Дослідження перетворення механічної енергії на електричну – МАНЛаб


Дослідження перетворення механічної енергії на електричну

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Визначити потенційну енергію піднятого вантажу.
  3. Визначити електричну енергію, отриману під час її перетворення з потенційної енергії вантажу.
  4. Визначити ККД перетворення механічної енергії на електричну.
  5. Побудувати графік залежності ККД перетворення від маси вантажу.
  6. Проаналізувати отримані результати та дійти висновків, які втрати енергії відбуваються в досліджуваному процесі, як і чому маса вантажу впливає на ККД перетворення.

Обладнання:

Комплект PHYWE «Електрика і магнетизм», магнітна дошка, набірний вантаж, капронова нитка, рулетка, мобільна лабораторія NOVA5000, датчик напруги, датчик струму, з’єднувальні кабелі.

Теоретична частина

Енергія – це скалярна фізична величина, що є єдиною мірою різних форм руху та взаємодії матерії, мірою переходу руху матерії з однієї форми в іншу. Одиницею виміру енергії є Джоуль (Дж).

Якщо фізична система є замкненою, її енергія залишається сталою увесь час, протягом якого система залишатиметься сталою. Це твердження має назву закону збереження енергії, що є фундаментальним фізичним законом.

Існують різні види енергії: механічна, термодинамічна, електрична, хімічна тощо.

Механічна енергія, у свою чергу, може бути потенціальною та кінетичною. Кінетична енергія тіла є частиною його повної енергії, що зумовлена рухом тіла. Для поступального руху кінетична енергія визначається за формулою, Дж:

Ek=m·v2/2, (1)

де m – маса тіла, що рухається, кг;

v – швидкість руху, м/с.

Потенційна енергія – це скалярна фізична величина, що характеризує запас енергії тіла, розташованого в потенційному силовому полі, який витрачається на набуття (зміну) кінетичної енергії тіла в цьому полі.

Потенційна енергія тіла, розташованого на певній висоті у гравітаційному полі Землі, визначається за формулою:

Eп=m⋅g⋅h, (2)

де m – маса тіла, що знаходиться у силовому полі, кг;

g – прискорення вільного падіння, g = 9,81 м/с2;

h – висота, на яку підняте тіло, м.

Якщо тіло масою 1 кг підняти на висоту 1 м, то воно матиме запас енергії 9,81 Дж. Якщо відпустити тіло, то його потенційна енергія зменшуватиметься пропорційно до висоти, а кінетична, відповідно, збільшуватиметься. Іншими словами, відбуватиметься перехід потенційної енергії в кінетичну.

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.

Електричну енергію можна визначити за формулою:

EE=U⋅I⋅t, (3)

Де U – напруга, В;

І – сила струму, А;

t – час, с.

Отже, електрична енергія може розглядатися як інтеграл електричної потужності P=U⋅I, Вт, за часом.

Кожен процес перетворення енергії характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД) – відношенням первинної енергії до отриманої вторинної. ККД перетворення енергії завжди менший за одиницю, оскільки під час процесу перетворення енергії відбуваються різноманітні втрати, зокрема за рахунок тертя.

У роботі досліджується процес перетворення потенційної енергії піднятого тіла на електричну енергію за допомогою машини постійного струму. ККД такого процесу визначається за формулою, %:

η=(EE/Eп)⋅100. (4)

Хід роботи

  1. З комплекту PHYWE «Електрика і магнетизм» на магнітній дошці зберіть схему за рис. 1.
  2. До зібраної схеми підключить датчики напруги (паралельно) та струму (послідовно).
  3. З’єднайте датчики з мобільною лабораторією NOVA
  4. Відріжте 1,5 м капронового шнура та прив’яжіть його до вихідного шківу двигуна так, щоб він міг намотуватися та змотуватися.
  5. До іншого кінця шнура прив’яжіть тримач набірного вантажу.
  6. Виміряйте відстань від шківу до кінця тримача набірного вантажу за допомогою рулетки та запишіть її до протоколу випробувань. Ця величина буде висотою підйому вантажу h.
  7. Увімкніть мобільну лабораторію NOVA5000 та впевніться, що датчики сили струму та напруги автоматично розпізнані.
  8. Здійсніть настройку реєстратора:

   – зайдіть у меню «Реєстратор» – «Настройка»;

   – оберіть такі параметри: «Частота» – 10 вимірів на секунду; «Виміри» – 500 вимірів.

  1. Повністю намотайте капроновий шнур на шків двигуна.
  2. Наберіть вантаж масою 30 г та утримуйте шків пальцем.
  3. Натисніть на реєстраторі кнопку «Старт» та переконайтеся, що запис даних розпочався.
  4. Відпустіть шків двигуна та дочекайтеся, доки вантаж повністю не опуститься.
  5. Натисніть кнопку «Стоп» .
  6. Встановіть Перший курсор на отриманий графік сили струму в точці початку його наростання.
  7. Встановіть Другий курсор на графіку сили струму в точці, де струм припиняється.
  8. Зайдіть у меню «Інструменти» та виконайте операцію «Обрізати». Ви отримаєте графіки сили струму та напруги в межах часу, протягом якого шнур розмотувався під дією вантажу, а шків двигуна здійснював обертальний рух.
  9. Зайдіть у меню «Інструменти» – «Аналіз» – «Майстер аналізу» та оберіть функцію «Добуток».
  10. Як множники оберіть силу струму та напругу, натисніть «ОК». Ви маєте отримати третій графік – зміни електричної потужності в часі.
  11. Зайдіть у меню «Інструменти» – «Аналіз» – «Майстер аналізу» та оберіть функцію «Інтеграл».
  12. Як функцію інтегрування оберіть результат множення сили струму та напругу, натисніть «ОК» Ви маєте отримати четвертий графік залежності отриманої електроенергії від часу.
  13. Для зручності сховайте три попередні графіки.
  14. Встановіть курсор на найвищу частину отриманого графіка, зчитайте показ у В∙А∙с = Дж та занесіть його до таблиці результатів. Це і є кількість видобутої енергії.
  15. Повторіть дослід за пп. 9 – 22 з іншими масами набірного вантажу до 100 г.

          Приклад отриманого графіка залежності виробленої електричної енергії від часу та зчитування даних наведено на рисунку.

Аналіз даних

  1. Розрахуйте за формулою (2) значення потенційної енергії піднятого вантажу.
  2. За формулою (4) розрахуйте ККД процесу перетворення механічної енергії на електричну.
  3. Побудуйте графік залежності ККД перетворення від маси вантажу.
  4. Проаналізуйте отримані результати та дійдіть висновків, які втрати енергії відбуваються в досліджуваному процесі, як і чому маса вантажу впливає на ККД перетворення.

Таблиця результатів

h = ________м

m, кг
En, Дж
EЕ, Дж
η, %