Файл: MetodichkaElektrika.doc

Таким чином, сила струму в колі залежить від не тільки від зовнішнього опору , але й від внутрішнього опору .

Якщо ключ розімкнути, опір буде дорівнювати опору вольтметра . Тоді вольтметр покаже напругу . Якщо , то . Тому, в даному випадку, краще використовувати катодний вольтметр, вхідний опір якого дуже великий. Показання вольтметра при будь-яких положеннях щупів дорівнює . Отже, напруга на внутрішній ділянці джерела струму при розімкненому зовнішньому колі відсутня.

Вимірюючи і при різних навантаженнях в колі, можна переконатися, що сума цих напруг залишається сталою:

.

Ця величина визначає властивість джерела струму перетворювати енергію при переміщенні всього заряду по замкненому колу. З формули (5) випливає, що

. (6)

Якщо будь-яке джерело з електрорушійною силою та внутрішнім опором замкнути на зовнішнє коло з опором , то у зовнішньому колі буде виділятися корисна потужність , яка дорівнює

. (7)

Максимальна корисна потужність у зовнішньому колі буде при деякому опорі . Диференціюючи останній вираз по та прирівнюючи першу похідну до нуля, одержимо:

. (8)

Звідки, враховуючи, що і завжди додатні, випливає, що .

Потужність, що виділяється на зовнішньому колі, має найбільше значення, коли опір зовнішнього кола дорівнює опору джерела – це режим узгодженого навантаження. При цьому струм в колі дорівнює , тобто половині струму короткого замикання, а максимальне значення корисної потужності дорівнює

. (9)

Коли джерело працює на зовнішнє коло, то струм також проходить всередині джерела, і тому деяка потужність ( ) втрачається на виділення тепла всередині джерела:

, (10)

а повна потужність джерела дорівнює

. (11)

Корисну потужність можна розрахувати таким чином:

. (12)

З формули (12) видно, що змінюється зі зміною за параболічним законом. Значення перетворюється на нуль, якщо

. (13)

Розв’язок останнього рівняння включає два значення струму: , . Перше значення відповідає розімкненому колу ( ), друге – короткому замиканню ( ).

Під час практичного використання джерела струму важливе значення має не тільки потужність, але й коефіцієнт корисної дії (ККД). Залежність ККД від сили струму виражається таким співвідношенням:

. (14)

ККД досягає максимального значення ( ) у випадку, коли коло розімкнене, а потім значення ККД лінійно змінюється, переходячи у нуль при короткому замиканні.

Залежність від сили струму зображена на рис. 2. Очевидно, що умови отримання найбільшої корисної потужності і найбільшого ККД несумісні. Коли потужність досягає максимального значення, сила струму в колі дорівнює , а коефіцієнт корисної дії або 50%. Коли ККД наближається до одиниці, корисна потужність має менше значення порівняно з максимальною потужністю цього джерела.

Рис. 2

В силових електричних установках найважливішою вимогою є отримання максимального ККД, для цього повинна виконуватися така рівність:

, (15)

тобто внутрішній опір джерела струму повинен бути меншим за опір зовнішнього навантаження. При цьому потужність , що виділяється всередині джерела, повинна бути меншою за корисну потужність .

Під час короткого замикання ( ) вся потужність виділяється всередині джерела. Це може спричинити перегрів внутрішніх частин джерела і його руйнування. Тому коротке замикання потужних джерел (акумуляторів, динамомашин тощо) недопустиме.

Джерела електричної енергії, які перетворюють енергію хімічних реакцій в електричну, називаються гальванічними елементами або акумуляторами.

В акумуляторах ЕРС збуджується електролізом при проходженні крізь нього струму від зовнішніх джерел (зарядового пристрою). Найбільш поширені акумулятори двох типів: кислотні та лужні.

