Ученики на Учителя.com


Исследовательская работа "Передача энергии от источника с постоянной ЭДС через линию передачи к нагрузке с переменным сопротивлением"

1
Исследование передачи энергии от источника с постоянной ЭДС через
линию передачи к нагрузке с переменным сопротивлением
Некрасов А.Г.
ГБОУ СОШ №447 г.Санкт-Петербург
Учитель физики
Теоретическое обоснование
Рассмотрим цепь, схема которой приведена на рисунке. Здесь – ЭДС
батареи,
- сопротивления
подводящих проводов к
потребителю с переменным
сопротивлением Сила тока,
текущего по цепи, определится по
закону Ома для полной цепи:

(1)
Где   напряжение на нагрузке, измеряемое вольтметром. Полная
мощность, создаваемая источником, будет складываться из мощностей,
выделяемых на линии передачи и у потребителя:
 
 


(2)
Мощность потребителя выражается как



(3)
Мощность  потребляемая потребителем, меньше чем
, и условия работы
сети определяет коэффициент полезного действия (кпд) η, который
определяется следующим образом:
2
η

(4)
Рассмотрим зависимости величин 
 η от переменного сопротивления
нагрузки и от тока в цепи.
1. Указанные зависимости от сопротивления нагрузки.
а)
Как следует из (1), при  это будет гипербола, причем
при ∞  При имеем ток короткого замыкания
кз
На рис. 1 эта зависимость обозначена кривой (а).
б) Зависимость
. Поскольку
 то при  вид кривой
(б) будет аналогичен
зависимости (а). При
коротком замыкании
(  эта
мощность
максимальна
макс
кз
в) Зависимость
Из (3) следует,
что при и
∞
Рис. 1
полезная мощность обращается в нуль и имеет максимум при некотором
значении  Найдем критическую точку, для чего продифференцируем
выражение (3) и приравняем производную к нулю:












Откуда критическая точка
Максимальное значение полезной
мощности равно
3
макс

Примерный характер этой кривой представлен графиком (в).
г) Зависимость η
Из (4) следует, что кпд с ростом нагрузки возрастает
от нуля до единицы, как это показано кривой (г).
2. Зависимости от тока I потребителя
Эти зависимости имеют вид:
 
(a)
 (b)
   
(c)
η
 
 
кз
(d)
Ниже представлены примерные графии этих зависимостей (рис. 2).
Рис. 2
Как видно из приведенных рисунков, максимум полезной мощности
достигается при
но кпд при этом снижается до 50%. С повышением
нагрузки и падением силы тока кпд повышается, но мощность,
вырабатываемая источником и получаемая потребителем, падает.
4
Порядок выполнения работы
На рис. 3 представлен
интерфейс монтажного стола,
на котором можно собирать
электрические цепи.
1. Соберем цепь, схема
которой приведена на рис.4;
Рис. 3
Рис. 4
Здесь - источник постоянного тока. ключ, потребитель, и –
соответственно вольтметр постоянного тока и амперметр постоянного тока,
сопротивление подводящих проводов. В опыте можно рекомендовать
следующие значения (читатель вправе сам подбирать параметры!): источник
напряжения В
 Ом  Ом
Ниже приведены необходимые элементы при сборке цепи (рис. 5):
Это монтажный стол Элементы электрической цепи:
5
Рис. 5
Мультиметры (амперметр или вольтметр) (рис. 6):
Рис. 6
6
После сборки виртуальной цепи на монтажном столе получим (рис. 7):
Рис. 7
Зажимы приборов необходимо перетащить в точки
подключения с учетом полярности источника
(помним, что вольтметр подключается параллельно к
исследуемому проводнику, а амперметр
последовательно). Для того, чтобы выбрать
параметры
необходимо кликнуть по кнопке
выбора параметров и задать нужное значение,
предварительно выделив тот или иной элемент на
монтажном столе (с краев должны появиться желтые
точки). Не забыть нажать “Apply”. При помощи
реостата меняют ток а цепи от минимального до
7
максимального (короткое замыкание), фиксируя показания вольтметра.
Получаемые данные заносим в таблицу:
η
0
.
.
.
кз
∞
0
В первые два столбца заносятся показания амперметра и вольтметра.
Сопротивление нагрузки рассчитывается по формуле
и записывается в
третий столбец. Остальные величины рассчитываются по приведенным выше
формулам и заносятся в соответствующие столбцы. По данным таблицы
можно построить графики.
Вопросы:
1. Что называется электрическим током?
2. Сформулируйте закон Ома для участка цепи и для полной цепи.
3. Правила подключения ампериетра и вольтметра.
4. Что такое полная и полезная мощность?
5. Что такое кпд источника?
6. Почему при передаче электроэнергии по проводам стремятся
уменьшить величину тока, текущего по линиям передачи?
Литература
1. http://elektronika.newmail.ru
2. Первая ПОмощь 2.0. ЭОР нового поколения. DVD диск.
3. Касьянов В.А. Физика, 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений.
– 3-е изд., дораб. М.: Дрофа ,2003. 416 с.
Скачать материал

Физика - еще материалы к урокам: