Енергетика. Лабораторний...

Лабораторія МАНЛаб

Енергетика. Лабораторний практикум

Київ 2015


2

УДК 372.8

ББК 74.26

Енергетика. Лабораторний практикум : робочий зошит / упорядники

І. С. Чернецький, А. І. Атамась. – К., 2015 – 28 с.

Робочий зошит призначено для виконання робіт лабораторного практикуму з теми

«Енергетика». Видання адресовано учням Малої академії наук України.

УДК 372.8

ББК 74.26


3

Лабораторна робота №1

Тема роботи: Дослідження перетворення механічної енергії на електричну.

Завдання роботи:

1. Ознайомитись 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 мають

місце у досліджуваному процесі, як і чому маса вантажу впливає на ККД перетворення.

Обладнання: комплект PHYVE «Електрика і магнетизм»; магнітна дошка;

набірний вантаж; капронова нитка; рулетка; реєстратор «NOVA»; датчик напруги; датчик

струму; з’єднувальні кабелі.

Теоретична частина

Енергія – це скаляр-

на 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).

Уведення поняття

енергії є зручним тому що,

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 фізич-

ним законом.

Існують різні види

енергії: механічна, термо-

динамічна, електрична,

хімічна тощо.

Механічна енергія в

свою чергу може бути

потенціальною та кіне-

тичною. Кінетична енергія

тіла є частиною його

повної енергії, що


4

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, що знаходиться у потенційному силовому полі, який витрачається на набуття (зміну)

кінетичної енергії тіла у цьому полі.

Потенційна енергія тіла, що знаходиться на певній висоті у гравітаційному полі

землі визначається за формулою:

𝐸𝑛 = 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 буде зменшуватися пропорційно до

висоти, а кінетична – відповідно збільшуватися. Тобто буде відбуватися 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.

Таким чином електрична енергія може розглядатися як інтеграл електричної

потужності 𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼, Вт, за часом.

Кожний процес перетворення енергії характеризується коефіцієнтом корисної дії

(ККД), що являє собою відношення первинної енергії до отриманої вторинної. ККД

перетворення енергії завжди менший за одиницю, оскільки під час процесу перетворення

енергії мають місце різноманітні втрати, зокрема тертя.

У даній роботі буде досліджено процес перетворення потенційної енергії піднятого

тіла у електричну енергію за допомогою машини постійного струму. ККД такого процесу

визначається за формулою, %:

𝜂 =𝐸𝑛

𝐸𝐸∙ 100%. (4)


5

Хід роботи

1. З комплекту PHYVE «Електрика і магнетизм» на магнітній дошці зберіть схему за

рисунком.

2. До зібраної схеми підключить датчики напруги – паралельно, та струму –

послідовно.

3. З’єднайте датчики з реєстратором «NOVA».

4. Відріжте 1,5 м капронового шнура та прив’яжіть його до вихідного шківу двигуна

таким чином, щоб він міг намотуватись на змотуватись.

5. До іншого кінця шнуру 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 реєстратор «NOVA» та упевніться що датчики сили струму та напруги

автоматично розпізнані.

8. Здійсніть настройку реєстратора:

- зайдіть в меню «Реєстратор» – «Настройка»;

- оберіть частоту – 10 вимірів на секунду та «Виміри» – 500 вимірів.

9. Повністю намотайте капроновий шнур на шків двигуна.

10. Наберіть вантаж масою 30 г та утримуйте шків пальцем.

11. Натисніть на реєстраторі кнопку «Старт» та переконайтеся у початку запису

даних.

12 Відпустіть шків двигуна та дочекайтеся, доки вантаж повністю не опуститься.

13. Натисніть кнопку «Стоп» .

14. Встановіть Перший курсор на отриманий графік сили струму у точку початку

його наростання.

15. Встановіть Другий курсор на графіку сили струму у точці, де струм припиняється.

16. Зайдіть в меню «Інструменти» та виконайте операцію «Обрізати». Ви отримаєте

графіки сили струму та напруги у межах часу, протягом якого здійснювалося

розмотування шнура під дією вантажу та шків двигуна здійснював обертальний рух.

17. Зайдіть в меню «Інструменти» – «Аналіз» – «Майстер аналізу» та оберіть функцію

«Добуток».

18. В якості множників оберіть силу струму та напругу, натисніть «ОК». Ви маєте

отримати третій графік – зміни електричної потужності у часі.

19. Зайдіть в меню «Інструменти» – «Аналіз» – «Майстер аналізу» та оберіть функцію

«Інтеграл».

20. В якості функції інтегрування оберіть результат множення сили струму та напругу,

натисніть «ОК» Ви маєте отримати четвертий графік залежності отриманої

електроенергії від часу.

21. Для зручності сховайте три попередні графіки.

22. Встановіть курсор до самої верхньої частини отриманого графіка, зчитайте

показання у В∙А∙с = Дж та занесіть його до таблиці результатів. Це ї є кількість

видобутої енергії.

23. Повторіть дослід за п. 9 – 22 з іншими масами набірного вантажу до 100 г.


6

Приклад отриманого графіка зміни виробленої електричної енергії від часу та

зчитування даних.

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 мають

місце у досліджуваному процесі, як і чому маса вантажу впливає на ККД

перетворення.

Таблиця результатів

h = ________м

m, кг

En, Дж

EЕ, Дж

η, %


7


Тема роботи: Дослідження теплової дії електричного струму

.



2. Провести експеримент у відповідності до ходу дослідження.

3. Розрахувати кількість теплоти, виділену нагрівником у експерименті з водою.

4. Розрахувати кількість теплоти, отриману водою.

5. Розрахувати к.к.д. нагрівника.

6. Розрахувати питому теплоємність насиченого соляного розчину.

7. Занотувати висновки дослідження.

Обладнання: набірне поле «Школяр»; джерело живлення; мобільна лабораторія

NOVA5000; датчик напруги DT001; датчик струму DT005; датчик температури DT029;

з’єднувальні провідники; нагрівний елемент; калориметр; мірний циліндр; вода кімнатної

температури.


Кількість теплоти, що виділяється струмом в провіднику, пропорційна силі струму,

часу його проходження і падінню напруги:

𝑄1 = 𝐼1𝑈1𝑡1, (1)

де I1 – сила струму;

U1 – прикладена напруга;

t1 – час проходження струму.

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%96%D0%BB%D1%8C%D0%BA%D1%96%D1%81%D1%82%D1%8C_%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%B8

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BC

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%96%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D0%B0_%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BC%D1%83

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D0%B4%D1%96%D0%BD%D0%BD%D1%8F_%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%83%D0%B3%D0%B8

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BC#.D1.81.D0.B8.D0.BB.D0.B0_.D1.81.D1.82.D1.80.D1.83.D0.BC.D1.83


8

Для визначення кількості виділеної теплоти при проходженні струму через

провідник використовується калориметричний метод. Сутність методу у визначенні

кількості теплоти, яку отримує вода у внутрішньому стакані калориметра при

проходженні струму через нагрівник, вміщений у цю воду. Далі йде вирахування кількості

теплоти, виходячи з виразу:

𝑄2 = 𝑐в𝑚1∆𝑡1, (2)

де св – питома теплоємність води;

m1 – маса води у калориметрі;

∆t1 – різниця кінцевої та початкової температури води;

Коефіцієнт корисної дії електричного нагрівника визначається відношенням:

𝜂 =𝑄2

𝑄1. (3)

Для визначення питомої теплоємності насиченого розчину солі ср, воду у

калориметрі замінюють на насичений розчин та проводять аналогічний експеримент. При

вирахуванні питомої теплоємності потрібно врахувати коефіцієнт корисної дії нагрівника.

