Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока thumbnail

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ:

Статья 34 - Картинка 1 , (1)

I- сила тока в цепи; Е- электродвижущая сила источника тока, включённого в цепь; R- сопротивление внешней цепи; r- внутреннее сопротивление источника тока.

МОЩНОСТЬ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ ВО ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ

Статья 34 - Картинка 2. (2)

Из формулы (2) видно, что при коротком замыкании цепи (R®0) и при R®Статья 34 - Картинка 3эта мощность равна нулю. При всех других конечных значениях Rмощность Р1> 0. Следовательно, функция Р1 имеет максимум. Значение R0, соответствующее максимальной мощности, можно получить, дифференцируя Р1 по R и приравнивая первую производную к нулю:

Статья 34 - Картинка 4 . (3)

Из формулы (3), с учётом того, что R и r всегда положительны, а Е ? 0, после несложных алгебраических преобразований получим:

R0 = r. (4)

Следовательно, мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения при сопротивлении внешней цепи равном внутреннему сопротивлению источника тока.

При этом сила тока в цепи Статья 34 - Картинка 5 (5)

равна половине тока короткого замыкания. При этом мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает своего максимального значения, равного

Статья 34 - Картинка 6. (6)

Когда источник замкнут на внешнее сопротивление, то ток протекает и внутри источника и при этом на внутреннем сопротивлении источника выделяется некоторое количество тепла. Мощность, затрачиваемая на выделение этого тепла равна

Статья 34 - Картинка 7 . Статья 34 - Картинка 8 (7)

Следовательно, полная мощность, выделяемая во всей цепи , определится формулой

Статья 34 - Картинка 9= I2(R+r) = IE (8)

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ источника тока равен Статья 34 - Картинка 10. (9)

Из формулы (8) следует, что

Статья 34 - Картинка 11, (10)

т.е. Р1 изменяется с изменением силы тока в цепи по параболическому закону и принимает нулевые значения при I = 0 и при Статья 34 - Картинка 12. Первое значение соответствует разомкнутой цепи ( R>> r ), второе – короткому замыканию ( R<< r). Зависимость к.п.д. от силы тока в цепи с учётом формул (8), (9), (10) примет вид

Статья 34 - Картинка 13 (11)

Таким образом, к.п.д. достигает наибольшего значения h =1 в случае разомкнутой цепи ( I = 0), а затем уменьшается по линейному закону, обращаясь в нуль при коротком замыкании.

Зависимость мощностей Р1, Рполн = EI и к.п.д. источника тока от силы тока в цепи показаны на рис.1.

Статья 34 - Картинка 14Статья 34 - Картинка 15

Рис.1. I0 E/r

Из графиков видно, что получить одновременно полезную мощность и к.п.д. невозможно. Когда мощность, выделяемая на внешнем участке цепи Р1, достигает наибольшего значения, к.п.д. в этот момент равен 50%.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Статья 34 - Картинка 16

Рис. 2.

Соберите на экране цепь, показанную на рис. 2. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой Статья 34 - Картинка 17 э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник э.д.с.

Разместите далее последовательно с источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку Статья 34 - Картинка 18 в нижней части экрана) и амперметр (кнопка Статья 34 - Картинка 19 там же). Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр Статья 34 - Картинка 20, измеряющий напряжение на нагрузке.

Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода Статья 34 - Картинка 21 внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в местах рабочей зоны экрана, где должны находиться соединительные провода.

4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой Статья 34 - Картинка 22. Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, обозначенное в таблице 1 для вашего варианта.

Таблица 1. Исходные параметры электрической цепи

Номер

варианта

1

2

3

4

5

6

7

8

Е, В

10,0

9,5

9,0

8,5

8,0

8,5

9,0

9,5

r, Ом

4,8

5,7

6,6

7,5

6,4

7,3

8,2

9,1

5. Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Счёт» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.

6. Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.

7. Вычислите по формулам (2), (7), (8), (9) Р1, Р2, Рполн и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в табл.2.

8. Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P1 = f(R), P2 = f(R), Pполн=f(R), h = f (R) и U = f(R).

