Изучение модели электродвигателя постоянного тока

Работа 21. Изучение электродвигателя постоянного тока (11 класс)
Цель работы:
Исследовать зависимость КПД электродвигателя от режима эксплуатации.
Теоретические основы работы
Действие электродвигателя основано на возникновении силы, действующей на проводник
в магнитном поле при пропускании по проводнику электрического тока, – силы Ампера.
При работе электродвигателя энергия движущихся зарядов Wэл преобразуется в
механическую энергию Wмех перемещаемого груза.
Коэффициентом полезного действия η электродвигателя называется отношение:

Wì åõ
Wýë
(1)
Если электродвигатель используется для подъема груза массой m с постоянной скоростью
, т.е. для увеличении его потенциальной энергии, то
Wì åõ  mgH  mgt
(2)
Потребляемая за время подъема t электрическая энергия при работе двигателя
постоянного тока может быть рассчитана по значениям силы тока I и напряжения U,
подаваемого на входные клеммы электродвигателя:
Wýë  IUt
(3)
Тогда КПД электродвигателя постоянного тока можно записать в терминах мощностей
силы тяжести и мощности тока
N
mg
  ì åõ 
P
IU .
ýë
Остаток потребленной энергии затрачивается на нагревание проводов в обмотке
электродвигателя.
Требуется выяснить зависимость КПД электродвигателя от массы поднимаемого
груза при постоянном напряжении на входных клеммах электродвигателя и от
напряжения на клеммах при постоянной массе груза.
Оборудование:
 Двигатель постоянного тока
 Шнурок (0,5  1,0 м)
 Груз (10-50 г)
 Штатив
 Карманный Компьютер (КПК) и/или ПК
 Регистратор данных
 Датчик тока 2,5 А (R = 0.1 Ом)
 Датчик напряжения 25В
 Датчик раcстояния
 Весы с разновесами (датчик силы)
Монтаж экспериментальной установки
1. Соберите установку для измерения скорости движения груза на нити, закрепленной
на вале электродвигателя, при изменении напряжения на его входных клеммах,
регулируемого переменным сопротивлением (реостатом) (рис. 1).
Рис. 1
2. На фото (рис. 2) показана установка, используются двигатель постоянного тока и
переменное сопротивление, из набора для лабораторных работ «Электродинамика»
«L-микро». На вал двигателя надета пластмассовая шестеренка с отверстием для
крепления нити. В качестве источника тока использован ВУ-4 (4В).
3. Для регистрации скорости движения груза при работе генератора к грузу
полосками скотча прикреплен полиуретановый коврик из набора «Оптика» «Lмикро». Датчик расстояния закреплен в лапке штатива, установленного на полу.
4. Датчики тока, датчик напряжения, Регистратор данных, источник напряжения, и
переменный резистор расположены на столе. Двигатель закреплен в лапке штатива,
установленного на столе. Фиксирование данных в опыте ведется на КПК, причем
обмен данными между ним и Регистратором данных осуществляется
дистанционно, без соединительных проводов.
Рис. 2
Установка параметров измерения
Установите следующие параметры измерений Регистратором данных:
1. Частота – 25 замеров в секунду.
2. Длительность 2 с или вручную.
Порядок проведения эксперимента
1. Определите массы грузов (или их силу тяжести груза) взвешиванием на весах (или
используя датчик силы).
2. Подвесьте к электродвигателю груз минимальной массы. Проведите пробный пуск
электродвигателя, подбирая напряжение на клеммах электродвигателя поворотом
ручки переменного сопротивления. Регулируйте напряжение так, чтобы груз
поднимался за время не менее 1 с.
Внимание! При большой массе груза мощности двигателя может оказаться
недостаточно для его подъема, и при длительной подаче напряжения двигатель
может перегореть. В пробных пусках замыкайте ключ в цепи на короткое время и
наблюдайте за поведением груза. После прекращения подачи напряжения на
клеммы электродвигателя он начинает быстро двигаться вниз, вращая вал
двигателя в противоположную сторону. Придерживайте массивный груз при
спуске, чтобы он не сорвал двигатель или не опрокинул штатив.
3. Запустите регистрацию на время, достаточное для подъема груза на высоту,
равную ½  ¾ длины нити, и затем разомкните ключ в электрической цепи.
Сохраните данные.
4. Измените напряжение на электродвигателе и повторите п. 2. Зафиксируйте данные
при нескольких значениях напряжения, соответствующих малой, средней и
максимальной скорости движения груза. Не забывайте сохранять данные опытов.
5. Смените груз на более массивный и повторите п.п. 2, 3. Проведите эксперименты
при нескольких массах груза в диапазоне 1 г – 100 г. Не забывайте сохранять
данные опытов.
Обработка и анализ результатов
1. Откройте файл опыта на КПК или ПК.
2. Проанализируйте графики зависимости координаты груза от времени и, найдя
участок равномерного движения груза, измерьте скорость его движения в каждом
опыте, используя линейное приближение этого участка зависимости h(t).
Сохраните один из графиков зависимостей координаты груза h(t), напряжения U(t)
на клеммах электродвигателя и силы тока I(t) через него для внесения его в отчет.
3. На основании опытов заполните таблицу.
4. Рассчитайте в каждом опыте механическую мощность, развиваемую
электродвигателем (по величине скорости движения и силы тяжести груза),
потребляемую электрическую мощность (по величинам напряжения и силы тока) и
КПД преобразования электродвигателем электроэнергии в механическую работу.
5. Постройте графики зависимости КПД электродвигателя от механической мощности
при заданном электрическом напряжении на клеммах двигателя и от напряжения
на клеммах при заданной силе тяжести груза. Поясните полученные зависимости.
Таблица
m = _______кг
№ опыта
1
2
3
4
U, В
I, А
, м/с
Nмех, Вт
Рэл, Вт
, %
U = ________В
№ опыта
5
6
7
8
m, кг
I, А
, м/с
Nмех, Вт
Рэл, Вт
, %
Вопросы для предварительного опроса и защиты ЛР
1. Опишите устройство простейшего электродвигателя.
2. Назовите каналы расходования потребляемой двигателем электроэнергии.
3. Как рассчитать механическую мощность, развиваемую электродвигателем, и
потребляемую им электроэнергию?
4. Что такое коэффициент полезного действия электродвигателя?
5. Почему, когда груз спускается на шнуре, привязанном к валу электродвигателя,
после прекращения подачи напряжения на клеммы электродвигателя в цепи
наблюдается электрический ток?
6. Каков КПД электродвигателя при очень большой массе груза и при нулевой массе
поднимаемого груза? На что в этих случаях расходуется потребляемая
электроэнергия?
7. Какие величины измеряются при выполнении лабораторной работы?
8. Какие величины нужно рассчитать при обработке результатов экспериментов?
Отчет по работе
Отчет выполните в виде электронного документа в текстовом редакторе. Он должен
содержать:
 формулировку цели;
 основные формулировки физических законов, описывающих изучаемое
явление;
 фотографию схему установки для проведения опыта;
 графики зависимости измеряемых величин от времени, и результаты их
обработки;
 итоговую таблицу и графики, построенные на ее основе;
 выводы.