Ako sa vypočíta vnútorný odpor zdroja prúdu. Konštantný elektrický prúd. EMF zdroja prúdu a vnútorný odpor zdroja prúdu

Účel práce: študovať metódu merania EMF a vnútorného odporu zdroja prúdu pomocou ampérmetra a voltmetra.

Vybavenie: kovová tabuľka, prúdový zdroj, ampérmeter, voltmeter, rezistor, kľúč, svorky, spojovacie vodiče.

Na meranie EMF a vnútorného odporu zdroja prúdu je zostavený elektrický obvod, ktorého schéma je znázornená na obrázku 1.

K zdroju prúdu je pripojený ampérmeter, odpor a spínač zapojené do série. Okrem toho je priamo na výstupné zásuvky zdroja pripojený aj voltmeter.

EMF sa meria odčítaním voltmetra s otvoreným kľúčom. Táto technika určovania EMF je založená na dôsledku Ohmovho zákona pre úplný obvod, podľa ktorého sa pri nekonečne veľkom odpore vonkajšieho obvodu napätie na svorkách zdroja rovná jeho EMF. (Pozri odsek „Ohmov zákon pre úplný obvod“ v učebnici Fyzika 10).

Na určenie vnútorného odporu zdroja je zatvorený spínač K. V tomto prípade je možné v obvode podmienečne rozlíšiť dve sekcie: vonkajšiu (tá, ktorá je pripojená k zdroju) a vnútornú (tá, ktorá je vo vnútri zdroja prúdu). ). Pretože EMF zdroja sa rovná súčtu poklesu napätia na vnútornej a vonkajšej časti obvodu:

ε = Ur+ UR, potomUr = ε -UR (1)

Podľa Ohmovho zákona pre úsek obvodu U r = I · r (2). Nahradením rovnosti (2) za (1) dostaneme:

ja· r = ε - Ur , odkiaľ r = (ε - UR)/ J

Preto, aby sa zistil vnútorný odpor zdroja prúdu, je potrebné najprv určiť jeho EMF, potom zavrieť kľúč a zmerať pokles napätia na vonkajšom odpore, ako aj prúd v ňom.

Pokrok

1. Pripravte si tabuľku na zaznamenávanie výsledkov meraní a výpočtov:

ε ,v	U r , B	ja, a	r Ohm

Nakreslite do zošita obvod na meranie EMF a vnútorného odporu zdroja.

Po kontrole obvodu zostavte elektrický obvod. Otvorte kľúč.

Zmerajte hodnotu EMF zdroja.

Zatvorte kľúč a odčítajte hodnoty ampérmetra a voltmetra.

Vypočítajte vnútorný odpor zdroja.

1. Stanovenie emf a vnútorného odporu zdroja prúdu grafickou metódou

Účel práce: preštudujte si merania EMF, vnútorného odporu a skratového prúdu zdroja prúdu na základe analýzy grafu závislosti napätia na výstupe zdroja od prúdu v obvode.

Vybavenie: galvanický článok, ampérmeter, voltmeter, rezistor R 1 , variabilný odpor, kľúč, svorky, kovová platňa, spojovacie vodiče.

Z Ohmovho zákona pre úplný obvod vyplýva, že napätie na výstupe zdroja prúdu priamo úmerne závisí od prúdu v obvode:

keďže I = E / (R + r), potom IR + Ir = E, ale IR = U, odkiaľ U + Ir = E alebo U = E - Ir (1).

Ak zostavíte graf závislosti U od I, potom podľa jeho priesečníkov so súradnicovými osami môžete určiť E, I K.Z. - sila skratového prúdu (prúd, ktorý potečie v obvode zdroja, keď sa vonkajší odpor R rovná nule).

EMF je určená priesečníkom grafu s osou napätia. Tento bod grafu zodpovedá stavu obvodu, v ktorom nie je prúd, a preto U = E.

Sila skratového prúdu je určená priesečníkom grafu s osou prúdov. V tomto prípade je vonkajší odpor R = 0 a teda napätie na výstupe zdroja U = 0.

