ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКА ТОКА ОТ НАГРУЗКИ. Зависимость мощности от токаРасчеты напряжения, силы, сопротивления, нагрузки электрического токаСовременная структура общества такова, что на бытовом и промышленном уровне повсеместно используется электроэнергия. Генераторные установки, вырабатывающие электроэнергию, преобразующие подстанции работают для того, чтобы передать ее потребителям на бытовые электрические приборы и промышленные электроустановки. Общая схема передачи электроэнергии потребителям с учетом мощностей Что такое мощность электроэнергииВ электросетях, по которым передается энергия, существует ряд основных параметров, которые обязательно учитываются при проектировании и эксплуатации электроустановок. Одним из таких показателей является электрическая мощность, под этим подразумевается способность электроустановки генерировать, передавать или преобразовывать определенную величину электроэнергии за определенный период времени. Преобразованием считается процесс изменения электрической энергии в тепло, механические движения или другой вид энергии. Чтобы сделать расчет мощности, надо знать, как минимум, величины тока, напряжения и ряда других параметров. Расчет тока и напряжения, мощности иногда не делают, а измеряют параметры на месте. Но такая возможность не всегда предоставляется. Надо знать, как рассчитать мощность, когда цепь обесточена, при проектировании электроустановок, уметь пользоваться таблицей законов Ома и рассчитать силу тока по известным значениям параметров. Рассчитывать мощность нагрузки и ток нагрузки приходится для того, чтобы правильно выбрать сечение проводов в цепи, величину тока срабатывания для защитных автоматов и других нужд. Законы Ома наглядно показывают, как посчитать ток по мощности и напряжению Физический смысл электрической мощности в цепях переменного и постоянного тока одинаковый, но от условий нагрузки в цепи мощность может выражаться разными соотношениями. Для стандартизации закономерности явлений вводится понятие мгновенное значение, что указывает на зависимость скорости преобразований электроэнергии от фактора времени. Электрическая мощность – это величина, выражающая скорость преобразования энергии электричества в другой вид энергии, обозначается буквой «Р». Мгновенное значение электрической мощностиОпределение – электрическая мощность тесно связана с другими параметрами цепи, током и напряжением, при изменении величины одного из них изменяются другие. Поэтому показания мощности фиксируются в короткий промежуток времени – ∆t. Напряжение в данном случае обозначают буквой «U» – это выражает разность потенциалов зарядов, перемещенных электрическим полем из одной точки в другую за промежуток времени ∆t. Сила тока обозначается буквой «I» – это поток, переносимый магнитным полем зарядов, другими словами заряд, перенесенный во временной интервал ∆t. Исходя из этих определений, просматривается пропорциональная зависимость между этими параметрами: Р = UxI. При расчетах можно учитывать зависимость мощности от сопротивления нагрузки «R». По законам Ома для участка цепи с постоянным током мощность выражается как: Р = I2xR или P = U2|R. Если поставить в схему питания амперметр и вольтметр, то не придется думать, как вычислить силу тока. Обратите внимание! Амперметр ставится последовательно в цепь по отношению к сопротивлению нагрузки, а вольтметр – параллельно. В качестве источника питания используется аккумулятор, как нагрузка установлен прожектор. В данном случае не делается расчет силы тока, параллельно нагрузке подключен вольтметр, для измерения напряжения в Вольтах. Амперметр подключается последовательно для измерения тока в Амперах. Зная показания напряжения и тока по формулам, показанным выше, легко рассчитывается мощность. Для участков цепи с переменным током формулы расчетов сложнее – необходимо учитывать характер нагрузки. Расчеты мощности для электроцепей переменного токаПеременный ток и напряжение имеют синусоидальный вид, при различных нагрузках происходит смещение фазы между ними на определенный угол. По этой причине направление тока иногда может быть противоположным, от нагрузки к источнику питания. Это бывает в электродвигателях, когда обмотка начинает генерировать энергию, это негативно сказывается на эффективности работы оборудования, снижается мощность. При большом количестве потребителей в электросети характер нагрузки имеет смешанный вид, в идеале выделяют три типа нагрузки:
