Максимальна корисна потужність

блок живлення

мультиметр (3 шт.)

однополюсний вимикач (2 шт.)

блок “неідеальне джерело”

● Закон Ома для кола з неідеальним джерелом живлення:

де I – сила струму, Ɛ – ЕРС джерела живлення, R – опір кола, r – внутрішній опір неідеального джерела живлення.● Максимальна корисна потужність (потужність на навантаженні) у колі досягається за умови, коли зовнішній опір кола дорівнює внутрішньому опору джерела живлення, тобто коли R = r.● Потужність для ділянки кола постійного струму легко розрахувати з формули:

де U – напруга, прикладена до цієї ділянки кола.

1. Беремо необхідне для проведення досліду обладнання.2. Приєднаємо провідниками клеми джерела живлення до першої групи контактів блока “неідеальне джерело”. Таку систему “джерело живлення + блок “неідеальне джерело”” будемо використовувати як джерело живлення для цього експерименту.3. Складаємо коло за схемою (два резистори з опором 10 Ом використовуються для збільшення діапазону, в якому зручно варіювати опір відповідної ділянки кола):

4. Вмикаємо джерело струму, встановлюємо на ньому постійний струм з вихідною напругою 5 В. Тимчасово розриваємо коло вимикачем K1. Вмикаємо мультиметри під’єднані у коло таким чином, щоб використовувати їх, відповідно, як вольтметр, омметр та амперметр.5. Замикаємо вимикач K2, включаючи у коло омметр. Встановлюємо повзунок реостата так, щоб опір досліджуваної ділянки кола, виміряний омметром, складав 2,0–3,0 Ом. При цьому, повзунок буде біля лівого краю. Завершивши, відключаємо омметр вимикачем K2. 6. Замикаємо коло вимикаем К1 та вимірюємо амперметром силу струму у колі, а вольтметром – напругу на досліджуваній ділянці кола. Отримані дані заносимо у таблицю (заповнена таблиця буде містити близько 20–30 вимірів):

Також, записуємо в таблицю ЕРС (Ɛ) джерела живлення – її видно на екрані блоку живлення.7. Знову розриваємо коло вимикачем К1 та підключаємо омметр вимикачем К2. Поступово пересуваємо повзунок реостата праворуч – збільшуючи його опір, так щоб опір кола зріс на 0,2–1,0 Ом. Записуємо отримане значення у таблицю. Відключаємо омметр вимикачем К2.8. Повторюємо експеримент з пункту 6, вимірюючи й записуючи в таблицю силу струму та спад напруги за допомогою амперметра та вольтметра відповідно.9. Повторюємо кроки 7–8 поки опір не досягне ≈5,5 Ом. Саме таким буде опір за крайнього правого положення повзунка реостата.10. Від’єднуємо один з резисторів на 10 Ом. Таким чином, залишимо у колі лише один резистор та реостат. Переведемо повзунок реостата в положення найменшого опору (сумарний опір кола буде ≈6,5 Ом). Спершу вимірюємо омметром опір кола, а потім за допомогою амперметра та вольтметра визначаємо силу струму у колі та спад напруги. Отримані значення записуємо у таблицю.11. Продовжуємо поступово пересувати повзунок реостата праворуч, збільшуючи його опір, з кроком 0,5–1,0 Ом. Як і в пунктах 6 та 7, вимірюємо та записуємо в таблицю значення опору, силу струму і напруги.12. Для отримання останньої точки нашого експерименту, від’єднуємо провідники від реостата, таким чином залишимо у колі лише один резистор з опором ≈10 Ом. Отримані для цього опору значення сили струму та напруги записуємо у таблицю.13. Замінимо резистор номіналом 10 Ом резистором з номіналом 50 Ом. За допомогою омметра визначимо його точний опір, а за допомогою вольтметра та амперметра визначимо силу струму у колі та спад напруги на контактах резистора. Отримані значення записуємо у таблицю. Таким чином отримаємо крайню точку для нашого експерименту.14. Розрахуємо корисну потужність для кожного з досліджених опорів, використовуючи виміряні значення напруги та струму за формулою:

Результати записуємо у таблицю у відповідний стовпчик.
15. Розрахуємо теоретичне значення корисної потужності для нашого кола (Pтеор) з формули:

Внутрішній опір неідеального джерела живлення (r) можна взяти з досліду “Вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела живлення”. Отримані значення потужності також записуємо у відповідний стовпчик таблиці.16. Будуємо графік залежності корисної потужності від опору кола:

Як видно з графіка, наше джерело живлення виділяє максимальну корисну потужність, коли опір навантаження є близьким до 6 Ом. Саме таке значення внутрішнього опору ми отримуємо у досліді “Вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела живлення” і саме його ми використали під час побудови теоретичної кривої.Зверніть увагу, що обидві криві мають схожу форму. Вони збігаються в межах похибки (її розрахунок виходить за межі цього дослідження, але розглядатиметься окремо). Для малих опорів більшу роль відіграє похибка, спричинена опором контактів, тому виміряне значення корисної потужності є суттєво меншим. Для інших значень опору, відхилення залишається в межах 5%. Теоретичне значення тут завжди трохи більше за виміряне – це наочний приклад систематичної похибки, спричиненої вже згаданими опорами на контактах.

Під час виконання досліду ми переконалися у тому, що неідеальне джерело живлення виділяє максимальну корисну потужність за умови, коли зовнішній опір кола дорівнює внутрішньому опору джерела живлення.