Тобто вирахування проводитиметься за виразом:

𝑐р =𝐼2𝑈2𝑡2𝜂

𝑚2Δ𝑡2. (4)

де І2 – сила струму;

U2 – прикладена напруга;

t2 – час проходження струму;

m2 – маса розчину солі;

Δt2 – зміна температури розчину.

У роботі використовується мобільна лабораторія NOVA5000 з датчиками напруги,

струму та температури.

Детальний опис датчика температури DT029

Датчик температури (-25 °C – 110 °C) може

під’єднуватися до реєстраторів даних Nova5000,

MultiLogPRO або TriLink. Датчик температури є простим,

надійним датчиком із нержавіючої сталі. Він під’єднується

безпосередньо до реєстратора даних за допомогою

стандартного кабелю mini-DIN. Датчик температури

вкритий захисним ізоляційним матеріалом, що робить його

більш надійним та міцним, аніж звичайний скляний

термометр, на заміну якого він розроблений.

Завдяки широкому діапазону (-25 °C – 110 °C) датчик можна застосовувати у якості

термометра для проведення досліджень з хімії, фізики, біології, науки про землю та

оточуюче середовище і він найкраще підходить для здійснення вимірювань температури

води та інших хімічних розчинів.

Принцип роботи

Датчик температури (-25 °C – 110 °C) під’єднується безпосередньо до реєстратора

даних. Термочутливий елемент отримує вхідну напругу 5 В і повертає вихідну напругу,

пропорційну до виміряної температури та у діапазоні 0…5 В, який є прийнятним для


9

аналого-цифрового перетворювача реєстратора даних. Потім реєстратор даних

запам’ятовує отримане значення.

Характеристики датчика

Діапазон -25 °C – 110 °C

-13 °F – 230 °F

263 К – 383,15 К

Діапазон для реєстраторів

MultiPRO або TriLink

-25 °C – 110 °C

-13 °F – 230 °F

Точність ±2 % від повного діапазону

Роздільність 12-біт 0,03 °C

Частота замірів за замовчуванням 10 замірів на секунду

Час відклику (для 90% змін у

показаннях)

20 секунд у рідині

40-60 секунд у повітрі

Сенсорний елемент Розміщений всередині наконечника датчика

Рекомендоване застосування

датчика

Застосовуйте тільки у слабких хімічних розчинах.

Не розміщуйте кабель датчика у рідині. Не

розміщуйте датчик біля відкритого полум’я або на

нагрітій пластині.

Калібрування

Датчик температури (-25 °C – 110 °C) не потребує калібрування.

Застосування датчика температури з реєстратором даних Nova5000 та програмним

забезпеченням MultiLab

1. Запустіть програмне забезпечення MultiLab CE.

2. Під’єднайте датчик температури до виходу реєстратора Nova5000 (починаючи з

І/О-1). Програмне забезпечення MultiLab автоматично розпізнає датчик.

3. Оберіть вкладку Реєстратор, Настройка на головній панелі інструментів і

запрограмуйте частоту замірів реєстратора даних та кількість зразків. Натисніть

кнопку Пуск на головній панелі інструментів і розпочніть вимірювання.

Вибір одиниць вимірювання

MultiLab відображує дані у °C. Щоб змінити °C на °F або К:

1. Натисніть кнопку Реєстратор на головній панелі інструментів MultiLab, а потім

натисніть Параметри.

2. Оберіть бажану одиницю вимірювання у меню Одиниці температури і

натисніть ОК.


10

Детальний опис датчика напруги (±25 В) DT001

Датчик напруги (±25 В) може під’єднуватися

до реєстраторів даних Nova5000, MultiLogPRO або

TriLink. Датчик напруги (±25 В) є звичайним

датчиком напруги, що здійснює вимірювання в

діапазоні від -25 до 25 В. Датчик напруги –

диференційний датчик, здатний вимірювати як

постійну, так і змінну напругу, та ідеально

підходить для застосування у великому спектрі

досліджень з фізики та хімії. Датчик розміщений у

пластиковому корпусі Fourier Systems і має дві

надійні вилки штекерного типу для легкого

підключення. Датчик напруги має симетричні

входи, що означає, що ви можете під'єднати до мережі будь-яку кількість датчиків

напруги без потреби їх замикати.

Датчик напруги (±25 В) має бути з’єднаний паралельно зі схемою.

Датчик напруги оснащений буферним блоком, який захищає датчик від напруг

до ± 60 В.


Діапазон: ± 25 В

Вхідна напруга: змінна або постійна

Точність: ±3 % від повного діапазону

Роздільність 12-біт: 12,5 мВ

Максимальна частота замірів: 20 000 замірів на секунду

Вхідний опір: 250 kΩ

Максимальна вхідна напруга: 60 В

Технічні примітки

Замкніть два дроти датчика напруги перед під’єднанням до реєстратора даних.

Застосування датчика напруги з реєстраторами даних Fourier та програмним


Запустіть програмне забезпечення MultiLab (з вашого ПК або з Nova5000).

Під’єднайте датчик напруги до виходу реєстратора даних (починаючи з І/О-1).

Програмне забезпечення MultiLab автоматично розпізнає датчик.

Натисніть кнопку Встановлення на головній панелі інструментів і запрограмуйте

частоту замірів реєстратора даних та кількість зразків. Натисніть кнопку Пуск на головній

панелі інструментів і розпочніть вимірювання.

Детальний опис датчика струму (± 2.5 A) DT005

Датчик струму (± 2,5 A) можна підключити до реєстраторів

даних Nova5000, MultiLogPRO або TriLink. Датчик струму являється

амперметром, що вимірює значення струму в діапазоні від -2.5 до 2.5

A. Він є диференціальним датчиком, який може вимірювати як

постійний, так і змінний струм, і є ідеальним для використання у

широкому спектрі дослідів у фізиці та хімії. Датчик міститься у

пластиковому корпусі датчику Fourier Systems, і має два міцних

бананових штекери для легкого підключення.


11


Датчик струму має підключатися до ланцюгу послідовно.

Всередині датчику міститься резистор 0,1 Ом.

Відповідно до закону Ома, напруга, виміряна на такому резисторі, становитиме

1/10 струму у такому резисторі. Виміряна напруга проходить через блок підсилення і

налаштовується на діапазон 0…5 В, що є діапазоном, прийнятним для аналогово-

цифрового перетворювача.

Належний результат потім записується у пам'ять реєстратора даних.

Характеристики датчику

Діапазон: ± 2.5 A

Вхідний струм: Постійний або змінний

Точність: ±3 % в усьому діапазоні

Роздільна здатність (12-біт): 1,25 мА

Частота вимірювання за замовченням: 10 замірів на секунду

Вхідний опір: 0.1 Ом

Максимальний вхідний струм: 5 А

Технічні примітки

Замкніть два з’єднувальні проводи датчику струму (±2.5 A) перед підключенням їх

до входів датчику реєстратора даних.

Використання датчику струму з вашим реєстратором даних та програмним


Запустіть програмне забезпечення MultiLab (з вашого ПК або з Nova5000).

Підключіть датчик струму (±2.5 A) до входу датчику реєстратора даних

(починаючи з I/O-1).