Емкостные и индуктивные виды выделяют как реактивную энергию в электросетях. Зная вид нагрузки, расчет потребляемой мощности делается точнее. Расчет мощности в цепи с активной нагрузкойЭто классический случай в однофазной сети 220 В, в качестве нагрузки можно использовать обычные резисторы. Мощность рассчитывается как произведение действующих значений тока и напряжения, умноженное на соsϕ. В данном случае ϕ – угол смещения между фазами тока и напряжения. Р = UI cos ϕ График зависимости мощности по току и напряжению при активной нагрузке Из графика можно узнать, что колебания тока и напряжения одинаковы по частоте и фазе, мощность всегда положительная с частотой в два раза больше. Активная электрическая мощность характеризует процесс преобразования в сетях с переменным током энергии в тепло, механические движения, излучение света, в любой вид другой энергии. Измеряется активная нагрузка в Вт, кВт. Расчет реактивной мощностиКак найти мощность в цепях с индуктивной и емкостной нагрузками? Это делается аналогичным образом. Расчет потребляемой мощности, как и в случае с активной нагрузкой, означает, что действующие напряжение и ток перемножаются, и результат умножается на sin ϕ. Где ϕ – угол сдвига фаз тока и напряжения. Р = UI sin ϕ Диаграмма, показывающая взаимосвязь параметров цепи при индуктивной нагрузке График показывает, что мощность может принимать отрицательные значения, в этот момент энергия отдается в сторону источника питания, фактически она бесполезна и расходуется на нагрев. Реактивная составляющая энергии характеризует работу нагрузки в виде электронного оборудования, электротехнических схем, моторов с наличием емкостной и индуктивной нагрузки. Единица измерения реактивной мощности при подсчете измеряется в Вар, это (Вольт-Ампер реактивный), обозначается буквой «Q». Треугольник, отображающий отношение мощностей в сети Зависимость мощности в цепи переменного тока от реактивной и активной составляющих с учетом угла сдвига фаз хорошо отображается на диаграмме, которую называют треугольником мощностей. Формула расчета полной мощности обозначается буквой «S» В этом случае учитывается полный импеданс рассчитываемой мощности электрического тока (комплексное сопротивление нагрузки). Тем, кому вычислением заниматься сложно даже на калькуляторе, можно воспользоваться онлайн калькуляторами на сайте https://www.fxyz.ru с вычислением мощности в цепях с различной нагрузкой. Вычисляется все мгновенно, достаточно заполнить таблицу с исходными параметрами. Когда такой калькулятор под рукой, я вычислю быстро нужные мне параметры. ВидеоОцените статью:elquanta.ru формула, взаимное влияние, нормы, характеристики
Нормируемые требования к показателямВ РФ требования к качеству работы энергосистемы стандартизированы. В соответствии с ГОСТ 13109-97 частота в энергосистеме должна непрерывно поддерживаться на уровне f = 50 ± 0,2 Гц, при этом допускается кратковременное отклонение частоты до значения ∆f = 0,4 Гц. Анализируя зависимость силы тока от частоты, можно сделать вывод, что если подключаемая нагрузка имеет чисто активный характер (к примеру, резистор), то в широком диапазоне сила тока от частоты иметь зависимость не будет. В случае достаточно высоких частот, когда индуктивность и ёмкость подключаемой нагрузки будут характеризоваться сопротивлением, сравнимым с активным, то сила тока будет иметь определенную зависимость от частоты. Другими словами, при варьировании частоты тока происходит изменение ёмкостного сопротивления, изменение которого, в свою очередь, приводит к изменению тока, протекающего по цепи. То есть при повышении частоты, снижается ёмкостное сопротивление, и повышается ток, протекающий по цепи. Математическое выражение зависимости будет иметь следующий вид: I = UCω; Зависимость при учете активного сопротивления будет определяться следующим выражением: I (ω) = UCω √(R2 • C2 • ω2 + 1). Влияние частоты тока на электроприборыДалее рассмотрим влияние частоты электрического тока. Увеличение частоты до сравнительно невысоких величин (1 — 10 тыс. Гц), обычно является следствием исключительно повышения номинальной мощности электроаппаратуры, поскольку таким образом возрастает проводимость газовых промежутков. Для