В кислотних акумуляторах електродами є свинцеві решітки, які заповнені окисами свинцю. Комірки решіток додатного електрода заповнюються пастою сурику , а від'ємного - глетом . Електроди розташовують у 25-30% розчині сірчаної кислоти, в якому оксиди свинцю перетворюються у дрібнокристалічний сульфат свинцю .

Корпус таких акумуляторів виготовляють з пластмаси або ебоніту. При зарядженні акумулятора, тобто при пропусканні крізь нього сталого струму, відбувається електроліз. При цьому на катоді виділяється водень, під дією якого відбуваються відтворюючі процеси з утворенням чистого свинцю. На аноді в цей час утворений кисень викликає реакцію окислення з утворенням перекису свинцю .

При розрядженні струм всередині акумулятора спрямований від катода до анода, при цьому хімічна реакція протікає у зворотному напрямку:

ЕРС такого акумулятора під час зарядження піднімається до 2,2В, а потім тривалий час не змінюється і наприкінці зарядження стрімко зростає до 2,7В.

При розрядженні процеси протікають у зворотному напрямку - спочатку ЕРС спадає від 2,7В до 2,2В, а потім тривалий час не змінюється. В кінці розрядження ЕРС знову спадає, але її значення не повинно бути меншим за 1,85В, щоб не призводити до псування акумулятора.

Найбільша кількість електрики, яку можна отримати від акумулятора, називається ємністю акумулятора. Максимальна кількість електрики визначається добутком струму в амперах на час розрядження в годинах, вимірюється в ампер-годинах. Ємність свинцевого акумулятора пропорційна кількості двоокису свинцю, що утворюється під час зарядження.

Для збільшення ємності акумулятора додатний і від'ємний електроди роблять складеними з декількох паралельно з'єднаних пластин. Під час зборки одну з них вставляють в пази між двома іншими. В зібраному вигляді крайні пластини мають бути від’ємними (рис. 3).

ККД сучасних свинцевих акумуляторів досягає 80-85%.

З лужних акумуляторів найбільшого поширення набули кадмієво-нікелеві акумулятори. В них електродами є решітки із сталі, які покриті нікелем. Комірки додатного електрода заповнені гідратом закису нікелю . Від'ємного – гідратом закису кадмію і заліза , . Електроди розташовані в сталевій коробці, до якої приєднаний додатний електрод.

Схематично реакцію зарядження і розрядження лужного акумулятора можна уявити таким чином:

+ ←зарядка–розрядження→ +

+ ←зарядка–розрядження→ +

Під час зарядження акумулятора активна маса додатних пластин окислюється, при цьому гідрат закису нікелю переходить в гідрат окису нікелю, а активна маса від'ємних пластин відтворюється і переходить у пористе залізо та пористий кадмій. При розрядженні всі процеси протікають у зворотному напрямку.

На рис. 4 зображені електроди такого акумулятора без корпусу. Під час зборки від'ємні електроди вставляються між додатними.

Наприкінці зарядження ЕРС лужного акумулятора досягає значення 1,8В, а при розрядженні вона дуже швидко спадає до 1,2-1,5В. Розрядження припиняється при В.

Перевагою лужних акумуляторів перед кислотними є їх великий термін експлуатації, а також те, що вони не зазнають пошкоджень під час механічних дій ззовні та короткому замиканні в колі. Завдяки цьому, незважаючи на меншу ЕРС, меншу ємність (на одиницю ваги) і менший ККД (порядку 60%), лужний акумулятор набув широкого розповсюдження.

ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ.

Завдання 1. Зняття вольт-амперної характеристики джерела струму.

Рис. 5

Графік залежності , тобто вольт-амперна характеристика джерела струму, показано на рис. 5.

Точці перетину прямої із віссю ординат відповідає значення ЕРС джерела струму, точці перетину з віссю абсцис відповідає значення сили струму короткого замикання . Тангенс кута нахилу прямої чисельно дорівнює внутрішньому опору джерела струму:

. (16)

Послідовність виконання завдання.