Натисніть Установка на головній панелі інструментів і запрограмуйте частоту

вимірювання реєстратора даних та кількість замірів. Натисніть кнопку Пуск на головній

панелі інструментів і розпочніть вимірювання.

Хід роботи

1. Відміряйте мірним циліндром 100 мл води (m1) та влийте у внутрішній стакан

калориметра.

2. Під’єднайте нагрівник калориметра до електричного кола.

3. Під’єднайте датчик напруги та струму до електричного кола та до входів

реєстратора.

4. Під’єднайте датчик температури до реєстратора та помістіть його через кришку у

калориметр.

5. Запустіть програму MultiLab.

6. Програмне забезпечення MultiLab автоматично розпізнає датчики.

7. Натисніть Реєстратор, Настройки на головній панелі інструментів.

8. Запрограмуйте частоту замірів реєстратора даних обравши один замір на секунду

та кількість зразків 500.

9. Увімкніть живлення електричного кола, виставивши напругу не більшу 4 В.

10. Натисніть Старт та час від часу перемішуючи воду у стакані дочекайтеся

завершення експерименту.


12

11. Встановіть Перший курсор на графік напруги. Оберіть Аналіз –

Статистика. Зчитайте середнє значення напруги U1 та занесіть його до таблиці 1.

12. Перемістіть Перший курсор на графік струму. Оберіть Аналіз –

Статистика. Зчитайте середнє значення струму I1 та занесіть його до таблиці 1.

13. Встановіть Перший курсор на графік температури на початку процесу

нагрівання та Другий курсор в кінці процесу нагрівання. Зчитайте під віссю час

нагрівання t1 та різницю температур ∆t1. Занесіть до таблиці 1.

14. Вилийте воду з внутрішнього стакана калориметра та відміряйте і влийте 100 мл

насиченого розчину солі (m2). Занесіть до таблиці 2.

15. Повторіть попередні дії для розчину солі, заносячи результати у таблицю 2.


1. Розрахуйте кількість теплоти, виділену нагрівником у експерименті з водою Q1 за

формулою (1).

2. Розрахуйте кількість теплоти, отриману водою Q2 за формулою (2).

3. Розрахуйте к.к.д нагрівника η за формулою (3).

4. Розрахуйте питому теплоємність насиченого соляного розчину cр за формулою

(4).

5. Занотуйте висновки дослідження.

Таблиця результатів 1

m1, кг I1, А U1, В t1, с Δt1, °С Q1, Дж Q2, Дж η

Таблиця результатів 2

m2, кг I2, А U2, В t2, с Δt2, °С ср, Дж/кг∙К


13


Тема роботи: Дослідження виділення енергії у процесі горіння




3. Визначити вищу питому теплоту згоряння парафіну у відповідності до аналізу

даних.

4. Зробити висновки за результатами дослідження.

Обладнання: штатив з кільцями та тримачем; мобільна лабораторія NOVA 5000;

датчик температури DT029; парафінова свічка; тонкостінна алюмінієва посудина з

теплоізолюючою кришкою; підіймальний столик; посудина з водою; електронні терези.


Кількість теплоти, що виділяється при згорянні довільної маси палива, визначається

за формулою:

𝑄 = 𝑞 ∙ 𝑚, (1)

де q – питома теплота згоряння;

m – маса речовини.

Процес горіння відбувається лише при наявності повітря.

Оскільки теплота є видом енергії, здатної виконувати роботу, то вона в

системі СІ виражається спільною для всіх видів енергії одиницею – Джоулем (Дж), який

рівний добутку сили 1 Н на шлях 1 м. 1 кал = 4,1868 Дж ≈ 4,19 Дж.

Вища теплота згоряння – кількість тепла, що виділяється при повному згорянні 1

кг або 1 м³ робочого палива за умови, що водень, який міститься в ньому, згоряє з

утворенням води.

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%96%D0%BB%D1%8C%D0%BA%D1%96%D1%81%D1%82%D1%8C_%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%B8

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%81%D0%B0

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%86

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B6%D0%BE%D1%83%D0%BB%D1%8C

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%BE%D0%BD

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D1%80

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D1%80%D1%96%D1%8F



http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%96%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC



http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%83%D0%B1%D1%96%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%8C


14

Нижча теплота згоряння – кількість тепла, що виділяється 1 кг або 1 м3 робочого

палива, з урахуванням згоряння водню у водяну пару і випаровування вологи палива.

Нижчу теплоту згоряння використовують для підрахунку потреби в паливі і його

вартості, при складанні теплових балансів і визначенні ККД установок, що

використовують паливо. Для порівняння різних видів палива і підрахунку потреби в

пальному введене поняття про умовне паливо та нафтовий еквівалент. Умовне паливо

характеризується нижчою теплотою згоряння, рівною 7000 ккал/кг або 29,33 МДж/кг,

нафтовий еквівалент – 10000 ккал/кг або 41,90 МДж/кг.

Для визначення теплоти згоряння парафіну буде використано метод передачі тепла

від палива до ємності з водою. Ємність має ввігнуте дно, що забезпечує більш повне

поглинання тепла від полум’я. При нагріванні будь-якого тіла відбувається і процес

випромінювання тепла цим тілом у оточуючий простір. Для врахування втрат теплоти при

проведенні цього експерименту необхідно визначити долю теплоти, що пішла на

випромінювання. Тому протягом однакового часу буде тривати процес нагрівання та

охолодження без підведення тепла. При нагріванні посудина з водою мала би вищу

температуру при відсутності втрат. Для вирахування цієї температури нагрітій посудині

дається час на охолодження, рівний часу затраченому на нагрівання, а зміна температури

за рахунок охолодження додається до найбільшого значення температури.

Детальний опис датчика температури DT029

Датчик температури (-25 °C – 110 °C) може

під’єднуватися до реєстраторів даних Nova5000,

MultiLogPRO або TriLink. Датчик температури є простим,

надійним датчиком із нержавіючої сталі. Він під’єднується

безпосередньо до реєстратора даних за допомогою

стандартного кабелю mini-DIN. Датчик температури

вкритий захисним ізоляційним матеріалом, що робить його

більш надійним та міцним, аніж звичайний скляний

термометр, на заміну якого він розроблений.

Завдяки широкому діапазону (-25 °C – 110 °C) датчик можна застосовувати у якості

термометра для проведення досліджень з хімії, фізики, біології, науки про землю та

оточуюче середовище і він найкраще підходить для здійснення вимірювань температури

води та інших хімічних розчинів.


Датчик температури (-25 °C – 110 °C) під’єднується безпосередньо до реєстратора

даних. Термочутливий елемент отримує вхідну напругу 5 В і повертає вихідну напругу,

пропорційну до виміряної температури у діапазоні 0…5 В, який є прийнятним для

аналого-цифрового перетворювача реєстратора даних. Потім реєстратор даних

запам’ятовує отримане значення.


Діапазон -25 °C – 110 °C

-13 °F – 230 °F

263 К – 383,15 К


http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%8C

http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%B5%D1%84%D1%96%D1%86%D1%96%D1%94%D0%BD%D1%82_%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%97_%D0%B4%D1%96%D1%97


15

Діапазон для реєстраторів

MultiPRO або TriLink

-25 °C – 110 °C

-13 °F – 230 °F

Точність ±2 % від повного діапазону

Роздільність 12-біт 0,03 °C

Частота замірів за

замовчуванням

10 замірів на секунду

Час відклику (для 90% змін

у показаннях)

20 секунд у рідині

40-60 секунд у повітрі

Сенсорний елемент Розміщений всередині наконечника датчика

Рекомендоване застосування

датчика

Застосовуйте тільки у слабких хімічних розчинах. Не

розміщуйте кабель датчика у рідині. Не розміщуйте

датчик біля відкритого полум’я або на нагрітій пластині.

