Потужність, що розвивається джерелом струму у всьому ланцюгу, називається повною потужністю.

Вона визначається за формулою

Таким чином, к. п. д. залежить від співвідношення між внутрішнім опором джерела та опором споживача.

Зазвичай електричний к. п. д. прийнято виражати у відсотках.

Для практичної електротехніки особливий інтерес становлять два питання:

1. Умова отримання найбільшої корисної потужності

2. Умова отримання найбільшого к. п. д.

Умови отримання найбільшої корисної потужності (потужності в навантаженні)

Найбільшу корисну потужність (потужність на навантаженні) електричний струм розвиває в тому випадку, якщо опір навантаження дорівнює опору джерела струму.

Ця найбільша потужність дорівнює половині всієї потужності (50%) джерелом струму, що розвивається, у всьому ланцюгу.

Половина потужності розвивається на навантаженні і половина розвивається на внутрішньому опорі джерела струму.

Якщо будемо зменшувати опір навантаження, то потужність, що розвивається на навантаженні буде зменшуватися, а потужність розвивається на внутрішньому опорі джерела струму буде збільшуватися.

Якщо опір навантаження дорівнює нулю то струм у ланцюзі буде максимальним, це режим короткого замикання (КЗ) . Майже вся потужність розвивається на внутрішньому опорі джерела струму. Цей режим небезпечний для джерела струму і для всього ланцюга.

Якщо опір навантаження будемо збільшувати, то струм в ланцюзі буде зменшаться, потужність навантаження також буде зменшуватися. При дуже великому опорі навантаження струму ланцюга взагалі буде. Цей опір називається нескінченно великим. Якщо ланцюг розімкнуто, то його опір нескінченно великий. Такий режим називається режимом холостого ходу

Таким чином, в режимах, близьких до короткого замикання і холостого ходу, корисна потужність мала в першому випадку за рахунок малої величини напруги, а в другому за рахунок малої величини струму.

Умова отримання найбільшого к. п. д. коефіцієнта корисної дії

Коефіцієнт корисної дії (к. п. д.) дорівнює 100% при неодруженому ході (у цьому випадку корисна потужність не виділяється, але в той же час і не витрачається потужність джерела).

У міру збільшення струму навантаження к. п. д. зменшується прямолінійним законом.

У режимі короткого замикання к. п. д. дорівнює нулю (корисної потужності немає, а потужність джерела, що розвивається, повністю витрачається всередині нього).

Підсумовуючи вищевикладене, можна зробити висновки.

Умова отримання максимальної корисної потужності (R=R 0) та умова отримання максимального к. п. д. (R=∞) не збігаються. Більше того, при отриманні від джерела максимальної корисної потужності (режим узгодженого навантаження) к. п. д. становить 50%, тобто. половина потужності, що розвивається, марно витрачається всередині нього.

У потужних електричних установках режим узгодженого навантаження є неприйнятним, тому що при цьому відбувається марна витрата великих потужностей. Тому для електричних станцій та підстанцій режими роботи генераторів, трансформаторів, випрямлячів розраховуються так, щоб забезпечувався високий к. п. д. (90% і більше).

Інакше справа в техніці слабких струмів. Візьмемо, наприклад, телефон. Під час розмови перед мікрофоном у схемі апарату створюється електричний сигнал потужністю близько 2 мВт. Очевидно, що для отримання найбільшої дальності зв'язку необхідно передати в лінію якомога більшу потужність, а для цього потрібно виконати режим узгодженого навантаження. Чи має в даному випадку важливе значення к. п. д.? Звичайно ні, оскільки втрати енергії обчислюються частками або одиницями мілліват.

Режим узгодженого навантаження застосовується у радіоапаратурі. У разі, коли узгоджений режим при безпосередньому з'єднанні генератора і навантаження не забезпечується, застосовують заходи узгодження їх опорів.

Потужність, що розвивається джерелом струму у всьому ланцюгу, називається повною потужністю.

Вона визначається за формулою

де P про -повна потужність, що розвивається джерелом струму у всьому ланцюзі, вт;

Е-е. д. с. джерела, в;

I-величина струму в ланцюзі, а.

У загальному вигляді електричний ланцюг складається із зовнішньої ділянки (навантаження) із опором Rта внутрішньої ділянки з опором R 0(Опір джерела струму).

Замінюючи у вираженні повної потужності величину е. д. с. через напруги на ділянках ланцюга, отримаємо

Величина UIвідповідає потужності, що розвивається на зовнішній ділянці ланцюга (навантаженні), і називається корисною потужністю P підлога =UI.

