Apsvarstykite uždarą nešakotą grandinę, kurią sudaro srovės šaltinis ir rezistorius.

Taikykime energijos tvermės dėsnį visai grandinei:

.

Nes , o uždaroje grandinėje 1 ir 2 taškai sutampa, elektrinių jėgų galia uždaroje grandinėje lygi nuliui. Tai atitinka teiginį apie nuolatinės srovės elektrinio lauko potencialą, kuris jau buvo minėtas anksčiau.

Taigi, į Uždaroje grandinėje visa šiluma išsiskiria dėl išorinių jėgų darbo:, arba , ir vėl prieiname prie Ohmo dėsnio, dabar dėl uždaros grandinės: .

Pilna galia grandinė vadinama išorinių jėgų galia, ji taip pat lygi bendrai šiluminei galiai:

Naudinga skambinkite išorinėje grandinėje išleistą šiluminę galią (nepriklausomai nuo to, ar ji šiuo konkrečiu atveju naudinga, ar žalinga):

(3).

Elektrinių jėgų vaidmuo grandinėje. Išorinėje grandinėje, esant apkrovai R, elektrinės jėgos atlieka teigiamą darbą, o perkeldamos krūvį srovės šaltinio viduje, atlieka tokio paties dydžio neigiamą darbą. Išorinėje grandinėje dėl elektrinio lauko darbo išsiskiria šiluma. Darbas, pateiktas išorinėje grandinėje, yra „grąžintas“ elektros lauko srovės šaltinio viduje. Dėl to visa grandinėje esanti šiluma „apmokama“ išorinių jėgų darbu: srovės šaltinis palaipsniui praranda jame sukauptą cheminę (ar kokią kitą) energiją. Elektrinis laukas atlieka „kurjerio“ vaidmenį, tiekdamas energiją į išorinę grandinę.

Bendrosios naudingosios galios ir efektyvumo priklausomybė nuo atsparumo apkrovai R .

Šios priklausomybės gaunamos iš (1–2) formulių ir Ohmo dėsnio visai grandinei:

. (4)

. (5)

Šių priklausomybių grafikus galite pamatyti paveikslėlyje.

Bendra galia monotoniškai mažėja didėjant , nes srovė grandinėje mažėja. Didžiausia tariama galia išleidžiamas , t.y. adresu trumpasis jungimas. Srovės šaltinis atlieka maksimalų darbą per laiko vienetą, tačiau visa tai tenka pačiam šaltiniui šildyti. Didžiausia tariama galia yra

.

Naudingoji galia turi maksimumą (kurį galite patikrinti paėmę funkcijos (5) išvestinę ir prilyginę ją nuliui). Pakeitę išraišką (5), randame maksimalią naudingąją galią:

.

Darbo tikslas: nustatykite nuolatinės srovės šaltinio EML kompensavimo metodu, naudingąją galią ir efektyvumą, priklausomai nuo apkrovos varžos.

Įranga: tiriamas srovės šaltinis, stabilizuotos įtampos šaltinis, varžos saugykla, miliametras, galvanometras.

TEORINIS ĮVADAS

Srovės šaltiniai yra įrenginiai, kuriuose įvairių rūšių energija (mechaninė, cheminė, šiluminė) paverčiama elektros energija. Srovės šaltiniuose atskiriami skirtingų ženklų elektros krūviai. Todėl, jei šaltinis yra trumpai sujungtas su apkrova, pavyzdžiui, prie laidininko, tada per laidininką tekės elektros srovė, kurią sukelia krūvių judėjimas, veikiamas elektrostatinio lauko. Srovės kryptis laikoma teigiamų krūvių judėjimo kryptimi. Tai yra, srovė tekės iš teigiamo šaltinio poliaus per laidininką į neigiamą. Tačiau per šaltinį krūviai juda prieš elektrostatinio lauko jėgas. Tai gali įvykti tik veikiant neelektrostatinio pobūdžio jėgoms, vadinamosioms trečiųjų šalių jėgoms. Pavyzdžiui, Lorenco magnetinė jėga elektrinių generatoriuose, difuzijos jėgos cheminiuose srovės šaltiniuose.

