Изучение работы источника напряжения

Цель: Изучение работы источника напряжения.

Приборы и принадлежности: Блок генератора напряжений ГН1, блок амперметра-вольтметра АВ1, стенд с объектами исследования С3-ЭМ01, соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Принципиальная схема работы любого источника напряжения приведена на рис. 1, где e - ЭДС источника, r - его внутреннее сопротивление, R - сопротивление внешней цепи (нагрузка). По закону Ома для замкнутой цепи сила тока определяется по формуле

. (1)

Из закона Ома для однородного участка вытекает выражение для напряжения на нагрузке

. (2)

Выражая из (1) сопротивление R и подставляя в (2), получим зависимость напряжения на нагрузке от силы тока в цепи

(3)

(физический смысл последней формулы очевиден: ЭДС, действующая в контуре, равна сумме падений напряжений во внешней части цепи и на внутреннем сопротивлении источника). Из последней формулы видно, что данная зависимость является линейной (ее график приведен на рис.2). Анализ формулы (3) показывает, что при напряжении на нагрузке U_R = e, сила тока I = 0; а при отсутствии внешнего сопротивления U_R =0, сила тока принимает максимальное значение, равное току короткого замыкания I=I_КЗ, I_КЗ =ε/r.

Данные свойства зависимости (3) лежат в основе одного из методов экспериментального определения ЭДС источника и его внутреннего сопротивления. Для этого строится график зависимости напряжения на нагрузке от силы тока, который экстраполируется до пересечения с осями. Точка пересечения с осью напряжений дает значение ЭДС. Точка пересечения с осью тока дает ток короткого замыкания I_КЗ, внутреннее сопротивление источника тока при этом рассчитывается по формуле .

Полезная мощность, развиваемая источником напряжения, (мощность, выделяемая на нагрузке R) определяется по формуле:

. (4)

График зависимости P_R(R) приведен на рис. 3. Он представляет кривую, начинающуюся из нуля, возрастающую до максимума, а затем опять спадающую до нуля при R = ¥. Для определения сопротивления R, обеспечивающего максимальную мощность, необходимо взять производную от выражения (4) по R и приравнять ее к нулю. Максимальная мощность P_max во внешней цепи выделяется при внешнем сопротивлении равном внутреннему сопротивлению источника

(5)

и определяется выражением

. (6)

Зависимость (6) позволяет определить внутреннее сопротивление источника тока еще одним способом, построив зависимость выделяемой во внешней части цепи мощности от величины нагрузки и определив сопротивление, обеспечивающее максимум мощности.

Коэффициентом полезного действия источника напряжения называется отношение выделяемой во внешней цепи мощности (P_R =I×U_R) к полной мощности развиваемой источником напряжения (P = I×e).

. (7)

Из последней формулы видно, что в случае выделения полезной максимальной мощности КПД источника равен 0.5.