Величина U o Iвідповідає потужності, яка марно витрачається всередині джерела, Її називають потужністю втрат P o =U o I.

Таким чином, повна потужність дорівнює сумі корисної потужності та потужності втрат P про = P підлогу + P 0.

Відношення корисної потужності до повної потужності, що розвивається джерелом, називається коефіцієнтом корисної дії, скорочено к. п. д. і позначається η.

З визначення випливає

За будь-яких умов коефіцієнт корисної дії η ≤ 1.

Якщо виразити потужності через величину струму та опору ділянок ланцюга, отримаємо

Таким чином, к. п. д. залежить від співвідношення між внутрішнім опором джерела та опором споживача.

Зазвичай електричний к. п. д. прийнято виражати у відсотках.

Для практичної електротехніки особливий інтерес становлять два питання:

1. Умова отримання найбільшої корисної потужності

2. Умова отримання найбільшого к. п. д.

Умови отримання найбільшої корисної потужності (потужності в навантаженні)

Найбільшу корисну потужність (потужність на навантаженні) електричний струм розвиває в тому випадку, якщо опір навантаження дорівнює опору джерела струму.

Ця найбільша потужність дорівнює половині всієї потужності (50%) джерелом струму, що розвивається, у всьому ланцюгу.

Половина потужності розвивається на навантаженні і половина розвивається на внутрішньому опорі джерела струму.

Якщо будемо зменшувати опір навантаження, то потужність, що розвивається на навантаженні буде зменшуватися, а потужність розвивається на внутрішньому опорі джерела струму буде збільшуватися.

Якщо опір навантаження дорівнює нулю то струм у ланцюзі буде максимальним, це режим короткого замикання (КЗ) . Майже вся потужність розвивається на внутрішньому опорі джерела струму. Цей режим небезпечний для джерела струму і для всього ланцюга.

Якщо опір навантаження будемо збільшувати, то струм в ланцюзі буде зменшаться, потужність навантаження також буде зменшуватися. При дуже великому опорі навантаження струму ланцюга взагалі буде. Цей опір називається нескінченно великим. Якщо ланцюг розімкнуто, то його опір нескінченно великий. Такий режим називається режимом холостого ходу

Таким чином, в режимах, близьких до короткого замикання і холостого ходу, корисна потужність мала в першому випадку за рахунок малої величини напруги, а в другому за рахунок малої величини струму.

Умова отримання найбільшого к. п. д. коефіцієнта корисної дії

Коефіцієнт корисної дії (к. п. д.) дорівнює 100% при неодруженому ході (у цьому випадку корисна потужність не виділяється, але в той же час і не витрачається потужність джерела).

У міру збільшення струму навантаження к. п. д. зменшується прямолінійним законом.

У режимі короткого замикання к. п. д. дорівнює нулю (корисної потужності немає, а потужність джерела, що розвивається, повністю витрачається всередині нього).

Підсумовуючи вищевикладене, можна зробити висновки.

Умова отримання максимальної корисної потужності (R=R 0) та умова отримання максимального к. п. д. (R=∞) не збігаються. Більше того, при отриманні від джерела максимальної корисної потужності (режим узгодженого навантаження) к. п. д. становить 50%, тобто. половина потужності, що розвивається, марно витрачається всередині нього.

У потужних електричних установках режим узгодженого навантаження є неприйнятним, тому що при цьому відбувається марна витрата великих потужностей. Тому для електричних станцій та підстанцій режими роботи генераторів, трансформаторів, випрямлячів розраховуються так, щоб забезпечувався високий к. п. д. (90% і більше).

Інакше справа в техніці слабких струмів. Візьмемо, наприклад, телефон. Під час розмови перед мікрофоном у схемі апарату створюється електричний сигнал потужністю близько 2 мВт. Очевидно, що для отримання найбільшої дальності зв'язку необхідно передати в лінію якомога більшу потужність, а для цього потрібно виконати режим узгодженого навантаження. Чи має в даному випадку важливе значення к. п. д.? Звичайно ні, оскільки втрати енергії обчислюються частками або одиницями мілліват.

Режим узгодженого навантаження застосовується у радіоапаратурі. У разі, коли узгоджений режим при безпосередньому з'єднанні генератора і навантаження не забезпечується, застосовують заходи узгодження їх опорів.

В електричній чи електронній схемі є два типи елементів: пасивні та активні. Активний елемент здатний постійно подавати енергію в ланцюг - акумулятор, генератор. Пасивні елементи – резистори, конденсатори, котушки індуктивності, лише споживають енергію.

