Vooluallika kasutegur (0)

Vooluallika kasutegur

1.Töö eesmärk.

Vooluallika kasuliku vōimsuse ja kasuteguri määramine sōltuvalt voolutugevusest ning välis-ja sisetakistuse suhtest.

2.Töövahendid.

Vooluallikas , voltmeeter , ampermeeter ja reostaat .

3.Töö teoreetilised alused.

Mistahes vooluringi võib vaadelda koosnevana sise- ja välisosast: siseosa koosneb vooluallikast ja tema takistusest, välisosa ühendusjuhtmetest ja tarbijast (koormustakistusest). Voolutugevus on vastavalt Ohmi seadusele määratud vooluallika elektromotoorjõu (emj - ε) ja vooluringi kogutakistusega. Kuna ühendusjuhtmed valitakse tavaliselt nii, et nende takistus on tühiselt väike võrreldes teiste vooluringi elementide takistusega, siis võib edaspidistes arvutustes nende takistust mitte arvestada. Seega on voolutugevus vooluringis leitav valemist :
kus R on vooluahela välistakistus, siin tarbija takistus ja r - vooluallika sisetakistus . Vooluallika takistus r ja tema emj
on antud vooluallikat iseloomustavad suurused, mis on määratud tema konstruktsiooniga. Ei
ega r sõltu vooluallika koormamisest (voolutugevusest), kuid võivad oleneda vooluallika muudest ekspluatatsioonitingimustest (temperatuur, vooluallika vananemine jm). Pinge välistakistusel (tarbijal) avaldub:
See on alati väiksem elektromotoorjõust, kuna R koormustakistus on palju suurem kui vooluallika takistus (R >> r), saab pinge tarbijal ja seega ka vooluallika klemmidel praktiliselt võrdseks elektromotoorjõuga. Seetõttu saame väikese takistusega vooluallika elektromotoorjõudu üsna täpselt mõõta suure sisetakistusega voltmeetriga.
Elektromotoorjōu definitsioonist on teada,et laengu q läbiviimisel kogu vooluringist tehakse tööd
A =
·q
Järelikult vooluallika koguvōimsus:
Samal ajal tarbijal eraldunud vōimsus ehk nn. kasulik vōimsus:
=IU=R= (1)
Eelviimasest valemist järeldub, et vooluallika koguvõimsus N on maksimaalne lühise korral
(R
0) Kuid siis eraldub kogu võimsus vooluallika takistusel r ja kasulik võimsus N1 võrdub nulliga (1).
Välistakistuse R kasvades koguvõimsus N väheneb ning N 0, kui R . Kasulik võimsus N1 seevastu võrdub nulliga kahel juhul: juba vaadeldud lühise (R
0) korral, aga ka avatud ahela (R
juures. Järelikult peab kasulik võimsus koormustakistuse R kasvades selle teatava väärtuse korral saavutama maksimumi .
Sellise takistuse Rm leidmiseks, mille juures kasulik võimsus N1 oleks maksimaalne, leiame valemist (1) tuletise takistuse R järgi. Tähistame R ümber Rm -iks ning võrdsustame tulemuse nulliga:
Siit Rm = r Järelikult on tarbijal eralduv võimsus maksimaalne siis, kui tarbija takistus R ja vooluallika takistus r on võrdsed. Maksimaalne kasulik võimsus on aga arvutatav valemist:
Vooluallikate kasutamisel pole tähtis mitte ainult võimsus, vaid ka kasutegur. Kasutegur on defineeritud kasuliku ja koguvõimsuse suhtena ning see arvutatakse valemist:
(2)
või
(3)
Valemeist (1) ja (3) järeldub, et tingimused suurima kasuliku võimsuse ja suurima kasuteguri saavutamiseks ei lange kokku. Kui kasulik võimsus on maksimaalne ( Rm= r ), siis kasutegur on 0,5.
Kasuteguri
lähenemisel ühele moodustab aga kasulik võimsus N1 ainult väikese osa oma maksimaalväärtusest N1m . Valemite (1) ja (3) järgi on sama välisahela takistuse R ja vooluallika elektromotoorjõu
korral nii kasulik võimsus kui ka kasutegur suuremad sellel vooluallikal, mille sisetakistus on väiksem. Antud töös kasutatava katseseadme skeem on toodud joonisel 1. Skeemil on vooluallikaks elementide ε1 ja ε2 patarei , mille takistuse kunstlikuks suurendamiseks kasutatakse reostaati r. Reostaati R välises vooluahelas on ette nähtud voolutugevuse sujuvaks muutmiseks.

