Дослідження потужності і ккд електродвигуна за допомогою стрічкового гальма.

Прилади і приладдя: електродвигун, стрічкове гальмо з динамометром, лічильник обертів, електросекундомір, вольтметр на 300 В, амперметр на 1А, штангенциркуль.

Мета роботи: засвоїти один із методів вимірювання характеристик електродвигуна.

 

Коротка теорія та метод вимірювань

 

Потужність електродвигуна може бути обчислена за формулою

P = A / t, (1)

де

A = F S (2)

- робота долання сили тертя F; S - шлях, на якому діє сила тертя. Силу тертя F, що долається двигуном, можна знайти за різницею сил натягів F₁і F₂ розгалужень гальмівної стрічки, які визначаються динамометром при натягу стрічкового гальма

F = F₁- F₂ (3)

Якщо радіус шківа дорівнює r, число обертів двигуна є N, то шлях S знаходять за співвідношенням

S = 2π r N. (4)

З урахуванням співвідношень (2) – (4) із (1) одержуємо потужність електродвигуна на валі:

P = 2π r N (F₂ – F₁) / t (5)

Потужність споживаного струму визначається величиною сили струму в двигуні і напругою на ньому:

P = I U, (6)

де I - сила струму, U - напруга на двигуні.

Коефіцієнт корисної дії знайдемо як відношення потужності двигуна на валі до потужності струму, що споживається:

η = P / P_T. (7)

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Зберіть коло згідно зі схемою (рис.1). Виміряйте штангенциркулем радіус шківа r.

Рис. 1.

2. Закріпіть планку з динамометром в прорізі стояка таким чином, щоб динамометри давали рівні показання F^/₁ і F^//₂ = 1H.

3. Увімкніть електродвигун. В результаті цього динамометри дадуть різні показання F₁ і F₂. Запишіть їх в таблицю і визначте силу тертя F = F₁ – F₂.

4. Визначте за вольтметром і амперметром напругу U і силу споживаного струму I і занесіть результати відліків до таблиці.

5. Спостерігаючи за лічильником обертів, помітьте момент співпадання поділки шкали лічильника з 1000 або 2000 обертів, включіть секундомір, визначте його показання під час роботи двигуна та виключіть двигун.

6. Не вмикаючи двигуна, підніміть динамометри вище і збільшіть натяг стрічкового гальма на 0,5H. Знову проведіть виміри.

7. Збільшуючи натяг стрічкового гальма через 0,5H, повторіть дослід 4 рази. Результати дослідів занесіть до таблиці. За формулами (5) – (7) визначте шукані величини.

 

№

r

F^/

t

N

I

U

PT

F1

F2

F

P

η

…

 

Дайте відповідь на запитання:

1. На якому явищі грунтується робота електродвигуна?

2. Яка частина електричної енергії йде на нагрівання обмотки?

3. Чому при надто великому навантаженні двигун може вийте з ладу?

4. Побудуйте за даними таблиці залежність ККД від потужності електродвигуна.

 

 

Лабораторна робота № 27.

Градуювання термоелемента.

Прилади та приладдя: термопари, гальванометр, дві посудини з водою, електронагрівач.

Мета роботи: засвоїти метод вимірювання температури за допомогою термопари.

 

Коротка теорія та метод вимірювань

 

Майже вільні електрони, що знаходяться у металі в стані хаотичного руху, утримуються всередині металу електричними силами. Для виходу електрона із металу треба затратити енергію і виконати за її рахунок роботу А, що зветься роботою виходу електрона із металу. Величина роботи виходу залежить від природи металу, а також його стану. При дотику двох різних металів електрони в результаті теплового руху переходять із одного металу в інший і зворотньо в різних кількостях. Кількість електронів, що перетинають межу розділу в одиницю часу, залежить від роботи виходу і концентрації електронів в одиниці об’єму - n.

