записать в таблицу показания амперметра  и вольтметра. Уменьшая последовательно сопротивление R и снимая каждый раз показания приборов, довести силу тока до максимального значения (не допускается короткого замыкания). Снять при этом не менее 10 раз показания приборов.

РЕКОМЕДАЦИЯ: Не отвлекайтесь при снятии показаний приборов. Стремитесь сократить время работы источника, особенно при максимальных токах: после очередного опыта в первую очередь размыкайте цепь амперметра (внешнюю цепь). Это сведет к минимуму уменьшение ЭДС источника в процессе опытов и обеспечит  данным лучшее соответствие теоретическим зависимостям.

рис.5

     4. Используя полученные данные силы тока I и напряжение U, найти и записать в таблицу соответствующие значения Р_а и h.

  5. Построить совмещенные графики зависимостей Р_а(I), h(I).

     6. Оценить приборную погрешность амперметра и вольтметра. Вычислить погрешность косвенных измерений Р_а и указать полученные доверительные интервалы на графике.

     7. По графику определить:

а) Максимально полезную мощность источника;

б) КПД источника при максимально полезной мощности;

в) Сопротивление внешнего участка цепи при максимально полезной мощности;

г) Сопротивление источника;

таблица:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется полезной мощностью, ЭДС и КПД источника?

2.При каких условиях можно с помощью вольтметра определить ЭДС источника?

3.При каком условии полезная мощность источника максимальна? Ответ обоснуйте.

4.Чему равно внутреннее сопротивление источника тока, которое использовали в данной работе?

5.От каких величин и как зависит КПД источника?

6.Приведите примеры сторонних сил различной природы, действующих в известных источниках тока.

Лабораторная работа № 6