Установка для исследования нагрузочных характеристик источника тока

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей, что обеспечивается за счет того, что установка содержит регистратор ЭДС и длинный соленоид, подключенный к генератору гармонического напряжения, планшет, на котором перпендикулярно закреплен длинный соленоид. На планшете закреплен круговой проводник, который охватывает длинный соленоид, а его концы соединены с вводами регистратора ЭДС. Для дискретного изменения внешней нагрузки используется секционированный реостат, содержащий (n-2) секции, первый ввод его соединен с первым вводом регистратора ЭДС. Подключение соответствующих секций к круговому витку осуществляется переключателем на n положений, подвижный контакт которого соединен со вторым вводом регистратора ЭДС, а неподвижные контакты его соединены соответствующими выводами секционированного реостата. Причем, n-ый неподвижный контакт переключателя остается свободным, (n-1)-ый неподвижный контакт его соединен со вторым вводом секционированного реостата, а первый неподвижный контакт его соединен с первым вводом секционированного реостата. 2 ил.

 

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов.

Известна установка для исследования нагрузочных характеристик (Элементарный учебник физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Под редакцией академика Г.С.Лансберга. М.: Наука, 1971 г., с.204, рис.134), содержащая источник ЭДС, выводы которого соединены с вводами вольтметра, а источник ЭДС включен в последовательную цепь с амперметром и реостатом. Эта установка позволяет исследовать только нагрузочные характеристики источника тока. Однако на ней нельзя экспериментально проверить закон Ома, закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, сравнить плотность тока смещения с плотностью тока проводимости в проводнике, определить скорость дрейфа носителей в проводнике, а также определить циркуляцию вектора напряженности вихревого электрического поля.

Известны секционированные реостаты (Л.Н.Лебедев. Счетно-решающие устройства. М.: Машиностроение, 1966 г., с.101, рис.47), с помощью которых можно дискретно изменять сопротивление любых внешних цепей источника тока, что позволяет исключить амперметр из экспериментальной установки. Однако с помощью только секционированного реостата нельзя исследовать нагрузочные характеристики источника тока.

Наиболее близкой к предлагаемой установке является установка для исследования вихревого электрического поля (RU патент №2269823, 10.02.06. Бюл. №4. Авторы: Белокопытов Р.А. и Ковнацкий В.К.). Она содержит регистратор ЭДС и длинный соленоид, подключенный к генератору гармонического напряжения, планшет, на котором перпендикулярно закреплен длинный соленоид. Эта установка позволяет создать плоскопараллельное вихревое электрическое поле. Однако на ней невозможно исследовать нагрузочные характеристики источника тока.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей этой установки. Эта цель достигается тем, что в нее введены: круговой проводник, который охватывает длинный соленоид и закреплен на планшете, а концы его соединены с вводами регистратора ЭДС; секционированный реостат, содержащий n-2 секций, сопротивления которых образуют изменяющуюся дискретно внешнюю нагрузку, а первый ввод его соединен с первым вводом регистратора ЭДС; переключатель на n положений, подвижный контакт которого соединен со вторым вводом регистратора ЭДС, а неподвижные контакты его соединены с соответствующими выводами секционированного реостата, причем n-ый неподвижный контакт переключателя остается свободным для имитации разомкнутой внешней цепи, n-1 неподвижный контакт его соединен со вторым вводом секционированного реостата, а первый неподвижный контакт соединен с первым вводом секционированного реостата.

На фиг.1 представлен чертеж, поясняющий принцип работы предлагаемой установки. На фиг.2 изображен ее общий вид.

Предлагаемая установка содержит: 1 - длинный соленоид; 2 - генератор гармонического напряжения; 3 - круговой проводник; 4 - планшет; 5 - регистратор ЭДС; 6 - секционированный реостат; 7 - переключатель.

Максвелл утверждал, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Рассмотрим вихревое электрическое поле, созданное переменным магнитным полем в длинном соленоиде. Оно является плоскопараллельным (плоским). На фиг.1 показаны силовые линии плоского вихревого электрического поля. Здесь r₀ - радиус соленоида, расположенного перпендикулярно плоскости, в которой расположены силовые линии. Рассмотрен случай, когда вектор магнитной индукции направлен к нам и возрастает.

