3. Вывод рабочей формулы
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
СЕВМАШВТУЗ
ФАКУЛЬТЕТ: IV
КАФЕДРА: ФИЗИКИ
Лабораторная работа
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ
ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Северодвинск
2002
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИСТОЧНИКА
ПОСТОЯННОГО ТОКА
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение различных режимов работы и определение к.п.д. источника тока.
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ: Путём измерения силы тока, напряжения и мощности в цепи с источником тока при различных значениях внешнего сопротивления.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В замкнутой цепи, состоящей из источника тока с внутренним сопротивлением r и проводника с сопротивлением
Движение положительных зарядов внутри источника против сил электростатического поля можно объяснить только тем, что внутри источника действуют силы не электростатического происхождения. Такие силы называют сторонними. Природа их может быть механической, химической, биологической, тепловой и т.д.
Величина, численно равная отношению работы , совершаемой сторонними силами внутри источника тока при перемещении положительного заряда от одного полюса к другому, к величине этого заряда, называется ЭДС
(1)
Эта работа идёт на преодоление сопротивления среды при перемещении заряда q внутри источника и на увеличение потенциальной энергии этого заряда при перемещении, например, положительного заряда на положительный полюс, т.е. против сил кулоновского отталкивания. За счёт этой потенциальной энергии электрического поля заряд движется во внешней цепи.
Стороннюю силу , действующую на заряд q ,можно представить в виде
где – напряжённость поля сторонних сил.
Кроме сторонних сил при движении заряда по всей цепи на него действуют силы электрического поля
,
— напряжённость электрического поля.
Тогда результирующую силу, действующую на заряд в какой – либо точке цепи, можно записать в виде:
.
ЭДС можно также определить как отношение полной работы, совершаемой при перемещении положительного заряда по всей замкнутой цепи, к величине этого заряда
(2 )
При этом можно показать, что полная работа А по замкнутой цепи равна работе сторонних сил:
,т.к. сторонние силы действуют только внутри источника на участке 4-1 (рис.1).
, т.к. циркуляция вектора напряженности электрического поля равна нулю ввиду потенциального характера этого поля.
Таким образом, ЭДС равна работе, совершаемой сторонними силами по перемещению единицы положительного заряда внутри источника тока или равна полной работе, совершаемой по перемещению единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи.
Таким образом, полная работа на замкнутой цепи:
А=А1,2,3,4+А4,1.
На внешнем участке 1,2,3,4, т.е. на сопротивлении
А1,2,3, 4 = ()qUq, (3)
т. е. U = (1 — 4) = A1,2,3,4 / q есть разность потенциалов или напряжение во внешней цепи. По закону Ома U = IR, где I — сила тока,
Точно так же A4,1 = (4 — 1)q = Uвнутр q , (4)
т.е. Uвнутр = 4 — 1 = A4,1 / q есть разность потенциалов или напряжение во внутренней цепи, а по закону Ома U = Ir, где r -сопротивление внутреннего участка.
Следует заметить, что U Uвнутр, т. е. 1 — 4 4 — 1 поскольку внутри источника поле электрических сил скомпенсировано полем сторонних сил.
Так как ЭДС источника
, то (5)
Т.о. ЭДС равна сумме падений напряжения на внешнем и внутреннем участке цепи.
Тогда или
Отсюда — закон Ома для всей цепи.
ЭДС и падение напряжения в системе СИ измеряются в вольтах. При измерении вольтметром получим заниженное значение, т.к. вольтметр требует для своей работы наличия тока в цепи источник – вольтметр. При подключении вольтметра к зажимам источника при разомкнутой цепи он покажет
(7)
Мощность, выделенная во внешней цепи, называется полезной мощностью источника Pп.
. (8)
Отношение полезной мощности источника Pп к полной мощности P называется коэффициентом полезного действия источника.
(9)
При изменении величины внешнего сопротивления R меняются условия работы источника тока, что ведёт к изменению силы тока в цепи
Режим холостого хода при R = /цепь разомкнута/;
Режим максимальной полезной нагрузки при R = r ;
Режим короткого замыкания при R = 0.