Vnútorný odpor zdroja sa zistí z dotyčnice sklonu grafu vzhľadom k aktuálnej osi. (Porovnajte vzorec (1) s matematickou funkciou tvaru Y = AX + B a zapamätajte si význam koeficientu v X).

Pokrok

Na zaznamenanie výsledkov merania pripravte tabuľku:

1. Keď učiteľ skontroluje obvod, zostavte elektrický obvod. Nastavte posúvač premenlivého odporu do polohy, pri ktorej bude odpor obvodu pripojeného k zdroju prúdu maximálny.

Určte hodnotu prúdu v obvode a napätia na svorkách zdroja pri maximálnej hodnote odporu premenného odporu. Zadajte namerané údaje do tabuľky.

Meranie prúdu a napätia niekoľkokrát zopakujte, pričom zakaždým znížte hodnotu premenlivého odporu tak, aby napätie na svorkách zdroja kleslo o 0,1V. Zastavte meranie, keď prúd v obvode dosiahne 1A.

Body získané v experimente vyneste do grafu. Položte napätie pozdĺž zvislej osi a prúd pozdĺž vodorovnej. Nakreslite priamku pozdĺž bodov.

Pokračujte v grafe k priesečníku súradnicových osí a určte hodnoty E a I K.Z.

Zmerajte EMF zdroja pripojením voltmetra k jeho svorkám s otvoreným vonkajším obvodom. Porovnajte hodnoty EMF získané týmito dvoma metódami a uveďte dôvod možnej nezrovnalosti medzi výsledkami.

Určte vnútorný odpor zdroja prúdu. Na tento účel vypočítajte dotyčnicu sklonu vykresleného grafu k aktuálnej osi. Keďže dotyčnica uhla v pravouhlom trojuholníku sa rovná pomeru protiľahlej vetvy k susednej vetve, v praxi sa to dá dosiahnuť nájdením pomeru E / I K.Z

Zdroj je zariadenie, ktoré premieňa mechanickú, chemickú, tepelnú a niektoré ďalšie formy energie na elektrickú energiu. Inými slovami, zdroj je aktívny sieťový prvok určený na výrobu elektriny. Rôzne typy zdrojov dostupných v sieti sú zdroje napätia a zdroje prúdu. Tieto dva pojmy v elektronike sa navzájom líšia.

Zdroj konštantného napätia

Zdroj napätia je zariadenie s dvoma pólmi, jeho napätie je kedykoľvek konštantné a prúd, ktorý ním prechádza, nemá žiadny vplyv. Takýto zdroj by bol ideálny s nulovým vnútorným odporom. V praxi sa to nedá získať.

Na negatívnom póle zdroja napätia sa hromadí prebytok elektrónov a na kladnom póle ich deficit. Stavy pólov sú udržiavané procesmi v zdroji.

Batérie

Batérie uchovávajú chemickú energiu vo vnútri a sú schopné ju premeniť na elektrickú energiu. Batérie sa nedajú dobíjať, čo je nevýhoda.

Batérie

Batérie sú nabíjateľné batérie. Pri nabití sa elektrická energia ukladá vo vnútri vo forme chemickej energie. Pri vykladaní prebieha chemický proces v opačnom smere a uvoľňuje sa elektrická energia.

Príklady:

1. Olovený akumulátorový článok. Je vyrobený z olovených elektród a elektrolytickej kvapaliny vo forme kyseliny sírovej zriedenej destilovanou vodou. Napätie na článok je asi 2 V. V autobatériách je zvyčajne šesť článkov zapojených do sériového obvodu, na výstupných svorkách je výsledné napätie 12 V;

1. Nikel-kadmiové batérie, napätie článku 1,2V.

Dôležité! Pri nízkych prúdoch možno batérie a akumulátory považovať za dobrú aproximáciu k ideálnym zdrojom napätia.

zdroj striedavého napätia

Elektrická energia sa vyrába v elektrárňach pomocou generátorov a po regulácii napätia sa prenáša k spotrebiteľovi. Striedavé napätie domácej siete 220 V v napájacích zdrojoch rôznych elektronických zariadení sa pri použití transformátorov ľahko prevedie na nižší indikátor.