Що таке джерело струму

Джерело струму - це пристрій, що безперервно живить ланцюг електроенергією. Він може бути джерелом постійного струму та змінного. Акумулятори - це джерела постійного струму, а електророзетка - змінного.

Одна з найцікавіших характеристик джерел живлення– вони здатні перетворювати неелектричну енергію в електричну, наприклад:

• хімічну в батареях;
• механічну у генераторах;
• сонячну і т.д.

Електричні джерела поділяються на:

1. Незалежні;
2. Залежні (контрольовані), вихід яких залежить від напруги або струму в іншому місці схеми, який може бути постійним, або змінюється в часі. Використовуються як еквівалентні ІП для електронних пристроїв.

Коли говорять про закони ланцюга та аналіз, електричні ІП часто розглядаються як ідеальні, тобто теоретично здатні забезпечити нескінченну кількість енергії без втрат, маючи при цьому характеристики, представлені прямою лінією. Однак у реальних, чи практичних, джерелах завжди є внутрішній опір, що впливає їхній вихід.

Важливо!ІП можуть бути з'єднані паралельно тільки якщо мають однакове значення напруги. Послідовне з'єднання впливатиме на вихідний показник напруги.

Внутрішнє опір ІП представляється як послідовно з'єднане зі схемою.

Потужність джерела струму та внутрішній опір

Нехай розглядається проста схема, в якій акумулятор має ЕРС Е та внутрішній опір r і подає струм I на зовнішній резистор опором R. Зовнішній резистор може бути будь-яким активним навантаженням. Основною метою схеми є передача енергії від батареї до навантаження, де вона робить щось корисне, наприклад, йде на освітлення приміщення.

Можна вивести залежність корисної потужності від опору:

1. Еквівалентний опір схеми – R + r (опір навантаження включено послідовно із зовнішнім навантаженням);
2. Струм, що протікає в ланцюзі, визначатиметься виразом:

1. Вихідна потужність ЕРС:

Рвих. = E x I = E²/(R + r);

1. Потужність, що розсіюється як тепло, при внутрішньому опорі батареї:

Pr = I ² x r = E ² x r/(R + r) ²;

1. Потужність, що передається навантаженню:

P(R) = I? x R = E? x R/(R + r)²;

1. Рвих. = Pr + P(R).

Таким чином, частина вихідної енергії батареї відразу втрачається через розсіювання тепла на внутрішньому опорі.

Тепер можна побудувати графік залежності P(R) від R і з'ясувати, за якого навантаження корисна потужність набуде максимального значення. При аналізі функції на екстремум з'ясовується, що при збільшенні R монотонно зростатиме і P(R) до того пункту, коли R не зрівняється з r. У цій точці корисна потужність буде максимальною, а потім починає зменшуватися монотонно при подальшому збільшенні R.

P(R)max = E²/4r, коли R = r. У цьому I = E/2r.

Важливо!Це дуже значний результат у електротехніці. Передача енергії між джерелом живлення та зовнішнім навантаженням найбільш ефективна, коли опір навантаження відповідає внутрішньому опору джерела струму.

Якщо опір навантаження дуже великий, то струм, що протікає по ланцюгу малий, щоб передавати енергію на навантаження з помітною швидкістю. Якщо опір навантаження занадто низький, то більшість вихідний енергії розсіюється як тепло всередині самого ІП.

Ця умова отримала назву узгодження. Одним із прикладів відповідності опору джерела та зовнішнього навантаження є звуковий підсилювач та гучномовець. Вихідний імпеданс Zout підсилювача визначається від 4 до 8 Ом, а номінальний вхідний імпеданс динаміка Zin лише 8 Ом. Потім, якщо гучномовець 8 Ом буде підключений до виходу підсилювача, він бачитиме динамік як навантаження 8 Ом. Підключення двох гучномовців на 8 Ом паралельно один одному еквівалентно підсилювачу, що працює на одному гучномовці 4 Ом, та обидві конфігурації знаходяться в межах вихідних характеристик підсилювача.

ККД джерела струму

Під час роботи електричним струмом відбуваються перетворення енергії. Повна робота, що здійснюється джерелом, йде на енергоперетворення в усьому електричному контурі, а корисна – лише у приєднаному до ІП ланцюга.

Кількісна оцінка ККД джерела струму проводиться за значним показником, що визначає швидкість виконання роботи, – потужності:

Не всі вихідна потужність ІП використовується енергоспоживачем. Співвідношення спожитої енергії та виданої джерелом є формулою коефіцієнта корисної дії:

η = корисна потужність/вихідна потужність = Pпол./Рвих.