Падение напряжения во внешней цепи из уравнения ( 5 ) равно:
U = — I r . (10)
С учётом (8 ) полезную мощность Pп можно представить в виде:
Pп = IU = I(— Ir) = — I 2 r + I. (11)
Из уравнения (11) видно, что полезная мощность есть функция второй степени от тока Pп = (I ) и графически имеет вид параболы со смещённой от начала координат вершиной (рис. 2 )
Из уравнения (11) следует, что Pп дважды обращается в нуль: при I = 0 (режим холостого хода) и при — I r = 0 , т.е. при силе тока I = / r (режим короткого замыкания).
Взяв производную от Pп по I из уравнения (11) и приравняв её к нулю, найдём значение силы тока I , при котором полезная мощность Pп имеет максимальное значение:
= — 2 I r + = 0, откуда I = .
Так как падение напряжения во внешней цепи равно U = — Ir , то при I = получим: .
Тогда по формуле (8) получим при I = максимальное значение полезной мощности Pп :
Pп max = IU = = (12)
По закону Ома для полной цепи . Сравнивая это выражение с I = , получим, что Pп = Pпmax , когда внешнее сопротивление цепи R равно внутреннему сопротивлению источника, т. е. при R = r. Из выражения P = I видим, что зависимость P = ( I ) является линейной ( рис.2)
Из выражения видно, что зависимость = ( I ) является линейной (рис.2) . Очевидно, что с увеличением силы тока уменьшается от своего максимального значения = 1 (при I = 0) до минимального = 0 (при I = ). При I = , что соответствует максимальному значению полезной мощности, к.п.д. становится равным:
.
Так как U = IR , то выражение (8) для полезной мощности можно записать в виде:
Pп = I 2 R. (13)
Подставляя значение , получим:
(14)
Здесь величины и r — постоянные, следовательно, полезная мощность Pп является функцией внешнего сопротивления Pп = ( R ) (рис. 3).
Из уравнения (14) видно, что при R = 0 (короткое замыкание) и при
R = (холостой ход) Pп = 0 . Взяв производную от Pп по R из уравнения (14) и приравняв ее к нулю, найдем значение внешнего сопротивления R, при котором Pп будет иметь максимальное значение.
Знаменатель здесь не равен бесконечности, значит числитель должен быть равен нулю, т.е.
2 (R + r)2 — 22R (R + r) = 2 (R + r) (R + r – 2R) = 0.
Это равенство выполняется при R = r . Таким образом, Pп = Pпmax , когда R = r. При этом из уравнения (14) имеем Pпmax =.
Выражение (7) для полной мощности можно представить в виде:
(15)
Из уравнения (15) видно, что полная мощность Р принимает максимальное значение при R = 0 (короткое замыкание) , тогда Pmax=. При R полная мощность асимптотически стремится к нулю (рис.3).
К.п.д. из уравнения (6) можно представить в виде:
(16)
Из уравнения (16) следует, что при R = 0 (короткое замыкание) к.п.д. = 0. При увеличении R к.п.д. возрастает и при R (холостой ход)
1 (рис.3). Так как полезная мощность достигает максимального значения при R = r , то в этом случае = 0,5.
Особенности трех режимов работы источника видны из таблицы 1.
Таблица1
Режимы | I | U | Pп | P | |
холостого хода | 0 | | 0 | 0 | 1 |
максимальной полезной нагрузки | 0,5 | ||||
короткого замыкания | 0 | 0 | 0 |
Самоиндукция.
Энергия магнитного поля. Определение 1Самоиндукция – это значимый частный случай электромагнитной индукции, когда магнитный поток, изменяясь и вызывая ЭДС индукции, создается током в самом контуре.
В случае, когда ток рассматриваемого контура по каким-либо причинам изменен, то имеет место изменение и магнитного поля этого тока, а значит и собственного магнитного потока, проходящего через контур. В контуре создается ЭДС самоиндукции, создавая препятствие для изменений тока в контуре (по правилу Ленца).