Zdroj energie

Analogicky, keďže ideálny zdroj napätia vytvára na výstupe konštantné napätie, úlohou zdroja prúdu je poskytnúť konštantnú hodnotu prúdu, pričom automaticky riadi požadované napätie. Príkladom sú prúdové transformátory (sekundárne vinutie), fotobunky, kolektorové prúdy tranzistorov.

Výpočet vnútorného odporu zdroja napätia

Skutočné zdroje napätia majú svoj vlastný elektrický odpor, ktorý sa nazýva "vnútorný odpor". Záťaž pripojená na svorky zdroja je označená ako "vonkajší odpor" - R.

Batéria akumulátorov generuje EMF:

ε = E / Q, kde:

• E - energia (J);
• Q - náboj (Cl).

Celkové EMF batériového článku je napätie jeho otvoreného obvodu pri absencii záťaže. Dá sa s dobrou presnosťou skontrolovať digitálnym multimetrom. Potenciálny rozdiel nameraný na výstupných kontaktoch batérie, keď je pripojená k zaťažovaciemu odporu, bude menší ako jej napätie pri otvorenom obvode v dôsledku toku prúdu cez externú záťaž a cez vnútorný odpor zdroja. to vedie k rozptylu energie v ňom ako tepelného žiarenia ...

Vnútorný odpor batérie s chemickým princípom činnosti sa pohybuje medzi zlomkom ohmov a niekoľkými ohmmi a súvisí najmä s odporom elektrolytických materiálov použitých pri výrobe batérie.

Ak je k batérii pripojený odpor R, prúd v obvode je I = ε / (R + r).

Vnútorný odpor nie je konštantný. Je ovplyvnená typom batérie (alkalická, olovená atď.) a mení sa podľa hodnoty zaťaženia, teploty a životnosti batérie. Napríklad pri jednorazových batériách sa pri používaní zväčšuje vnútorný odpor a napätie preto klesá, až kým nedosiahne stav nevhodný na ďalšie použitie.

Ak je EMF zdroja vopred danou hodnotou, vnútorný odpor zdroja sa určí meraním prúdu pretekajúceho odporom záťaže.

1. Pretože vnútorný a vonkajší odpor v približnej schéme sú zapojené do série, môžete použiť Ohmove a Kirchhoffove zákony na použitie vzorca:

1. Z tohto výrazu r = ε / I - R.

Príklad. Batéria so známym EMF ε = 1,5 V a je zapojená do série so žiarovkou. Úbytok napätia na žiarovke je 1,2 V. Preto vnútorný odpor prvku vytvára úbytok napätia: 1,5 - 1,2 = 0,3 V. Odpor vodičov v obvode sa považuje za zanedbateľný, odpor svietidla nie je známy. Nameraný prúd prechádzajúci obvodom: I = 0,3 A. Je potrebné určiť vnútorný odpor batérie.

1. Podľa Ohmovho zákona je odpor žiarovky R = U / I = 1,2 / 0,3 = 4 Ohm;
2. Teraz podľa vzorca na výpočet vnútorného odporu r = ε / I - R = 1,5 / 0,3 - 4 = 1 Ohm.

V prípade skratu klesne vonkajší odpor takmer na nulu. Prúd môže obmedziť svoju hodnotu len malým odporom zdroja. Sila prúdu, ktorý sa v takejto situácii vyskytuje, je taká veľká, že tepelným účinkom prúdu môže dôjsť k poškodeniu zdroja napätia, hrozí nebezpečenstvo požiaru. Nebezpečenstvu požiaru sa predchádza inštaláciou poistiek napríklad do obvodov autobatérií.

Vnútorný odpor zdroja napätia je dôležitým faktorom pri rozhodovaní o tom, ako čo najefektívnejšie preniesť výkon do pripojeného spotrebiča.

Dôležité! Maximálny prenos výkonu nastáva vtedy, keď sa vnútorný odpor zdroja rovná odporu záťaže.

Za tejto podmienky, zapamätajúc si vzorec P = I² x R, sa však rovnaké množstvo energie dostane do záťaže a rozptýli sa v samotnom zdroji a jeho účinnosť je len 50 %.