Важливо!Оскільки Pпол. практично в будь-якому випадку менше, ніж Рвих, не може бути більше 1.

Цю формулу можна перетворити, підставляючи вирази для потужностей:

1. Вихідна потужність джерела:

Рвих. = I x E = I x (R + r) x t;

1. Споживана енергія:

Рпол. = I x U = I ² x R x t;

1. Коефіцієнт:

η = Рпол./Рвих. = (I² x R x t)/(I² x (R + r) x t) = R/(R + r).

Тобто у джерела струму ККД визначається співвідношенням опорів: внутрішнього та навантажувального.

Часто показником ККД оперують у відсотках. Тоді формула набуде вигляду:

η = R/(R + r) x 100%.

З отриманого виразу видно, що за дотримання умови узгодження (R = r) коефіцієнт η = (R/2 x R) х 100% = 50%. Коли енергія, що передається, найбільш ефективна, ККД самого ІП виявляється рівним всього 50%.

Користуючись цим коефіцієнтом, оцінюють ефективність різних ІП та споживачів електроенергії.

Приклади значень ККД:

• газова турбіна – 40%;
• сонячна батарея – 15-20%;
• літій-іонний акумулятор - 89-90%;
• електронагрівач – наближається до 100%;
• лампа розжарювання – 5-10%;
• світлодіодна лампа – 5-50%;
• холодильні установки – 20-50%.

Показники корисної потужності розраховуються для різних споживачів залежно від виду роботи, що здійснюється.

Відео

Залежність потужності та ККД джерела струму від навантаження

Прилади та приладдя:лабораторна панель, два акумулятори, міліамперметр, вольтметр, змінні резистори.

Вступ.Найбільш поширеними джерелами постійного струму є гальванічні елементи, акумулятори, випрямлячі. Приєднаємо до джерела струму ту частину, яка потребує його електричної енергії (лампочка, радіо, мікрокалькулятор тощо). Ця частина електричного кола називається загальним словом – навантаженням. Навантаження має деякий електричний опір Rі споживає від джерела струм силою I(Рис.1).

Навантаження утворює зовнішню частину електричного кола. Але є і внутрішня частина ланцюга - це фактично саме джерело струму, він має електричний опір r, у ньому протікає той самий струм I. Кордоном між внутрішнім та зовнішнім ділянками ланцюга є клеми “+” та “–” джерела струму, до яких приєднується споживач

На малюнку 1 джерело струму охоплено штриховим контуром.

Джерело струму з електрорушійною силою Естворює в замкнутому ланцюгу струм, сила якого визначається законом Ома:

При протіканні струму за опорами Rі rу них виділяється теплова енергія, яка визначається законом Джоуля-Ленца.Потужність у зовнішній частині ланцюга Р е - Зовнішня потужність

Ця потужність є корисний.

Потужність у внутрішній частині Р i - Внутрішня потужність. Вона недоступна для використання і тому становить втратипотужності джерела

Повнапотужність джерела струму Рє сума цих двох доданків,

Як видно з визначень (2,3,4), кожна з потужностей залежить і від струму, що протікає, і від опору відповідної частини ланцюга. Розглянемо цю залежність окремо.

Залежність потужностіP e , P i , P від струму навантаження.

З урахуванням закону Ома (1) повну потужність можна записати так:

Таким чином, повна потужність джерела прямо пропорційна споживаного струму.

Потужність, що виділяється на навантаженні ( зовнішня),є

Вона дорівнює нулю у двох випадках:

1) I = 0і 2) E - Ir = 0. (7)

Перша умова справедлива для розімкнутого ланцюга, коли R , друге відповідає так званому короткому замиканнюджерела, коли опір зовнішнього ланцюга R = 0 . При цьому струм у ланцюгу (див. формулу (1)) досягає найбільшого значення – струму короткого замикання.

При цьому струмі повнапотужність стає найбільшою

Р нб = EI кз =Е 2 / r. (9)

Проте вся вона виділяється всередині джерела.

З'ясуємо, за яких умов зовнішня потужність стає максимальний. Залежність потужності P e від струму є (див. формулу (6)) параболічної:

.

Положення максимуму функції визначимо за умови:

dP e /dI = 0, dP e / dI = E - 2Ir.

Корисна потужність досягає максимального значення при струмі

що становить половину струму короткого замикання (8) (див. рис. 2):

Зовнішня потужність при цьому струмі становить

(12)

тобто. максимальна зовнішня потужність становить четверту частину максимальної повної потужності джерела.