Srovės šaltinio charakteristika yra elektrovaros jėga - EMF. Jis lygus išorinių jėgų darbo ir perkelto krūvio kiekiui:

Apsvarstykite elektros grandinę iš srovės šaltinio su vidine varža r, uždaryta apkrovai dėl pasipriešinimo R. Pagal energijos tvermės dėsnį išorinių jėgų darbas su stacionariais laidininkais jis virsta šiluma, kurią sukuria apkrova ir paties šaltinio vidinė varža. Pagal Džaulio-Lenco dėsnį laidininke išsiskirianti šiluma lygi srovės stiprio ir varžos kvadrato sandaugai bei srovės tekėjimo laiko sandaugai. Tada . Sumažinus iki Jt nustatome, kad srovės stipris grandinėje yra lygus emf ir visos elektros grandinės varžos santykiui:

. (2)

Tai yra Ohmo dėsnis visai grandinei. Nesant srovės per šaltinį, vidinėje varžoje nėra įtampos kritimo, o emf yra lygi įtampai tarp šaltinio polių. EML, kaip ir įtampos, matavimo vienetas yra voltas (V).

EML galima išmatuoti įvairiais metodais. Jei paprasčiausiu atveju voltmetras su varža R prijungti prie šaltinio polių su vidine varža r, tada pagal Ohmo dėsnį voltmetro rodmenys bus . Tai yra mažiau nei EMF pagal įtampos kritimą vidinėje varžoje.

Taikant kompensacinį EML matavimo metodą, per šaltinį neteka srovė (1 pav.). Jei naudojate maitinimo reguliatorių, kad pasirinktumėte įtampą varžos parduotuvėje R lygiai lygus šaltinio emf, tada srovė per šaltinį ir per galvanometrą G neištekės. Tada šaltinio emf bus lygus įtampos kritimui varžos saugykloje

E = J R. (3)

Srovės šaltinio su stacionariais laidininkais naudingoji galia yra šiluminė galia, išsiskirianti esant apkrovai. Pagal Džaulio-Lenco dėsnį P = J 2 R. Pakeitę srovės stiprumą, pagal Ohmo dėsnį (2), gauname naudingosios galios priklausomybės nuo apkrovos pasipriešinimo formulę:

. (4)

Trumpojo jungimo režimu kai nėra apkrovos, kai R= 0, visa šiluma išsiskiria esant vidinei varžai, o naudingoji galia lygi nuliui (2 pav.). Didėjant atsparumui apkrovai, iki R<<r, naudingoji galia didėja beveik tiesiogiai proporcingai pasipriešinimui R. Toliau didėjant apkrovos pasipriešinimui, srovė tampa ribota, o galia, pasiekusi maksimumą, pradeda mažėti. Esant didelėms apkrovos atsparumo vertėms ( R>>r), galia mažėja atvirkščiai proporcingai pasipriešinimui ir, nutrūkus grandinei, linkusi į nulį.

Didžiausia galia atitinka sąlygą, kad pirmoji šiluminės galios išvestinė varžos atžvilgiu yra lygi nuliui. Diferencijuodami (4), gauname . Iš to išplaukia, kad naudingoji galia yra maksimali, jei R = r. Pakeitę į (4), gauname .

Srovės šaltinio veikimui būdingas efektyvumas. Tai pagal apibrėžimą yra naudingo darbo ir viso dabartinio šaltinio darbo santykis: . Po sumažinimo efektyvumo formulė įgaus formą

.(5)

Trumpojo jungimo režimu R= 0, efektyvumas lygus nuliui, nes naudingoji galia lygi nuliui. Didėjant atsparumui apkrovai, efektyvumas didėja ir siekia 100%, esant didelėms varžos vertėms ( R>>r).

