Стрельцова Анастасія

Науковий керівник – доктор пед. наук, професор Вовкотруб В.П.

Кіровоградський державний педагогічний університет

імені Володимира Винниченка

 

Анотація: Розглядається проблема вивчення і експериментального дослідження експлуатаційних характеристик джерел електричного струму, що є актуальним за умов широкого використання джерел постійного струму в засобах електроніки. Запропоноване сучасне матеріальне забезпечення для забезпечення виконання відповідних експериментальних завдань в старшій профільній школі.

Ключові слова: джерело електрорушійної сили, максимальна потужність, максимально допустимий струм, мультиметри, лабораторне набірне поле.

 

Актуальність. Нині досить стрімко впроваджуються у всі сфери діяльності людини засоби мікроелектроніки, які живляться від джерел постійного струму. Відповідно потребує модернізації і зміст вивчення питань електродинаміки щодо будови і характеристик таких джерел струму, особливостей їх добору до споживачів і використання з максимальним к.к.д.

Відповідно обмежитись однією фронтальною лабораторною роботою «Визначення е.р.с і внутрішнього опору джерела струму» [4; 1, с. 312-313] в курсі фізики старшої школи не достатньо. Частково проблема вирішується за впровадження до програм практикуму виконання роботи щодо вивчення джерел вторинного електроживлення [2].

Мета: Разом дослідження характеристик автономних джерел постійного струму для переважної кількості як промислових так і побутових засобів електроніки потребує здійснення дій через інтеграцію як змісту відповідних експериментальних завдань [3, с.180-182], а також сучасних засобів і обладнання для їх виконання за програмами фізики старшої школи. Запропонований варіант постановки таких експериментальних завдань покликаний забезпечити відповідними порадами фахівців з методики і техніки навчального фізичного експерименту.  

Виклад основного матеріалу. Кожне джерело електрорушійної сили (акумулятор, сухий елемент тощо) має певні експлуатаційні характеристики. З них основними є величина електрорушійної сили (е.р.с.) Е, внутрішній опір r_i , максимально допустимий струм I_m та максимальна потужність P_m, яку може розвивати дане джерело. Для практики дуже важливо, щоб такі джерела протягом тривалого часу їх експлуатації мали стабільну е.р.с. з малим внутрішнім опором. Гальванічні елементи мають дуже не стійкі е.р.с. і внутрішній опір, в яких внаслідок саморозряджання з часом зменшується е.р.с , а внутрішній опір зростає. Особливо значні зміни е.р.с. відбуваються в таких елементах при відносно великих розрядних струмах в процесі їх експлуатації.

В процесі експлуатації джерела е.р.с з цілком певними значеннями його Е і r_i як правило цікавляться його потужністю Р і коефіцієнтом корисної дії (к.к.д.) . Їх значення визначають за формулами:

       (1)

де Р_к – корисна потужність, яку споживають приймачі електричної енергії.

Потужність і к.к.д. істотно залежать від навантаження джерела, тобто від сили струму І, який протікає в колі. Тому вагоме значення мають умови експлуатації джерела, в плані віддачі максимальної потужності споживачам та забезпечення вищого к.к.д.

Приймачі електричної енергії споживають частину потужності джерела Р_к, яка є корисною потужністю і розраховується за формулою:

    (2)

Отже корисна потужність є складною функцією сили струму джерела. Графічно така залежність виражається відрізком параболи для значень корисної потужності більших нуля, вісь якої паралельна до вісі ординат. Для деякого значення аргументу I_m функція Р_к характеризується максимумом P_кm. Екстремальна точка кривої, знайдена за виразом (2), має такі координати:

      (3)

Наведені формули свідчать, що джерело віддаватиме максимальну потужність тоді, коли опір споживачів дорівнюватиме внутрішньому опору джерела. Цей важливий висновок завжди враховують в процесі розрахунку електричних кіл.

На основі формул (1), (2) і (3) для коефіцієнта корисної дії джерела одержують вираз:

         (4)

К.к.д. є спадною лінійною функцією сили струму І, тобто  в точці І=0 (непрактична точка) і  при I=2I_m. Для точки I=I_m, в якій потужність сягає максимального значення, к.к.д. рівне 0,5.