Потужність, що виділяється на внутрішньому опорі при струмі I max визначається наступним чином:

, (13)

тобто. складає також одну чверть найбільшої повної потужності джерела струму. Зауважимо, що при струмі I max

P e = P i . (14)

Коли струм у ланцюзі прагне найбільшого значення I кз , внутрішня потужність

тобто. дорівнює найбільшій потужності джерела (9). Це означає, що вся потужність джерела виділяється на його внутрішньомуопорі, що, очевидно, шкідливо з погляду безпеки джерела струму.

Характерні точки графіка залежності P e = P e (I) показано на рис. 2.

Ефективністьроботи джерела струму оцінюється його коефіцієнтом корисної дії. ККД є відношення корисної потужності до повної потужності джерела:

 = P e / P.

Використовуючи формулу (6), вираз для ККД можна записати так:

. (15)

З формули (1) видно, що E – Ir = IR є напруга Uна зовнішньому опорі. Отже, ККД

 = U/ E . (16)

З виразу (15) також випливає, що

 = (17)

тобто. ККД джерела залежить від струму в ланцюгу і прагне до найбільшого значення, що дорівнює одиниці, при струмі I  0 (Рис.3) . Зі збільшенням сили струму ККД зменшується за лінійним законом і звертається в нуль при короткому замиканні, коли струм у ланцюзі стає найбільшим I кз = E/ r .

З параболічного характеру залежності зовнішньої потужності від струму (6) випливає, що та сама потужність на навантаженні P eможе бути отримана при двох різних значеннях струму ланцюга. З формули (17) і графіка (рис.3) видно, що з метою отримання від джерела більшого ККД краща робота при менших струмах навантаження, там цей коефіцієнт вище.

2.Залежність потужностіP e , P i , P від опору навантаження.

Розглянемо залежністьповної, корисної та внутрішньої потужності від зовнішнього опоруRв ланцюзі джерела з ЕРС Ета внутрішнім опором r.

Повнапотужність, що розвивається джерелом, може бути записана наступним чином, якщо формулу (5) підставити вираз для струму (1):

Так повна потужність залежить від опору навантаження R. Вона найбільша при короткому замиканні ланцюга, коли опір навантаження перетворюється на нуль (9). Зі зростанням опору навантаження Rповна потужність зменшується, прагнучи до нуля при R   .

На зовнішньому опорі виділяється

(19)

Зовнішняпотужність Р естановить частину повної потужності Рта її величина залежить від відношення опорів R/(R+ r) . При короткому замиканні зовнішня потужність дорівнює нулю. При збільшенні опору Rвона спочатку збільшується. При R  rзовнішня потужність за величиною прагне повної. Але сама корисна потужність стає меншою, оскільки зменшується повна потужність (див. формулу 18). При R  зовнішня потужність прагнуть до нуля як і повна.

Який має бути опір навантаження, щоб отримати від цього джерела максимальнузовнішню (корисну) потужність (19)?

Знайдемо максимум цієї функції із умови:

Вирішуючи це рівняння, отримуємо R max = r.

Таким чином, у зовнішньому ланцюзі виділяється максимальна потужність, якщо її опір дорівнює внутрішньому опору джерела струму.За цієї умови струм у ланцюгу дорівнює E/2 r, тобто. половині струму короткого замикання (8). Максимальна корисна потужність за такого опору

(21)

що збігається з тим, що було отримано вище (12).

Потужність, що виділяється на внутрішньому опорі джерела

(22)

При R P i  P, а при R=0 досягає найбільшої величини P i нб = P нб = E 2 / r. При R= rвнутрішня потужність складає половину повної, P i = P/2 . При R rвона зменшується майже як і, як і повна (18).

Залежність ККД від опору зовнішньої частини ланцюга виражається так:

 = (23)

З отриманої формули випливає, що ККД прагне до нуля при наближенні опору навантаження до нуля, і ККД прагне до найбільшого значення, що дорівнює одиниці, при зростанні опору навантаження до R r. Але корисна потужність при цьому зменшується майже як 1/ R (Див. формулу 19).

