Теоретическая часть

Источник тока характеризуется двумя  основными  величинами  - электродвижущей силой и внутренним сопротивлением. Электродвижущая сила является мерой действия сторонних  сил  источника  тока,  она определяется  работой  сторонних  сил   в   замкнутой   цепи   при прохождении  через  сечение   проводника   единицы   заряда.   При подключении к источнику тока внешнего сопротивления  R  ток  I   в цепи определяется законом Ома для полной цепи

При этом источник тока за интервал времени Δt совершает работу

Выделяемая источником мощность

Часть  работы  источника,  а,  следовательно,   и   его мощность выделяется на внешнем участке цепи

где U - напряжение на внешнем участке цепи.

Оставшаяся часть мощности выделяется внутри источника  тока. При этом  энергия  электрического тока переходит во внутреннюю энергию источника (происходит нагрев).

Коэффициент полезного действия источника

с другой стороны, т.к.

, а , то

Как следует из выражений для P, P₀  и  h,   все  три величины зависят от величин внешнего и внутреннего  сопротивлений  цепи  и, следовательно, от величины тока.

Полная  мощность  в  электрической  цепи  линейно  растет   с увеличением тока. Мощность, выделяемая на  внешнем  участке  цепи, при определенных условиях  принимает  максимальное  значение.  Эти условия для цепи с заданной  ЭДС  и  внутренним  сопротивлением  r можно определить, исследуя функциональную зависимость мощности  P  от внешнего сопротивления R на экстремум

Откуда

.

Таким образом, максимальная  мощность  во  внешней цепи выделяется при равенстве сопротивлений внешней  и  внутренней части цепи. В зависимости от величины  тока  мощность  на  внешнем участке цепи можно представить также в виде

где P_i - мощность потерь внутри источника. Следовательно, мощность на внешнем сопротивлении цепи меняется в зависимости  от  тока  по параболическому закону. Она обращается в нуль при токах

I₁=0 и .

Первому току соответствует разомкнутая цепь (R®¥), а второму - режим короткого замыкания   (R=0). Вершина параболы соответствует условию (R=r), или величине тока  ,  что составляет половину тока короткого замыкания.   Коэффициент полезного действия источника тока от  величины  тока  меняется  по закону

т.е. от 1 (100%) при разомкнутой цепи I₁=0 до нуля при режиме короткого замыкания . Из полученного уже нами выражения  следует, что максимальной мощности на внешнем участке цепи (R=r)  соответствует значение h=0,5. Поэтому   условия получения максимальной мощности на потребителе и максимального  коэффициента полезного действия источника оказываются несовместимыми.

Методика выполнения работы

Собрать цепь для изучения режима работы электрической цепи по схеме:

ВНИМАНИЕ! Здесь e - исследуемый источник тока (выпрямитель ВС-4, включенный таким образом, чтобы он давал ЭДС e»16 B. R - реостат, V - вольтметр, A - амперметр.

Изменяя сопротивление реостата от нуля до максимального значения так, чтобы ток менялся через 0,1 А, снять зависимость напряжения на внешнем участке цепи от тока. По известной ЭДС, напряжению и току, воспользовавшись формулами теоретического введения, рассчитайте полную мощность P₀, мощность на внешнем участке цепи P_В и коэффициент полезного действия. Результаты сведите в таблицу

и представьте на графиках зависимости P₀ , P_В и h от I.

Воспользовавшись графиками, определите ток короткого замыкания источника и его  внутреннее сопротивление. Сделайте выводы о справедливости представленных в теоретическом введении заключений о характере изменения P₀ , P_В и h.

Литература

Практикум по физике. Электричество и магнетизм. /под ред. Ф.А.Николаева, М., ВШ, 1991, 151 с

Шахмаев Н.М.,Шилов В.Ф. Физический эксперимент в средней школе, Механика, Молек.физика, Электpодинамика, М., Просвещение, 1989, 235с

Контрольные вопросы

1. Что называется ЭДС источника? ОТВЕТ

2. В чем отличие разности потенциалов и напряжения? ОТВЕТ

3. При каком условии полезная мощность в цепи максимальна? ОТВЕТ

4. Чему при максимальной мощности равен КПД источника тока? ОТВЕТ

Как работать с экспериментами

Виртуальный

1. Ввести значение ЭДС
2. Передвинуть ползунок реостата
3. Нажать кнопку "Считать"
4. Повторить пункты 2-3 десять раз
5. Нажать кнопку "ОК"
6. Используя получившийся график и полученное уравнение, определить внутреннее сопротивление источника.

Реальный

1. Ввести значение ЭДС
2. Ввести в таблицу полученные значения силы тока и напряжения
5. Нажать кнопку "ОК"
6. Используя получившийся график и полученное уравнение, определить внутреннее сопротивление источника