Найчастіше постає потреба постачати електроенергію для споживачів при напрузі, яка повинна мати цілком певне стабільне значення U₀. Тому, враховуючи втрати напруги в лінії підвідних провідників і в самому джерелі е.р.с., варто відповідним чином розраховувати опір лінії підвідних провідників.

Отже, якщо задана потужність Р_к споживачів енергії і втрати напруги , де р – коефіцієнт втрат напруги, а R_i – загальний опір підвідної лінії і джерела, то для R_i маємо:

Тоді опір R_i підвідної лінії та коефіцієнт корисної дії  розраховують за формулами:

             (5)

Матеріальне забезпечення для виконання наведеного варіанту роботи складають:

1) акумуляторна батарея 6,5 В (або батарея, зібрана із 5-6 сухих елементів); 2) омметр (мультиметр); 3) вольтметр 0-7,5 В (або мультиметр); 4) амперметр 0-2,5-5,0 А (або мультиметр з можливістю вимірювання сили струму в межах0-10А); 5) реостат r на 8-10 Ом, 5 А (реостат лабораторний); 6) реостат R=40 Ом, 5 А (або змінний дротяний резистор); 7) провідники.

Порядок виконання роботи

1. Складають електричне коло.

Реостат r слугує еквівалентом опору лінії, тому він повинен мати проградуйовану шкалу, за якою легко добирають потрібне значення опору лінії. За відсутності проградуйованого реостата опір реостата добирають через вимірювання омметром (мультиметром). Разом із внутрішнім опором джерела r_і опір r становить величину , який в цій схемі відносно споживача R буде еквівалентним внутрішнім опором генератора.

2. Добрати еквівалентний опір r лінії так, щоб опір R_і відповідав співвідношенню:

де І_н – максимальний струм який може дати джерело Е. Увімкнути коло і, змінюючи опір приймача R, здійснити 12 – 15 вимірювань значень струму від мінімальної величини до І_н. Одночасно виконати фіксування і запис значень напруги на споживачеві енергії.

3. Розрахувати потужності Р_к приймача для кожного виміру і побудувати графік Р_к(І). За графіком визначити максимальне значення потужності P_кm та силу струму І_m та перевірити результат за формулою

4. Розрахувати к.к.д. джерела для попередніх вимірів і побудувати графік (І).

5. Повторити вимірювання згідно пункту 2 за більших значень опору R_і в 1,5; 2,0; 3,0; 5,0 разів. Побудувати графік Р_к відповідно до вказівок пп.. 3 і 4. Проаналізувати як зміщується точка М (див. рис. 1) із зростанням R_і , а також, як при цьому змінюється нахил прямої (І).

6. Обравши певне значення потужності Р_к приймача (наприклад Р_к= 3 Вт) і втрату напруги в лінії р (наприклад, р=10%), реостатами r і R підібрати потрібну напругу U₀ і струм І у колі. Вимірявши опори r і R (звичайно при розімкненому колі), а також, визначивши к.к.д. за формулою  показати, що R_i і  відповідають формулам (5).

Висновки: Отже наведений зміст лабораторної роботи, трансформованої до курсу фізики старшої школи, вирішує проблему підготовки випускника до грамотного добору і експлуатування джерел електроживлення для низьковольтних споживачів. Разом матеріал може слугувати для реалізації методу проектів .

Список літератури

1. Бар’яхтар В.Г. Фізика. 11 клас. Академічний рівень. Профільний рівень: Підручник для загальноосвіт. навч. закл. / В.Г.Бар’яхтар, Ф.Я.Божинова, М.М.Кірюхін, О.О.Кірюхіна. – Х.: Видавництво «Ранок», 2011. – 320 с.

2. Вовкотруб В.П. Підвищення рівня практичної спрямованості робіт з вивчення фізичних основ будови і дії ЕОТ / Наукові записки. – Випуск 66. – Серія: педагогічні науки. – Кіровоград: РВВ КДПУ ім.. В.Винниченка. – 2006. – Частина 2. -238 с. – С. 216-220.

3. Дущенко В.П. і ін. Фізичний практикум / В.П.Дущенко, В.М.Носолюк, В.М.Андріанов, П.П.Киричок, Г.Ф.Бушок.– К.:Радянська школа, 1965.– 388 с.