Если круговой проводник с радиусом R и длиной l=2πR поместить в вихревое электрическое поле , как показано на фиг.1, то поле приводит к возникновению ЭДС ε и вызывает движение электронов по замкнутым траекториям. Сторонними силами являются силы вихревого электрического поля. Циркуляция вектора этого поля по замкнутому контуру l равна ЭДС электромагнитной индукции:

Из фиг.1 видно, что напряженность вихревого электрического поля одинакова во всех точках замкнутого кругового проводника, а вектор направлен по касательной к окружности с центром в точке О и совпадает с вектором . Тогда циркуляция вектора по замкнутому контуру l

Сопоставляя выражения (1) и (2), получим, что напряженность электрического поля внутри кругового проводника

Зная величину Е в замкнутом круговом проводнике можно вычислить плотность тока j, определяемую законом Ома в дифференциальной форме

а также удельную мощность тока P_уд, определяемую законом Джоуля-Ленца в дифференциальной форме

Здесь σ - удельная электрическая проводимость кругового проводника.

Для синусоидально изменяющегося электрического поля с частотой ν E(t)=E_msin2πνt действующее значение плотности тока смещения в проводнике

где ε - электрическая постоянная.

При приложении электрического поля Е к круговому проводнику электроны в нем приобретают скорость дрейфа, которую можно рассчитать по формуле:

где n - концентрация электронов в проводнике, е - заряд электрона.

В круговом проводнике фиг.1 будет наводиться ЭДС, поэтому его можно рассматривать как источник переменного тока. Так как применяем переменный ток низкой частоты, а также не принимаем во внимание малые индуктивности и емкости цепи, поэтому будем рассматривать электрическую цепь как элементарную цепь активного сопротивления. При расчете цепи переменного тока будем пользоваться понятиями действующего значения ЭДС ε, тока I и напряжения U.

Полная мощность, развиваемая источником тока в замкнутой электрической цепи, определяется по формуле:

где ε - ЭДС источника тока, I - ток, текущий в цепи.

Если напряжение на концах внешнего участка цепи равна U, то полезная мощность выражается формулой:

Коэффициент полезного действия (КПД) источника тока определяется из следующего соотношения:

Таким образом, на предлагаемой установке можно снять зависимости мощностей P_n и Р, а также КПД η от тока нагрузки, т.е. исследовать нагрузочные характеристики источника тока.

Рассмотрим работу предлагаемой установки для исследования вихревого электрического поля (фиг.2). Она содержит длинный соленоид 1, подключенный к генератору гармонического напряжения 2. По гармоническому закону будет изменяться магнитное поле в длинном соленоиде 1, которое, в свою очередь, возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Индикатором этого поля является круговой проводник 3, который охватывает длинный соленоид так, что оси длинного соленоида 1 и кругового проводника 3 совпадают. Круговой проводник закреплен на планшете 4, установленном перпендикулярно длинному соленоиду 1.

Концы кругового проводника 3 соединены с вводами регистратора ЭДС 5. Круговой проводник 3 следует рассматривать как источник ЭДС с внутренним сопротивлением, равным сопротивлению этого проводника r. В качестве внешней нагрузки используем секционированный реостат 6, который имеет два ввода и (n-2) выводов, по числу секций. Сопротивления секции возрастают, образуя сначала правильную дробь, например, , , , а затем неправильную дробь, например, , , , .... Первый ввод секционированного реостата 6 соединен с первым вводом регистратора ЭДС 5. Для подключения к круговому проводнику 3 (источнику ЭДС) соответствующих секций секционированного реостата 6 используем переключатель 7 на n положений. Подвижный контакт его соединен со вторым вводом регистратора ЭДС 5, а неподвижные контакты соединены с соответствующими выводами секционированного реостата 6.

Причем n-ый неподвижный контакт переключателя 7 (i=n) не задействован, остается свободным для имитации разомкнутой внешней цепи (сопротивление нагрузки равно бесконечности), а (n-1) неподвижный контакт переключателя 7 соединен со вторым вводом секционированного реостата 6. Первый неподвижный контакт переключателя 7 соединен с первым вводом секционированного реостата 6.