Собственный магнитный поток Φ, который проходит через контур или катушку с током, является пропорциональным силе тока I: Φ=LI.
Определение 2Коэффициент пропорциональности L в формуле Φ=LI есть коэффициент самоиндукции или индуктивность катушки. Единица индуктивности в СИ носит название генри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, когда при силе постоянного тока 1 А собственный поток составляет 1 Вб: 1 Гн=1 Вб1 А.
Расчет индуктивности
Пример 1Для наглядности произведем расчет индуктивности длинного соленоида, который имеет N витков, площадь сечения S и длину l. Соленоид – это цилиндрическая катушка индуктивности, у которой длина много больше диаметра. Магнитное поле соленоида задается формулой:
B=μ0nI,
где I является обозначением тока в соленоиде, n = Ne указывает число витков на единицу длины соленоида.
Магнитный поток внутри катушки соленоида, проходящий через все N витков, составляет:
Φ=B·S·N=μ0n2Sl
Таким образом, индуктивность соленоида будет выражена формулой:
L=μ0n2S·l=μ0n2V,
где V=Sl – объем соленоида, содержащий магнитное поле.
Результат, который мы получили, не берет в расчет краевых эффектов, а значит он является приближенно верным лишь для катушек достаточной длины. Когда соленоид заполнен веществом, имеющим магнитную проницаемость μ, при заданном токе I индукция магнитного поля будет возрастать по модулю в μ раз, а значит и индуктивность катушки с сердечником тоже получит увеличение в μ раз:
Lμ=μ·L=μ0·μ·n2·V.
Определение 3ЭДС самоиндукции, которая возникает в катушке при постоянном значении индуктивности, в соответствии с законом Фарадея записывается в виде формулы:
δинд=δL=-∆Φ∆t=-L∆I∆t.
ЭДС самоиндукции является прямо пропорциональной индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.
Магнитное поле выступает носителем энергии. Так же, как заряженный конденсатор обладает запасом электрической энергии, катушка, по виткам которой проходит ток, обладает запасом магнитной энергии. Включив электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, при размыкании ключа будем наблюдать короткую вспышку лампы (рис. 1.21.1). Ток в цепи появится под влиянием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, которая будет выделяться в этом процессе электрической цепью, будет служить магнитное поле катушки.
Рисунок 1.21.1. Магнитная энергия катушки. В момент размыкания ключа K лампа ярко вспыхнет.
Закон сохранения энергии позволяет говорить, что вся энергия, составляющая запас катушки, будет выделена в виде джоулева тепла. Обозначим как Rполное сопротивление цепи, тогда за время Δt будет выделено количество теплоты ΔQ=I2·R·Δt.
Ток в цепи составляет:
I=δLR=-LR∆I∆t
Выражение для ΔQ можем записать так:
∆Q=-L·I·∆I=-Φ(I)∆I
В данной записи ΔI < 0; значение тока в цепи постепенно снижается от изначального I0 до нуля. Полное количество теплоты, которое выделится в цепи, возможно получить, осуществив действие интегрирования в пределах от I0 до 0. Тогда получим:
Q=LI022
Графический вывод формулы
Существует возможность получить записанную формулу, используя графический метод. Для этого отобразим на графике зависимость магнитного потока Φ(I) от тока I (рис. 1.21.2). Полное количество выделившейся теплоты, которое равно изначальному запасу энергии магнитного поля, определится как площадь получившегося на рис. 1.21.2 треугольника:
Рисунок 1.21.2. Вычисление энергии магнитного поля.
В итоге формула энергии Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, будет записана в виде формулы:
Wм=ΦI2=LI22=Φ22L
Используем выражение, которое мы получили, для энергии катушки к длинному соленоиду с магнитным сердечником. Применяя указанные выше формулы для коэффициента самоиндукции Lμ соленоида и для магнитного поля B, создаваемого током I, получим запись:
Wм=μ0·μ·n2·I22V=B22μ0·μV
В этой формуле V является объемом соленоида. Полученное выражение демонстрирует нам, что магнитная энергия имеет локализацию не в витках катушки, по которым проходит ток, а распределена по всему объему, в котором возникло магнитное поле.
