1. Мета методичних вказівок

Ознайомити студентів з фізичними основами електромагнітних явищ і їх прикладним застосуванням для створення, передачі й розподілу електричної енергії; створити практичні навички роботи з вимірювальною й інформаційно-обчислювальною технікою.

2 Виконання лабораторних робіт

2.1 Лабораторна робота № 1

Дослідження лінійних кіл постійного струму.

Мета роботи.

1. Зняти зовнішні характеристики джерел ЕРС.

2. Побудувати на підставі дослідних даних потенційну діаграму розгалудженого кола.

3. Перевірити дослідним шляхом закони Кірхгофа і балансу потужностей.

Основні теоретичні положення.

Електрорушійна сила джерела енергії чисельно дорівнює напрузі на затискачах джерела за відсутності в ньому струму. Якщо до затисків джерела енергії приєднати приймач Rн (навантажити), то по колу потече струм (рис. 2.1.1,а). При цьому напруга на затискачах джерела не буде рівна ЕРС внаслідок падіння напруги Uв джерела енергії на його внутрішньому опорі Rв

.

Рис. 2.1.1. Різновиди джерел електричного струму

На схемах внутрішній опір джерела електроенергії показують поєднаним послідовно з ідеальним джерелом ЕРС (рис. 2.1.1,6) або паралельно з ідеальним джерелом струму Ι (рис. 2.1.1,в). Номінальний струм джерела струму визначається по закону Ома

,

де - номінальна ЕРС.

Схеми на рис. 2.1.1, б і 2.1.1, в називаються еквівалентними схемами джерела енергії.

Залежність напруги на затискачах навантаженого джерела енергії від струму називається зовнішньою характеристикою джерела (рис. 2.1.2).

Рис. 2.1.2. Зовнішня характеристика джерела ЕРС

При збільшенні струму від нуля до номінального значення Iн напруга на затискачах джерела енергії зменшується практично по лінійному закону

.

Звідси

При короткому замиканні джерела енергії струм буде рівний

,

а напруга на затискачах джерела буде дорівнювати нулю.

Розподіл потенціалу уздовж нерозгалуженого електричного кола можна наочно представити за допомогою графіка. По колу, показаному на рис. 2.1.3, а, тече струм I, рівний

,

де - внутрішні опори джерел.

Прирівнюючи потенціал будь-якої точки, наприклад “а”, нулю, помістимо її на графіку на початку координат (рис. 2.1.3, б). Тоді

;

;

.

Відкладаючи на графіку величини опорів і потенціали, будують потенційну діаграму (рис. 2.1.3).

Рис. 2.1.3. Побудова потенціальної діаграми

Тангенс кута нахилу прямих, відповідних ділянкам без ЕРС, до осі абсцис рівний струму (з урахуванням масштабів). Тому на ділянках кола з однаковими струмами відрізки графіка будуть паралельні.

На підставі закону збереження енергії кількість теплової енергії, що виділяється в одиницю часу в опорах схеми, повинна дорівнювати енергії, що генерується за той же час джерелами живлення.

Рівняння енергетичного балансу при живленні від джерел ЕРС має вигляд

Добуток EI до рівняння енергетичного балансу входить з позитивним знаком, якщо напрям струму, що протікає через джерело ЕРС, співпадає з напрямом ЕРС (генераторний режим джерела енергії.). Якщо напрям струму I зустрічний напряму ЕРС, то джерело ЕРС не генерує, а споживає енергію, наприклад, зарядки акумуляторної батареї. Тоді добуток ЕІ приймається із знаком мінус.

При обчисленні споживаної потужності слід враховувати всі опори, зокрема внутрішні опори джерел живлення.

Контрольні запитання.

1). Яку залежність виражає зовнішня характеристика джерела енергії ?

2). Чим відрізняється напруга на затискачах джерела енергії від ЕДС джерела ?

3). Як дослідним шляхом визначити внутрішній опір джерела енергії ?

4). Як визначити втрати потужності на нагрів усередині джерела ?

5). Який порядок співвідношення внутрішнього опору джерела і опору навантаження ?

6). Чи зміниться розподіл струмів і напруг в колу якщо її заземлити в одній точці?

7). Яку залежність виражає потенційна діаграма і для чого вона строїтся?

8). Як по куту нахилу до осі абсцис можна перевірити правильність побудови потенційної діаграми ?

9). На якому законі природи засноване рівняння енергетичного балансу?

10). Що означають генераторний і руховий режими джерела живлення і як режим враховується при складанні енергетичного балансу.

11). Які особливості електричних схем джерела напруги і джерела струму ?

Порядок виконання роботи.

1). Ознайомитися з робочим місцем. Вивчити характеристики використовуваних приладів.

2). Зібрати схему на рис. 2.1.4 і зняти зовнішні характеристики двох джерел живлення (напівпровідникових випрямлячів). Результати вимірювань занести у табл. 2.1.1 На рис. 2.1.4 прийняті наступні позначення: Р - вимикач, А - амперметр, R - навантажувальний реостат, який в початковому положенні повинен бути повністю введений в схему.

Рис. 2.1.4. Схема для дослідження зовнішньої характеристики джерела ЕРС

Номінальний струм джерел 1А. За допомогою реостата R струм змінювати в межах 0 - 1 А.

3. Зібрати схему згідно рис. 2.1.5. Ввести повністю опори повзункових реостатів. При цьому струми в колі не повинні перевищувати номінальні для джерел і реостатів, а також межі вимірювань амперметрів при різних положеннях вимикачів.

Таблиця 2.1.1

Джерело живлення Е1=	U1	B
	I1	A
Джерело живлення Е2=	U2	B
	I2	A

Рис. 2.1.5. Схема для перевірки законів Кірхгофа

4). При ввімкнених вимикачах Р1 і Р2, виміряти струми і потенціали всіх точок з’єднання елементів кола, прийнявши за нуль потенціал точки а. Потенціал будь-якої точки рівний різниці потенціалів між поточною точкою і точкою а. Результати вимірювань занести до табл. 2.1.2.

Таблиця 2.1.2

В	В	В	В	В	В	А	А	А

5. Запишіть опори реостатів R1… R3, а також опори амперметрів і джерел енергії у таблицю 2.1.3.

Таблиця 2.1.3

R	R	R	R	R	R	R	R
Ом	Ом	Ом	Ом	Ом	Ом	Ом	Ом

Обробка результатів дослідів.

1). За даними табл. 2.1.1 побудувати зовнішні характеристики джерел енергії і обчислити внутрішні опори при I = 1 А.

2). За даними табл. 2.1.2 побудувати потенціальну діаграму зовнішнього контуру кола.

3). За даними табл. 2.1.3 перевірити 1-й і 2-й закони Кірхгофа для одного вузла і зовнішнього контуру.

4). Перевірити баланс потужностей, скориставшись даними таблиць 2.1.1, 2.1.2 і 2.1.3.

5). Пояснити причини деякої невідповідності дослідних даних теоретичним.