Pri rozhodovaní o najlepšom využití zdroja je potrebné dôkladne zvážiť požiadavky na zaťaženie. Napríklad olovená autobatéria musí poskytovať vysoké prúdy pri relatívne nízkom napätí 12 V. Umožňuje jej to nízky vnútorný odpor.

V niektorých prípadoch musia mať vysokonapäťové zdroje extrémne vysoký vnútorný odpor, aby sa obmedzil skratový prúd.

Vlastnosti vnútorného odporu zdroja prúdu

Ideálny zdroj prúdu má nekonečný odpor a pre originálne zdroje je možné predložiť približnú verziu. Ekvivalentný obvod je odpor pripojený paralelne k zdroju a externý odpor.

Prúdový výstup zo zdroja prúdu je rozdelený nasledovne: časť prúdu preteká cez najvyšší vnútorný odpor a cez najnižší odpor záťaže.

Výstupný prúd bude zo súčtu prúdov na vnútornom odpore a záťaže I® = In + Ivn.

Ukázalo sa:

In = I® - Ivn = I® - Un / r.

Táto závislosť ukazuje, že keď vnútorný odpor zdroja prúdu stúpa, tým viac prúd na ňom klesá a zaťažovací odpor prijíma väčšinu prúdu. Zaujímavé je, že napätie neovplyvní aktuálnu hodnotu.

Výstupné napätie skutočného zdroja:

Uout = I x (R x r) / (R + r) = I x R / (1 + R / r). Ohodnoťte článok:

8.5. Tepelný účinok prúdu

8.5.1. Výkon zdroja prúdu

Zdanlivý výkon zdroja prúdu:

P plné = P užitočné + P straty,

kde P užitočný - užitočný výkon, P užitočný = I 2 R; Straty P - straty výkonu, straty P = I 2 r; I je prúd v obvode; R - záťažový odpor (vonkajší obvod); r je vnútorný odpor zdroja prúdu.

Zdanlivý výkon možno vypočítať pomocou jedného z troch vzorcov:

P plné = I 2 (R + r), P plné = ℰ 2 R + r, P plné = I ℰ,

kde ℰ je elektromotorická sila (EMF) zdroja prúdu.

Čistý výkon je výkon, ktorý sa uvoľní vo vonkajšom obvode, t.j. na záťaži (odpor) a môže byť použitý na nejaký účel.

Čistý výkon možno vypočítať pomocou jedného z troch vzorcov:

P užitočné = I 2 R, P užitočné = U 2 R, P užitočné = IU,

kde I je prúd v obvode; U je napätie na svorkách (svorkách) zdroja prúdu; R - záťažový odpor (vonkajší obvod).

Stratový výkon je výkon, ktorý sa uvoľní v prúdovom zdroji, t.j. vo vnútornom reťazci a vynakladá sa na procesy prebiehajúce v samotnom zdroji; na iný účel, stratu výkonu nemožno použiť.

Strata výkonu sa zvyčajne vypočíta pomocou vzorca

P straty = I 2 r,

kde I je prúd v obvode; r je vnútorný odpor zdroja prúdu.

V prípade skratu sa čistý výkon zníži na nulu

P užitočné = 0,

pretože v prípade skratu nie je zaťažený odpor: R = 0.

Zdanlivý výkon pri skrate zdroja sa zhoduje so stratou výkonu a vypočíta sa podľa vzorca

P plné = ℰ 2 r,

kde ℰ je elektromotorická sila (EMF) zdroja prúdu; r je vnútorný odpor zdroja prúdu.

Užitočná sila má maximálna hodnota v prípade, keď sa odpor záťaže R rovná vnútornému odporu r zdroja prúdu:

R = r.

Maximálny čistý výkon:

P užitočné max = 0,5 P plné,

kde P plný je celkový výkon zdroja prúdu; P plné = ℰ 2/2 r.

Explicitný vzorec na výpočet maximálny čistý výkon nasledovne:

P užitočné max = ℰ 2 4 r.

