Исследование передачи энергии от источника с постоянной ЭДС через линию передачи к нагрузке с переменным сопротивлением

Исследование передачи энергии от источника с постоянной ЭДС через линию передачи к нагрузке с переменным сопротивлением

Некрасов А.Г.

ГБОУ СОШ №447 г.Санкт-Петербург

Учитель физики

Статья посвящена применению ЭОР на уроках физики в старшей школе. В ней приведена методика проведения виртуального эксперимента по изучению передачи электроэнергии по линиям передачи к нагрузке.

Ключевые слова: ЭОР, передача электроэнергии, виртуальный физический эксперимент.

Теоретическое обоснование

Рассмотрим цепь, схема которой приведена на рисунке. Здесь – ЭДС батареи, - сопротивления подводящих проводов к потребителю с переменным сопротивлением Сила тока, текущего по цепи, определится по закону Ома для полной цепи:

(1)

Где напряжение на нагрузке, измеряемое вольтметром. Полная мощность, создаваемая источником, будет складываться из мощностей, выделяемых на линии передачи и у потребителя:

(2)

Мощность потребителя выражается как

(3)

Мощность потребляемая потребителем, меньше чем, и условия работы сети определяет коэффициент полезного действия (кпд) η, который определяется следующим образом:

η (4)

Рассмотрим зависимости величин η от переменного сопротивления нагрузки и от тока в цепи.

Указанные зависимости от сопротивления нагрузки.

а) Как следует из (1), при это будет гипербола, причем при При имеем ток короткого замыкания

Н а рис. 1 эта зависимость обозначена кривой (а).

б) Зависимость . Поскольку то при вид кривой (б) будет аналогичен зависимости (а). При коротком замыкании (эта мощность максимальна

в) Зависимость Из (3) следует, что при

Рис. 1

полезная мощность обращается в нуль и имеет максимум при некотором значении Найдем критическую точку, для чего продифференцируем выражение (3) и приравняем производную к нулю:

Откуда критическая точка Максимальное значение полезной мощности равно

Примерный характер этой кривой представлен графиком (в).

г) Зависимость ηИз (4) следует, что кпд с ростом нагрузки возрастает от нуля до единицы, как это показано кривой (г).

2. Зависимости от тока I потребителя

Эти зависимости имеют вид:

(a)

(b)

(c)

η (d)

Ниже представлены примерные графии этих зависимостей (рис. 2).

Рис. 2

Как видно из приведенных рисунков, максимум полезной мощности достигается при но кпд при этом снижается до 50%. С повышением нагрузкии падением силы тока кпд повышается, но мощность, вырабатываемая источником и получаемая потребителем, падает.

Порядок выполнения работы

На рис. 3 представлен интерфейс монтажного стола, на котором можно собирать электрические цепи.

Соберем цепь, схема которой приведена на рис.4;

Рис. 3

Рис. 4

Здесь - источник постоянного тока. ключ, потребитель,и – соответственно вольтметр постоянного тока и амперметр постоянного тока, сопротивление подводящих проводов. В опыте можно рекомендовать следующие значения (читатель вправе сам подбирать параметры!): источник напряжения

Ниже приведены необходимые элементы при сборке цепи (рис. 5):

Это монтажный стол Элементы электрической цепи:

Рис. 5

Мультиметры (амперметр или вольтметр) (рис. 6):

Рис. 6

После сборки виртуальной цепи на монтажном столе получим (рис. 7):

Рис. 7

З ажимы приборов необходимо перетащить в точки подключения с учетом полярности источника (помним, что вольтметр подключается параллельно к исследуемому проводнику, а амперметр последовательно). Для того, чтобы выбрать параметры необходимо кликнуть по кнопке выбора параметров и задать нужное значение, предварительно выделив тот или иной элемент на монтажном столе (с краев должны появиться желтые точки). Не забыть нажать “Apply”. При помощи реостата меняют ток а цепи от минимального до максимального (короткое замыкание), фиксируя показания вольтметра. Получаемые данные заносим в таблицу:

В первые два столбца заносятся показания амперметра и вольтметра. Сопротивление нагрузки рассчитывается по формуле и записывается в третий столбец. Остальные величины рассчитываются по приведенным выше формулам и заносятся в соответствующие столбцы. По данным таблицы можно построить графики.

Вопросы:

Что называется электрическим током?

Сформулируйте закон Ома для участка цепи и для полной цепи.

Правила подключения ампериетра и вольтметра.

Что такое полная и полезная мощность?

Что такое кпд источника?

Почему при передаче электроэнергии по проводам стремятся уменьшить величину тока, текущего по линиям передачи?

Литература

http://elektronika.newmail.ru

Первая ПОмощь 2.0. ЭОР нового поколения. DVD диск.

Касьянов В.А. Физика, 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 3-е изд., дораб. М.: Дрофа ,2003. 416 с.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/22712-issledovanie-peredachi-jenergii-ot-istochnika