Калібрування

Датчик температури (-25 °C – 110 °C) не потребує калібрування.

Застосування датчика температури з реєстратором даних Nova5000 та програмним


1. Запустіть програмне забезпечення MultiLab CE.

2. Під’єднайте датчик температури до виходу реєстратора Nova5000 (починаючи з

І/О-1). Програмне забезпечення MultiLab автоматично розпізнає датчик.

3. Оберіть вкладку Реєстратор, Настройка на головній панелі інструментів і

запрограмуйте частоту замірів реєстратора даних та кількість зразків. Натисніть

кнопку Пуск на головній панелі інструментів і розпочніть вимірювання.

Вибір одиниць вимірювання

MultiLab відображує дані у °C. Щоб змінити °C на °F або К:

1. Натисніть кнопку Реєстратор на головній панелі інструментів MultiLab, а потім

натисніть Параметри.

2. Оберіть бажану одиницю вимірювання у меню Одиниці температури і

натисніть ОК.

Хід роботи

1. Під’єднайте датчик температури до першого виходу реєстратора даних І/О-1.

2. Запустіть програму MultiLab.

3. Програмне забезпечення MultiLab автоматично розпізнає датчик температури.

4. Натисніть Реєстратор, Настройки на головній панелі інструментів.

5. Запрограмуйте частоту замірів реєстратора даних обравши один замір на секунду

та кількість зразків 200.


16

6. Налийте в тонкостінну посудину 100 мл води кімнатної температури. Значення

маси води mв занесіть до таблиці.

7. Закрийте посудину теплоізолюючою кришкою, помістіть у неї датчик

температури та встановіть на кільце штативу.

8. Зважте парафінову свічку на електронних терезах. Запишіть у таблицю результат

з точністю до сотих долей грама m1.

9. Запаліть свічку та помістіть її під посудиною на підіймальний столик.

10. Натисніть Старт .

11. По досягненні 100 виміру приберіть свічку, загасіть її та дочекайтеся

завершення експерименту.

12. Зважте парафінову свічку на електронних терезах. Запишіть у таблицю

результат з точністю до сотих долей грама m2.

13. Встановіть Перший курсор на графік у точку початку нагрівання. Зчитайте

під віссю значення початкової температури води t1 та занесіть до таблиці.

14. Перемістіть курсор у точку, що відповідає максимальній температурі. Зчитайте

під віссю значення t2 та занесіть у таблицю.

15. Перемістіть курсор у кінець графіка, зчитайте температуру t3 та занесіть до

таблиці.


1. Розрахуйте значення температури t4 = t2+(t2-t3), яку мала би вода при відсутності

розсіювання тепла у оточуючий простір. Результат занесіть до таблиці. 2. Розрахуйте кількість теплоти, що виділилась в результаті горіння свічки

𝑄 = 𝑐в𝑚в(𝑡4 − 𝑡1). Результат занесіть до таблиці.

3. Розрахуйте масу парафіну, що згорів mп = m1 - m2.

4. Розрахуйте вищу теплоту згоряння парафіну 𝑞 =𝑄

𝑚п . Результат занесіть до таблиці.


mв, кг m1, кг m2, кг mп, кг t1, °C t2, °C t3, °C t4, °C Q, Дж q, Дж/кг


17


Тема роботи: Дослідження вітроенергетичної установки




3. Визначити ККД вітроенергетичної установки у відповідності до аналізу данних.

4. Зробити висновки за результатами дослідження.

Обладнання: комплект PHYVE «Відновлювані джерела енергії»; джерело

постійного струму; крильчатий цифровий анемометр UNI-T UT362; цифровий мультиметр

UNI-T UT70А – 2 шт.; з’єднувальні провідники; штангенциркуль.


Рисунок 1 – Обладнання для дослідження перетворення енергії вітру на електричну

енергію

Рисунок 2 – Схема електричного навантаження моделі вітроенергетичної установки


18

Одним з перспективних напрямів відновлюваної енергетики є використання енергії

вітру з подальшим її перетворенням на електричну енергію за допомогою електричного

генератора.

Основними складовими частинами вітроенергетичної установки є ротор та

електричний генератор. Ротор слугує для перетворення енергії прямолінійного руху

повітря у механічну енергію. Генератор слугує для перетворення енергії обертального

руху ротора на електричну енергію.

Також до складу вітроенергетичних установок входять пристрої для накопичення,

стабілізації та перетворення електричної енергії.

Усі вітроенергетичні установки поділяються на установки з горизонтальною та

вертикальною осями обертання ротора. Установки з горизонтальною віссю обертання

ротора мають більший ККД, але потребують додаткових пристроїв та механізмів для

орієнтування за напрямом вітру. Установки з вертикальною віссю обертання більш прості

за конструкцією, вони не потребують пристроїв для орієнтації за напрямом вітру, але

мають менші значення ККД.

ККД вітроенергетичної установки визначається як відношення електричної

потужності до потужності вітрового потоку, що проходить через переріз ротора:

𝜂 =𝑃ел

𝑁вітр∙ 100 %, (1)

де Рел – електрична потужність вітроенергетичної установки, Вт;

Nвітр – потужність вітрового потоку, що проходить через переріз ротора.

Електрична потужність вітроенергетичної установки визначається за формулою:

𝑃ел = 𝐼н ∙ 𝑈н, (2)

де Ін – електричний струм у навантажувальному ланцюгу вітроенергетичної

установки;

Uн – напруга на затисках електричного генератора вітроенергетичної установки.

Потужність вітрового потоку що проходить через переріз площею S, м2

визначається за формулою:

𝑁вітр =𝜌∙𝑆∙𝑣3

2, (3)

де ρ – густина повітря, кг/м3;

S – площа перерізу ротора, м2;

v – швидкість повітря.

Густина повітря за нормальних умов дорівнює 1,84 кг/м3.

Площа перерізу ротора вітроенергетичної установки визначається як площа кола,

що описується його лопатками під час руху:

𝑆 = 𝜋 ∙ 𝑟2, (4)

де r – радіус лопатки ротора, м.

Хід роботи

1. З комплекту PHYVE «Відновлювані джерела енергії» зберіть модель

вітроенергетичної установки у відповідності до рисунку 1.

2. З того ж комплекту зберіть схему електричного навантаження моделі у відповідності

до рисунку 2.


19

3. З’єднайте генератор моделі зі схемою електричного навантаження.

4. До схеми електричного навантаження зібраної моделі підключить мультиметри, для

визначення напруги – паралельно, та струму – послідовно.

5. З’єднайте вентилятор моделі з джерелом живлення постійного струму.

6. За допомогою штангенциркуля виміряйте радіус лопатки ротора моделі

вітроенергетичної установки та занесіть його до таблиці результатів.

7. Увімкніть джерело живлення та виставте напругу 12 В.

8. Переконайтеся у працездатності установки шляхом замикання електричного

ланцюга. Під час замикання ланцюга має загорятися електрична лампочка.