9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.

Таблица 2. Результаты измерений и расчётов

R, Ом

2,0

2,5

3,0

20

U, В

I, А

P1, Вт

P2, ВТ

Pполн, ВТ

h

Читайте также:  Юнивит для детей полезно или нет

Вопросы и задания для самоконтроля

  1. Запишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.
  2. Что такое ток короткого замыкания?
  3. Что такое полная мощность?
  4. Как вычисляется к.п.д. источника тока?
  5. Докажите, что наибольшая полезная мощность выделяется при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений цепи.
  6. Верно ли утверждение, что мощность, выделяемая во внутренней части цепи, постоянна для данного источника?
  7. К зажимам батарейки карманного фонаря присоединили вольтметр, который показал 3,5 В.
  8. Затем вольтметр отсоединили и на его место подключили лампу, на цоколе которой было написано: Р=30 Вт, U=3,5 В. Лампа не горела.
  9. Объясните явление.
  10. При поочерёдном замыкании аккумулятора на сопротивления R1 и R2 в них за одно и то же время выделилось равное количество тепла. Определите внутреннее сопротивление аккумулятора.

Источник

Рассмотрим
электрическую цепь, состоящую из
источника постоянного тока и внешнего
сопротивления R
(рис. 1). При протекании тока через
такую цепь источником ЭДС выполняется
работа и в цепи выделяется мощность.

ПЗависимость полезной мощности и кпд от силы токаолезной
мощностью называют
мощность, которая выделяется на внешнем
сопротивлении. Из закона Джоуля-Ленца
(10*) полезная
мощность равняется
Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока,
а из закона Ома для участка цепиЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока.
Тогда полезная мощность будет

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока,

(1)

где
Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока– падение напряжения на внешнем
сопротивлении. При протекании тока по
цепи также выделяется „бесполезная”
мощность – разогревается источник ЭДС.
По закону Джоуля-Ленца эта мощность
равняетсяЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока.
Полная мощность, которая выделяется во
всей цепи, равняетсяЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока.
Используя закон Ома для полной цепиЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока,
можно найти полную мощность

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

(2)

ИЗависимость полезной мощности и кпд от силы токатак,
полная мощность, которая выделяется в
цепи, равняется произведению силы тока
на ЭДС источника тока.

Пусть
в цепи можно менять внешнее сопротивление
Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.
Проанализируем, как полезная и полная
мощности зависят от силы тока и внешнего
сопротивления.

Полезная
мощность

равняется разности между полной мощностью
и „бесполезной”:

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

(3)

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока

Рис. 2

Из этого
выражения видно, что полезная мощность
является квадратичной функцией силы
тока I.
График этой функции будет представлять
собой параболу (рис. 2).

Из рис. 2
вытекает, что
Зависимость полезной мощности и кпд от силы токав двух случаях:

  • когда
    цепь разомкнута (R = ∞),
    то сила тока в цепи I = 0;

  • когда
    возникло короткое заключение, при этом
    R = 0,
    а сила тока в цепи будет максимальной
    Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

Меняя
величину внешнего сопротивления, можно
достичь некоторого значения силы тока
в цепи, при котором полезная мощность
будет максимальной. Найдем этот ток.
Для этого найдем первую производную
Зависимость полезной мощности и кпд от силы токаи приравняем ее нулю. Из выражения (3)
имеем:

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

(4)

Отсюда
вытекает

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока,

(5)

а ток
Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока,
при котором выделяется максимальная
полезная мощность, равняетсяЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока.
С другой стороны, на основании закона
Ома для полной цепиЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока,
гдеЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока– сопротивление, при котором выделяется
максимальная полезная мощность.
Приравнивая два последних выраженияЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока,
находим, что

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

(6)

Таким
образом, полезная
мощность будет максимальной при условии
равенства внешнего и внутреннего
сопротивлений
.