DARBŲ ATLIKIMAS

1. Darbo režimo jungiklį nustatykite į „EMF“ padėtį. Nustatykite dėtuvės varžą iki 500 omų, miliampermetro matavimo riba yra 3 mA. Trumpai paspauskite mygtuką KAM ir pastebėkite, kaip galvanometro adata nukrypsta, kai srovė teka iš tiriamo šaltinio.

Prijunkite maitinimo šaltinį prie 220 V tinklo.

2. Paspauskite mygtuką KAMįjungiant srovę per galvanometrą. Jei galvanometro adata nukrypsta taip pat, kaip įjungus tik srovės šaltinį, padidinkite srovę iš maitinimo šaltinio, stebėdami ją miliampermetru. Jei rodyklė nukrypsta priešinga kryptimi, sumažinkite maitinimo šaltinio srovės stiprumą. Lentelėje užrašykite varžos vertę ir srovę. 1.

Pakartokite matavimus bent penkis kartus, pakeisdami varžą 500–3000 omų ribose. Įrašykite rezultatus į lentelę. 1

3. Matavimo režimo jungiklį nustatykite į padėtį „Maitinimas“. Nustatykite dėtuvės varžą į 500 omų. Išmatuokite srovę miliampermetru. Rezultatą parašykite į lentelę. 2.

Pakartokite matavimus bent penkis kartus, pakeisdami varžą 500–3000 omų diapazone. Įrašykite rezultatus į lentelę. 2.

Atjunkite maitinimą nuo tinklo.

2 lentelė

5. Naudodami tiesioginių matavimų paklaidos formulę, įvertinkite atsitiktinę EML matavimo paklaidą , Kur n– matavimų skaičius.

9. Nubraižykite naudingosios galios ir naudingumo koeficiento priklausomybės nuo apkrovos varžos grafikus. Diagramos dydis – ne mažiau kaip pusė puslapio. Nurodykite vienodą koordinačių ašių skalę. Aplink taškus nubrėžkite lygias kreives, kad taškų nukrypimai nuo linijų būtų minimalūs.

10. Padarykite išvadas. Įrašykite rezultatą E = ± d E, P = 90%.

TESTO KLAUSIMAI

1. Paaiškinkite srovės šaltinio vaidmenį elektros grandinėje. Apibrėžkite srovės šaltinio elektrovaros jėgą (EMF).

2. Išveskite naudodamiesi energijos tvermės dėsniu ir nurodykite Omo dėsnį visai grandinei.

3. Paaiškinkite EML matavimo kompensavimo metodo esmę. Ar galima išmatuoti srovės šaltinio EML voltmetru?

4. Išveskite srovės šaltinio naudingosios galios formulę. Nubraižykite naudingosios galios priklausomybės nuo apkrovos varžos vertės grafiką, paaiškinkite šią priklausomybę.

5. Išveskite didžiausios srovės šaltinio galios sąlygą.

6. Išveskite srovės šaltinio efektyvumo formulę. Nubraižykite efektyvumo ir srovės šaltinio atsparumo apkrovai grafiką. Paaiškinkite šią priklausomybę.

Srovės šaltinio išvystyta galia visoje grandinėje vadinama visa galia.

Jis nustatomas pagal formulę

Taigi efektyvumas priklauso nuo šaltinio vidinės varžos ir vartotojo pasipriešinimo santykio.

Paprastai elektros efektyvumas išreiškiamas procentais.

Praktinei elektrotechnikai ypač svarbūs du klausimai:

1. Didžiausios naudingosios galios gavimo sąlyga

2. Sąlyga pasiekti didžiausią efektyvumą.

Sąlyga gauti didžiausią naudingąją galią (galia apkrovoje)

Elektros srovė išvysto didžiausią naudingąją galią (galią esant apkrovai), jei apkrovos varža lygi srovės šaltinio varžai.

