Вплив електричного навантаження генератора постійного струму на механічний опір обертанню його валу – МАНЛаб


Вплив електричного навантаження генератора постійного струму на механічний опір обертанню його валу

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.
Рівень складності Середній
Рівень небезпеки Безпечно, але під наглядом керівника
Доступність використовуваних матеріалів На рівні шкільного обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

Робота спрямована на теоретичне й експериментальне визначення впливу електричного навантаження генератора постійного струму на механічний опір обертанню його валу.

Мета роботи: визначити вплив електричного навантаження генератора постійного струму на механічний опір обертанню його валу.

Завдання роботи: дослідити вплив електричного навантаження генератора постійного струму на швидкість падіння вантажу, прив’язаного на нитці, яка намотана на вал генератора.

Блок 2. Попередня інформація

Механічна енергія може перетворюватися на електричну за допомогою індукційних електричних машин – генераторів. Електричні машини зазвичай є оборотними. Тобто, можуть перетворювати механічну енергію на електричну та навпаки. Двигун постійного струму також є оборотною електричною машиною. Якщо двигун постійного струму з’єднати з джерелом живлення, то його вал буде обертатися та виконувати механічну роботу. Якщо обертати вал двигуна, на його клемах з’явиться електрична напруга та він стане джерелом електричної енергії.

Чим більшим буде електричне навантаження генератора, тим більше доведеться витрачати механічної енергії для обертання його валу. Витрати енергії за часом характеризуються потужністю.

Електрична потужність генератора визначається за формулою:

(1)

де U – напруга на навантаженні, В;

І – сила струму, А.

Механічна потужність визначається за формулою:

(2)

де ω – кутова швидкість обертання валу генератора, рад/с;

М – крутний момент на валу генератора, Н∙м.

Електрична потужність генератора може бути визначена як добуток механічної потужності обертання його валу та його ККД:

(3)

де η – ККД генератора.

Досліджувана проблема – з’ясування впливу електричного навантаження генератора постійного струму на швидкість падіння вантажу, прив’язаного на нитці, яка намотана на вал генератора.

Ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: механічна енергія обертального руху, електрична енергія, електрична машина постійного струму, закон збереження енергії.

Джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Генератор_постоянного_тока

В. Сиротюк, В. Баштовий. Фізика. 11 клас. Підручник / Рівень стандарту. – Харків, 2012.

Блок 3. Обладнання

комплект PHYWE «Електрика і магнетизм», магнітна дошка, набірний вантаж, капронова нитка, рулетка, реєстратор «NOVA», датчик напруги, датчик струму, з’єднувальні кабелі.

Блок 4. Експериментальна процедура

  1. Складіть дослідницьку установку за рисунком, під’єднайте датчики напруги та струму до схеми та до реєстратора «NOVA».
  2. Проведіть вимірювання за методикою “Дослідження перетворення механічної енергії на електричну” з різними опорами навантаження та додатковим визначенням часу падіння вантажу (за графіками, отриманими на реєстраторі). Вантаж при цьому має бути одним і тим самим.

 

Блок 5. Аналіз отриманих даних

  1. Результати досліджень запишіть у таблицю:
№ з/п Опір навантаження R, Ом Витрачена механічна енергія (потенційна енергія вантажу) ЕП, Дж Отримана електрична енергія ЕЕ, Дж Час падіння вантажу τ, с ККД η, %
  1. Побудуйте графік залежності часу падіння вантажу від опору навантаження генератора.
  2. Зробіть висновки про вплив електричного навантаження генератора на механічний опір обертанню його валу.

Блок 6. Напрями розвитку

  1. Визначте електричне навантаження генератора, яке відповідає його максимальному ККД.
  2. Опишіть можливі сфери практичного застосування явища, що було досліджене.