Зависимость
полезной мощности от внешнего сопротивления
можно найти из закона
Джоуля-Ленца
Зависимость полезной мощности и кпд от силы токаи закона Ома для полной цепиЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

(7)

График
зависимости
Зависимость полезной мощности и кпд от силы токапоказан на рис. 3 (криваяб).
Максимум функции
Зависимость полезной мощности и кпд от силы токаможно найти, приравниваяЗависимость полезной мощности и кпд от силы токанулю

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

(8)

Из
(8) также вытекает ожидаемое равенство
Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

Зависимость полезной мощности и кпд от силы токаЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока

а
– полная мощность

б
– корисна потужність

Рис.
3

Рассмотрим
теперь, как полная мощность
зависит от внешнего сопротивления.
Используя выражение (2) и закон Ома для
полной цепи
Зависимость полезной мощности и кпд от силы токанаходим зависимость полной мощности
от внешнего сопротивления:

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.
(9)

График этой
зависимости показана на рис. 3 (кривая
а). При
изменении внешнего сопротивления от
нуля (короткое заключение) до бесконечности
(цепь разомкнута) полная мощность будет
убывать от максимального значения
Зависимость полезной мощности и кпд от силы токадо нуля.

    1. Зависимость
      коэффициента полезного действия
      источника электрического тока от силы
      тока и внешнего сопротивления цепи

КЗависимость полезной мощности и кпд от силы токаоэффициент
полезного действия
(КПД) равняется отношению полезной
мощности (1) к полной мощности (2), которая
выделяется во всей цепи

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока

(10)

СЗависимость полезной мощности и кпд от силы токаначала
найдем зависимость КПД
от силы тока
. Если
разделить выражение (3) для полезной
мощности на выражение (1) для полной
мощности, получим

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока
(11)

ИЗависимость полезной мощности и кпд от силы токатак,
КПД представляет собой линейную функцию
от силы тока (рис. 4). Когда I → 0
(цепь разомкнут), то
Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.
При коротком заключенииЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока,
ток короткого заключения

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока

(12)

и
КПД будет
Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

Чтобы найти
зависимость КПД от
внешнего сопротивления
,
подставим в (9) выражение для
Зависимость полезной мощности и кпд от силы токаиз закона Ома для участки цепиЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока,
а выражение дляЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока– из закона Ома для полной цепиЗависимость полезной мощности и кпд от силы тока.
Тогда

Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

(13)

Из соотношения (13)
вытекает:

  • при
    R® 0
    (короткое заключение,
    Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока)Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока;

  • при
    R® ¥
    ( цепь разомкнут,
    Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока)Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока;

  • при
    R = r
    (условие максимума полезной мощности)
    Зависимость полезной мощности и кпд от силы тока.

Читайте также:  Полезная информация для всех на каждый день

Приведенный
анализ показывает, что при увеличении
внешнего сопротивления КПД асимптотично
приближается к единице (рис. 5).

Соседние файлы в папке doc-формат

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Источник

Отчёт

Лабораторная работа

Выполнил: Волков К.В. ГГ11-07

Проверил: Байкалова С.И

Красноярск 2012г.

Цель работы:Изучить зависимость полной мощности источника , полезной мощности , КПД источника от величины силы тока в цепи и сопротивления нагрузки , а также определить ЭДС источника и его внутреннее сопротивление .

Оборудование: Источник тока, реостат, амперметр, вольтметр.

Теоретическое введение:

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц: положительных от большего потенциала к меньшему в направлении поля (от плюса к минусу), отрицательных – против поля (от минуса к плюсу). За положительное направление тока условно принято направление движения положительных зарядов. Необходимыми условиями существования тока являются:

1. Наличие свободных зарядов;

2. Наличие внешнего электрического поля;

3. Наличие источника тока, который за счет работы сторонних сил поддерживает поле в проводнике.

Ток – скалярная величина, равная отношению заряда, переносимого через поперечное сечение проводника, ко времени переноса:

(1)

Сторонними силами называются силы не электростатической природы. Они перемещают положительный заряд на таких участках замкнутой цепи, где он движется в сторону возрастания потенциала, против сил электростатического поля. Примерами источников сторонних сил являются химические реакции в гальванических элементах, механическое движение гидротурбины и др. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником тока.

