ЭКСПЕРИМЕНТ 10 Мощность в резистивных цепях
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете определять величину мощности, рассеиваемой на резисторе, и выражать связь между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением источника для максимальной передачи мощности.
Необходимую принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 120 Ом, один резистор 150 Ом, один резистор 220 Ом, один резистор 470 Ом, два резистора 1 кОм, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм, один резистор 10 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Объясняя на элементарном уровне, электрическая мощность рассеивается на сопротивлении. Всякий раз, когда через сопротивление протекает ток, расходуется мощность. Эта мощность выделяется в форме тепла. При низких уровнях мощности формируется незначительное количество теплоты. Когда используются более сильные токи, рассеивается больше мощности, и генерируются более значительные уровни тепла. Вот почему многие электроэлементы нагреваются во время работы.
Большая часть электронных компонентов разрабатывается таким образом, что они могут выдерживать только определенную максимальную величину мощности. Это справедливо для резисторов, транзисторов и прочих устройств. Например, стандартные композиционные и пленочные резисторы выпускаются с номинальными значениями мощности 1/8, 1/4, 1/2, 1 и 2 Вт. Чем выше номинальная мощность резистора, тем больше его размер для обеспечения надежного рассеяния этой мощности. Таким образом, номинальная мощность резистера указывает на ту максимальную мощность, которую может надежно рассеивать данный резистор.
Разработка схем
При разработке электронных схем необходимо рассчитывать величину мощности, рассеиваемой резистором, для обеспечения того, чтобы эта мощность была ниже номинальной мощности резистора. Если этого не сделать, резистор может буквально сгореть. Для иллюстрации: для резистора мощностью 1/4 Вт значения тока и напряжения должны быть такими, чтобы полная рассеиваемая резистором мощность была меньше, чем эта номинальная мощность 1/4 Вт.
Формулы мощности
Мощность может рассчитываться при помощи трех следующих основных формул:
Выбирайте формулу, основанную на значениях тока, напряжения или сопротивления, которые Вам известны.
Передача мощности от источника питания к нагрузке
В электрических и электронных системах желательно передавать как можно больше мощности от источника питания к нагрузке. Максимальная передача мощности от генератора, батареи, источника питания или другой электронной схемы имеет место, когда нагрузка согласована с внутренним сопротивлением генератора (рис. 10-1).
На этом рисунке батарея последовательно соединена с резистором Ri, который мы будем называть внутренним сопротивлением источника Ri. Нагрузка, к которой передается мощность, обозначена как RL,. Чтобы к нагрузке передавалась максимальная мощность, сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению генератора. На рисунке 10-1 в нагрузку будет передаваться максимальная мощность, если, например, RL = 1000 Ом и Ri, = 1000 Ом.
Однако поскольку два сопротивления одинаковы, то в каждом из этих сопротивлений будет рас-
Рис.10-1.
сеиваться половина мощности. Это означает, что в случае максимальной передачи мощности как в источнике, так и в нагрузке рассеивается одна и та же величина мощности. Это соответствует эффективности лишь 50%, однако передача максимальной мощности имеет место только при таком условии.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы приступаете к рассмотрению эффекта рассеяния мощности на сопротивлении. Покажите на практике, что формируется тепло. Далее продемонстрируйте режим, при котором имеет место максимальная передача мощности.
ПРОЦЕДУРА
I. Рассмотрите простую схему, показанную на рисунке 10-2. При заданных значениях напряжения и сопротивления, показанных на рисунке, вычислите и запишите величину мощности, рассеиваемой резистором. Р =_____Вт
Рис. 10-2.
2. Соберите схему, показанную на рисунке 10-2. Через несколько секунд дотроньтесь быстро до резистора, чтобы почувствовать нагревание резистора, но будьте очень осторожны. Резистор может очень сильно нагреться. Оставьте резистор на несколько минут подключенным и заметьте эффект протекания через него тока. При условии, что большинство используемых в школьной лаборатории резисторов представляют собой элементы с мощностью 1/4 Вт, укажите, была ли превышена номинальная мощность данного резистора.
Рис. 10-3.
3. Соберите схему, показанную на рисунке 10-3. В ней резистор 1 кОм является имитацией внутреннего сопротивления генератора 9 В, представленного источником питания. В шаге 4 Вы будете подключать резисторы с различными сопротивлениями в качестве нагрузки и определять величину мощности, которая рассеивается в каждом случае.
4. В следующей таблице приведены значения сопротивлений, которые Вы будете использовать в качестве нагрузки. Начиная с самого маленького из указанных значений, подключите этот резистор к схеме, которую Вы только что собрали. Выполните измерение напряжения на сопротивлении, а затем рассчитайте величину рассеиваемой на нем мощности. Повторяйте данный шаг для каждого приведенного в таблице сопротивления и записывайте получаемые значения в таблицу.
5. Обратитесь теперь к Вашим табличным данным. Заметьте, какое сопротивление нагрузки приводит к наибольшей величине мощности рассеяния.
RL == ______ Ом
6. Как это соотносится сравнительно с внутренним сопротивлением генератора?
7. Размонтируйте схему.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Мощность, рассеиваемая на резисторе, к которому приложено напряжение 12 В и через который протекает ток 0,15 А, составляет:
а) 1,25 Вт,
б) 1,8 Вт,
в) 12,5 Вт,
г) 80 Вт.
2. Ток, протекающий через резистор 22 Ом, имеет величину ЗА. Рассеиваемая мощность имеет величину:
а) 7,3 Вт,
б) 22 Вт,
в) 66 Вт,
г) 198 Вт.
3. К резистору 4,7 кОм, 1/4 Вт приложено напряжение 40 В. При этом мощность, рассеиваемая на резисторе, превышает номинальную мощность:
а) высказывание верно,
б) высказывание неверно.
4. Мощность рассеивается в виде:
а) света,
б)электрического поля,
в) тепла,
г) магнитного поля.
5. Радиопередатчик имеет выходное сопротивление 500м. Его нагрузкой служит антенна. Антенна для обеспечения максимальной выходной мощности должна иметь сопротивление:
а) 25 Ом,
б) 50 Ом,
в) 100 Ом,
г) 150 Ом.