Pre zjednodušenie výpočtov je užitočné mať na pamäti dva body:

• ak sa pri dvoch záťažových odporoch R 1 a R 2 uvoľní v obvode rovnaký užitočný výkon, potom vnútorný odpor zdroja prúdu r sa vzťahuje na uvedené odpory podľa vzorca

r = R1R2;

• ak sa v obvode uvoľní maximálny užitočný výkon, potom je prúd I * v obvode dvakrát menší ako skratový prúd i:

ja * = ja 2.

Príklad 15. Pri skrate na odpor 5,0 Ohm dáva batéria článkov prúd 2,0 A. Skratový prúd batérie je 12 A. Vypočítajte maximálny užitočný výkon batérie.

Riešenie . Poďme analyzovať stav problému.

1. Po pripojení batérie na odpor R 1 = 5,0 Ohm tečie obvodom prúd I 1 = 2,0 A, ako je znázornené na obr. a, určené Ohmovým zákonom pre úplný obvod:

I 1 = ℰ R 1 + r,

kde ℰ je EMF zdroja prúdu; r je vnútorný odpor zdroja prúdu.

2. Pri skratovaní batérie preteká skratový prúd obvodom, ako je znázornené na obr. b. Skratový prúd je určený vzorcom

kde i je sila skratového prúdu, i = 12 A.

3. Po pripojení batérie na odpor R 2 = r prúdi v obvode prúd I 2, ako je znázornené na obr. v, určené Ohmovým zákonom pre úplný obvod:

I2 = ℰR2 + r = ℰ2 r;

v tomto prípade sa v okruhu uvoľní maximálny užitočný výkon:

P užitočná max = I 2 2 R 2 = I 2 2 r.

Na výpočet maximálneho užitočného výkonu je teda potrebné určiť vnútorný odpor zdroja prúdu r a prúdu I2.

Aby sme našli aktuálnu silu I 2, zapíšeme si sústavu rovníc:

i = ℰ r, I 2 = ℰ 2 r)

a vykonajte delenie rovníc:

i I 2 = 2.

To znamená:

I2 = i2 = 12 2 = 6,0 A.

Aby sme našli vnútorný odpor zdroja r, zapíšeme si sústavu rovníc:

I 1 = ℰ R 1 + r, i = ℰ r)

a vykonajte delenie rovníc:

I'i = r R' + r.

To znamená:

r = I1R1i - I1 = 2,0 ⋅ 5,0 12 - 2,0 = 1,0 Ohm.

Vypočítajme maximálny čistý výkon:

P užitočná max = I 2 2 r = 6,0 2 ⋅ 1,0 = 36 W.

Maximálny využiteľný výkon batérie je teda 36 W.

Elektrický prúd vo vodiči vzniká pod vplyvom elektrického poľa, ktoré núti voľné nabité častice, aby sa dostali do smerového pohybu. Vytvorenie prúdu častíc je vážny problém. Zostrojiť také zariadenie, ktoré udrží potenciálny rozdiel poľa po dlhú dobu v jednom stave, je úloha, ktorej riešenie sa ukázalo byť v silách ľudstva až koncom 18. storočia.

Prvé pokusy

Prvé pokusy o „akumuláciu elektriny“ pre ďalší výskum a využitie sa uskutočnili v Holandsku. Nemec Ewald Jürgen von Kleist a Holanďan Peter van Muschenbruck, ktorí viedli svoj výskum v meste Leiden, vytvorili prvý kondenzátor na svete, neskôr nazvaný „Leidenská banka“.

Akumulácia elektrického náboja už prebehla pôsobením mechanického trenia. Výboj cez vodič bolo možné použiť na určitú, skôr krátku dobu.

Víťazstvo ľudskej mysle nad takou efemérnou substanciou, akou je elektrina, sa ukázalo ako revolučné.

Bohužiaľ, výboj (elektrický prúd vytvorený kondenzátorom) trval tak krátko, že nemohol vytvoriť. Okrem toho napätie dodávané kondenzátorom postupne klesá, čo nezanecháva možnosť získať nepretržitý prúd.

Bolo potrebné nájsť inú cestu.