ЭДС источника тока, действующая в цепи или на ее участке, есть физическая величина, равная работе сторонних сил, отнесенной к единице положительного заряда:

(2)

Для расчета силы тока используют законы Ома.

Закон Ома для однородного участка цепи (не содержащего источника сторонних сил) выражается формулой:

, (3)

где — напряжение на концах участка, ; — сопротивление участка.

Закон Ома для неоднородного участка цепи (содержащего источник сторонних сил) характеризуется формулой:

, (4)

где — внутреннее сопротивление источника .

Закон Ома для замкнутой цепи (когда разность потенциалов равна нулю) определяется формулой:

(5)

На рис. 1 приводится схема электрической цепи, используемой в данной работе, со следующими обозначениями: — источник тока; — переключатель; — амперметр, обладающий очень малым сопротивлением; — вольтметр с очень большим внутренним сопротивлением. Приближенно считают, что мощность выделяется только на сопротивлении нагрузки и внутри источника с сопротивлением .

В случае, когда проводники, образующие цепь, неподвижны и ток является постоянным, работа сторонних сил полностью расходуется на нагревании проводников.

Полезную мощность , выделяющуюся во внешней цепи, находят по формуле:

(6)

Полная мощность источника тока равна сумме мощностей, выделяющихся во всей цепи:

(7)

Коэффициент полезного действия равен отношению полезной мощности к полной мощности источника тока :

(8)

В зависимости от величины сопротивления внешней цепи рассматривают три основных режима:

1. Режим холостого хода, когда цепь разомкнута, , при этом , , , ;

2. Режим короткого замыкания, когда внешнее сопротивление . В этом случае мы наблюдаем максимальное значение силы тока:

; ; ; ; ;

3. режим выделения максимальной мощности во внешней цепи, когда сопротивление внешней цепи равно сопротивлению источника тока (режим согласованной нагрузки):

Так как полезная мощность равна , то, исследуя эту функцию на экстремум , получаем, что максимальная полезная мощность будет тогда, когда значение внешнего сопротивления будет равно внутреннему сопротивлению . В этом случае сила тока в цепи, падение напряжения на внешней нагрузке, полная, полезная мощности и КПД источника тока будут , соответственно равны

; ; ; ; .

Зависимости , , от и при и показаны на рис. 2 и 3.

Ход работы:

1. Определить цену одного деления амперметра и вольтметра.

V=0.5В; А=0.02А

2. Измерить при разомкнутом ключе ЭДС источника .

=30.5В

3. Замкнуть ключ и путем изменения сопротивления реостата произвести отсчет силы тока и напряжения равномерно по всему диапазону изменения силы тока от нуля до максимального значения (не менее 10 – 15 измерений).

4. Произвести расчет , , для всех измеренных значений силы тока и напряжения . Вычислить внутренние сопротивление источника тока .

5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

Номер измерения
 

 
,Ом
 
,Вт
 
,Вт
 
 
0,7 21,5 30,71 15,1 21.35 0.705
0,86 18,6 13,76 26.23 0.525
30,5 0.426
1,4 6,43 12,6 42.7 0.295
0.131

Ом, В.

Вывод: Определили зависимость полной мощности источника , полезной мощности , КПД источника от величины силы тока в цепи и сопротивления нагрузки , а также научились определять ЭДС источника и его внутреннее сопротивление.

Читайте также:  Чем полезно ядро из косточки абрикоса

Источник

Мощность, развиваемая источником тока во всей цепи, называется полной мощностью.

Она определяется по формуле

 где Pоб-полная мощность, развиваемая источником тока во всей цепи, вт;

Е- э. д. с. источника, в;

I-величина тока в цепи, а.

В общем виде электрическая цепь состоит из внешнего участка (нагрузки) с сопротивлением R и внутреннего участка с сопротивлением R0 (сопротивлением источника тока).

 Заменяя в выражении полной мощности величину э. д. с. через напряжения на участках цепи, получим

 

 Величина UI соответствует мощности, развиваемой на внешнем участке цепи (нагрузке), и называется полезной мощностью  Pпол=UI.