9. Під час роботи установки виміряйте швидкість повітря за допомогою анемометра

безпосередньо перед ротором та занесіть результат до таблиці.

10. Після вимірювання швидкості повітря виміряйте силу струму у електричному

ланцюгу та напругу за допомогою мультиметрів.

11. Розімкніть електричний ланцюг установки та вимкніть джерело живлення.


1. Розрахуйте площу перерізу ротора моделі за формулою (4).

2. Розрахуйте за формулою (2) значення електричної потужності моделі

вітроенергетичної установки.

3. За формулою (3) визначте потужність вітрового потоку.

4. За формулою (1) визначте ККД моделі вітроенергетичної установки.

5. Проаналізуйте отриманий результат та дійдіть висновків щодо того, які фактори

впливають на ККД вітроенергетичної установки.


r, м v, м/с Uн, В Ін, А S, м2 Рел, Вт Nвітр, Вт η, %


20


Тема роботи: Дослідження фотоелементу на основі кремнію.


1. Ознайомтесь з теоретичною частиною роботи.

2. Провести експеримент у відповідності до ходу роботи.

3. Обробити результати експерименту у відповідності до аналізу даних.

4. Зробити висновки за отриманими результатами.

Обладнання: комплект PHYVE «Відновлювані джерела енергії»; цифровий

мультиметр UNI-T UT70А – 2 шт.; з’єднувальні провідники; штангенциркуль; цифровий

люксметр ТКА-ПКМ або Mastech MS6610.


Рисунок 1 – Обладнання для дослідження характеристик фотоелемента

Рисунок 2 – Схема електричного навантаження фотоелемента.


21


Фотоелементом називається напівпровідниковий пристрій, що перетворює енергію

світла, зокрема сонячного, на електричну енергію.

У більшості сучасних фотоелементів в якості напівпровідникового матеріалу

використовується кремній. Такі фотоелементи мають досить високий ККД перетворення

світлової енергії на електричну та тривалий ресурс, протягом якого показники таких

фотоелементів залишаються стабільними.

Ефективність будь якого фотоелемента оцінюється його ККД, який визначається як

відношення електричної потужності фотоелемента до потужності світлового

випромінювання, яке падає на його площу:

𝜂 =𝑃ел

𝑃світ∙ 100%, (1)

де Рел – потужність фотоелемента, Вт;

Рсвіт – потужність світлового випромінювання, що падає на поверхню

фотоелемента, Вт.

Електрична потужність фотоелемента може бути визначена як добуток струму в

електричному колі, в якому він використовується в якості джерела живлення, та напруги,

Вт:

𝑃ел = 𝐼н ∙ 𝑈н. (2)

Для визначення потужності світлового потоку необхідно визначити освітленість у

місці розміщення фотоелементу у лк, за допомогою люксметра, та розрахувати потужність

світлового потоку за формулою, Вт:

𝑃світ = 1,464 ∙ 10−7 ∙ 𝐸 ∙ 𝑆, (3)

де 1,464∙10-7

– коефіцієнт переводу лк у Вт/см2;

Е – освітленість, лк;

S – площа фотоелементу, см2.

Хід роботи

1. З комплекту PHYVE «Відновлювані джерела енергії» зберіть установку для

визначення характеристик фотоелемента у відповідності до рисунку 1. Схема

електричного навантаження фотоелемента представлена на рисунку 2.

2. З’єднайте схему електричного навантаження з виводами фотоелемента.

3. До електричного ланцюга навантаження підключить мультиметри, для визначення

напруги – паралельно, та струму – послідовно.

4. З’єднайте джерело освітлення установки з джерелом живлення постійного струму.

5. За допомогою штангенциркуля виміряйте розміри фотоелемента, розрахуйте його

площу у м2 та занесіть її до таблиці результатів.

6. Увімкніть джерело живлення та виставте напругу 12 В.

7. Переконайтеся у працездатності установки шляхом замикання електричного

ланцюга. Під час замикання ланцюга має загорятися світлодіод.

8. За допомогою люксметра виміряйте освітленість у центральній частині фотоелемента

та у 8-ми точках на його периферії. Результати вимірювань занесіть до таблиці 1.

9. Приберіть зонд люксметра від фотоелемента та виміряйте за допомогою

мультиметрів силу струму та напругу у навантаженні. Результати вимірювань занесіть

до таблиці 2.


22

10. Знижуйте напругу живлення джерела освітлення UДО з інтервалом 2 В та проведіть

вимірювання за п. 8 та 9 до повного згасання лампи. Результати вимірювань заносьте

до таблиць 1 та 2.

11. Вимкніть джерело живлення та проведіть вимірювання за п. 8 та 9 за умов

кімнатного освітлення (UДО = 0). Результати вимірювань занесіть до таблиць 1 та 2.


1. За допомогою засобі Excel створіть таблиці результатів та обрахуйте середні

арифметичні значення освітленості за даними таблиці 1 та занесіть їх до таблиці 2.

2. За формулою (3) визначить значення потужності світлового потоку, що падає на

поверхню фотоелементу.

3. За формулою (2) розрахуйте значення електричної потужності фотоелементу.

4. За формулою (1) розрахуйте значення ККД фотоелемента.

5. Побудуйте графіки залежності напруги, струму, електричної потужності та ККД

фотоелемента від освітленості.

6. Дійдіть висновків щодо характеру зміни показників роботи фотоелемента залежно

від освітленості.

Таблиці результатів

Таблиця 1

UДО, В Е1, лк Е2, лк Е3, лк Е4, лк Е5, лк Е6, лк Е7, лк Е8, лк Е9, лк

0

4

6

8

10

12

Таблиця 2 S = ________ м2

UДО, В Есер, лк Рсвіт, Вт Uн, В Ін, А Рел, Вт η, %

0

4

6

8

10

12


23


Тема роботи: Виготовлення та дослідження фотоелемента з окису міді.



2. Виготовити фотоелемент на основі окису міді.

3. Визначити розміри та характеристики отриманого фотоелемента.

4. Зробити висновки за результатами досліджень.

Обладнання: відрізок листової міді розмірами приблизно 10×10 см; електроплита

«Термія – 1»; скляна або пластикова прозора ємність з габаритами, що відповідають

габаритам відрізку листової міді; кухонна сіль; вода; скляна паличка; канцелярська

прищіпка; відрізок листової міді довільних розмірів, менших за розміри основного

відрізка; світлодіодний ліхтар; цифровий люксметр ТКА-ПКМ або Mastech MS6610;

мультиметр цифровий.


Рисунок 1 – Загальний вигляд та випробування фотоелемента

Фотоелементом називається напівпровідниковий пристрій, що перетворює енергію

світла, зокрема сонячного, на електричну енергію.

У більшості сучасних фотоелементів в якості напівпровідникового матеріалу

використовується кремній. Такі фотоелементи мають досить високий ККД перетворення

світлової енергії на електричну та тривалий ресурс, протягом якого показники таких

фотоелементів залишаються стабільними.

Відомо, що напівпровідниками є також певні оксиди металів, що знаходяться у

кристалічному стані. З таких напівпровідникових матеріалів також можливо створювати

фотоелементи. Окисні фотоелементи зазвичай мають показники, гірші ніж у кремнієвих

фотоелементів, але вони є значно дешевшими, тому розглядаються як перспективні

матеріали для пристроїв сонячної енергетики.