измерения частоты в системе используют частотомеры. Паровая турбина разрабатываются и создаются таким образом, чтобы при номинальной скорости вращения (частоте) обеспечивалась максимальная выходная мощность на валу. При этом уменьшение номинальной частоты является следствием возникновения потерь на удар пара о лопатки с единовременным повышением момента вращения, а повышение частоты — к снижению момента вращения. Таким образом, наиболее экономичный режим работы достигается при оптимальной частоте. Помимо этого, работа на пониженных частотах приводит к ускоренному износу рабочих лопаток и прочих частей и механизмов. Снижение частоты оказывает влияние на расход на собственные нужды станций. pue8.ru
electric-220.ru Лабораторная работа № 312 Лабораторная работа №312ЗАВИСИМОСТЬ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКА ТОКА ОТ НАГРУЗКИ Приборы и принадлежности: лабораторная панель, два аккумулятора, миллиамперметр, вольтметр, переменные резисторы. Введение. Наиболее широко распространенными источниками постоянного тока являются гальванические элементы, аккумуляторы, выпрямители. Присоединим к источнику тока ту часть, которая нуждается в его электрической энергии (лампочка, радиоприемник, микрокалькулятор и т.п.). Эта часть электрической цепи называется общим словом – нагрузкой. Нагрузка обладает некоторым электрическим сопротивлением R и потребляет от источника ток силой I (рис.1). Нагрузка образует внешнюю часть электрической цепи. Но есть и внут-ренняя часть цепи – это фактически сам источник тока, он имеет электрическое сопротивлениеr, в нем протекает тот же ток I. Границей между внутренним и внешним участками цепи являются клеммы “+” и “–” источника тока, к которым присоединяется потребитель Рис.1 электрической энергии (нагрузка). На рисунке 1 источник тока охвачен штриховым контуром. Источник тока с электродвижущей силой Е создает в замкнутой цепи ток, сила которого определяется законом Ома: (1) При протекании тока по сопротивлениям R и r в них выделяется тепловая энергия, определяемая законом Джоуля-Ленца. Мощность во внешней части цепи Ре – внешняя мощность . (2) Эта мощность является полезной. Мощность во внутренней части Рi – внутренняя мощность. Она недоступна для использования и поэтому составляет потери мощности источника . (3) Полная мощность источника тока Р есть сумма этих двух слагаемых, (4) Как видно из определений (2,3,4), каждая из мощностей зависит и от протекающего тока и от сопротивления соответствующей части цепи. Рассмотрим эту зависимость по отдельности. Зависимость мощности Pe , Pi , P от тока нагрузки. С учетом закона Ома (1) полную мощность можно записать так: . (5) Таким образом, полная мощность источника прямо пропорциональна потребляемому току. Мощность, выделяющаяся на нагрузке (внешняя), есть . (6) Она равна нулю в двух случаях: 1) I = 0 и 2) E – Ir = 0. (7) Первое условие справедливо для разомкнутой цепи, когда R , второе соответствует так называемому короткому замыканию источника, когда сопротивление внешней цепи R = 0. При этом ток в цепи (см. формулу (1)) достигает наибольшего значения – тока короткого замыкания. (8) При этом токе полнаямощность становится наибольшейРнб=EIкз=Е2/r. (9) Однако вся она выделяется внутри источника. Выясним, при каких условиях внешняя мощность становится макси-мальной. Зависимость мощности Pe от тока является (см. формулу (6)) параболической: . Положение максимума функции определим из условия: dPe/dI = 0, dPe/dI = E – 2Ir. Полезная мощность достигает максимального значения при токе (10) что составляет половину тока короткого замыкания (8), (см. рис. 2): (11) Внешняя мощность при этом токе составляет (12) т.е. максимальная внешняя мощность составляет четвертую часть наибольшей полной мощности источника. Мощность, выделяющаяся на внутреннем сопротивлении при токе Imax, определяется следующим образом: , (13) т.е. составляет тоже одну четверть наибольшей полной мощности источника тока. Заметим, что при токе Imax Pe = Pi . (14) Когда ток в цепи стремится к наибольшему значению Iкз, внутренняя мощность
т.е. равна наибольшей мощности источника (9). Это означает, что вся мощность источника выделяется на его внутреннемсопротивлении, что, разумеется , вредно с точки зрения сохранности источника тока. Характерные точки графика зависимости Pe= Pe(I) показаны на рис. 2.