Величина UoI соответствует мощности, бесполезно расходуемой внутри источника, Ее называют мощностью потерь Po=UoI.

Таким образом, полная мощность равна сумме полезной мощности и мощности потерь Pоб=Pпол+P0.

 Отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой источником, называется коэффициентом полезного действия, сокращенно к. п. д.,и обозначается η.

Из определения следует

При любых условиях коэффициент полезного действия η ≤ 1.

Если выразить мощности через величину тока и сопротивления участков цепи, получим

 Таким образом, к. п. д. зависит от соотношения между внутренним сопротивлением источника и сопротивлением потребителя.

Обычно электрический к. п. д. принято выражать в процентах.

Для практической электротехники особый интерес представляют два вопроса:

1. Условие получения наибольшей полезной мощности

2. Условие получения наибольшего к. п. д.

Наибольшую полезную мощность( мощность на нагрузке) электрический ток  развивает в том случае, если сопротивление нагрузки равно сопротивлению источника тока.

Эта наибольшая мощность равна половине всей мощности (50%) развиваемой источником тока во всей цепи.

Половина мощности развивается на нагрузке и половина развивается на внутреннем сопротивлении источника тока.

Если будем уменьшать сопротивление нагрузки, то мощность развиваемая на нагрузке будет уменьшаться а мощность развиваемая на внутреннем сопротивлении источника тока будет увеличиваться.

Если сопротивление нагрузки равно нулю то ток в цепи будет максимальным, это режим короткого замыкания (КЗ). Почти вся мощность будет развивается на внутреннем сопротивлении источника тока. Этот режим опасен для источника тока а также для всей цепи.

Если сопротивление нагрузки будем увеличивать, то ток в цепи будет уменьшатся, мощность на нагрузке также будет уменьшатся. При очень большом сопротивлении нагрузки тока в цепи вообще не будет. Это сопротивление называется бесконечно большим. Если цепь разомкнута то ее сопротивление бесконечно большое. Такой режим называется режимом холостого хода.

  Таким образом, в режимах, близких к короткому замыканию и к холостому ходу, полезная мощность мала в первом случае за счет малой величины напряжения, а во втором за счет малой величины тока.

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) равен 100% при холостом ходе ( в этом случае полезная мощность не выделяется, но в то же время и не затрачивается мощность источника).

По мере увеличения тока нагрузки  к. п. д. уменьшается по прямолинейному закону.

В режиме короткого замыкания к. п. д. равен нулю ( полезной мощности нет, а мощность развиваемая источником, полностью расходуется внутри него).

Подводя итоги вышеизложенному, можно сделать выводы.

Условие получения максимальной полезной мощности( R=R0) и условие получения максимального к. п. д. (R=∞) не совпадают. Более того, при получении от источника максимальной полезной мощности ( режим согласованной нагрузки) к. п. д.составляет 50%, т.е. половина развиваемой  источником мощности бесполезно затрачивается внутри него.

В мощных электрических установках режим согласованной нагрузки является неприемлемым, так как при этом происходит бесполезная затрата больших мощностей. Поэтому для электрических станций и подстанций режимы работы генераторов, трансформаторов, выпрямителей рассчитываются так, чтобы обеспечивался высокий к. п. д. ( 90% и более).

Иначе обстоит дело в технике слабых токов. Возьмем, например, телефонный аппарат. При разговоре перед микрофоном в схеме аппарата создается электрический сигнал мощностью около 2 мвт. Очевидно, что для получения наибольшей дальности связи необходимо передать в линию как можно большую мощность, а для этого требуется выполнить режим согласованного включения нагрузки. Имеет ли в данном случае существенное значение к. п. д.? Конечно нет, так как  потери энергии исчисляются долями или единицами милливатт.

Режим согласованной нагрузки применяется в радиоаппаратуре. В том случае, когда согласованный режим при непосредственном соединении генератора и нагрузки не обеспечивается, применяют меры согласования их сопротивлений.

Источник