Определение 4Объёмная плотность магнитной энергии – это физическая величина, которая равна энергии магнитного поля в единице объема: Wм=B22μ·μ.
В свое время Максвелл продемонстрировал, что указанная формула (в нашем случае выведенная для длинного соленоида) верна для любых магнитных полей.
Формулы и уравнения генератора постоянного тока
В этой статье мы перечислили все важные формулы и уравнения, связанные с постоянным током. генераторы, используемые в различных электрических практиках, таких как проектирование, упрощение и анализ. Эта страница может служить справочником по формуле генератора постоянного тока для студентов-электротехников и профессионалы.
Генератор постоянного тока Определение
Электромеханическая машина для преобразования энергии, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию постоянного тока называется Генератор постоянного тока . Генератор постоянного тока состоит из двух части, а именно статор и ротор. Статор образует систему возбуждения машины, а ротор выполняет роль якоря.
Типы генераторов постоянного тока
В зависимости от соединения якоря и обмотки возбуждения генераторы подразделяются на следующие три типа −
Серийный генератор постоянного тока − Обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря.
Шунтирующий генератор постоянного тока − Обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря.
Составной генератор постоянного тока − Он имеет как последовательную, так и шунтирующую обмотки возбуждения, соединенные с обмоткой якоря.
Основные части генератора постоянного тока
Типовой генератор постоянного тока состоит из трех основных частей, а именно – системы магнитного поля, якорь, коллектор и щеточный редуктор.
Уравнение ЭДС генератора постоянного тока
Математическое выражение, которое помогает определить индуцированную или генерируемую ЭДС генератора. Генератор постоянного тока известен как Уравнение ЭДС генератора постоянного тока . Это определяется как,
$$\mathrm{E_{g}=\frac{NP\phi Z}{60A}}$$
Где N — скорость якоря в об/мин, P — количество полюсов в машине ϕ – это магнитный поток на полюс, Z — количество проводников якоря, A — количество параллельные пути в обмотке якоря.
Уравнение ЭДС для генератора постоянного тока с волновой обмоткой (A = 2) имеет вид:
$$\mathrm{E_{g}=\frac{NP\phi Z}{120}}$$
для генератора постоянного тока с обмоткой внахлест (A = P) определяется выражением$$\mathrm{E_{g}=\frac{N\phi Z}{60}}$$
Генерируемая мощность и мощность нагрузки генератора постоянного тока
Мощность, развиваемая в якоре генератора постоянного тока, называется генерируемая мощность.
$$\mathrm{P_{g}=E_{g}I_{a}}$$
Мощность, подаваемая на нагрузку генератором постоянного тока называется мощностью нагрузки. мощность нагрузки генератора постоянного тока определяется выражением,
$$\mathrm{P_{L}=V_{T}I_{L}}$$
Где, В T — напряжение на клеммах, IL — ток нагрузки.
Напряжение на клеммах генератора постоянного тока
Часть общей ЭДС, индуцированная на клеммах нагрузки генератора постоянного тока, известна как напряжение на клеммах генератора постоянного тока.
Напряжение на клеммах последовательного генератора постоянного тока
Для последовательного генератора постоянного тока напряжение на клеммах определяется по формуле:
$$\mathrm{V_{T}=E_{g}-I_{a}\left ( R_{a }+R_{se} \right )}$$
Где, E g — полная генерируемая ЭДС, I a — ток якоря, R a — обмотка якоря сопротивление, а R se — последовательное сопротивление возбуждения.
Напряжение на клеммах шунтирующего генератора постоянного тока
Для шунтирующего генератора постоянного тока напряжение на клеммах определяется по формуле:
$$\mathrm{V_{T}=E_{g}-I_{a}R_{a}}$ $
Ток якоря генератора постоянного тока
Суммарный ток, протекающий через обмотку якоря при подключении нагрузки к сети постоянного тока генератор известен как ток якоря генератора постоянного тока.
