Сделай Сам Свою Работу на 5

ИЗУЧЕНИЕ ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА





Цель работы: исследование зависимости полезной мощности и КПД источника тока от силы тока в цепи.

 

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, вольтметр, амперметр, магазин сопротивлений (реостат), соединительные провода, два ключа.

 

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

 

Рассмотрим практически важный вопрос об использовании энергии источника тока. Пусть какой-либо источник с ЭДС и внутренним сопротивлением r замкнут на внешнюю цепь с сопротивлением R. Во внешней цепи будет выделяться мощность Pa:

. (1)

Предположим, что мы желаем получить во внешней цепи максимальную мощность (Pa)max, возможную при данном источнике. Для этого меняем внешнее сопротивление R. Значение сопротивления Rm, соответствующее максимальной мощности, мы получим, дифференцируя выражение (1) и приравнивая первую производную к нулю:

. (2)

Из (2), учитывая, что R и r всегда положительны, получим: Rm = r.

Таким образом, мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения, если сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению источника. При этом ток в цепи равен: , т. е. половине тока короткого замыкания, а наибольшее возможное значение мощности: (Pa)max = .



Однако при практическом использовании источников тока важна не только их мощность, но и коэффициент полезного действия (КПД). При замкнутой внешней цепи часть мощности тратится на выделение тепла внутри источника. Эта мощность имеет значение

Pис = r∙I2.

Полная мощность источника:

P = R∙I2 + r∙I2 = e∙I. (3)

Полезная мощность:

Pa = U∙I. (4)

КПД источника равен:

. (5)

Так как всегда U £ e, то h £ 1.

Рассмотрим, как зависят Pa и h от силы тока. Полезную мощность Pa можно выразить:

Pa = e∙I – r∙I2 . (6)

Pa меняется с изменением I по параболическому закону.

Pa обращается в нуль, если I∙(e – r∙I) = 0.

Получаем два значения тока: I1 = 0; I2 = .

Первое значение соответствует разомкнутой цепи (R>>r), а второе короткому замыканию (R<<r).

Зависимость КПД от силы тока в цепи можно выразить формулой:

(7)

 

КПД достигает наибольшего значения h = 1 в случае разомкнутой цепи и затем уменьшается по линейному закону, обращаясь в нуль при коротком замыкании.

 



ЗАДАНИЕ 1

 

1. Собрать электрическую цепь по схеме (r задаётся преподавателем).

 

 
 

 

 


2. Замкнуть ключ К1, измерить величину e (e » 6 В).

3. Установить на реостате или магазине сопротивлений сопротивление R, замкнуть ключ К2 (R>r, R» 30 Ом).

4. Установить с помощью магазина сопротивлений силу тока в цепи 0,2 А, снять показания вольтметра.

5. Увеличить последовательно силу тока через 0,1 А, изменяя сопротивление в цепи с помощью магазина сопротивлений, фиксировать соответствующие значения напряжения. Довести силу тока до максимального значения.

6. Вычислить Ра и h по формулам (4) и (5). Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

 

 

e, В I, A U, В Pa, Вт h
           

 

 

7. В одной системе координат построить графики зависимостей Pa=f1(I) и h = f2(I).

8. Составить программы вычисления Ра и h и программу построения графиков Pa = f1(I) и h= f2(I) на компьютере.

 

ЗАДАНИЕ 2

 

1. Выполнить повторную серию опытов по пунктам 2 – 7 первого задания для другого значения e.

2. Сравнить графики Pa и h для различных значений e.

 

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Теоретический материал

Магнитное поле. Действие магнитного поля на рамку с током. Индукция магнитного поля (магнитная индукция). Линии магнитной индукции. Картины магнитного поля прямого тока и соленоида.

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера.

Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

Магнитные свойства вещества. Гипотеза Ампера. Ферромагнетики.

Магнитный поток. Опыты Фарадея. Явление электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.



Самоиндукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля катушки индуктивности с током.

 

Вопросы

 

1. Что такое магнитное поле?

2. Что вам известно о направлении вектора индукции магнитного поля?

3. Какие свойства магнитного поля вам известны?

4. Имеет ли место принцип суперпозиции для магнитных полей?

5. Как рассчитать силу, действующую на проводник с током в магнитном поле?

6. Как осуществляется взаимодействие параллельных токов?

7. Как ведёт себя электрический заряд, влетающий в однородное магнитное поле?

8. От чего зависит величина силы Лоренца?

9. Чем определяется направление силы Лоренца?

10. В чём состоит эквивалентность соленоида и полосового магнита?

11. В чём сущность явления электромагнитной индукции?

12. Как направлена сила, с которой магнитное поле Земли действует в северном полушарии на горизонтальный проводник с током, если он расположен в плоскости магнитного меридиана и ток идет с севера на юг?

13. Есть ли разница в отклонении одним и тем же магнитным полем ионов в ионизированном газе: а) положительных и отрицательных; б) заряженных однократно, двукратно и более; в) ионов с большим и малым молекулярным весом?

14. Что вам известно о магнитном поле Земли?

15. Магнитный поток – величина скалярная или векторная?

16. Сформулируйте закон электромагнитной индукции Фарадея?

