Ενεργειακή μελέτη των στοιχείων απλού ηλεκτρικού κυκλώματος DC

Ενεργειακή μελέτη των στοιχείων απλού ηλεκτρικού κυκλώματος DC με πηγή, ωμικό καταναλωτή και κινητήρα στη Φυσική Β' ΓΕΛ Γενικής Παιδείας

 

ΥΛΙΚΑ ΠΟΥ ΑΠΑΙΤΟΥΝΤΑΙ:

1. Πηγή συνεχούς τάσης (ΗΛ.180.Χ) και ένας διακόπτης απλός μαχαιρωτός (ΗΛ.200.0)

[ή τροφοδοτικό χαμηλής και υψηλής τάσης (ΗΛ.620.0)]

2. Δύο πολύμετρα ψηφιακά (ΗΛ.760.0)

[ή ένα αμπερόμετρο (ΗΛ.720.0) και ένα βολτόμετρο (ΗΛ.730.0)]

3. Ηλεκτρικός κινητήρας απλός (ΗΛ.400.0) [ή ο ηλεκτροκινητήρας του χρονομετρητή χωρίς το φορτίο (ΓΕ.155.0) ή ένας οποιοσδήποτε κινητήρας συνεχούς τάσης]

4. Ένας αντιστάτης (ΗΛ.225.0) ή ροοστάτης (ΗΛ.230.0)

5. Καλώδια σύνδεσης (ΗΛ.170.0) με ρευματολήπτες (ΗΛ.151.0 ή ΗΛ.152.0) ή κροκοδειλάκια απλά (ΗΛ.160.0)

6. Αριθμομηχανή, για τις πράξεις.

 

ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ:

  • Αποφεύγουμε τους κινητήρες εμπορίου (π.χ. για κασετόφωνα κλπ) γιατί έχουν σταθεροποιητές τάσης (ηλεκτρονικές πλακέτες, που πρέπει να αφαιρέσουμε) και δεν μπορούμε να πάρουμε αξιόπιστες μετρήσεις για την αντίστασή τους.
  • Ο αντιστάτης να είναι μικρής αντίστασης, αλλιώς θα χρειαστεί να ανεβάσουμε κάπως την τάση και αυτό θέλει σχετική προσοχή, για να μην τον καταστρέψουμε. Πρέπει προηγουμένως να υπολογίσουμε πόση ισχύ καταναλώνει για να επιλέξουμε τον κατάλληλο αντιστάτη: π.χ. αν η πηγή είναι 3V, ο κινητήρας λειτουργεί με 1,5V και η μέγιστη ένταση που μετρήσαμε χωρίς τον αντιστάτη στο κύκλωμα (με φρένο στον κινητήρα) είναι 0,15A, τότε R=(3-1,5)V/0,15A=10Ω και Ρ=Ι2·R=0,152·10=0,225W, δηλ. θα χρειαστούμε αντιστάτη 10Ω και 0,25W.
  • Αν χρησιμοποιήσουμε τροφοδοτικό δεν έχουμε δυνατότητα υπολογισμού της εσωτερικής αντίστασης της πηγής (γιατί δεν υπάρχει).
  • Θα μπορούσαμε να κάνουμε το κύκλωμα και χωρίς τον ωμικό αντιστάτη, αλλά τότε δεν θα είχαμε τη δυνατότητα να βρούμε τις απώλειες στον αντιστάτη.
  • Αν προμηθευτούμε αντιστάτες από το εμπόριο (καταστήματα ηλεκτρονικών) θα τους βρούμε σε δύο σχήματα: κυλινδρικούς με ισχύ 1/8,1/4, 1/2, 1 και 2W και πορσελάνινους (τουβλάκια) 5, 10, 15 και 20W. Οι τιμές των αντιστάσεων, που περισσότερο κυκλοφορούν είναι δέκατα (x10-1) ή πολλαπλάσια x10, x102, x103, 104 των τιμών 1 - 1,2 ? 1,5 ? 1,8 ? 2,2 ? 2,7 ? 3,3 ? 3,9 ? 4,7 ? 6,8 ? 8,2 ? 9,1Ω.