Ток якоря последовательного генератора постоянного тока
Ток якоря последовательного генератора постоянного тока определяется выражением,
$$\mathrm{I_{a}=I_{se}=\frac{E_{g}-V_{T }}{R_{a}+R_{se}}}$$
Ток якоря шунтирующего генератора постоянного тока
Ток якоря шунтирующего генератора постоянного тока определяется выражением,
$$\mathrm{I_{a}= I_{sh}+I_{L}}$$
Где I sh — ток возбуждения шунта, а I L — ток нагрузки.
Ток возбуждения шунтирующего генератора постоянного тока
В шунтирующем генераторе постоянного тока электрический ток, протекающий через шунтирующую обмотку возбуждения к производят рабочий магнитный поток, известный как его ток возбуждения.
$$\mathrm{I_{sh}=\frac{V_{T}}{R_{sh}}}$$
Где, R sh — сопротивление обмотки шунтирующего возбуждения.
Суммарная выходная мощность генератора постоянного тока
Количество электроэнергии, подводимой к нагрузке генератором постоянного тока, называется полная выходная мощность генератора постоянного тока.
Выходная мощность генератора постоянного тока определяется выражением,
$$\mathrm{P_{out} = P_{in} — (сердечник\: потери + медь\: потери + механические\: потери + рассеяние\: потери )}$$
Где P in – это общая входная механическая мощность, а P out – это общая выходная электрическая мощность.
Потери генератора постоянного тока
Количество генерируемой энергии, которая теряется в виде тепла и не передается нагрузка называется потерями мощности. В генераторе постоянного тока общая потеря мощности определяется выражением
$$\mathrm{Потери = P_{cu}+P_{i}+P_{m}+P_{беспризорный}}$$
Где, P cu — потери в меди в якоре и обмотках возбуждения, P i – потери в железе в железных сердечниках. генератора, Pm — механические потери (потери на трение и ветер), а P бродяга — паразитная потери, такие как потеря мощности в металлическом корпусе из-за индукции.
КПД генератора постоянного тока
Отношение выходной мощности к входной мощности генератора постоянного тока называется КПД генератора постоянного тока. генератор постоянного тока.
$$\mathrm{КПД,\eta = \frac{Выход\: мощность}{Вход\: мощность}}$$
Для генератора постоянного тока мы определили три КПД, а именно: механический КПД, электрический КПД и общий КПД .
Механический КПД генератора постоянного тока
Отношение механической мощности в якоре к общей подводимой механической мощности относится в качестве механического КПД генератора постоянного тока. Это дается выражением,
$$\mathrm{\eta_{mech} = \frac{Механическая\: мощность\: развитая \: в\: арматура}{Входная\:механическая\: мощность}}$$
$$\mathrm{\Rightarrow \eta_{mech} = \frac{E_{g}I_{a}}{\omega \tau }}$$
Где ωτ — механическая мощность, подводимая через вал.
Электрический КПД генератора постоянного тока
Отношение выходной электрической мощности к мощности якоря известно как электрический КПД генератора. генератор постоянного тока.
$$\mathrm{\eta_{elect} = \frac{Выход\: электрический\: мощность\влево ( V_{T}I_{L} \right )}{якорь\: мощность\влево ( E_{g} I_{a} \right ) }}$$
Общий КПД генератора постоянного тока
Отношение выходной электрической мощности к входной механической мощности известно как общее КПД генератора постоянного тока.
$$\mathrm{\eta_{общий} = \frac{Выход\: электрический\: мощность\левый (V_{T}I_{L} \правый)}{Вход\: механический\: мощность\левый (\ омега \ тау \ справа) }} $ $
$ $ \ mathrm {\ Rightarrow \ eta_ {overall} = \ frac {V_ {T} I_ {L}} {V_ {T} I_ {L} + Losses }} $$
Условие максимального КПД генератора постоянного тока
Для максимального КПД генератора постоянного тока переменные потери (потери в обмотки якоря) и постоянные потери (потери в сердечнике и механические потери) должны быть равны, т. е.
$$\mathrm{Переменная\: потери = Константа\: потери}$$
Заключение
В этой статье мы перечислили все важные формулы генераторов постоянного тока, используемые для проектирования и Анализ генератора постоянного тока. Все эти формулы очень важны для электротехники. студенты и практикующие электрики.