Одним з окисних напівпровідників, який можливо використовувати для отримання

фотоелементів є окис міді (І) – Cu2O. Він є напівпровідником р-типу з шириною

забороненої зони 2,1 еВ. Теоретична ефективність перетворення світлової енергії на

електричну за допомогою окису міді може сягати 9…12 %.


24

Отримати шар окису міді (І) можливо у різні способи: термічне окиснення;

електроосадження; хімічне осадження, анодне окиснення.

В даній роботі пропонується отримати шар окису міді шляхом її термічного

окиснення, що є найпростішим варіантом.




𝜂 =𝑃ел

𝑃світ, (1)




Електрична потужність фотоелемента може бути визначена як добуток струму

короткого замикання та напруги холостого ходу, Вт:

𝑃ел = 𝐼к.з. ∙ 𝑈х.х. (2)




𝑃світ = 1,464 ∙ 10−3 ∙ 𝐸 ∙ 𝑆, (3)

де 1,464∙10-3




Хід роботи

1. Взяти відрізок листової міді розміром приблизно 10×10 см, обробити його

шліфувальною шкуркою та вимити з миючим засобом під проточною водою.

2. Покласти висушений відрізок листової міді на електроплитку та увімкнути її на

максимальну потужність.

3. Коли електроплитка прогріється до максимальної температури (згасне червоний

індикатор на її передній панелі) та лист міді стане рівномірно чорним, витримати його

на плитці протягом 30 хв.

Рисунок 2 – Вигляд відрізку листової міді після термічної обробки


25

4. Вимкніть електроплитку та дайте їй охолонути разом з відрізком листової міді.

5. Коли мідь охолоне до кімнатної температури, змити під проточною водою залишки

чорного нальоту, залишаючи шар червоного окису міді (І).

6. З одного боку відрізку міді зачистити смугу шириною 5 мм до основного металу.

7. У прозору ємність насипте 200 г кухонної солі та налийте теплої води до рівня

10…15 мм від верхнього краю.

8. Вимішайте сіль у воді до повного розчинення.

9. За допомогою канцелярської прищіпки повісьте відрізок листової міді на скляну

паличку та опустіть до прозорої ємності з розчином солі так, щоб паличка лежала на

верхньому зрізі ємності, а листова мідь висіла на ній зачищеною смужкою вгору.

10. Прикріпити до зачищеної смуги листової міді провідник.

11. Взяти інший відрізок листової міді довільних розмірів, прикріпити до нього

провідник та занурити у ємність з розчином солі позаду основного листа міді.

12. Перед робочою стороною відрізку листової міді встановити світлодіодний ліхтар та

увімкнути його.

13. За допомогою цифрового люксметра виміряти потужність освітлення, яку

забезпечує ліхтар.

14. З’єднати фотоелемент з мультиметром та перевірити його працездатність шляхом

увімкнення та вимкнення ліхтаря.

15. Виміряти напругу та струм короткого замикання фотоелемента.


1. За формулою (3) визначити потужність світлового потоку, що падає на поверхню

фотоелементу.

2. За формулою (2) визначити електричну потужність фотоелементу.

3. За формулою (3) визначити ККД фотоелемента.


26

Лабораторна робота № 7

Тема роботи: Виготовлення та дослідження фотоелектрохімічного елемента.



2. Виготовити фото електрохімічний елемент на основі двоокису титану.

3. Визначити розміри та характеристики отриманого фотоелемента.


Обладнання: мікроскопне скло розміром 76×26 мм з прозорим струмопровідним

покриттям; спирт етиловий; вата медична; порошок двоокису титану; вода дистильована;

склянки хімічні; скляна паличка; чаша Петрі; шафа сушильна, або електроплита; ягоди

чорниці, або чорничний сік; фарфорова ступа з товкачем; простий олівець з графітовим

стрижнем; канцелярські прищіпки; розчин йоду спиртовий; цифровий люксметр ТКА-

ПКМ або Mastech MS6610; мультиметр цифровий.


Рисунок 1 – Приклади отриманих фотоелементів

Рисунок 2 – Вимірювання освітленості та показників роботи фотоелемента.


27

Фотоелектрохімічні елементи були винайдені у 1991 році М. Гретцелем, у зв’язку з

чим отримали назву «вічок Гретцеля». У них використовуються окисні напівпровідники з

широкою забороненою зоною.

Фотоелектрохімічний елемент складається з двох електродів та йодовмісного

електроліту. Один електрод складається з високопористого насиченого органічним

барвником двоокису титану, нанесеного на прозору струмопровідну поверхню. Іншим

електродом є просто прозора струмопровідна поверхня.

На даний момент відомі зразки фотоелектрохімічних елементів, що мають ККД 10

%, а теоретично їхній ККД може сягати 33 %.

Принцип дії фотоелектрохімічного елемента наступний. Сонячне світло проходить

через прозорий струмопровідний електрод, насичений барвником, де поглинається. Коли

барвник поглинає світло, один з електронів його молекули переходить з основного у

збуджений стан. Дане явище називається «фотозбудженням». Збуджений електрон

переміщується з барвника до зони провідності двоокису титану. Такий перехід

відбувається дуже швидко, всього за 10-15

с. У двоокисі титана електрон дифундує через

його плівку, досягає скляного електроду та через провідник стікає до другого електроду.

Молекула барвника через втрату електрону окислюється. Відновлення молекули барвника

до початкового стану відбувається шляхом отримання електрону від йодид-іону,

перетворюючи його на молекулу йоду, яка в свою чергу дифундує до протилежного

електроду, отримує від нього електрон та знову стає йодид-іоном.




𝜂 =𝑃ел

𝑃світ, (1)




Електрична потужність фотоелемента може бути визначена як добуток струму

короткого замикання та напруги холостого ходу, Вт:

𝑃ел = 𝐼к.з. ∙ 𝑈х.х. (2)




𝑃світ = 1,464 ∙ 10−3 ∙ 𝐸 ∙ 𝑆, (3)

де 1,464∙10-3




Хід роботи

1. Взяти одне мікроскопне скло з прозорим струмопровідним покриттям та покласти

його на чистий листок паперу покриттям вгору.

2. Протерти скло етиловим спиртом та дати висохнути. Після цього його не слід

торкатися руками.

3. Зважити 1…2 г двоокису титану та вимішуючи, по краплям добавити воду до

отримання рідкої пасти.


28

4. Отриману пасту з двоокису титану повністю перемістити на підготовлене

струмопровідне скло та за допомогою скляної палички якомога більш рівномірно

розподілити її по поверхні скла, залишивши з одного боку непокриту смужку шириною

5 мм.

5. Помістити скло з нанесеним шаром пасти з двоокису титану до чаші Петрі, а разом з

чашею – до сушильної шафи, виставити за допомогою регулятора на передній панелі

шафи температуру 350 °С та увімкнути живлення шафи.

6. Коли червоний світлодіод зліва від регулятора згасне, витримати зразок у шафі

протягом 15…20 хв, та перевести регулятор у положення, що відповідає 60…80 °С.

7. Поки температура у сушильній шафі буде знижуватися до 60…80 °С, підготувати сік

чорниці, для чого жменю ягід роздавити у ступі фарфоровим товкачем, злити

отриманий сік до склянки та розбавити етиловим спиртом у пропорції 1:1. Необхідно

отримати не менше 50 мл розчину темно-червоного кольору.

8. Коли температура у сушильній шафі знизиться до 60…80 °С, залити отриманий сік

до чаші Петрі з електродом таким чином, щоб сік повністю покривав шар двоокису

титану.