17. Как сформулировать правило Ленца?

18. Как объяснить возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике на основе электронной теории?

19. Что такое самоиндукция?

20. Как определить индуктивность достаточно длинной катушки, пропуская через неё постоянный электрический ток?

21. Как намотать катушку сопротивления, чтобы её самоиндукция была минимальной?

22. Зависит ли индуктивность катушки от внесения внутрь её сердечника из магнитного материала?

23. Одинаковое ли количество зарядов индуцируется в короткозамкнутой катушке, внутрь которой один раз быстро, другой раз медленно вдвигают постоянный магнит?

24. Что такое магнитная защита?

25. Изобразите линиями напряжённости магнитное поле Земли, полосового магнита, кольцевого тока, соленоида.

26. Выпишите закон Био – Савара и поясните его физический смысл.

Методика решения задач

Весь материал данного раздела можно разбить на 4 части. Первая – изучение магнитного поля движущихся зарядов (тока) и его силовой характеристики – вектора индукции. Вторая – изучение сил, действующих на движущиеся заряды (токи) в заданном магнитном поле (закон Ампера, сила Лоренца). Третья – изучение закона электромагнитной индукции. Четвертая –применение закона сохранения и превращения энергии к процессам, протекающим при работе электрических машин.

При изучении материала раздела необходимо помнить, что магнитное поле порождается только движущимися зарядами. При помещении в магнитное поле проводника (контура) с током на отрезок этого проводника (контура) действует сила (момент сил), величина которого пропорциональна длине (площади сечения) этого проводника (контура), току в нём, а также зависит от ориентации этого отрезка (контура) в пространстве. При наличии нескольких источников магнитного поля необходимо использовать принцип суперпозиции.

Решение задач о движении заряженных частиц в магнитном поле основано на составлении уравнения движения с учётом сил, действующих со стороны электрического и магнитного поля на частицу. Как всегда, вначале необходимо сделать чертёж, указав направление вектора индукции магнитного поля, направление скорости частицы, силы, действующей на заряженную частицу. Полезно действующие силы разложить вдоль направления магнитного поля и перпендикулярно полю с тем, чтобы установить причины изменения составляющих скорости. Если в задаче рассматривается равновесие проводника или контура с током в магнитном поле, то наряду с силой Ампера необходимо указать все силы, действующие на проводник и, если необходимо, то их моменты. Уравнения дают возможность определить искомую величину.

Можно предложить следующий порядок решения задач, в которых требуется использование закона электромагнитной индукции.

1. Проанализировать условие задачи.

2. Установить причины изменения магнитного потока.

3. Записать основное расчётное соотношение.

4. Представить в развернутом виде выражение для потока магнитной индукции.

5. Подставить выражение для изменения магнитного потока в основное соотношение.

6. Записав дополнительные условия задачи, решить полученную систему уравнений.

 

ЗАДАЧИ

1. По двум длинным проводникам, находящимся на расстоянии L друг от друга, протекает постоянный ток силой I в одном направлении. Определить индукцию магнитного поля в точке, находящейся на расстоянии R от каждого проводника.

Ответ: .

2. Проводник длиной L движется с постоянной скоростью , направленной перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Рассмотреть действие этого поля на проводник.

 

 

3.В магнитном поле с индукцией В вращается стержень длиной L с постоянной угловой скоростью w. Определить ЭДС индукции, возникающую в стержне, если ось вращения проходит через конец стержня параллельно линиям индукции магнитного поля.

Ответ: .

 

4. Медный провод сечением S,
согнутый в виде трёх сторон квадрата,
может вращаться вокруг горизонтальной оси, совпадающей с четвёртой стороной. Провод находится в однородном магнитном поле, направленном вертикально. Когда по проводу течёт ток I, провод отклоняется на угол α от вертикали. Определить индукцию магнитного поля, если плотность меди ρ.

Ответ: .

 

5. Определить ЭДС индукции, возникающей на концах рамки из n – витков, площадью поперечного сечения S, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле с индукцией В. В начальный момент плоскость рамки перпендикулярна силовым линиям поля.

Ответ: .

 

6. Металлический стержень длиной l = 10 см и массой m = 10г подвешен за концы к потолку на двух параллельных шёлковых нитях равной длины. Стержень находится в вертикальном однородном постоянном магнитном поле. Если через стержень при помощи гибких проводников, присоединённых к его концам, пропустить постоянный ток силы I = 10 А, то стержень отклонится от положения равновесия так, что нити составят угол α = 30° с вертикалью. Какова величина индукции В магнитного поля?

Ответ: .

 

7. Квадратная рамка из проволоки может вращаться вокруг горизонтальной оси, проходящей через середины её противоположных сторон. Длина стороны рамки L = 10 см. По рамке течёт постоянной ток силы I = 0,5 А. Рамка находится в постоянном однородном магнитном поле с индукцией В = 0,1 Тл. Линии индукции направлены горизонтально и перпендикулярны оси рамки. Найти массу груза m, который нужно прикрепить к середине одной из сторон рамки, чтобы рамка сохраняла горизонтальное положение.

Ответ: .

Лабораторная работа № 6

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.