Ši maksimali galia yra lygi pusei visos galios (50%), kurią sukuria srovės šaltinis visoje grandinėje.

Pusė galios sukuriama esant apkrovai, o pusė - esant srovės šaltinio vidinei varžai.

Jei sumažinsime apkrovos varžą, tada apkrovoje išvystyta galia sumažės, o srovės šaltinio vidine varža išvystyta galia padidės.

Jei apkrovos pasipriešinimas yra lygus nuliui, srovė grandinėje bus maksimali, tai yra trumpojo jungimo režimas (trumpasis jungimas) . Beveik visa galia bus išvystyta esant vidinei srovės šaltinio varžai. Šis režimas yra pavojingas srovės šaltiniui ir visai grandinei.

Jei padidinsime apkrovos varžą, srovė grandinėje sumažės, o apkrovos galia taip pat sumažės. Jei apkrovos varža labai didelė, grandinėje iš viso nebus srovės. Ši varža vadinama be galo dideliu. Jei grandinė atvira, jos varža yra be galo didelė. Šis režimas vadinamas tuščiosios eigos režimas.

Taigi režimuose, artimuose trumpajam jungimui ir be apkrovos, naudingoji galia pirmu atveju yra maža dėl žemos įtampos, o antruoju dėl mažos srovės.

Sąlyga pasiekti didžiausią efektyvumą

Naudingumo koeficientas (efektyvumas) tuščiąja eiga yra 100% (šiuo atveju neišleidžiama naudingoji galia, bet tuo pačiu ir nesunaudojama šaltinio galia).

Didėjant apkrovos srovei, efektyvumas mažėja pagal tiesinį dėsnį.

Trumpojo jungimo režimu efektyvumas yra lygus nuliui (naudingos galios nėra, o šaltinio sukurta galia visiškai sunaudojama).

Apibendrinant tai, kas išdėstyta pirmiau, galime padaryti išvadas.

Sąlyga gauti didžiausią naudingąją galią (R = R 0) ir sąlyga gauti didžiausią naudingumą (R = ∞) nesutampa. Be to, iš šaltinio gaunant maksimalią naudingąją galią (suderintos apkrovos režimas), efektyvumas yra 50%, t.y. pusė šaltinio sukurtos galios iššvaistoma jos viduje.

Galingose ​​elektros instaliacijose suderintos apkrovos režimas yra nepriimtinas, nes dėl to išeikvojamos didelės galios. Todėl elektros stotims ir pastotėms generatorių, transformatorių, lygintuvų darbo režimai skaičiuojami taip, kad būtų užtikrintas didelis efektyvumas (90% ir daugiau).

Situacija yra kitokia silpnos srovės technologijoje. Paimkime, pavyzdžiui, telefono aparatą. Kai kalbama prieš mikrofoną, įrenginio grandinėje sukuriamas apie 2 mW galios elektros signalas. Akivaizdu, kad norint gauti didžiausią ryšio diapazoną, į liniją reikia perduoti kuo daugiau galios, o tam reikalingas suderintas apkrovos perjungimo režimas. Ar šiuo atveju svarbus efektyvumas? Žinoma, ne, nes energijos nuostoliai skaičiuojami milivatų dalimis arba vienetais.

Radijo įrangoje naudojamas suderintas apkrovos režimas. Tuo atveju, kai nėra užtikrinamas suderintas režimas, kai generatorius ir apkrova yra tiesiogiai sujungti, naudojamos priemonės jų varžoms suderinti.

Jungiant elektros prietaisus prie elektros tinklo dažniausiai turi reikšmės tik paties elektros prietaiso galia ir efektyvumas. Tačiau naudojant srovės šaltinį uždaroje grandinėje, svarbi jo pagaminama naudinga galia. Šaltinis gali būti generatorius, akumuliatorius, baterija ar saulės elektrinės elementai. Skaičiavimams tai nėra esminė reikšmė.