Эффективностьработы источника тока оценивается егокоэффициентом полезного действия. КПД есть отношение полезной мощности к полной мощности источника: = Pe/ P. Используя формулу (6), выражение для КПД можно записать следующим образом: . (15) Из формулы (1) видно, что E – Ir = IR есть напряжение U на внешнем сопротивлении. Следовательно, КПД = U/E . (16) Из выражения (15) также следует, что = (17) т.е. КПД источника зависит от тока в цепи и стремится к наибольшему значению, равному единице, при токе I 0 (рис.3). С увеличением силы тока КПД уменьшается по линейному закону и обращается в нуль при коротком замыкании, когда ток в цепи становится наибольшим Iкз = E/r . Из параболического характера зависимости внешней мощности от тока (6) следует, что одна и та же мощность на нагрузке Pe может быть получена при двух различных значениях тока в цепи. Из формулы (17) и из графика (рис.3) видно, что с целью получения от источника большего КПД предпочтительна работа при меньших токах нагрузки, там этот коэффициент выше. studfiles.net Изучение зависимости мощности и КПД источника тока от величины нагрузкиЦель работы: опытное определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока. Изучение зависимости полезной, полной мощности и КПД источника тока от величины нагрузки. Теоретическое введение Электрический ток проводимости возникает под действием электрического поля. Носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны. Основной характеристикой электрического тока является сила тока. Силой тока называется скалярная физическая величина, равная отношению заряда dq, переносимого через рассматриваемую поверхность (сечение проводника) за некоторый малый промежуток времени dt , к длительности этого промежутка:
Для участка цепи экспериментально было установлено, что сила тока пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (закон Ома):
где U – напряжение на концах проводника, R – электрическое сопротивление. Для поддержания в цепи постоянного тока проводимости необходимо, чтобы на носители тока действовали, помимо кулоновских сил, еще какие-то иные, неэлектрические, силы, называемые сторонними силами. Они могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порожденными меняющимися во времени магнитными полями и т.д. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается постоянная разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток. Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Физическая величина, определяемая отношением работы, совершаемой сторонними силами по перемещению заряда вдоль цепи, к величине этого заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС)
Электрическая цепь состоит, как правило, из источника тока, подводящих проводов и потребителя тока или нагрузки. Ток в замкнутой цепи определяется по закону Ома:
где r – внутреннее сопротивление источника тока, R – сопротивление внешней цепи, т.е. сопротивление подводящих проводов и нагрузки. Как правило, сопротивление подводящих проводов мало, и им часто пренебрегают. При прохождении тока по цепи совершается работа. Так как работа кулоновских сил по перемещению заряда по замкнутой цепи равна нулю (электростатическое поле потенциально), то работа по перемещению заряда dq по замкнутой цепи будет определяться только работой сторонних сил и будет равна, как следует из (8.3),
Разделив работу dA на время dt, за которое она совершается, получим мощность, развиваемую источником тока:
Подставив в эту формулу вместо тока I его значение из (8.4), получим для полной мощности, выделяемой во всей цепи, выражение
В нагрузке выделяется только часть этой мощности:
Здесь dAН – работа по переносу заряда на однородном участке цепи с разностью потенциалов Δφ=U=RI. Мощность РН назовем полезной мощностью. Остальная мощность расходуется в источнике тока и оказывается бесполезной. Отношение полезной мощности ко всей мощности P, развиваемой ЭДС в цепи, определяет коэффициент полезного действия (КПД) источника тока:
Из этой формулы следует, что КПД будет тем больше, чем больше сопротивление нагрузки R по сравнению с сопротивлением источника r. Поэтому сопротивление источника тока стремятся сделать как можно меньшим. Мощность, развиваемая данным источником тока, зависит от сопротивления нагрузки R. Она максимальна при коротком замыкании (R®0, см. формулу (8.7)):
но в этом случае вся мощность выделяется в самом источнике и оказывается совершенно бесполезной. С ростом сопротивления нагрузки R полная мощность убывает, стремясь к нулю при R ® ¥. Можно получить соотношение, при котором полезная мощность, отбираемая от данного источника тока, будет наибольшей. Для этого нужно выражение (8.8) по R и приравнять производную к нулю: Отсюда находим, что РН имеет максимум при R=r (другое решение R = ¥ соответствует минимуму РН). Следовательно, чтобы отобрать от данной ЭДС наибольшую полезную мощность, нужно взять сопротивление нагрузки, равное сопротивлению источника тока. КПД при этом, как следует из (8.9), равен 0.5. Экспериментальная часть Приборы и оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, реостат. cyberpedia.su График зависимости мощности - Физика домаАвтор: admin. Рубрики: Задачи 27 (С1). Опубликовано: Ноябрь 14th, 2014Задача для подготовки к ЕГЭ по физике по теме «Законы постоянного тока. Закон Ома для полной цепи. Мощность тока». Электрическая цепь состоит из батареи и ЭДС Е=4 В и внутренним сопротивлением r , подключённого к ней резистора нагрузки с сопротивлением R. При изменение сопротивления нагрузки изменяется напряжение на ней и мощность. Используя известные Вам физические законы, нарисовать график изменения мощности, выделяющейся на нагрузке, в зависимости от напряжения на нагрузке. Объясните вид данного графика.
