Лабораторная работа № 3 исследование внешних характеристик источников напряжения

3.1. Цель работы

Исследовать внешнюю характеристику источника напряжения и определить параметры схемы замещения. Проверить условие передачи максимальной мощности от источника энергии приемнику.

3.2. Подготовка к работе

3.2.1. Изучив описание данной работы и необходимый материал по учебнику и конспекту лекции и литературным источникам, ответьте на все вопросы для самопроверки.

3.2.2. Проведите предварительные расчеты.

3.2.3. Заготовьте табл. 3.1.

3.2.4. Нарисуйте электрическую схему эксперимента.

3.3. Предварительный расчет

3.3.1. Задачей предварительного расчета является вывод следующих аналитических зависимостей:

U=U(I), P_пр= P_пр (I), P_вн=P_вн(I), P=P(I), η=η(I),

U=U(r_пр), P_пр = P_пр (r_пр), P_вн=P_вн(r_пр), P=P(r_пр), η=η(r_пр),

где U - напряжения на зажимах источника;

r_пр - сопротивление приемника;

P_пр - полезная мощность;

P_вн - мощность, выделяющаяся на внутреннем сопротивлении источника;

P=P_пр+P_вн- полная мощность; η- коэффициент полезного действия источника применительно к схеме (рис. 3.1.)

Рис. 3.1.

3.3.2. Учитывая, что r_пр изменяется от 0 до ∞, сопротивление r_вн есть общее сопротивление параллельно включенных сопротивлений стенд R₄ и R₅, а величина ЭДС в вольтах задается соотношением Е=2,5 r_вн (В), где r_вн выражено в Омах, постройте графики указанных выше зависимостей. Вычислите максимальное значение мощности Р_пр, а также ток I и сопротивление r_пр, при которых оно достигается.

3.4. Порядок выполнения работы

Соберите схему (рис. 3.2).

Рис. 3.2

Измерительные приборы подберите с учетом результатов предварительного расчета так, чтобы свести к минимуму ошибки измерений. В качестве приемника подключите реостат стенда r_пр. Установите r_пр=0. Поверните ручку ЛАТРа против часовой стрелки до упора, после этого включите стенд и ручкой ЛАТРа установите ток I = 2,5 А. Далее, увеличивая сопротивление реостата от 0 до максимально возможного, запишите показания приборов в табл. 3.1. Особое внимание уделите области экстремума величины Р_пр. Последняя точка (I=0) соответствует отключенному реостату r_пр.

Таблица 3.1

I, А	2,5	0
U, В
Pпр ,Вт
rпр =U/I, Ом

3.5. Обработка результатов измерений

3.5.1. Вычислите значения r_пр=U/I и занесите в табл. 3.1.

3.5.2. Внутреннее сопротивление источника r_вн можно определить по наклону линейного участка внешней характеристики U=(I). Аппроксимируя этот участок линейной функцией U=C₀+C₁ I видим, что значение r_вн будет равно коэффициенту С₁, а величина эквивалентной ЭДС Е численно равна коэффициенту С₀.

В расчётах использовать метод наименьших квадратов. Постройте график аппроксимирующих внешние характеристики прямых и нанесите на них экспериментальные значения токов и напряжений из табл. 3.1.

3.5.3. Постройте экспериментальные зависимости

U=U(r_пр), P_пр=P_пр(I), P_пр=P_пр(r_пр).

Сравните их с полученными расчетным путем.

3.6. Вопросы для самопроверки

3.6.1. Какими схемами замещения могут быть представлены реальные источники напряжения тока?

3.6.2. Как записываются уравнения внешних характеристик?

3.6.3. При каких условиях схемы замещения эквивалентны?

3.6.4. Как проявляется нелинейность внешних характеристик и, как при этом изменяется их аналитическая запись?

3.6.5. Как рассчитать мощность, выделяющуюся в сопротивлении приемника?

3.6.6. Как рассчитать мощность, выделяющуюся внутри источника энергии?

3.6.7. Как найти максимально возможное значение мощности в сопротивлении приемника и при каком условии это возможно?

3.6.8. Как изменяется КПД от величины сопротивления приемника?

3.6.9. Как найти величину тока короткого замыкания источника и от чего зависит эта величина?

3.6.10. Как найти экспериментально ЭДС и внутреннее сопротивление источника?

3.6.11. Как найти коэффициенты С₀ и С₁ аппроксимирующей функции вида f(x)=C₀+C₁x по полученным экспериментальным значениям функции у₀, y₁…y_n для соответствующих значений x₀, x₁…x_n.