4.Töö käik.

1. Tutvuge allpool joonisel toodud skeemiga. Punktiiriga piiratud kast kujutab endast uuritavat vooluallikat.
Joonis 1. Vooluallika kasuteguri määramiseks kasutatava katseseadme skeem
2. Lüliti K avatud olekus registreerige voltmeetri näit, mis on sel juhul ligikaudu võrdne vooluallika elektromotoorjõuga.
ε = 8,92 (V)
3. Sulgege lüliti K ning reguleerige reostaadi r abil lühisvoolu tugevus ahelas juhendaja poolt antud väärtusele (100mA).
Edasises katsekäigus aga jätke reostaadi r väärtus muutumatuks.
4. Vähendage reostaadi R abil voolutugevust ahelas 10 mA kaupa kuni 10 mA –ni, registreerides iga kord volt- ja ampermeetri näidud.
Tulemused kandke tabelisse vastavatesse veergudesse.
Täitke tabeli ülejäänud osa kasutades eespool toodud valemeid.
Seejuures:
ja
jrk
I
U
N1
n
E-U
r
R
R/r
nr.
A
V
mW
V
oom
oom
 
1
0.1
3.45
0.345
0.387
5.47
54.70
34.50
0.631
2
0.09
3.99
0.359
0.447
4.93
54.78
44.33
0.809
3
0.08
4.53
0.362
0.508
4.39
54.88
56.63
1.032
4
0.07
5.11
0.358
0.573
3.81
54.43
73.00
1.341
5
0.06
5.61
0.337
0.629
3.31
55.17
93.50
1.695
6
0.05
6.19
0.310
0.694
2.73
54.60
123.80
2.267
7
0.04
6.71
0.268
0.752
2.21
55.25
167.75
3.036
8
0.03
7.27
0.218
0.815
1.65
55.00
242.33
4.406
9
0.02
7.83
0.157
0.878
1.09
54.50
391.50
7.183
10
0.01
8.37
0.084
0.938
0.55
55.00
837.00
15.218
Tabel 1
jrk
I
U
N1
n
E-U
r
R
R/r
nr.
A
V
mW
V
oom
oom
 
1
0.1
4.42
0.442
0.496
4.5
45.00
44.20
0.982
2
0.09
4.88
0.439
0.547
4.04
44.89
54.22
1.208
3
0.08
5.34
0.427
0.599
3.58
44.75
66.75
1.492
4
0.07
5.79
0.405
0.649
3.13
44.71
82.71
1.850
5
0.06
6.25
0.375
0.701
2.67
44.50
104.17
2.341
6
0.05
6.7
0.335
0.751
2.22
44.40
134.00
3.018
7
0.04
7.14
0.286
0.800
1.78
44.50
178.50
4.011
8
0.03
7.59
0.228
0.851
1.33
44.33
253.00
5.707
9
0.02
8.04
0.161
0.901
0.88
44.00
402.00
9.136
10
0.01
8.5
0.085
0.953
0.42
42.00
850.00
20.238
Tabel 2
5. Vastavalt tabeli andmetele joonestage graafikud N1=f(I) ja ƞ =f(I)
ühisele väljale ( I - telg on ühine).
6. Esimese katse puhul, kus oli valitud sisetakistuseks 55 oomi , oli maksimaalne kasutegur 80mA juures ning teise katse, mille puhul oli sisetakistus 45 oomi oli vooluallika maksimaalne kasutegur 100-90mA vahel.