Потужність Р едосягає максимального значення при R max = r, ККД при цьому дорівнює, згідно з формулою (23),  = r/(r+ r) = 1/2. Таким чином, Умова отримання максимальної корисної потужності не збігається з умовою отримання найбільшого ККД.

p align="justify"> Найбільш важливим результатом проведеного розгляду є оптимальне узгодження параметрів джерела з характером навантаження. Тут можна виділити три області: 1) R r, 2)R r, 3) R r. Першийвипадок має місце там, де від джерела потрібно мала потужність протягом тривалого часу, наприклад, в електронному годиннику, мікрокалькуляторах. Розміри таких джерел малі, запас електричної енергії в них невеликий, вона повинна витрачатися ощадливо, тому вони повинні працювати з високим ККД.

Другийвипадок - коротке замикання в навантаженні, при якому вся потужність джерела виділяється в ньому та проводах, що з'єднують джерело з навантаженням. Це призводить до їх надмірного нагрівання і є досить поширеною причиною спалахів та пожеж. Тому коротке замикання джерел струму великої потужності (динамо-машини, акумуляторні батареї, випрямлячі) є вкрай небезпечним.

У третьомуУ разі джерела хочуть отримати максимальну потужність хоча б на короткийчас, наприклад, при запуску двигуна автомобіля за допомогою електростартера, величина ККД при цьому не така вже й важлива. Стартер вмикається на короткий час. Тривала експлуатація джерела в такому режимі практично неприпустима, оскільки вона призводить до швидкого розряду автомобільного акумулятора, його перегріву та інших неприємностей.

Для забезпечення роботи хімічних джерел струму в потрібному режимі їх з'єднують між собою певним чином так звані батареї. Елементи батареї можуть з'єднуватися послідовно, паралельно і за змішаною схемою. Та чи інша схема з'єднання визначається опором навантаження та величиною споживаного струму.

Найважливішою експлуатаційною вимогою до енергетичних установок є високий ККД їхньої роботи. З формули (23) видно, що ККД прагне одиниці, якщо внутрішній опір джерела струму мало в порівнянні з опором навантаження

Паралельно можна з'єднувати елементи, що мають однаковіЕРС. Якщо з'єднано n однакових елементів, то від такої батареї можна отримати струм

Тут r 1 - опір одного елемента, Е 1 – ЕРС одного елемента.

Таке з'єднання вигідно застосовувати за низькоомного навантаження, тобто. при R r. Оскільки загальний внутрішній опір батареї при паралельному з'єднанні зменшується в n раз порівняно з опором одного елемента, його можна зробити близьким опору навантаження. Завдяки цьому збільшується ККД джерела. Зростає в n разів та енергетична ємність батареї елементів.

 r, то вигідніше з'єднувати елементи батарею послідовно. При цьому ЕРС батареї буде в n разів більше ЕРС одного елемента і від джерела можна отримати необхідний струм

Метоюданої лабораторної роботи є експериментальна перевіркаотриманих вище теоретичних результатів щодо залежності повної, внутрішньої та зовнішньої (корисної) потужності та ККД джерела як від сили споживаного струму, так і від опору навантаження.

Опис встановлення.Для дослідження робочих характеристик джерела струму застосовується електричний ланцюг, схема якого показана на рис. 4. Як джерело струму використовуються два лужні акумулятори НКН-45, які з'єднуються. послідовно в одну батареючерез резистор r , що моделює внутрішній опір джерела.

Його включення штучнозбільшує внутрішній опір акумуляторів, що 1)захищає їх від перевантаження при переході в режим короткого замикання і 2)дає можливість змінювати внутрішній опір джерела за бажанням експериментатора. Як навантаження (зовнішнього опору ланцюга) п
ріменяються два змінні резистори R 1 і R 2 . (один грубого регулювання, інший – тонкий), що забезпечує плавне регулювання струму в широкому діапазоні.

Усі прилади змонтовано на лабораторній панелі. Резистори закріплені під панеллю, нагору виведені їх ручки керування та клеми, біля яких є відповідні написи.

Вимірювання. 1.Встановіть перемикач Пв нейтральне положення, вимикач Вкрозімкніть. Ручки резисторів поверніть проти годинникової стрілки до упору (це відповідає найбільшому опору навантаження).

Зберіть електричний ланцюг за схемою (рис. 4), не приєднуючи поки щоджерела струму.

Після перевірки зібраного ланцюга викладачем чи лаборантом приєднайте акумулятори Е 1 і Е 2 , дотримуючись полярності.

Встановіть струм короткого замикання. Для цього поставте перемикач Пу положення 2 (зовнішній опір дорівнює нулю) та за допомогою резистора r встановіть стрілку міліамперметра на граничний (правий крайній) поділ шкали приладу – 75 або 150 мА. Завдяки резистору rу лабораторній установці є можливість регулювативнутрішній опір джерела струму. Насправді внутрішній опір – величина стала для такого типу джерел і змінити його неможливо.

