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 e ~ 10 В, имитационное сопротивление ~ 100 ¸ 150 Ом. На рисунке клеммы " a " и " b " – выходные клеммы созданного "источника" с электродвижущей силой e и внутренним сопротивлением r (Рис.2).

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

Собрать схему, выставить на источнике ЭДС и, изменяя внешнее сопротивление R (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 e, а точка пересечения с осью тока – значение тока короткого замыкания I_кз.

Проверка энергетических соотношений в замкнутых цепях постоянного тока.

По определенным в первом задании значениям e и I_кз оценить максимальное значение полной мощности P_max, максимальное значение полезной мощности P_{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 _A и r _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), h (R) и P (I), P_R (I), h (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 D P (R) и тока в цепи D 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?

– Почему 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.

Идея метода заключается в следующем. Падение напряжения на участке сопротивления R ₁, возникающее при протекании тока, включается навстречу подключенному параллельно неизвестному источнику ЭДС. При этом, если выполнится условие

,

гальванометр 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 U ₀ при неизменном положении движка реостата R, или при фиксированном напряжении U ₀ перемещая движок до наступления компенсации.

Часто невозможно достичь желаемой точности в определении напряжения опорного источника U ₀ и параметров компенсирующей цепи R и R ₁. 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)
e = 1,018665 В. Внутреннее сопротивление нормального элемента 500 ¸ 1000 Ом, допустимый ток не более 1 мкА. После компенсации неизвестного источника и снятия положения движка R _{1 x} , к тем же клеммам подключается нормальный элемент e_э и определяется R _{1 э} . Так как параметры цепи опорного источника не менялись, ток I ₀ оставался 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 R используется набор декад образцовых сопротивлений, причем подключение их выполнено таким образом, чтобы сила тока в цепи опорного источника I ₀ оставалась 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 I падение напряжения пропорционально величинам их сопротивлений

,

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.

Практические задания