9. Витримати зразок у шафі протягом 30 хв, після чого перевести регулятор шафи у

мінімальне положення, дочекатись практично повного остудження шафи, дістати

електрод з чаші Петрі, покласти його на аркуш паперу шаром двоокису титану вгору та

дати висохнути.

8. Взяти друге струмопровідне скло та повністю зафарбувати його струмопровідну

поверхню простим олівцем.

9. Після висихання соку з’єднати отримані електроди покриттями всередину зі

зміщенням 5 мм.

10. Скріпити отримані електроди з одного боку однією канцелярською прищіпкою.

11. Взяти спиртовий розчин йоду та залити декілька крапель через лінію розмежування

електродів, так щоб розчин розподілився по всій поверхні електродів.

12. Скріпити електроди з обох боків за допомогою декількох канцелярських прищіпок.

13. За допомогою цифрового люксметра виміряти потужність освітлення у місці, де

передбачається випробування фотоелементу.

14. З’єднати фотоелемент з мультиметром та перевірити його працездатність шляхом

накривання рукою, або іншим непрозорим предметом.

15. Виміряти напругу та струм короткого замикання фотоелемента.


1. За формулою (3) визначити потужність світлового потоку, що падає на поверхню

фотоелементу.

2. За формулою (2) визначити електричну потужність фотоелементу.

3. За формулою (3) визначити ККД фотоелемента.


29


Тема роботи: Дослідження перетворення теплової енергії на електричну за

допомогою елемента Пельтьє.



2. Дослідити процес перетворення теплової енергії на електричну за допомогою

елемента Пельтьє.

3. Визначити ККД перетворення.


Обладнання: комплект PHYVE «Відновлювані джерела енергії»; елемент

набірного вантажу; магнітна мішалка; теплоізольована хімічна склянка; ПК з програмою

«MultiLab 4»; аналогово-цифровий перетворювач «Einstein» датчик напруги; датчик

струму; датчик температури; з’єднувальні кабелі.


Рисунок 1 – Обладнання для дослідження перетворення теплової енергії на електричну

Рисунок 2 – Схема електричного навантаження елемента Пельтьє


30

Елемент Пельтьє – це термоелектричний перетворювач, принцип дії якого

базується на ефекті Пельтьє – виникненні різниці температур при протіканні електричного

струму. В англомовній літературі елементи Пельтьє позначаються TEC

(від англ. Thermoelectric Cooler – Термоелектричний охолоджувач).

Ефект, зворотний ефекту Пельтьє, називається ефектом Зеєбека.

У кожній речовині електрони мають властивий для неї розподіл за енергіями, який

характеризується рівнем хімічного потенціалу. При контакті двох струмопровідних

речовин їхні хімічні потенціали вирівнюються за рахунок перетікання частини електронів

із однієї речовини в іншу. Якщо два контакти між провідниками мають однакову

температуру, то перетікання електронів на одному контакті балансується аналогічним на

іншому контакті й виникає термодинамічна рівновага. При неоднаковій температурі

контактів кількість електронів, які перетікають із одного провідника в інший і навпаки,

різна, тож один із провідників стає зарядженим, що призводить до протікання

електричного струму.

При контакті металів ефекти Зеєбека та Пельтьє настільки малі, що ледь помітні на

тлі омічного нагріву і явищ теплопровідності. Тому при практичному застосуванні

використовуються контакт двох напівпровідників.

Елемент Пельтьє (рис. 3) складається з однієї або більше пар невеликих

напівпровідникових паралелепіпедів – одного n-типу і одного р-типу в парі (зазвичай

телуриду вісмуту, Bi2Te3 та германіда кремнію), які попарно з'єднані за допомогою

металевих перемичок. Металеві перемички одночасно служать термічними контактами та

ізольовані непровідною плівкою або керамічною платівкою. Пари паралелепіпедів

з'єднуються таким чином, що утворюється послідовне з'єднання багатьох пар

напівпровідників з різним типом провідності, так щоб вгорі були одні послідовності

з'єднань (n – р), а знизу протилежні (p – n). Електричний струм та тепло протікають

послідовно через всі паралелепіпеди. В залежності від напрямку теплового потоку верхні

контакти мають позитивний електричний потенціал, а нижні – від’ємний, або навпаки.

Таким чином потік теплової енергії через елемент Пельтьє створює різницю потенціалів

на його виводах.

Рисунок 3 – Загальний вигляд та схема елемента Пельтьє

В даній роботі пропонується дослідити ефект Зеєбека за допомогою елемента

Пельтьє та визначити ККД процесу перетворення теплової енергії на електричну.

Джерелом тепла слугуватиме нагріте металеве циліндричне тіло (елемент набірного

вантажу), а для охолодження пропонується використовувати теплоізольовану ємність з

водою. Тоді теплову енергію, яка проходить через елемент Пельтьє можна визначити за

формулою:

𝑄 = 𝑐 ∙ 𝑚 ∙ (𝑡2 − 𝑡1), (1)

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%9F%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D1%82%27%D1%94

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D1%96%D0%B9%D1%81%D1%8C%D0%BA%D0%B0_%D0%BC%D0%BE%D0%B2%D0%B0

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%97%D0%B5%D0%B5%D0%B1%D0%B5%D0%BA%D0%B0

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D1%96%D1%8F

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D1%96%D0%BC%D1%96%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D1%96%D0%B0%D0%BB

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D1%96%D1%87%D0%BD%D0%B0_%D1%80%D1%96%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%B3%D0%B0


31

де с – теплоємність води, с = 4200 Дж/кг∙К;

m – маса води, кг;

t2 та t1 – відповідно кінцева та початкова температури води.

Електричну енергію EЕ, вироблену елементом Пельтьє пропонується визначити як

інтеграл добутку напруги та електричного струму – електричної потужності за час досліду

за допомогою інструментів MultiLab 4.

ККД процесу перетворення теплової енергії на електричну за допомогою елементу

Пельтьє визначається за формулою:

𝜂 =𝐸𝐸

𝑄∙ 100 %. (2)

Хід роботи

1. З комплекту PHYVE «Відновлювані джерела енергії» зберіть схему у відповідності

до рисунку 2 та підключіть до неї елемент Пельтьє.

2. До зібраної схеми підключить датчики напруги – паралельно, та струму –

послідовно.

3. Візьміть теплоізольовану склянку, залийте до неї 100 мл (0,1 кг) води, встановіть у її

кришку датчик температури, та закрийте.

4. Підключіть аналогово-цифровий перетворювач «Einstein» до ПК.

5. З’єднайте датчики з аналогово-цифровим перетворювачем.

6. Запустіть програму «MultiLab 4» та упевніться що датчики сили струму, напруги та

температури автоматично розпізнані. Вимкніть решту датчиків, прибравши галочки з

відповідних клітинок.

7. Здійсніть настройку реєстратора:

- зайдіть в меню «Изменить настройки»;

- оберіть частоту вимірів – кожну секунду та кількість вимірів – 200.

8. Покладіть на магнітну мішалку елемент набірного вантажу масою 100 г та увімкніть

її на нагрівання.

9. Здійсніть нагрівання вантажу протягом 3…5 хв.

10. Вимкніть нагрівання мішалки, покладіть елемент Пельтьє на вантаж надписом униз,

а на елемент Пельтьє поставте теплоізольовану ємність з водою (рис. 4) та

встановленим датчиком температури.