Изменяя величину напряжения, снимаемого с генератора гармонического напряжения 2, меняется ток в длинном соленоиде 1, меняется также магнитная индукция в нем. Соответственно изменяется напряженность вихревого электрического поля и ЭДС, измеряемая регистратором ЭДС 5. По формуле (3) рассчитываем напряженность электрического поля Е, а по формулам (4), (5), (6) и (7) соответственно плотность тока проводимости, удельную мощность тока, плотность тока смещения и скорость дрейфа υ_др в проводнике 3. По результатам измерений и расчетов строятся графики функций j=f(E), P_уд=f(E), j_см=f(E) и υ_др=f(E). По формуле рассчитываем работу сторонних сил по перемещению, например, одного электрона по замкнутому круговому проводнику 3, а также стороннюю силу .

Рассмотрим, каким образом на предлагаемой установке (фиг.2) снимаются нагрузочные характеристики источника тока (кругового проводника 3). Для примера рассмотрим случай, когда число неподвижных контактов у переключателя 7 n=9. В этом случае число секций у секционированного реостата 6 будет n-2=7. Пусть сопротивления секций соответственно равны , , , r, 2r, 3r, 4r. Установим произвольную величину напряжения на генераторе гармонического напряжения 2. При этом в круговом проводнике 3 будет наводиться ЭДС. С помощью переключателя 7 подключаем сопротивления внешней нагрузки к источнику ЭДС. Для измерения ЭДС источника тока устанавливаем переключатель 7 в девятое (i=9) положение. При этом подвижный контакт его соединяется с его девятым неподвижным контактом. В этом случае внешняя цепь разомкнута и регистратор ЭДС 5 измеряет ЭДС, наводимую в круговом витке 3. Если переключатель 7 ставим в первое положение (i=1), то в этом случае источник ЭДС замыкается накоротко, сопротивление нагрузки равно нулю, напряжение на регистраторе ЭДС 5 равно нулю, ток в цепи равен току короткого замыкания

Далее во втором, третьем, ..., восьмом положениях переключателя 7 подключаются сопротивления нагрузки соответственно , , , r, 2r, 3r, 4r. Регистратор ЭДС 5 показывает соответствующие напряжения U. По формуле U=ε-Ir рассчитываем величины токов, соответствующие этим положениям. Величины сопротивлений нагрузок указаны на передней панели установки рядом с указателем положения переключателя 7 в виде R=0, , , , r, 2r, 3r, 4r, ∞.

По формулам (8), (9) и (10) рассчитываем полную мощность, полезную мощность и КПД источника тока. По этим данным строим нагрузочные характеристики источника тока: Р_n=f(I), Р=f(I) и η=f(I).

Технико-экономическая эффективность предлагаемой установки заключается в том, что она обеспечивает повышение качества усвоения основных законов и явлений физики студентами.

Предлагаемая установка реализована на кафедре физики и используется в учебном процессе на лабораторных занятиях по электричеству.

Установка для исследования нагрузочных характеристик источника тока, содержащая регистратор ЭДС и длинный соленоид, подключенный к генератору гармонического напряжения, планшет, на котором перпендикулярно закреплен длинный соленоид, отличающаяся тем, что в нее введены круговой проводник, который охватывает длинный соленоид и закреплен на планшете, а концы его соединены с вводами регистратора ЭДС, секционированный реостат, содержащий (n-2) секций, сопротивления которых образуют изменяющуюся дискретно внешнюю нагрузку, а первый ввод его соединен с первым вводом регистратора ЭДС, переключатель на n положений, подвижный контакт которого соединен со вторым вводом регистратора ЭДС, а неподвижные контакты его соединены с соответствующими выводами секционированного реостата, причем n-ый неподвижный контакт переключателя остается свободным для имитации разомкнутой внешней цепи, (n-1)-ый неподвижный контакт его соединен со вторым вводом секционированного реостата, а первый неподвижный контакт его соединен с первым вводом секционированного реостата.