Prvý zdroj

Pokusy Taliana Galvaniho so „živočíšnou elektrinou“ boli originálnym pokusom nájsť prirodzený zdroj prúdu v prírode. Zavesením nôh pripravených žiab na kovové háky železnej mriežky upozornil na charakteristickú reakciu nervových zakončení.

Galvaniho závery však poprel ďalší Talian - Alessandro Volta. Zaujímal sa o možnosť získavania elektriny zo živočíšnych organizmov, vykonal sériu pokusov so žabami. Ale jeho záver sa ukázal ako úplný opak predchádzajúcich hypotéz.

Volta upozornil na skutočnosť, že živý organizmus je len indikátorom elektrického výboja. Ako prúd tečie, svaly nôh sa sťahujú, čo naznačuje potenciálny rozdiel. Zdrojom elektrického poľa bol kontakt rôznych kovov. Čím ďalej sú v rade chemických prvkov od seba, tým väčší je účinok.

Dosky z odlišných kovov, položené s papierovými kotúčmi impregnovanými roztokom elektrolytu, vytvárali na dlhú dobu požadovaný potenciálny rozdiel. A aj keby nebol vysoký (1,1 V), elektrický prúd by sa dal študovať dlho. Hlavná vec je, že napätie zostalo nezmenené rovnako dlho.

Čo sa deje

Prečo je takýto efekt spôsobený v zdrojoch nazývaných "galvanické články"?

Dve kovové elektródy umiestnené v dielektriku hrajú rôzne úlohy. Jeden dodáva elektróny, druhý ich prijíma. Proces redoxnej reakcie vedie k tomu, že na jednej elektróde sa objaví prebytok elektrónov, ktorý sa nazýva záporný pól, a nedostatok na druhom, označíme ho ako kladný pól zdroja.

V najjednoduchších galvanických článkoch na jednej elektróde prebiehajú oxidačné reakcie, na druhej redukčné. Elektróny prichádzajú na elektródy z vonkajšej strany obvodu. Elektrolyt je vodičom iónového prúdu vo vnútri zdroja. Sila odporu riadi trvanie procesu.

Meď-zinkový prvok

Je zaujímavé zvážiť princíp fungovania galvanických článkov na príklade meď-zinkového galvanického článku, ktorého pôsobenie je spôsobené energiou zinku a síranu meďnatého. V tomto zdroji sa medená platňa umiestni do roztoku a zinková elektróda sa ponorí do roztoku síranu zinočnatého. Roztoky sú oddelené poréznou vložkou, aby sa zabránilo zmiešaniu, ale musia byť v kontakte.

Ak je okruh uzavretý, povrchová vrstva zinku je oxidovaná. V procese interakcie s kvapalinou sa v roztoku objavujú atómy zinku, ktoré sa zmenili na ióny. Na elektróde sa uvoľňujú elektróny, ktoré sa môžu podieľať na tvorbe prúdu.

Keď elektróny dopadnú na medenú elektródu, zúčastňujú sa redukčnej reakcie. Ióny medi prichádzajú z roztoku do povrchovej vrstvy, počas procesu redukcie sa menia na atómy medi, ktoré sa ukladajú na medenú platňu.

Aby sme zhrnuli, čo sa deje: proces činnosti galvanického článku je sprevádzaný prechodom elektrónov z redukčného činidla na oxidačné činidlo pozdĺž vonkajšej časti obvodu. Reakcie prebiehajú na oboch elektródach. Vnútri zdroja prúdi iónový prúd.

Ťažkosti pri používaní

V batériách je v zásade možné použiť ktorúkoľvek z možných redoxných reakcií. Ale nie je toľko látok schopných pôsobiť v technicky hodnotných prvkoch. Okrem toho mnohé reakcie vyžadujú drahé látky.

Moderné akumulátory majú jednoduchšiu štruktúru. Dve elektródy, umiestnené v jednom elektrolyte, plnia nádobu - puzdro batérie. Takéto konštrukčné prvky zjednodušujú štruktúru a znižujú náklady na batérie.

Každý galvanický článok je schopný generovať jednosmerný prúd.

Odpor prúdu neumožňuje, aby všetky ióny boli na elektródach súčasne, takže prvok funguje dlho. Chemické reakcie tvorby iónov sa skôr či neskôr zastavia, prvok sa vybije.