электромагнетизм — Какая формула дает ЭДС
спросил
Изменено 4 года, 1 месяц назад
Просмотрено 139 раз
$\begingroup$Недавно я изучал уравнения Максвелла и не смог правильно понять ЭДС $\zeta$. Математически имеем $\zeta=-\dfrac{d\Phi_B}{dt}$, где $\Phi_B$ — магнитный поток поверхности $\Sigma$.
Сначала нас учили, что также имеем: $\zeta=\oint_{\partial\Sigma} \overrightarrow{E}\cdot \overrightarrow{dl}$, где $\overrightarrow{E}$ — электрическое поле и $\overrightarrow{dl}$ является элементом $\partial\Sigma$, и, наконец, что: $\zeta=\oint_{\partial\Sigma} (\overrightarrow{v}\times\overrightarrow{B})\ cdot \overrightarrow{dl}$, где $\overrightarrow{B}$ — магнитное поле, а $\overrightarrow{v}$ — скорость (это скорость элемента $\partial\Sigma$?).
Но после некоторых исследований я думаю, что первая формула используется, когда $\Sigma$ находится в состоянии покоя (когда она не движется), а вторая используется, когда $\Sigma$ движется и $\overrightarrow{B }$ постоянен во времени.
Не могли бы вы дать мне формулу, обобщающую эти две формулы? и можем ли мы вывести его из $\zeta=-\dfrac{d\Phi_B}{dt}$
- электромагнетизма
- уравнений Максвелла
Правильный способ записи — использовать определение потока
$$\oint_{\partial R} \mathbf{E}\cdot d\mathbf{r} = -\frac{d\Phi_B}{dt } $$
Используя определение потока, мы имеем отношение
$$ \frac{d\Phi_B}{dt} = \frac{d}{dt}\iint_{R}\mathbf{B}\cdot d\mathbf{A}. $$
Следовательно, мы имеем
$$ \boxed{ \oint_{\partial R} \mathbf{E}\cdot d\mathbf{r} = \frac{d}{dt}\iint_{R}\mathbf {B}\cdot d\mathbf{A}}$$
Это следует понимать очень похоже на закон Ампера. Вы рисуете некоторую кривую $\partial R$, охватывающую область $R$ (обычно называемую «петлей Фарадиана»), а затем поле E вдоль $\partial R$ определяется производной по времени от потока, заключенного в по формуле $\частичный R$.
$\endgroup$ $\begingroup$ЭДС для сегмента пути представляет собой интеграл силы на единицу заряда, которая действовала бы на него, если бы заряд был размещен последовательно во всех точках этого пути.
Например, ЭДС индукции является интегралом индуцированного электрического поля. Это соленоидальное поле, сопровождающее изменяющееся магнитное поле.
Другим видом ЭДС является ЭДС движения. Это интеграл силы на единицу заряда, заставляющей заряды двигаться относительно проводника, когда этот проводник движется в магнитном поле. Эта электродвижущая сила возникает из-за внешнего магнитного поля, но на самом деле больше похожа на силу ограничения из механики (заряды не могут двигаться по кругу в проводнике, потому что они ограничены его стенками).
Другим примером является химическая ЭДС в ячейке Вольта: на макроскопическом уровне это макроскопическая сила, возникающая в результате химических реакций; он указывает в направлении, противоположном направлению макроскопического кулоновского электрического поля.
Во всех случаях путь обычно выбирается как представляющий интерес проводящий путь, такой как провод или путь через элемент Вольта. Но это может быть любой путь в пространстве. В частности, мы можем выбрать путь вне магнита, в воздухе или в вакууме. Путь может быть даже замкнутым — это часто рассматривается при рассмотрении индуцированного электрического поля в электрической цепи.
Во всех случаях EMF определяет чистую работу, которая была бы выполнена на единицу заряда, если бы ее тянули по пути, а все остальные вещи были бы заморожены.