1-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

2. Электрический ток

УРОК 7/18

Тема. Коэффициент полезного действия источника тока

Цель урока: ознакомить учащихся с методикой решения задач на работу и мощность электрического тока, расчет количества теплоты, выделившейся в проводнике.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. В любом случае на внешней части цепи выделяется максимальная мощность?

Для определения зависимости P(I) - мощности, потребляемой внешней частью круга, - от силы тока рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока с внутренним сопротивлением r и ЭДС , замкнутого на внешнюю нагрузку с сопротивлением R.

Умножим обе части формулы на значения силы тока I: - полная мощность, которую развивает источник тока; I2R = P - мощность, потребляемая внешней частью круга; I2r = Ро - мощность, потребляемая внутренней частью круга. Следовательно, мощность, потребляемая внешней частью круга, равна:

График зависимости P(I) - парабола.

Анализ полученной зависимости показывает, что мощность, потребляемая внешней частью круга, по сил тока I1 = 0 и равна нулю (Р = 0), а за силы тока имеет максимальное значение

После подстановки в формулу, выражающую закон Ома для полного круга, получаем: Отсюда следует, что максимальную мощность потребляет внешнюю нагрузку в случае, когда R = r.

2. Коэффициент полезного действия источника тока

КПД источника тока определяют как отношение мощности P, потребляемой внешней частью цепи (полезная мощность), к полной мощности Pn, которую развивает источник тока:

После подстановки получаем:

Если во внешней части круга вся энергия превращается только во внутреннюю, то, подставив U = IR и = I(R + r), получаем: Разделив числитель и знаменатель на R, имеем:

График зависимости η(R) при r = const показан на рисунке:

Анализ формулы и графика показывает, что η 1, когда r/R 1. То есть для увеличения КПД источника необходимо по возможности уменьшать его внутреннее сопротивление.

В случае короткого замыкания (R 0) η 0, т.е. вся мощность потребляется внутри источника тока. Это может привести не только к перегреву внутренних частей источника и выхода его из строя, но и к пожару. Поэтому короткие замыкания недопустимы.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. В сеть параллельно включены две лампы. Сопротивление одной из ламп больше другой. В какой из ламп выделится большее количество теплоты за одинаковое время?

2. Как надо соединить обмотки двух нагревателей, опущенных в стакан с водой, чтобы вода скорее закипела?

3. Почему электрические лампы накаливания чаще перегорают во время включения и очень редко - за выключения?

Решения. Во время включения, когда нить лампы еще не нагрелся, ее сопротивление намного меньше сопротивления в рабочем режиме. Поэтому сила тока очень большая и участки нити, толщина которых наименьшая, нагреваются до температуры, превышающей рабочую: ведь в этих участков большее электрическое сопротивление и меньшая площадь поверхности.

2). Учимся решать задачи

1. В случае подключения электромотора к источнику электрического тока с ЭДС 120 В напряжение на клеммах источника равно 96 В. Общее сопротивление подводящих проводов и источника тока равно 14 Ом. Какую полезную мощность развивает электромотор, если его КПД составляет 65 %? Потери мощности в обмотках электромотора можно не учитывать.

Решения. Полная мощность Pn, которую развивает источник тока, равна сумме механической мощности P и мощности PH, которая расходуется на нагрев проводников: Pn = P + PH.

С учетом того, что получаем:

Поскольку КПД двигателя равен где Pnoл - полезная мощность, которую развивает электромотор, то

Из закона Ома имеем: Отсюда:

После подстановки выражения для силы тока (1) с учетом (2) получаем: Определяем искомую величину:

2. Определите КПД электрического двигателя, при напряжении 220 В и силе тока 2 А за 30 с поднимает груз массой 100 кг на высоту 10 м.

3. Из какого материала может быть изготовлена спираль нагревательного элемента мощностью 480 Вт, если длина провода 15 м, площадь его поперечного сечения 0,21 мм2 , а напряжение в сети 120 В?

4. В нагревательном приборе две обмотки. При включении только первой обмотки мощность прибора равна 100 Вт, а в случае включения только второй - 300 Вт. Какой будет мощность прибора в случае включения двух обмоток: а) параллельно; б) последовательно?

Домашнее задание

1. Подр-1: § 12 (п. 3, 4, 5); подр-2: § 6 (п. 3).

2. Сб.:

Рів1 № 5.13; 5.14; 5.16; 5.17.

Рів2 № 5.28; 5.29; 5.30; 5.31.

Рів3 № 5.32; 5.33; 5.62; 5.64.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 3.

ЗАДАНИЯ ИЗ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ № 3 «ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА»

Задание 1 (1,5 балла)

На рисунке приведены графики зависимости силы тока от напряжения для двух проводников.

А Сопротивление проводника И больше 8 Ом.

Бы Сопротивление проводника II меньше 6 Ом.

В Сопротивление проводника И меньше, чем сопротивление проводника II.

Г Опоры обоих проводников одинаковы.

Задание 2 (2,5 балла)

На рисунке приведена схема электрической цепи. Если ключ заперт, показания амперметра равны 2 А.

А В случае замкнутого ключа показания вольтметра равна 9 В.

В случае разомкнутого ключа показания вольтметра больше ЭДС источника.

В Внутреннее сопротивление источника тока меньше 1 Ом.

Г В случае короткого замыкания сила тока через источник больше 5 А.

Задание 3 (3 балла)

Задача 3 имеет целью установить соответствие (логическую пару). К каждой строке, обозначенного буквой, подберите утверждение, обозначенное цифрой.

А Работа тока.

Бы Мощность тока.

В Закон Джоуля-Ленца.

Г Электродвижущая сила источника.

1 Физическая величина, равная отношению работы тока ко времени, в течение которого она происходила.

2 Физическая величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к величине этого заряда.

3 Физическая величина, равная произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.

4 Физическая величина, которая равна отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи.

5 Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении через него электрического тока, пропорциональна сопротивлению проводника, квадрату силы тока в цепи и времени прохождения тока.

Задание 4 (5 баллов)

ЭДС батарейки от карманного фонаря равна 3,7 В, внутреннее сопротивление - 1,5 Ом. Батарейка замкнута на сопротивление 11,7 Ом. Напряжение на зажимах батарейки?