Maitinimo parametrai

Prijungiant elektros prietaisus prie maitinimo šaltinio ir sukuriant uždarą grandinę, be apkrovos sunaudojamos energijos P, atsižvelgiama į šiuos parametrus:

• Rob. (bendra srovės šaltinio galia), išleista visose grandinės dalyse;
• EMF yra akumuliatoriaus generuojama įtampa;
• P (grynoji galia), sunaudojama visose tinklo dalyse, išskyrus srovės šaltinį;
• Po (prarasta galia), išleista akumuliatoriaus arba generatoriaus viduje;
• vidinė akumuliatoriaus varža;
• Maitinimo efektyvumas.

Dėmesio! Nereikėtų painioti šaltinio efektyvumo ir apkrovos. Jei akumuliatoriaus koeficientas elektros įrenginyje yra didelis, jis gali būti mažas dėl laidų ar paties įrenginio nuostolių ir atvirkščiai.

Daugiau apie tai.

Bendra grandinės energija

Kai elektros srovei teka grandinė, susidaro šiluma arba atliekami kiti darbai. Baterija ar generatorius nėra išimtis. Energija, išsiskirianti ant visų elementų, įskaitant laidus, vadinama visa. Jis apskaičiuojamas naudojant formulę Rob.=Ro.+Rpol., kur:

• Rob. - pilna galia;
• Ro. – vidiniai nuostoliai;
• Rpol. – naudingoji galia.

Dėmesio! Tariamosios galios sąvoka naudojama ne tik visos grandinės skaičiavimuose, bet ir elektros variklių bei kitų prietaisų, kurie kartu su aktyviąja energija suvartoja reaktyviąją energiją, skaičiavimuose.

EMF arba elektrovaros jėga yra šaltinio generuojama įtampa. Jis gali būti matuojamas tik X.X režimu. (tuščiąja eiga). Kai prijungiama apkrova ir atsiranda srovė, Uo atimamas iš EMF vertės. – įtampos praradimas maitinimo įtaiso viduje.

Grynoji galia

Naudinga energija, išsiskirianti visoje grandinėje, išskyrus maitinimo šaltinį. Jis apskaičiuojamas pagal formulę:

1. „U“ – įtampa gnybtuose,
2. „I“ – srovė grandinėje.

Esant situacijai, kai apkrovos varža yra lygi srovės šaltinio varžai, ji yra didžiausia ir lygi 50% visos vertės.

Mažėjant apkrovos varžai, srovė grandinėje didėja kartu su vidiniais nuostoliais, o įtampa toliau krenta, o pasiekus nulį srovė bus maksimali ir ribojama tik Ro. Tai K.Z režimas. – trumpasis jungimas. Šiuo atveju nuostolių energija yra lygi bendrai.

Didėjant apkrovos varžai, srovės ir vidiniai nuostoliai mažėja, įtampa kyla. Pasiekus be galo didelę reikšmę (tinklo pertrauka) ir I=0, įtampa bus lygi EMF. Tai yra X...X režimas. - tuščiosios eigos greitis.

Nuostoliai maitinimo šaltinio viduje

Baterijos, generatoriai ir kiti įrenginiai turi vidinę varžą. Jais tekant srovei, išsiskiria nuostolių energija. Jis apskaičiuojamas pagal formulę:

kur „Uо“ yra įtampos kritimas įrenginio viduje arba skirtumas tarp EML ir išėjimo įtampos.

Vidinio maitinimo šaltinio varža

Norėdami apskaičiuoti nuostolius Ro. reikia žinoti įrenginio vidinę varžą. Tai generatoriaus apvijų varža, akumuliatoriuje esantis elektrolitas ar dėl kitų priežasčių. Ne visada įmanoma jį išmatuoti multimetru. Turime naudoti netiesioginius metodus:

• kai prietaisas įjungiamas tuščiosios eigos režimu, matuojamas E (EMF);
• prijungus apkrovą nustatomas Uout. (išėjimo įtampa) ir srovė I;
• Įtampos kritimas įrenginio viduje apskaičiuojamas:

• vidinė varža apskaičiuojama:

Naudingoji energija P ir efektyvumas

Priklausomai nuo konkrečių užduočių, reikalinga maksimali naudingoji galia P arba maksimalus efektyvumas. Sąlygos tam neatitinka:

• P yra didžiausias esant R=Ro, kai efektyvumas = 50 %;
• Efektyvumas yra 100% H.H. režimu, kai P = 0.