1. Скласти електричну схему за рис.6. Ключ К замикається тільки під час зняття показів за шкалою амперметра і вольтметра.

2. Визначити залежність спаду напруги на зовнішній частині кола від сили струму в ній. Для цього необхідно змінювати опір реостату . Значення опорів встановлювати такі, щоб напруга в колі змінювалась приблизно на 0,2В.

3. Результати вимірювань занести до таблиці 1. При розімкненому ключі покази вольтметра відповідають ЕРС джерела струму.

Рис. 6

4. Побудувати графік залежності .

5. За графіком визначити значення , , . Результати занести до таблиці 2.

Таблиця 1.

Таблиця 2.

Завдання 2. Визначення залежності корисної, повної потужностей і ККД джерела струму від сили струму в колі.

Послідовність виконання завдання.

1. Використовуючи дані таблиці 1, розрахувати повну потужність за формулою (11), корисну потужність за формулою (12) і ККД джерела струму за формулою (14). Результати розрахунків занести до таблиці 3.

2. Побудувати на одній і тій самій системі координат графіки залежності аналогічно рис. 2.

Таблиця 3.

Завдання 3. Вимірювання ЕРС фотоелемента компенсаційним методом і дослідження її залежності від освітленості фотоелемента.

Рис. 7

Якщо підключити вольтметр до джерела струму, то його покази будуть відрізнятися від ЕРС джерела, яким би великим не був опір вольтметра :

. (16)

Для точного вимірювання ЕРС джерела використовується компенсаційний метод.

Лабораторна установка для виконання завдання складається із зачорненої всередині камери з оптичною лавою. На лаві розташовані (рис.7): лампа Л з точковою ниткою розжарення і фотоелемент ФЕ. Потенціометр П (дільник напруги) призначений для регулювання компенсуючої напруги, яка вимірюється вольтметром V. Для вимірювання включається фотоелемент тільки на короткий час за допомогою кнопки К. Опір використовується для обмеження струму через фотоелемент (баластний опір).

За допомогою дільника напруги підбирається напруга, яка величиною дорівнює, а за знаком протилежна напрузі на клема розімкненого фотоелемента (тобто дорівнює величині фотоЕРС).

У випадку рівності величини фотоЕРС на клемах ФЕ величин напруги на виході дільника напруги, що вимірюється вольтметром V, зовнішньому колі фотоелемента струму не буде. При замкненні кола ключем К стрілка мікроамперметра А відхилятися не буде. Відсутність струму через ФЕ відповідає його роботі в режимі ЕРС. Напруга на потенціометрі в цьому випадку дорівнює ЕРС.

УВАГА! При складанні схеми треба уважно слідкувати за тим, щоб додатна клема ФЕ була приєднана до додатного затискача на потенціометрі, а від'ємна клема – до від'ємного затискача потенціометра.

Послідовність виконання завдання.

1. Ознайомитися з конструкцією лабораторної установки. Зібрати схему згідно з рис.7. Встановити лампочку на найбільш допустимій лавою відстані від фотоелемента.

2. Вимірити фотоЕРС при різних відстанях від джерела світла до ФЕ. Результати вимірювань занести до таблиці 4.

3. Побудувати графік залежності .

Таблиця 4.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

1. Сформулювати і записати визначення ЕРС.

2. Сформулювати і записати закон Ома для замкненого кола.

3. Чи залежить ЕРС елемента від сили струму в колі?

4. Чи справедливе твердження, що вольтметр, підключений до затискачів джерела струму, показує значення ЕРС?

5. Чому дорівнює ККД джерела струму при максимальній потужності, що виділяється на зовнішній ділянці кола?

6. Що означає "режим узгодженого навантаження"?

7. В чому полягає сутність компенсаційного метода вимірювання ЕРС?

8. Які переваги компенсаційного метода вимірювання ЕРС порівняно з вимірюванням ЕРС способом безпосереднього підключення вольтметра до джерела струму?