Поставте перемикач Пу становище 1 , Включивши тим самим зовнішній опір (навантаження) R= R 1 + R 2 у ланцюг джерела.

Змінюючи струм через 5…10 мА від найбільшого до найменшого значення за допомогою резисторів R 1 і R 2 , запишіть показання міліамперметра та вольтметра (напруга на навантаженні U) у таблицю.

Поставте перемикач Пу нейтральне становище. У цьому випадку до джерела струму приєднаний тільки вольтметр, який має досить великий опір у порівнянні з внутрішнім опором джерела, тому показання вольтметра трохи менше ЕРС джерело. Оскільки у вас немає іншої можливості визначити її точне значення, залишається прийняти показання вольтметра за Е. (Докладніше про це див. у лабораторній роботі № 311).

пп	мА				P e ,	P i ,	R,

Обробка результатів. 1. Для кожного значення струму обчисліть:

повну потужність за формулою (5),

зовнішню (корисну) потужність за формулою,

внутрішню потужність із співвідношення

опір зовнішньої ділянки ланцюга із закону Ома R= U/ I,

ККД джерела струму за формулою (16).

Побудуйте графіки залежностей:

повної, корисної та внутрішньої потужності від струму I (На одному планшеті),

повної, корисної та внутрішньої потужності від опору R(також одному планшеті); розумніше побудувати тільки частину графіка, що відповідає його низькоомній частині, і відкинути 4-5 експериментальних точок з 15 у високоомній області,

ККД джерела від величини споживаного струму I,

ККД від опору навантаження R.

З графіків P e від I і P e від R визначте максимальну корисну потужність у зовнішньому ланцюзі P e max.

З графіка P e від R визначте внутрішній опір джерела струму r.

З графіків P e від I і P e від R знайдіть ККД джерела струму при I max і при R max .

Контрольні питання

1. Намалюйте схему електричного ланцюга, що застосовується у роботі.

2.Что являє собою джерело струму? Що таке навантаження? Що таке внутрішня ділянка ланцюга? Звідки починається і де закінчується зовнішня ділянка ланцюга? Для чого встановлено змінний резистор r ?

3.Що називається зовнішньою, корисною, внутрішньою, повною потужністю? Яка потужність складає втрати?

4.Чому корисну потужність у цій роботі пропонують розраховувати за формулою P e = IU, а чи не за формулою (2)? Обґрунтуйте ці поради.

5.Порівняйте експериментальні результати, отримані Вами, з розрахунковими, наведеними в методичному посібнику, як у дослідженні залежності потужності від струму, і від опору навантаження.

Джерелах струмуРеферат >> Фізика

Триває від 3 до 30 хв залежності відтемператури... потужність(До 1,2 кВт/кг). Час розряду вбирається у 15 хв. 2.2. Ампульні джерела струму... для згладжування коливань навантаженняв енергосистемах до... слід віднести відносно невисокий ККД(40-45%) та...

Потужностігармонійних коливань в електричних ланцюгах

Лекція >> Фізика

... від джерелав навантаженнянадходить необхідна середня потужність. Оскільки комплексні напруги та струми ... навантаженняі генератором, що розвивається потужності, дорівнює  = 0,5. Зі збільшенням RH – середня потужністьзменшується, але зростає ККД. Графік залежності ККД ...

Реферат >> Комунікації та зв'язок

... потужністьпристрої - споживана потужністьпристрої - вихідна потужністьпристрої - ККДпристрої Приймаємо ККД... який у залежності відглибини регулювання... постійним незалежно відзміни струму навантаження. У джерелхарчування з...

Курсова робота >> Фізика

... потужностіДБЖ поділяються на Джерелабезперебійного харчування малої потужності(з повною потужністю ... відакумуляторів, мінусом – зниження ККД ... струмув порівнянні з номінальною величиною струму навантаження. ... 115 В залежності від навантаження; Привабливий зовнішній вигляд.

Потужність, що розвивається джерелом струму у всьому ланцюгу, називається повною потужністю.

Вона визначається за формулою

де P про -повна потужність, що розвивається джерелом струму у всьому ланцюзі, вт;

Е-е. д. с. джерела, в;

I-величина струму в ланцюзі, а.

У загальному вигляді електричний ланцюг складається із зовнішньої ділянки (навантаження) із опором Rта внутрішньої ділянки з опором R 0(Опір джерела струму).