У різних металів величини A і n різні, тому перехід електронів через контактний шар відбувається в більшій кількості від металу з меншою роботою виходу і з більшою концентрацією вільних електронів. При цьому провідник з надлишком електронів набуває негативного потенціалу, а інший, що втратив частину електронів, - позитивного. Виникаюче і зростаюче при цьому електричне поле сповільнює процес переходу електронів від одного металу до іншого і призводить до рівноважнго стану, при якому потоки електронів в обох напрямках вирівнюються. Різниця потенціалів, що з’являється між металами, називається контактною різницею потенціалів. Величина її залежить від температури контакту.

Якщо укласти замкнуте коло із двох спаяних кінцями (рис.1) різнорідних металів L і M, яке називають термопарою, то в місцях спаїв 1 і 2 виникнуть протилежні за знаком контактні різниці потенціалів. При однакових температурах спаїв (T₁ – T₂) сумарна різниця потенціалів дорівнює нулеві. А при наявності різниці температури сумарна різниця потенціалів відмінна від нуля. Нехай спай 1 витримується при температурі Т₁, а спай 2 – при Т₂ і нехай Т₂ > Т₁. Позначимо контактну різницю потенціалів у спаях 1 і 2 відповідно V₁і V₂. Тоді, враховуючи протилежність V₁і V₂. сумарне падіння напруги в колі можна подати як

E = V₁ – V₂. (1)

Подана співвідношенням (1) різниця потенціалів у даному випадку відмінна від нуля і носить назву термоелектрорушійної сили. Теоретичний розгляд явища термоелектрики в квантовій фізиці приводить до такого виразу для термоЕРС:

 

E = α (T₁ – T₂) (2)

де α - так званий коефіцфіцієнт термоЕРС.

Співвідношення (2) справедливе для термоелементів у деякому інтервалі різниці температур, тому що величина α слабо залежить від температури. У вузькому інтервалі температур можна знехтувати залежністю α від температури і вважати її сталою для даного термоелементу. В цьому випадку її звуть сталою термопари. Згідно з виразом (2) величина α визначається як термоЕРС, що виникає при різниці температур у 1 К. Тобто параметр α характеризує чутливість термоелемента до температури. При наявності термоЕРС в колі виникає термоелектричний струм I, величина якого визначається за законом Ома:

I = E / (R + r), (3)

де R - зовнішній опір кола; r - опір термопари.

Як бачимо із (3), сила струму в гальванометрі пропорційна термоЕРС, а остання пропорційна різниці температур іі спаїв. На цій залежності грунтується термоелектричний метод вимірювання температури. Для цього термоелемент має бути заздалегідь проградуйованим. Результати градуювання зображують у вигляді графіка і у вигляді формули з відомим значенням α.

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Зберіть установку за схемою (рис.1). Перевірте рівність температур води в посудинах. При рівності температур стрілка гальванометра має стояти на нулеві.

2. Увімкніть електронагрівач однієї з посудин.

3. За відхиленням стрілки гальванометра визначить струм у колі (ціна поділки вказана на приладі). Повільно нагрівайте воду в посудині та через 2 К записуйте значення відповідних струмів. Температуру не підвищуйте понад 90˚С.

4. Вимкніть електронагрівач і за формулою (3) визначте термоЕРС Е для одержаних значень струму I. Опір термопари r = 1,5 Ом. Значення R позначено на гальванометрі.

5. На основі дослідних даних побудуйте графік залежності E = f(ΔT). За нахилом графіка визначте величину α згідно з (2) як кутовий коефіцієнт нахилу графіка до осі температур.

 

Результати вимірювань і розрахунків подайте в таблиці:

 

№	T1i	T2i	Δ Ti	Ii	E	α

 

Дайте відповіді на запитання:

 

1. Назвіть причини появлення контактної різниці потенціалів.

2. Які переваги і недоліки мають термоелементи в порівнянні зі звичайними термометрами?

3. Назвіть можливі застосування термоелементів у техніці, біології, сільському господарстві.

4. Чому при однакових температурах спаїв термоЕРС в колі відсутня?

 

 

Лабораторна робота № 28.