 

Πειραματική διαδικασία

Στις μετρήσεις που ακολουθούν οι τιμές με ένδειξη (α) έχουν ληφθεί με πηγή 3V (δύο μπαταρίες 1,5V -size D- σε σειρά, αριστερό σχήμα στην επόμενη σελίδα) και με ένδειξη (β) με πηγή 3V ?DC- (τροφοδοτικό χαμηλής και υψηλής τάσης, δεξί σχήμα).

1. Ωμική αντίσταση: 10Ω

2. ΗΕΔ πηγής:

(α) Ε=2,94V [ένδειξη βολτομέτρου, που είναι συνδεδεμένο στους πόλους της πηγής, σε παράλληλη σύνδεση, πριν κλείσει ο διακόπτης και το κύκλωμα αρχίσει να διαρρέεται από ρεύμα]

(β) Ε=Vπ=3V

3. Το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα είναι:

(α) Ι=84mA=0,084Α

(β) Ι=0,09Α [ένδειξη αμπερομέτρου, που είναι συνδεδεμένο σε σειρά στο κλειστό κύκλωμα]

4. Η πολική τάση της πηγής είναι:

(α) Ε=2,34V [ένδειξη βολτομέτρου με κλειστό κύκλωμα]

(β) Ε=Vπ=3V

5. Σταματάμε για πολύ λίγο την περιστροφή του άξονα του κινητήρα και σημειώνουμε την ένδειξη του αμπερομέτρου, που είναι και η μέγιστη τιμή της έντασης του ρεύματος (τότε ο κινητήρας λειτουργεί ως ωμικός αντιστάτης και μετατρέπει εξ ολοκλήρου σε θερμότητα την ενέργεια που δέχεται):

(α) Ι=125mA=0,125Α

(β) Ι=0,2Α

6. Από τον τύπο Vπ=E-I·r της πολικής τάσης, υπολογίζουμε την εσωτερική αντίσταση της πηγής:

(α)

(β) r=0

7. Υπολογίζουμε την ολική ωμική αντίσταση του κυκλώματος από τον τύπο E=Imax·Rολ

(α) .

Όμως Rολ=r+R+r΄r΄=Rολ?r?R=23,52?7,14?10=6,38Ω και για το (β) Rολ = 15Ω και r΄ = 5Ω.

8. Η ισχύς που παρέχει η πηγή στο κύκλωμα είναι:

(α) Ρ=Ε·Ι=2,94·0,084=0,247W

(β) Ρ=Ε·Ι=3·0,09=0,27W.

9. Η ισχύς που καταναλώνεται στο εσωτερικό της πηγής είναι:

(α) Ρr2·r=0,0842·7,14=0,050W

(β) Ρr=0.

10. Η ισχύς που καταναλώνεται στον αντιστάτη είναι:

(α) ΡR2·R=0,0842·10=0,070W

(β) ΡR=0,081W.

11. Η θερμική ισχύς που παράγεται στο εσωτερικό του κινητήρα είναι:

(α) Ρr΄2· r΄=0,0842·6,38=0,045W

(β) Ρ r΄=0,041W.

12. Η ωφέλιμη (μηχανική) ισχύς του κινητήρα είναι:

(α) Ρμηχ=Ρ-Ρθερμ=Ρ-(ΡrRr΄)=0,082W και

(β) Ρμηχ=0,148 W.

Ο συντελεστής απόδοσης του κινητήρα είναι:

(α) ,

δηλαδή η απόδοσή του είναι 64,5% και

(β)

ή 78.3%.

 

 

 


Ε.Κ.Φ.Ε. Καρδίτσας Σερ. Μπίτσιος τηλ. 2441 079 170 - 1 fax: 2441 079 172 e-mail: Αυτή η διεύθυνση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου προστατεύεται από τους αυτοματισμούς αποστολέων ανεπιθύμητων μηνυμάτων. Χρειάζεται να ενεργοποιήσετε τη JavaScript για να μπορέσετε να τη δείτε. website: http://ekfe.kar.sch.gr

Το υλικό της σελίδας σε αρχεία για αποθήκευση: 1. Οδηγός ΕΚΦΕ (doc) 2. Εικόνες

~~~~ Μετρητής Επισκέψεων ~~~~
Σήμερα264
Χθές291
Αυτή την εβδομάδα1783
Αυτό το μήνα3820
Συνολικά515568

4
Online Επισκέπτες

Κυριακή, 19 Σεπτέμβριος 2021