Потужність у колі постійного струму

 

Мета роботи: вивчити закон Джоуля-Ленца в колах постійного струму і узгодження джерел струму з навантаженням за допомогою програми “Електронний конструктор”.

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

Будь-яке реальне джерело струму має внутрішній опір. Тому в разі підключення джерела струму до навантаження тепло виділятиметься як у навантаженні, так і всередині джерела струму (на його внутрішньому опорі). На якому навантаженні, підключеному до даного джерела струму, виділятиметься максимальна потужність?

Розглянемо схему, зображену на рис. 2.10.1.

Сила струму, що протікає у колі, визначається із закону Ома для повного кола

, (2.10.1)

 

де – ЕРС джерела струму, – внутрішній опір джерела, – опір навантаження.

Напруга U на навантаженні R дорівнюватиме

 

,

(2.10.2)

 

а потужність Р, що виділяється на опорі R, буде рівна

 

.

(2.10.3)

 

Як видно з формули (2.10.3), потужність Р, що виділяється на навантаженні, буде малою, якщо опір R навантаження малий . Потужність також буде малою для дуже великого опору навантаження . Розрахунок показує, що максимальна потужність виділятиметься на навантаженні у разі рівності внутрішнього опору r і опору навантаження . У цьому випадку

 

.

(2.10.4)

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

 

1. Скласти на монтажному столі схему, зображену на рис. 2.10.2. Вибрати значення параметрів елементів такими:

батарея – В, Ом;

реостат – Ом.

2. Змінити положення повзунка реостата, виміряти силу струму у колі і напругу на реостаті (навантаженні).

3. Занести одержані дані (опір реостата R, силу струму I і напругу U) в таблицю.

4. Розрахувати потужність, що виділяється на навантаженні, для різних значень опору реостата за формулою .

5. Побудувати графік залежності потужності від опору навантаження.

6. Визначити з графіка опір навантаження, на якому виділяється максимальна потужність.

7. Порівняти отримане значення з теоретичним (2.10.4). Зробити висновки.

 

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Дати визначення потужності. Навести інші формули для розрахунку потужності у колах постійного струму.

2. Що таке ЕРС джерела струму?

3. За якого значення R струм у колі буде максимальним? Як його розрахувати?

4. За якого значення R напруга на навантаженні (реостаті) буде максимальною? Яке її значення?

5. Чому зі збільшенням опору навантаження напруга на ньому росте?

6. Пояснити, чому потужність, що виділяється на навантаженні, мала, якщо опір навантаження сильно відрізняється від внутрішнього опору джерела? Зверніть увагу на формули для сили струму (2.10.1) і напруги (2.10.2) на навантаженні.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2.11

 

ЕЛЕМЕНТИ КІЛ ЗМІННОГО СТРУМУ.

ЄМНІСНИЙ ТА ІНДУКТИВНИЙ ОПОРИ

 

Мета роботи: вивчити залежність ємнісного та індуктивного опорів від частоти змінного струму і параметрів елементів за допомогою програми “Електронний конструктор”.

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

 

У колі змінного струму окрім резисторів можуть використовуватися котушки індуктивності і конденсатори. Для постійного струму котушка індуктивності має тільки активний опір, який зазвичай невеликий (якщо котушка не має великої кількості витків). Конденсатор у колі постійного струму є “розривом” (дуже великий активний опір). Для змінного струму ці елементи проявляють специфічний реактивний опір, який залежить як від їх номіналів, так і від частоти змінного струму, що протікає через котушку і конденсатор.

 

Котушка у колі змінного струму.

 

Розглянемо, що відбувається у колі, яке містить резистор і котушку індуктивності. Коливання сили струму, що протікає через котушку викликають падіння напруги на кінцях котушки відповідно до закону самоіндукції і правила Ленца:

 

,

 

тобто коливання напруги випереджають за фазою коливання сили струму на . Добуток є амплітудою коливання напруги

 

.

 

Добуток циклічної частоти на індуктивність називають індуктивним опором котушки

 

,

(2.11.1)

 

тому зв’язок між амплітудами напруги і струму на котушці збігається за формою із законом Ома для ділянки кола постійного струму

 

.

(2.11.2)

 

Як видно з виразу (2.11.1), індуктивний опір не постійний для даної котушки, а пропорційний частоті змінного струму. Тому амплітуда коливань сили струму у провіднику з індуктивністю L за постійної амплітуди напруги зменшується обернено пропорційно до частоти змінного струму

.