Порядок выполнения работы
1. Собрать электрическую цепь в соответствии со схемой, представленной на рис. 5.
Обозначения на рис. 5: SA - выключатель, PA- амперметр, PV- вольтметр, PI- счетчик активной электрической энергии, HL1, HL2- лампы накаливания (активная нагрузка), EL1, EL2- люминесцентные лампы (реактивная нагрузка).
Рис. 5
После проверки электрической цепи преподавателем
И разрешения с его стороны
2. Подать питание выключателем SA и при различных вариантах нагрузок определить силу тока I и напряжение U, а также время t того количества N оборотов диска счетчика, которое укажет преподаватель. Измеренные данные занести в таблицу.
Таблица
№
|
Вид
нагрузки
| Показания приборов
| Расчетные
величины
|
I, A
|
U, B
|
t, c
|
N
| Сн,
|
cos j
|
| HL1
|
|
|
|
|
|
|
| HL2
|
|
|
|
|
| HL1, HL2
|
|
|
|
|
| EL1
|
|
|
|
|
| EL2
|
|
|
|
|
| EL1, EL2
|
|
|
|
|
3. Определить номинальную постоянную Сн счётчика, используя данные, указанные на его лицевой панели.
4. Рассчитать cos j для всех видов нагрузок по формуле (4).
5. По результатам измерений сделать выводы о полученных значениях коэффициента мощности для активных нагрузок (лампы HL1, HL2), а также для активно-реактивных (лампы EL1, EL2), включенных по отдельности и вместе.
Контрольные вопросы
1. Какие виды электрических нагрузок Вы знаете? Дайте определение каждого вида нагрузки.
2. Охарактеризуйте электрические нагрузки следующих типов: а) активные; б) чисто индуктивные; в) емкостные, нарисуйте векторные диаграммы для них.
3. Чему равно активное, индуктивное, емкостное сопротивления? От чего они зависят и что определяют?
4. Треугольник сопротивлений и мощностей для цепи с последовательно соединенными R, L, C.
5. Что такое коэффициент мощности? Какие причины изменяют его величину?
6. Каковы значения коэффициента мощности для активной нагрузки, реальной и идеальной катушки индуктивности, конденсатора?
7. Почему стремятся увеличить коэффициент мощности потребителей?
8. Почему увеличение коэффициента мощности обеспечивает экономию топливно-энергетических ресурсов, приводит к положительному экологическому эффекту?
9. Почему для ламп накаливания cos j = 1?
10. Почему для люминесцентных ламп cos j < 1?
11. Почему в лабораторной работе для системы двух люминесцентных ламп
cos j <1, а для каждой из люминесцентных лампcos j <<1?
Рекомендуемая литература
1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1994. § 149, 150, 151, 152.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. М: Наука, 1978. Т. 2. § 92.
3. Грабовский Р.И. Курс физики. С-Пб.: Лань, 2002. Часть П, § 37, 38.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-08
Градуировка термоэлемента и определение
его удельной термоэлектродвижущей силы
Цель работы: изучить устройство термоэлемента, определить полную и удель-
ную термоэлектродвижущую силу батареи термоэлементов, на-
учиться градуировать термоэлемент.
Приборы и принадлежности: батарея термоэлементов, гальванометр, два термо-
метра, два термостата, электрический нагреватель.
Теория работы
Металлы имеют кристаллическую структуру: положительно заряженные ионы расположены в узлах кристаллической решетки, а электроны проводимости (обобществленные валентные электроны атомов) могут свободно перемещаться между ними. В разных металлах концентрации свободных электронов различны; отличаются и силы притяжения электронов к положительным ионам, что определяет работу выхода электронов из металла. Под работой выхода понимается работа, которую необходимо затратить для удаления электрона из металла в вакуум.
Если два различных металла привести в тесное соприкосновение путем сварки или спайки (образовать спай), то начнется взаимный переход (диффузия) свободных электронов: электроны начнут переходить из металла с меньшей работой выхода в металл с большей работой выхода более интенсивно, чем наоборот. В связи с этим в металле с большей работой выхода образуется избыток электронов и он зарядится отрицательно; в металле с меньшей работой выхода образуется недостаток электронов и он зарядится положительно. В результате в спае между двумя различными металлами из-за разности работ выхода образуется электрическое поле и возникает контактная разность потенциалов, называемая внешней.
Кроме этого, идет взаимная диффузия свободных электронов за счет их разной концентрации: преимущественно из металла с большей концентрацией свободных электронов в металл с их меньшей концентрацией, что приводит к установлению внутренней контактной разности потенциалов.
Полная контактная разность потенциалов в спае двух разнородных металлов складывается из внешней и внутренней контактной разности потенциалов. Если замкнуть противоположные концы образующих спай проводников (образовать кольцо), то в месте контакта возникает такая же по величине, но противоположная по знаку полная контактная разность потенциалов, и тока в такой замкнутой цепи не будет.
Если же оба спая кольца из двух разнородных металлов поддерживать при разной температуре, в замкнутой цепи кольца появляется термоэлектрический ток. Причина появления термоэлектрического тока следующая: т.к. диффузия свободных электронов происходит в процессе теплового движения, то в горячем спае диффузия будет интенсивней и контактная разность потенциалов там станет более высокой, чем в холодном спае, появится результирующая разность потенциалов, равная разности контактных разностей потенциалов в нагретом и холодном спаях и называемая термоэлектродвижущей силой (ТЭДС). Явление возникновения ТЭДС в электрическом контуре из двух проводников из разных металлов, контакты между которыми поддерживаются при разных температурах, называется эффектом Зеебека. ТЭДС зависит от материала проводников и разности температур между ними.
Обратное явление – эффект Пельтье – заключается в выделении или поглощении тепла на спае двух разнородных проводников при протекании через него электрического тока. В замкнутой цепи из двух разнородных проводников имеются два спая, один из которых всегда охлаждается, а другой – нагревается.
Устройство, состоящее из двух последовательно соединенных между собой разнородных металлов (или полупроводников), называется термоэлементом. Несколько термоэлементов, включенных последовательно (или параллельно), образуют термоэлектрическую батарею.
Термоэлементы используется для преобразования тепловой энергии в электрическую (или наоборот). Если в термоэлементах используется эффект Зеебека, их применяют для измерения температуры и др. величин, связанных с температурой, а также в качестве источников электрической энергии. Термоэлементы, используемые в измерительной технике, называют термопарами. Термопары позволяют определять температуру объектов дистанционно, а также фиксировать ее в автоматическом режиме. На эффекте Пельтье в термоэлементах основана работа микрохолодильников, кондиционеров и термостатов, которые широко используются для охлаждения и стабилизации температуры в миниатюрных устройствах твердотельной микроэлектроники.
Найдем величину ТЭДС для термопары. В замкнутой цепи из двух разнородных металлов (1 и 2), контакты которых находятся при постоянных неодинаковых температурах T1 и T2, величина ТЭДС, согласно классической электронной теории, будет равна:
, (1)
где е - заряд электрона; n01 и n02 - концентрация свободных электронов в металлах 1 и 2 соответственно; k - постоянная Больцмана; T1 и T2 - абсолютная температура контакта 1 и 2 соответственно.
Величина называется удельной термоэлектродвижущей силой, т.е. ТЭДС, возникающей в цепи при разности температур между спаями в один градус.
Если замкнуть термопару на внешнее сопротивление R, то возникающая ТЭДС e может быть представлена в виде:
, (2)
где r - внутреннее сопротивление термоэлемента; I – сила тока в нем. Если r достаточно мало по сравнению с R, так что изменение r при нагревании почти не сказывается на общем сопротивлении, то можно считать силу тока I пропорциональной ТЭДС, последняя же возрастает пропорционально разности температур контактов:
, (3)
где c - удельная ТЭДС термоэлемента.
Если полученный таким образом термоток измерить чувствительным гальванометром, то отклонение a стрелки гальванометра, пропорциональное силе тока I, будет в случае соблюдения равенств (2) и (3) пропорционально разности температур. На этом явлении и основан метод градуировки термоэлемента.
Градуировка термопары производится путем помещения одного из его контактов в среду с неизменной температурой (например, в воду с температурой t0°C), второго - в среду с переменной температурой ti°C и определения соответствующих отклонений ai стрелки гальванометра. Результаты этих измерений представляются в виде графика ai (ti): , откуда получаем . Постоянство величины g, определяющей наклон кривой графика ai (ti), является критерием применимости формулы (3).
Определение удельной термоэлектродвижущей силы термоэлемента производится следующим образом: измеряют отклонение указателя гальванометра a0, соответствующее определенной разности температур ti – t0. Затем производят измерение при той же разности температур ti – t0, но при включенном последовательно с гальванометром добавочным сопротивлением R1. Обозначая неизвестное сопротивление цепи, состоящей из термоэлемента, гальванометра и соединительных проводов, через R0, будем иметь для первого случая
, (4)
а для второго
, (5)
где a0 - отклонение стрелки гальванометра без сопротивления R1 в цепи; a1 - отклонение стрелки гальванометра при наличии сопротивления R1; S - чувствительность гальванометра, т.е. сила тока, вызывающая отклонение стрелки гальванометра на одно деление. Приравнивая (4) и (5), получим выражение подставив его в (4), получим
. (6)
Учитывая, что Тi – Т0 = DТi= (ti + 273) – (t0+ 273) = ti – t0 = Dti из выражения (3) для удельной термоЭДС получим
(7)
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|