11. Натисніть у вікні програми кнопку «Пуск», переконайтеся у початку запису даних

та дочекайтеся закінчення запису.

12. Відкрийте нове вікно, для чого зайдіть в меню «Вид» та оберіть команду «График».

13. За допомогою курсору перенесіть графік зміни температури у часі (зі списку

наборів даних у нижньому лівому куті) до нового вікна.

14. У новому вікні за допомогою курсору зчитайте початкову та кінцеву температури

води у склянці, закрийте вікно.

15. У початковому вікні зайдіть в меню «Функции» – «Мастер анализа» та оберіть

функцію добутку.

16. Встановіть перший множник – «Набор данных – напряжение» та другий множ-

ник – «Набор данных – сила тока», натисніть Ok.

17. Відкрийте нове вікно, для чого зайдіть в меню «Вид» та оберіть команду «График».


32

Рисунок 4 – Розміщення елементу Пельтьє та теплоізольованої склянки з водою

18. За допомогою курсору перенесіть графік зміни добутку напруги та сили струму у

часі (зі списку наборів даних у нижньому лівому куті) до нового вікна.

19. У новому вікні зайдіть в меню «Функции» – «Мастер анализа» та оберіть функцію

інтегрування.

20. Встановіть підінтегральну функцію – «Набор данных – произведение напряжения

и силы тока», натисніть Ok.

21. Ви маєте отримати другий графік у новому вікні.

22. Зчитайте з останнього графіку результат інтегрування, помістивши курсор до самої

верхньої його частини. Результатом інтегрування буде електроенергія у мДж,

вироблена елементом Пельтьє протягом досліду.


1. Розрахуйте за формулою (1) теплову енергію, що отримала вода у склянці через

елемент Пельтьє.

2. Переведіть електроенергію, вироблену елементом Пельтьє з мДж у Дж та за

формулою (2) обчисліть ККД перетворення.

3. Дійдіть висновків щодо ефективності процесу перетворення теплової енергії на

електричну за допомогою елементів Пельтьє.


m = 0,1 кг

t1, °С t2, °С Q, Дж EЕ, Дж η, %


33


34


Тема роботи: Дослідження струму коронного розряду.



2. Дослідити електричний струм коронного розряду за різних напруг та радіусів

коронуючого електроду.

3. Здійснити аналіз отриманих результатів.


Обладнання: обкладинки демонстраційного плаского конденсатора; лабораторний

штатив з кріпленнями; джерело живлення високовольтне ИПВ-30К; електроди з різними

радіусами загострення; мікроамперметр стрілочний, або мультиметр; лінійка 50 см.

Рисунок 1 – Обладнання для дослідження коронного розряду


Газовим розрядом називається проходження електричного струму через газ.

Обов’язковою умовою виникнення газового розряду є наявність у газі заряджених часток

– іонів та електронів. Газ може іонізуватися під дією різноманітних факторів – сильний

нагрів, короткохвильове та корпускулярне випромінювання, тощо.

Газові розряди, що можуть відбуватися лише під дією зовнішніх іонізаторів

називаються несамостійними.

Газові розряди, що зберігаються після припинення дії зовнішнього іонізатора

називаються самостійними. Для виникнення самостійного газового розряду необхідно,

щоб напруженість електричного поля між електродами досягла певного граничного

значення. Існує 4 основних типи самостійних газових розрядів:

- тліючий;

- іскровий;

- коронний;

- дуговий.

Коронний розряд виникає в різко неоднорідному електричному полі поблизу

електродів, що мають велику кривизну. Коли напруженість електричного поля біля

електроду сягає 30 кВ/см, то починається коронний розряд, який може супроводжуватися

світінням навколо електроду.


35

В енергетиці струм коронного розряду має велике значення, оскільки у ньому

полягає механізм втрат електричної енергії під час її транспортування лініями

електропередачі.

В природних умовах коронний розряд може спостерігатися під дією атмосферної

електрики на загострених верхівках різних об’єктів.

Напруженість електричного поля біля коронуючого електроду прямо пропорційно

залежить від електричного потенціалу, що прикладений до нього та зворотно-пропорційно

залежить від радіусу його кривизни. Отже, чим менший радіус кривизни електроду, тим

меншу напругу необхідно до нього прикласти для виникнення коронного розряду.

Метою даної практичної роботи є засвоєння методики отримання вольт-амперних

характеристик коронного розряду та їх аналіз.

Електричний потенціал електрода розраховується за формулою:

𝜑 = 𝑈ℎ

𝐿, (1)

де U – напруга, прикладена до конденсатора, В;

h – відстань від нижньої обкладинки до кінця електроду мм;

L – відстань між обкладинками конденсатора мм.

Напруженість електричного поля біля електроду визначається за формулою:

𝐸 =𝜑

𝑟, (2)

де φ – електричний потенціал, прикладений до електрода, В;

r – радіус загострення електроду м.

Хід роботи

1. Встановіть обкладинки плаского демонстраційного конденсатора на лабораторний

штатив так, щоб між ними була відстань у 30 см.

2. З’єднайте вихідні проводи високовольтного джерела живлення з обкладинками

конденсатора.

3. Встановіть електрод на діелектричну підставку та розмістіть підставку з електродом

на нижній обкладинці.

4. З’єднайте електрод з нижньою обкладинкою через мікроамперметр (рис. 2).

5. Лінійкою виміряйте відстань від нижньої обкладинки до кінця електрода.

6. Упевніться, що вимикач на передній або задній панелі високовольтного джерела

живлення вимкнений, а ручка регулювання встановлена в крайнє ліве положення, що

відповідає 0 кВ.

7. Увімкніть високовольтне джерело живлення до мережі 220 В, 50 Гц та увімкніть

вимикач «Мережа» на його передній, або задній панелі.

8. За допомогою ручки регулювання встановлюйте напругу напругу високовольтного

джерела живлення та записуйте до таблиці 1 показання мікроамперметра.

9. Проведіть такі вимірювання з різними за ступенем загострення електродами. Усі дані

заносьте до таблиці 1.


36

Е

1 2

4

5

3

6

+-

Рисунок 2 – Схема експериментальної установки з дослідження коронного розряду

1 – обкладинки плаского конденсатора; 2 – лабораторний штатив; 3 – високовольтне

джерело живлення; 4 – електрод; 5 – діелектрична підставка електроду; 6 –

мікроамперметр.


1. Розрахуйте за формулою (1) значення електричного потенціалу, прикладеного до

електроду, результати розрахунків заносьте до таблиці 1.

2. Розрахуйте за формулою (2) значення напруженості електричного поля на кінці

електрода, результати розрахунків заносьте до таблиці 1.

3. Побудуйте графіки залежності струму коронного розряду від напруженості

електричного поля.

4. За отриманими табличними даними та графіками, дійдіть висновків щодо впливу

ступеня загострення електроду на характеристики коронного розряду.


r, м

U, кВ 1 5 10 15 20 22 24 26 28 30

I, мкА

φ, В

Е, В/м


37

r, м

U, кВ 1 5 10 15 20 22 24 26 28 30

I, мкА

φ, В

Е, В/м

r, м

U, кВ 1 5 10 15 20 22 24 26 28 30

I, мкА

φ, В

Е, В/м

r, м

U, кВ 1 5 10 15 20 22 24 26 28 30

I, мкА

φ, В

Е, В/м


38

ДЛЯ НОТАТОК


39



40


Енергетика. Лабораторний...

Documents