Измерение КПД генератора переменного тока Размер

Работа 11. Измерение КПД генератора тока (9 – 11 класс)
Цель работы:
Оценить КПД преобразования механической энергии в электрическую в генераторе тока.
Теоретические основы работы
Действие генераторов тока основано на явлении электромагнитной индукции,
возникающей в рамке, вращающейся в магнитном поле. При работе генератора
механическая энергия преобразуется в электрическую.
Коэффициентом полезного действия η генератора называется отношение:
W
(1)
  эл
Wм ех
Если в качестве механической энергии использовать потенциальную энергию груза
массой m, поднятого на высоту H, то.
(2)
Wмех  mgH
Полученная при этом за время спуска t электрическая энергия может быть рассчитана по
значениям переменного тока i(t) и напряжения u(t):
Wэл   u t i t dt
(3)
При вращении плоской рамки в постоянном магнитном поле закон зависимости
вырабатываемой силы тока i(t) оказывается синусоидальным. Использование множества
скрещенных рамок, магнитов расположенных по кругу, коллекторов определенной
конструкции позволяет генерировать пульсирующий ток одного направления, который
можно считать практически постоянным. Если при движении груза вниз устанавливается
стационарная скорость движения , то КПД генератора в случае постоянного тока можно
записать в терминах мощностей силы тяжести и мощности тока
P
IU
I 2R
  ýë 

N ì åõ mg mg ,
где R – сопротивление во внешней цепи генератора.
Всякая машина, работающая как преобразователь механической энергии в
механическую на основе явления электромагнитной индукции, может работать и как
преобразователь электрической энергии в механическую, если на его выходные клеммы
подавать напряжение закон изменения которого совпадает с законом изменения во
времени вырабатываемого генератором тока, то есть генератор переменного тока может
служить электродвигателем переменного тока, а генератор постоянного тока может
служить двигателем постоянного тока. По этой причины – эти устройства называют
электродинамическими машинами.
Оборудование:
1. модель генератора (двигатель постоянного тока),
2. шнурок (0,5  1,0 м),
3. груз (10-100 г),
4. мерная лента,
5. штатив,
6. Карманный Компьютер (КПК) и/или ПК,
7. Регистратор данных,
8. датчик тока 2,5 А (R=0.1 Ом)
9. датчик раcстояния
10. весы с разновесами (датчик силы)
Монтаж экспериментальной установки
1. Соберите установку для измерения силы тока, вырабатываемого генератором
переменного (постоянного) тока при опускании груза на нити, закрепленной на
вале генератора (рис.1). Роль резистора R может выполнять внутреннее
сопротивление датчика тока.
Рис.1
2. На фото на рис.2 показана установка где в качестве генератора используется
двигатель постоянного тока из набора для лабораторных работ «Электродинамика»
«L-микро», датчик расстояния для измерения скорости движения груза и КПК в
качестве регистратора данных, получаемых с датчиков.
Рис.2
Для регистрации скорости движения груза при работе генератора к грузу полосками
скотча прикреплен полиуретановый коврик из набора «Оптика» L-микро.
Установка параметров измерения и порядок проведения эксперимента
1.
Подсоедините к Регистратору данных только датчик тока, установите частоту 500
замеров в секунду
2.
Запустите регистрацию и отпустите груз, чтобы он двигался вниз
3.
Остановите запись, сохраните данные опыта и проанализируйет характер
вырабатываемого генератором тока. Дальнейшие измерения зависят от того постоянный
или переменный ток вырабатывает ваш генератор при движении груза.
4.
В случае выработки генератором переменного тока повторите регистрацию и
сохраните данные опыта, затем отсоедините датчик тока при соедините датчик расстояния
и, установив частоту замеров 10-25 в секунду зафиксируйте зависимость координаты
груза от времени.
5.
В случае выработки постоянного (пульсирующего) тока, подсоедините к
Регистратору данных датчик расстояния, установите частоту замеров 10 – 25 в секунду.
Запустите регистрацию и, отпустив груз, позвольте ему спускаться на нити вырабатывая
электрический ток. Остановите регистрацию и сохраните данные о зависимости
координаты груза и силы тока через датчик тока от времени.
6.
Определите массу груза (или силу тяжести груза) взвешиванием (или используя
датчик силы)
Обработка и анализ результатов
1. Откройте файл опыта на КПК или ПК.
2. Проанализируйте графики зависимости координаты груза от времени и, найдя
участок равномерного движения груза, измерьте скорость его движения. Сохраните
графики зависимостей координаты груза h(t) и аппроксимации его линейной
функцией для внесения его в отчет.
3. Если сила вырабатываемого генератором тока постоянна, то с учетом величины
внутреннего сопротивления датчика тока рассчитайте мощность тока во внешней
цепи генератора. Убедитесь, что выработка тока начинается только после начала
движения груза. Сохраните графики зависимостей координаты груза h(t) и силы
тока в цепи i(t) для внесения их в отчет.
4. Если сила вырабатываемого генератором тока меняется во времени, то используя
Мастер анализа программы MultiLab, постройте функцию I2(t)R от времени и
вычислите энергию, выработанную генератором за один период T изменения
T
 i (t ) R dt .
2
функции i(t)
0
5. Рассчитайте КПД генератора постоянного (переменного) тока по известной
величине скорости движения и силы тяжести груза.
Вопросы для предварительного опроса и защиты ЛР
1. В чем состоит явление электромагнитной индукции?
2. Опишите устройство генератора переменного тока
3. От чего зависит амплитуда период колебаний тока во внешней цепи генератора
простейшей конструкции в виде рамки вращающейся в постоянном магнитном
поле?
4. Как рассчитать мощность в электрической цепи?
5. Что такое коэффициент полезного действия генератора?
6. Почему груз, спускающийся на шнуре, привязанном к валу генератора, спускается
равномерно, а не равноускоренно?
7. Какие величины измеряются при выполнении лабораторной работы?
8. Какие величины нужно рассчитать при обработке результатов экспериментов?
9. Может ли генератор служить электродвигателем
Отчет по работе
Отчет выполните в виде электронного документа в текстовом редакторе. Он должен
содержать:
 формулировку цели,
 основные формульные формулировки физических законов , описывающих
изучаемое явление,
 фотографию схему установки для проведения опыта,
 графики зависимости измеряемых величин от времени, и результаты их
обработки
 примеры результаты расчетов
 выводы.
Дополнительные задания.
1) Исследуйте зависимость КПД генератора от массы спускающегося груза и
поясните ход полученной зависимость.