Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником. Запустите программу компьютерного моделирования. Выберите модель «Конструктор цепей постоянного тока». Прочитайте краткие теоретические сведения. Подготовьте конспект.

• Знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока.
• Исследование зависимости мощности и КПД источника постоянного тока от сопротивления внешней цепи.

Закон ома для полной цепи:

(1)

I – сила тока в цепи;  – электродвижущая сила источника тока, включённого в цепь; R – сопротивление внешней цепи; r – внутреннее сопротивление источника тока.

Мощность, выделяемая во внешней цепи:

(2)

Из формулы (2) видно, что при коротком замыкании цепи (R → 0) и при R → ∞ эта мощность равна нулю. При всех других конечных значениях R мощность P₁ > 0. Следовательно, функция P₁ имеет максимум. Значение R₀, соответствующее максимальной мощности, можно получить, дифференцируя P₁ по R и приравнивая первую производную к нулю:

(3)

Из формулы (3), с учётом того, что R и r всегда положительны, а  ≠ 0, после несложных алгебраических преобразований получим:

Следовательно, мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения при сопротивлении внешней цепи, равном внутреннему сопротивлению источника тока.

При этом сила тока в цепи

(5)

равна половине тока короткого замыкания. Мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает своего максимального значения, равного

(6)

Когда источник замкнут на внешнее сопротивление, то ток протекает и внутри источника, и при этом на внутреннем сопротивлении источника выделяется некоторое количество тепла. Мощность, затрачиваемая на выделение этого тепла, равна

(7)

Следовательно, полная мощность, выделяемая во всей цепи, определится формулой

Pполн = P1 + P2 = I2R + I2r = I2 (R + r) = I.

(8)

Коэффициент полезного действия источника тока равен

(9)

Из формулы (8) следует, что

P1 = Pполн – P2 = I – I2r,

(10)

то есть P₁ изменяется с изменением силы тока в цепи по параболическому закону и принимает нулевые значения при I = 0 и при Первое значение соответствует разомкнутой цепи (R << r), второе – короткому замыканию (R >> r). Зависимость КПД от силы тока в цепи с учётом формул (8), (9), (10) примет вид

(11)

Таким образом, КПД достигает наибольшего значения η = 1 в случае разомкнутой цепи (I = 0), а затем уменьшается по линейному закону, обращаясь в нуль при коротком замыкании.

Зависимость мощностей P₁, P_полн = I и КПД источника тока от силы тока в цепи показаны на рис. 1.

Рис. 1

Из графиков видно, что получить одновременно максимальную полезную мощность и КПД невозможно. Когда мощность, выделяемая на внешнем участке цепи P₁, достигает наибольшего значения, КПД в этот момент равен 50 %.

Внимательно рассмотрите окно опыта. Найдите все регуляторы и другие основные элементы. Зарисуйте в свой конспект схему опыта.

Рис. 2

Соберите на экране электрическую цепь, показанную на рис. 2.

1.	Для этого сначала щёлкните левой кнопкой мыши в голубой кнопке, расположенный слева от значка источника тока, расположенного в окне «Элементы схемы».
2.	Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щёлкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник тока.
3.	Аналогичным образом разместите справа от источника тока резистор, играющий роль его внутреннего сопротивления и амперметр.
4.	Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр, измеряющий напряжение на нагрузке.
5.	Все элементы схемы соедините аналогичным образом между собой с помощью соединительных проводов так, как показано на рис. 2.
6.	Установите значения параметров для источника тока и внутреннего сопротивления, указанные в таблице 1 для вашей бригады. Для этого щёлкните левой кнопкой мыши на голубой кнопке значка «резистор с перекрещенным гаечным ключом», расположенной в окне «Управление».
7.	Затем щелкните на цифре, расположенной под элементом схемы и на появившемся регуляторе установите необходимое числовое значение конкретного элемента схемы. Номер бригады 1 2 3 4 5 6 7 8 , В 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 8,5 9,0 9,5 r, Ом 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 Таблица 1. Исходные параметры электрической цепи
8.	Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Рассчитать» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.
9.	Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.
10.	Вычислите по формулам (2), (7), (8), (9) P1, P2, Pполн и η для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в таблице 2.
11.	Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P1 = f (R), P2 = f (R), Pполн = f (R), η = f (R) и U = f (R).
12.	Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.