Для построения графика изменения мощности от напряжения на нагрузке, необходимо вспомнить ряд формул из обозначенных в начале решения тем. А именно: законы Ома для участка цепи и полной цепи, формулу мощность тока.
По виду формулы, видим, что данная функция представляет собой квадратичную зависимость (неполное квадратное уравнение), причём ветви параболы направлены вниз (коэффициент, стоящий перед квадратичным слагаемым, отрицателен). Определяем точки пересечения графика с осью напряжений, а далее строим график изменения мощности от напряжения на нагрузке в осях (PU). Написать комментарийfizika-doma.ru ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКА ТОКА ОТ НАГРУЗКИ — КиберПедияЦель работы: изучение режима работы источника тока при переменной внешней нагрузке. Приборы и принадлежности: источник переменного тока, вольтметр, амперметр, резистор R1= 91 Ом и переменный резистор R2 = 2,2 кОм на модуле МО-З.
Краткая теория В повседневной жизни мы постоянно пользуемся источниками электрической энергии и редко задумываемся об их оптимальном использовании. Мы присоединяем к источникам электрического тока бытовые электроприборы, различные электродвигатели и т. п. Все эти элементы называются общим словом - нагрузкой. Нагрузка обладает некоторым электрическим сопротивлением R и потребляет электрический ток силой I (рис. 1). Рис.1. Электрическая цепь с внешней нагрузкой
Нагрузка является внешней частью электрической цепи, но есть еще и внутренняя часть цепи - это сам источник тока с его внутренним сопротивлением r. По источнику тока протекает тот же ток I и выделяется некоторая мощность, приводящая к его нагреванию. Источник тока с электродвижущей силой ε создает в замкнутой цепи ток, сила которого определяется законом Ома: (1) При протекании тока по замкнутой цепи на сопротивлениях R и rвыделяется тепловая энергия, мощность которой определяется законом Джоуля - Ленца. Мощность, выделяемая во внешнем сопротивлении Ре, - носит название внешней и часто является полезной мощностью. . (2) Мощность, выделяемая во внутреннем сопротивлении Pi - внутренняя мощность. Она чаще всего расходуется бесполезно - тепло рассеивается в пространстве. . (3) Полная мощность источника тока Р есть сумма внутренней и внешней мощности. (4) Порядок выполнения работы
1. Соберите схему, показанную на рис. 2. (Резисторы R1 и R2 находятся на планшете М0-3, источник переменного напряжения на 12 В - на вертикальной стенке модуля). 2. Изменяя сопротивление R2, проведите необходимое количество измерений силы тока (10 измерений) и соответствующее каждому значению тока напряжение. Силу тока изменяйте так, чтобы от максимального до минимального значения ток изменялся через примерно равные промежутки. Максимальный ток получите, соединив клеммы 1 и 2 на планшете проводником (рис. 2) . При измерении ЭДС необходимо разомкнуть цепь резисторов R1 и R2, при этом ток в цепи становится практически равным нулю, т. к. входное сопротивление вольтметра очень велико. 3. Данные занесите в таблицу. 4. Для каждого измерения вычислите значения: и запишите их в соответствующие столбцы таблицы.
Рис. 2. Электрическая схема с переменным сопротивлением R2 Таблица
5. Рассчитайте среднее значение внутреннего сопротивления r и абсолютную погрешность его измерения методом Стьюдента ; , (5) где ri - каждое очередное значение r, п – количество измерений, t(a ,n) - коэффициент Стьюдента. 6.Результат запишите в стандартном виде:
r = (< r > ± Dr) Ом; e =Dr/<r> , при a = 0,95.