Maksimalios energijos gavimas maitinimo įtaiso išvestyje

Maksimalus P pasiekiamas, jei varžos R (apkrova) ir Ro (elektros šaltinis) yra lygios. Šiuo atveju efektyvumas = 50%. Tai yra „atitinkančios apkrovos“ režimas.

Be to, galimi du variantai:

• Varža R sumažėja, srovė grandinėje didėja, o įtampos nuostoliai Uo ir Po įrenginio viduje didėja. Trumpojo jungimo režimu (trumpasis jungimas) apkrovos varža yra "0", I ir Po yra didžiausi, o efektyvumas taip pat yra 0%. Šis režimas pavojingas baterijoms ir generatoriams, todėl nenaudojamas. Išimtis – beveik nebenaudojami suvirinimo generatoriai ir automobilių akumuliatoriai, kurie užvedus variklį ir įjungus starterį veikia „trumpajam jungimui“ artimu režimu;
• Atsparumas apkrovai yra didesnis nei vidinis. Tokiu atveju apkrovos srovė ir galia P krenta, o esant be galo didelei varžai yra lygūs „0“. Tai yra X.H. (tuščiąja eiga). Vidiniai nuostoliai beveik C.H režime yra labai maži, o efektyvumas yra beveik 100%.

Vadinasi, „P“ yra didžiausias, kai vidinė ir išorinė varžos yra lygios, o kitais atvejais yra minimalios dėl didelių vidinių nuostolių trumpojo jungimo metu ir mažos srovės šaltuoju režimu.

Elektronikoje esant mažoms srovėms naudojamas didžiausias naudingosios galios režimas esant 50 % efektyvumui. Pavyzdžiui, telefono aparate Pout. mikrofonas – 2 milivatai, o svarbu kuo daugiau jį perkelti į tinklą, aukojant efektyvumą.

Pasiekti maksimalų efektyvumą

Maksimalus efektyvumas pasiekiamas H.H. režimu. dėl to, kad Po įtampos šaltinio viduje nėra galios nuostolių. Didėjant apkrovos srovei, efektyvumas tiesiškai mažėja trumpojo jungimo režimu. yra lygus „0“. Maksimalaus naudingumo režimas naudojamas jėgainių generatoriuose, kur suderinta apkrova, maksimalus naudingasis Po ir 50% naudingumo koeficientas netaikomas dėl didelių nuostolių, sudarančių pusę visos energijos.

Krovinio efektyvumas

Elektros prietaisų efektyvumas nepriklauso nuo akumuliatoriaus ir niekada nepasiekia 100%. Išimtis – oro kondicionieriai ir šaldytuvai, veikiantys šilumos siurblio principu: vienas radiatorius vėsinamas šildant kitą. Jei neatsižvelgsite į šį punktą, efektyvumas bus didesnis nei 100%.

Energija eikvojama ne tik naudingiems darbams atlikti, bet ir šildymo laidams, trinčiai ir kitokiems nuostoliams. Lempose, be pačios lempos efektyvumo, reikėtų atkreipti dėmesį į reflektoriaus konstrukciją, oro šildytuvuose - į kambario šildymo efektyvumą, o elektros varikliuose - į cos φ.

Norint atlikti skaičiavimus, būtina žinoti maitinimo elemento naudingąją galią. Be to neįmanoma pasiekti maksimalaus visos sistemos efektyvumo.

Vaizdo įrašas