Замінюючи у вираженні повної потужності величину е. д. с. через напруги на ділянках ланцюга, отримаємо

Величина UIвідповідає потужності, що розвивається на зовнішній ділянці ланцюга (навантаженні), і називається корисною потужністю P підлога =UI.

Величина U o Iвідповідає потужності, яка марно витрачається всередині джерела, Її називають потужністю втрат P o =U o I.

Таким чином, повна потужність дорівнює сумі корисної потужності та потужності втрат P про = P підлогу + P 0.

Відношення корисної потужності до повної потужності, що розвивається джерелом, називається коефіцієнтом корисної дії, скорочено к. п. д. і позначається η.

З визначення випливає

За будь-яких умов коефіцієнт корисної дії η ≤ 1.

Якщо виразити потужності через величину струму та опору ділянок ланцюга, отримаємо

Таким чином, к. п. д. залежить від співвідношення між внутрішнім опором джерела та опором споживача.

Зазвичай електричний к. п. д. прийнято виражати у відсотках.

Для практичної електротехніки особливий інтерес становлять два питання:

1. Умова отримання найбільшої корисної потужності

2. Умова отримання найбільшого к. п. д.

Умови отримання найбільшої корисної потужності (потужності в навантаженні)

Найбільшу корисну потужність (потужність на навантаженні) електричний струм розвиває в тому випадку, якщо опір навантаження дорівнює опору джерела струму.

Ця найбільша потужність дорівнює половині всієї потужності (50%) джерелом струму, що розвивається, у всьому ланцюгу.

Половина потужності розвивається на навантаженні і половина розвивається на внутрішньому опорі джерела струму.

Якщо будемо зменшувати опір навантаження, то потужність, що розвивається на навантаженні буде зменшуватися, а потужність розвивається на внутрішньому опорі джерела струму буде збільшуватися.

Якщо опір навантаження дорівнює нулю то струм у ланцюзі буде максимальним, це режим короткого замикання (КЗ) . Майже вся потужність розвивається на внутрішньому опорі джерела струму. Цей режим небезпечний для джерела струму і для всього ланцюга.

Якщо опір навантаження будемо збільшувати, то струм в ланцюзі буде зменшаться, потужність навантаження також буде зменшуватися. При дуже великому опорі навантаження струму ланцюга взагалі буде. Цей опір називається нескінченно великим. Якщо ланцюг розімкнуто, то його опір нескінченно великий. Такий режим називається режимом холостого ходу

Таким чином, в режимах, близьких до короткого замикання і холостого ходу, корисна потужність мала в першому випадку за рахунок малої величини напруги, а в другому за рахунок малої величини струму.

Умова отримання найбільшого к. п. д. коефіцієнта корисної дії

Коефіцієнт корисної дії (к. п. д.) дорівнює 100% при неодруженому ході (у цьому випадку корисна потужність не виділяється, але в той же час і не витрачається потужність джерела).

У міру збільшення струму навантаження к. п. д. зменшується прямолінійним законом.

У режимі короткого замикання к. п. д. дорівнює нулю (корисної потужності немає, а потужність джерела, що розвивається, повністю витрачається всередині нього).

Підсумовуючи вищевикладене, можна зробити висновки.

Умова отримання максимальної корисної потужності (R=R 0) та умова отримання максимального к. п. д. (R=∞) не збігаються. Більше того, при отриманні від джерела максимальної корисної потужності (режим узгодженого навантаження) к. п. д. становить 50%, тобто. половина потужності, що розвивається, марно витрачається всередині нього.

У потужних електричних установках режим узгодженого навантаження є неприйнятним, тому що при цьому відбувається марна витрата великих потужностей. Тому для електричних станцій та підстанцій режими роботи генераторів, трансформаторів, випрямлячів розраховуються так, щоб забезпечувався високий к. п. д. (90% і більше).

Інакше справа в техніці слабких струмів. Візьмемо, наприклад, телефон. Під час розмови перед мікрофоном у схемі апарату створюється електричний сигнал потужністю близько 2 мВт. Очевидно, що для отримання найбільшої дальності зв'язку необхідно передати в лінію якомога більшу потужність, а для цього потрібно виконати режим узгодженого навантаження. Чи має в даному випадку важливе значення к. п. д.? Звичайно ні, оскільки втрати енергії обчислюються частками або одиницями мілліват.

Режим узгодженого навантаження застосовується у радіоапаратурі. У разі, коли узгоджений режим при безпосередньому з'єднанні генератора і навантаження не забезпечується, застосовують заходи узгодження їх опорів.