7. Постройте графики зависимостей: а) полной, полезной и внутренней мощности от силы тока I (на одном графике). б) полной, полезной и внутренней мощности от внешнего сопротивления R (на другом графике). в) к.п.д. от силы тока и от сопротивления R (на третьем графике). 8. Из графиков определите максимальную полезную мощность Ретах. 9. Из графика Реот R определите внутреннее сопротивление источника тока r. Сравните полученное значение r со средним из таблицы.
Задания для отчета 1. Характеристики электрического тока: сила и плотность тока, ЭДС, напряжение, разность потенциалов, сопротивление однородного проводника, удельное сопротивление и удельная проводимость. 2. Закон Ома в интегральной и дифференциальной форме. Закон Ома для участка цепи и для замкнутой цепи. 3. Закон Джоуля - Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Полная, внутренняя и полезная мощность. КПД источника тока. Зависимость полезной мощности и КПД от силы тока I и от сопротивления нагрузки R . 4. Эффективное и мгновенное напряжение. Вывод эффективного значения при гармонической форме напряжения. 5. Две электрические лампочки включены в сеть параллельно. Сопротивление первой лампочки 360 Ом, сопротивление второй 240 Ом. Какая из лампочек поглощает большую мощность? Во сколько раз? 6. Сколько надо заплатить за пользование электрической энергией в месяц (30 дней), если ежедневно по 6 ч горят две электрические лампочки, потребляющие при 220 В ток 1 А. Кроме того, ежедневно кипятится 3 л воды (начальная температура воды 100 С). К.п.д. нагревателя принять равным 80%. 7. Определить: 1) полную мощность, 2) полезную мощность, 3) к.п.д. батареи, ЭДС которой равна 240 В, если внешнее сопротивление равно 23 Ом и сопротивление батареи 1 Ом. 8. Найти внутреннее сопротивление генератора, если известно, что мощность, выделяемая во внешней цепи одинакова при двух значениях внешнего сопротивления R1 = 5 Ом и R2 = 0,2 Ом. Найти к.п.д. генератора в каждом из этих случаев. 9. Элемент с ЭДС 2 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом замкнут на внешнее сопротивление R. Построить графики зависимости от сопротивления: 1) силы тока, 2) разности потенциалов на концах внешней цепи. 3) мощности, выделяемой во внешней цепи, 4) полной мощности. Сопротивление R взять в пределах 0 ≤ R ≤ 4 Ом через каждые 0,5 Ом.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ИЗМЕРЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
Цель работы: изучение метода измерения магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра. Приборы и принадлежности: катушка со съемным столиком, магнитный компас, источник постоянного тока, переменное сопротивление 2,2 кОм и сопротивление 910 Ом в составе модуля МО-З.
Краткая теория
Магнитное поле Земли подобно полю однородно намагниченного шара и ориентировано так, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Магнитное поле Земли. B0 - индукция магнитного поля: Bг – горизонтальная составляющая поля, Bв – вертикальная составляющая поля
По определению, северный полюс магнитной стрелки указывает на север, поэтому соответствующий магнитный полюс Земли является южным (одноименные полюсы магнитов отталкиваются, разноименные притягиваются). Магнитные полюсы Земли не совпадают с положением географических полюсов, находящихся на оси вращения Земли. Магнитная ось наклонена относительно географической оси на 11 градусов и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Магнитные полюсы со временем изменяют свое положение. Силовые линии магнитного поля выходят приблизительно из центра Земли через Южное полушарие и, обогнув Землю, возвращаются к ее центру через Северное полушарие. Компоненты магнитного поля Земли на поверхности планеты меняются таким образом: - величина индукции магнитного поляВ0 от +62 до - 73 мкТл. - горизонтальная составляющая Вгот 0 до 41 мкТл. Реальная конфигурация земного магнитного поля более сложная, чем поле однородно намагниченного шара, так как добавляются поля верхней части земной коры (в районе Курской магнитной аномалииВ0 ≈ 200 мкТл). Существует много способов измерения слабых магнитных полей, каким является геомагнитное поле. В данной работе используется электрический магнитометр, основанный на сравнении измеряемого магнитного поляВизмсполем эталонной катушки (1) где mo - магнитная постоянная (mо = 4p×10-7 Гн/м), N- число витков катушки, I - сила постоянного тока в ней, R - радиус катушки. В качестве чувствительного элемента используется стрелка магнитного компаса. Этот метод в литературе называется также методом тангенс - буссоли или тангенс - гальванометра.
