Практические задания

1. Определение эдс и внутреннего сопротивления источника тока.

Как правило, заводские источники тока имеют очень маленькое внутреннее сопротивление, поэтому для получения зависимостей, отражающих рассмотренные выше энергетические соотношения, нужно последовательно с источником тока подключить сопротивление, имитирующее внутреннее сопротивление источника. Для этого можно использовать источник с ~ 10 В, имитационное сопротивление ~ 100150 Ом. На рисунке клеммы "a" и "b" – выходные клеммы созданного "источника" с электродвижущей силойи внутренним сопротивлениемr(Рис.2).

Для регистрации тока, протекающего по замкнутой цепи, и падения напряжения на нагрузке необходимо выбрать амперметр и вольтметр, исходя из и максимального тока при нулевом сопротивлении нагрузки (тока короткого замыкания).

С

20

обрать схему, выставить на источнике ЭДС и, изменяя внешнее сопротивлениеR(5 – 6 точек в диапазоне от 50 до 150 Ом), снять соответствующие показания амперметра и вольтметра. Построить график связи тока и напряжения. Экстраполировать полученную прямую до пересечения с осями напряжения и тока. Точка пересечения с осью напряжений даст значение ЭДС источника, а точка пересечения с осью тока – значение тока короткого замыканияI_кз.

2. Проверка энергетических соотношений в замкнутых цепях постоянного тока.

По определенным в первом задании значениям иI_кзоценить максимальное значение полной мощностиP_max, максимальное значение полезной мощностиP_{R max}, полную мощность при согласованной нагрузке.

Снять зависимости тока и напряжения от сопротивления нагрузки, причем необходимо включить в это сопротивление и значения сопротивлений электроизмерительных приборов r_Aиr_V:

.

Для получения необходимой точности при построении зависимости, нужно задавать такие значения внешнего сопротивления, чтобы примерно десять точек соответствовали условию , и около двадцати точек – условию .

По полученным данным рассчитать и построить графики зависимостей полной мощности, полезной мощности и КПД от сопротивления нагрузки и от тока в цепи. Проанализировать полученные зависимости P(R),P_R(R),(R) иP(I),P_R(I),(I), обосновать ход зависимостей от тока и сделать вывод о выполнимости выведенных выше энергетических соотношений в замкнутых цепях постоянного тока.

Построить зависимость потерь мощности от сопротивления внешней нагрузки P(R) и тока в цепиP(I).

Вопросы к зачету по работе.

• Почему на нагрузке выделяется энергия при протекании тока, сколько ее выделяется и на что она тратится?

• Почем не вся мощность, вырабатываемая источником тока, может быть использована в качестве полезной мощности, и как уменьшить потери мощности?

• Что означает "согласованная нагрузка" и чему равен КПД источника при согласовании нагрузки?

• П

  21

  очему согласованный режим работы является оптимальным?

Лабораторная работа № 5

Изучение компенсационного метода измерения электрических величин

Цель работы.

Изучить компенсационный метод измерения напряжений, токов и сопротивлений.

Знания, необходимые для допуска к работе.

• Закон Ома для цепи постоянного тока;

• Правила Кирхгофа.

Краткие сведения из теории.

ЭДС источника тока нельзя точно измерить вольтметром (только если вольтметр не электростатической системы), потому что вольтметр имеет конечное сопротивление, а значит, при подключении его к источнику в замкнутом контуре потечет ток и часть напряжение будет падать на внутреннем сопротивлении источника. Вольтметр же измерит только внешнее падение напряжения, причем оно будет тем меньше, чем меньше сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением источника. Компенсационный метод измерения позволяет измерять электрические параметры цепей с высокой точностью, как правило, не достижимой при использовании амперметров, вольтметров, гальванометров и т.д.

И

дея метода заключается в следующем. Падение напряжения на участке сопротивленияR₁, возникающее при протекании тока, включается навстречу подключенному параллельно неизвестному источнику ЭДС. При этом, если выполнится условие

,

г

22

альванометр не покажет наличия тока в цепи неизвестного источника, и значит, не произойдет потерь напряжения на его внутреннем сопротивлении. А так как, то окончательная формула для определения неизвестного ЭДС выглядит так:

.

Добиться компенсации можно, меняя напряжение опорного источника U₀при неизменном положении движка реостатаR, или при фиксированном напряженииU₀перемещая движок до наступления компенсации.

Часто невозможно достичь желаемой точности в определении напряжения опорного источника U₀и параметров компенсирующей цепиRиR₁. Тогда можно воспользоваться относительным методом, взяв в качестве эталонного ЭДС нормальный элемент. Его достоинством является высокая точность и стабильность выходной ЭДС. При комнатной температуре (~ 20С)= 1,018665 В. Внутреннее сопротивление нормального элемента 5001000 Ом, допустимый ток не более 1 мкА. После компенсации неизвестного источника и снятия положения движкаR_1x, к тем же клеммам подключается нормальный элемент_эи определяетсяR_1э. Так как параметры цепи опорного источника не менялись, токI₀оставался постоянным, то можно вывести формулу для расчета неизвестной ЭДС:

.

Ясно, что данный метод компенсации позволяет измерять неизвестное ЭДС только при условии .

В компенсационных схемах повышенной точности вместо измерительного сопротивления Rиспользуется набор декад образцовых сопротивлений, причем подключение их выполнено таким образом, чтобы сила тока в цепи опорного источникаI₀оставалась неизменной. Тогда эти декады сопротивлений можно проградуировать по эталонному источнику в единицах напряжения и снимать показания сразу в этих единицах.

Компенсационный метод позволяет измерять, правда косвенно, и ток, и сопротивление. При измерении сопротивления его и эталонное сопротивление включают последовательно. При протекании по ним тока Iпадение напряжения пропорционально величинам их сопротивлений

23

,

а почленно поделив эти выражения друг на друга, получаем формулу для определения неизвестного сопротивления:

.

По падению напряжения на эталонном сопротивлении можно точно определить силу тока I_x, протекающего в цепи,

.

Компенсационные методы могут быть использованы и для калибровки и градуировки электроизмерительных приборов.