Описание установки
В качестве источника известного постоянного магнитного поля используется катушка, внутри которой на съемном столике - пластинке размещают магнитный компас (рис. 2). Катушка подключается к источнику постоянного тока, величину которого можно изменять с помощью переменного сопротивления. По отклонению стрелки компаса в суммарном магнитном поле Земли и магнитном поле катушки судят о величине геомагнитного поля.
Рис.2. Экспериментальная установка. 1 – амперметр, 2 – катушка, 3 – компас с магнитной стрелкой Порядок выполнения работы
1. Укрепите катушку на стержне модуля МО-З (рис. 2). Компас поместите в центре катушки. Катушку расположите в плоскости магнитного меридиана, так чтобы стрелка компаса находилась в плоскости катушки. 2. Соберите электрическую схему, показанную на рис. 3. 3.Включите питание катушки и отрегулируйте ток переменным резистором так, чтобы стрелка компаса отклонилась на 45°, при этом магнитная индукция катушки сравняется с горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. 4. Данные занесите в таблицу. Рис. 3. Электрическая схема 5. Выключите ток в катушке.
6. Встряхните компас и установите катушку вдоль магнитного меридиана. Повторите измерения 5-7 раз. 7. Для каждого измерения рассчитайте горизонтальную составляющую магнитного поля Земли Вг по формуле (1). N= 400 витков, R= 35 мм. Заполните таблицу. Таблица
8. Рассчитайте среднее значение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, абсолютную и относительную погрешность по формулам
, ,
гдеВi - каждое очередное значение ВГ, t(a,n) - коэффициент Стьюдента (для 5 измерений t(a,n) = 2,78), п - число измерений. 5. Результат запишите в стандартном виде:
Вг = <BГ > ± DВ; e =DB/<Bг>, при a = 0,95. Задания к отчету
1. Магнитное поле Земли. Его составляющие. Понятие о магнитном меридиане. 2. Магнитное поле и его характеристики. Закон Био - Савара - Лапласа. 3. Магнитное поле прямого и кругового токов. 4. Рамка с током в магнитном поле. Магнитный момент контура с током. 5. Ось прямой катушки, имеющей 400 витков диметром 4 см, расположена горизонтально в плоскости магнитного меридиана. По катушке идет ток 6 А. Определите действующий на нее вращающийся момент, если напряженность магнитного поля Земли равна 40 А/м, а угол наклонения равен 700. 6. Период небольших колебаний маленькой магнитной стрелки вокруг вертикальной оси в магнитном поле Земли равен 0,7 с. Период колебаний той же стрелки, помещенной внутри соленоида, по которому идет ток, равен 0,1 с. Затухание колебаний в обоих случаев невелико. Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли равна 14,3 А/м. Определите напряженность магнитного поля внутри соленоида. 7. Заряд q падает в магнитном поле Земли, индукция которого B = (0, B, 0). В начальный момент времени r(0) = (0,0,h), v(0) = 0. Найти границы области движения заряда по оси z, направленной вертикально вверх.
Приложение I Коэффициенты Стьюдента (при α= 0,95)
Приложение II cyberpedia.su |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Частота электрического тока выступает одним из параметров качества электроэнергии и основной характеристикой режима энергосистемы. Количественно частота в энергосети равна количеству периодов в секунду. Изменение частоты в сети влияет на функционирование и, соответственно, производительность работы потребителей. Также свое влияние оказывает отклонение частоты на работу всей энергосистемы.
. (8.1)
, (8.2)
, действующей в замкнутой цепи или на ее участке. Следовательно, если работа сторонних сил по перемещению заряда dq по электрической цепи равна dАстор., то, по определению:
. (8.3)
, (8.4)
. (8.5)
(8.6)
. (8.7)
. (8.8)
. (8.9)
, (8.10)
.
Проведя ряд математических преобразований, получаем формулу искомой зависимости.
Остаётся начертить график этой зависимости и объяснить его. Для этого вспоминаем математику.
Зная значение внутреннего сопротивления, можно было бы определить вершину параболы — максимальную мощность, выделяющуюся на нагрузке.