Veľký význam má aktuálny zdroj.

Trochu o odpore

Použitie elektrického prúdu nepochybne posunulo vedecký a technologický pokrok na novú úroveň a dalo mu obrovský impulz. Ale sila odporu voči toku prúdu stojí v ceste takémuto vývoju.

Elektrický prúd má na jednej strane neoceniteľné vlastnosti používané v každodennom živote a technike, na druhej strane je výrazná opozícia. Fyzika ako veda o prírode sa snaží nastoliť rovnováhu, uviesť tieto okolnosti do súladu.

Prúdový odpor vzniká v dôsledku interakcie elektricky nabitých častíc s látkou, cez ktorú sa pohybujú. Za normálnych teplotných podmienok nie je možné tento proces vylúčiť.

Odpor

Zdroj prúdu a opozícia vonkajšej časti obvodu sú mierne odlišného charakteru, ale rovnaká v týchto procesoch je práca vykonaná na pohyb náboja.

Samotná práca závisí iba od vlastností zdroja a jeho náplne: kvality elektród a elektrolytu, ako aj od vonkajších častí obvodu, ktorých odpor závisí od geometrických parametrov a chemických vlastností materiálu. Napríklad odpor kovového drôtu sa zvyšuje so zväčšovaním jeho dĺžky a znižuje sa, keď sa jeho prierezová plocha rozširuje. Pri riešení problému, ako znížiť odpor, fyzika odporúča použiť špecializované materiály.

Pracovný prúd

V súlade so zákonom Joule-Lenz sa vo vodičoch uvoľňuje množstvo tepla úmerné odporu. Ak je množstvo tepla označené Q int. , prúd I, čas jeho toku t, potom dostaneme:

• Q int. = I 2 r t,

kde r je vnútorný odpor zdroja prúdu.

V celom okruhu, vrátane jeho vnútorných aj vonkajších častí, sa uvoľní celkové množstvo tepla, ktorého vzorec je:

• Q celkom = I 2 r t + I 2 R t = I 2 (r + R) t,

Je známe, ako sa vo fyzike označuje odpor: vonkajší obvod (všetky prvky okrem zdroja) má odpor R.

Ohmov zákon pre úplný obvod

Zoberme si, že hlavnú prácu vykonávajú vonkajšie sily vo vnútri zdroja prúdu. Jeho hodnota sa rovná súčinu náboja prenášaného poľom a elektromotorickej sily zdroja:

• qE = 12 (r + R) t.

uvedomujúc si, že náboj sa rovná súčinu sily prúdu a času jeho toku, máme:

• E = I (r + R).

V súlade s kauzálnymi vzťahmi má Ohmov zákon formu:

• I = E: (r + R).

V uzavretom okruhu je priamo úmerná EMF zdroja prúdu a nepriamo úmerná celkovému (celkovému) odporu okruhu.

Na základe tohto vzoru je možné určiť vnútorný odpor zdroja prúdu.

Vybíjacia kapacita zdroja

Medzi hlavné charakteristiky zdrojov patrí výbojová kapacita. Maximálne množstvo elektriny, ktoré je možné získať počas prevádzky za určitých podmienok, závisí od sily vybíjacieho prúdu.

V ideálnom prípade, keď sú splnené určité približné hodnoty, kapacita výboja môže byť považovaná za konštantnú.

Napríklad štandardná batéria s potenciálovým rozdielom 1,5 V má vybíjaciu kapacitu 0,5 Ah. Ak je vybíjací prúd 100 mA, bude fungovať 5 hodín.

Spôsoby nabíjania batérie

Používanie batérií ich vybije. malé články sa nabíjajú prúdom, ktorého sila nepresahuje jednu desatinu kapacity zdroja.

Ponúkajú sa tieto spôsoby nabíjania:

• používanie konštantného prúdu po daný čas (asi 16 hodín s prúdom 0,1 kapacity batérie);
• nabíjanie klesajúcim prúdom na vopred stanovenú hodnotu rozdielu potenciálov;
• používanie nevyvážených prúdov;
• sekvenčná aplikácia krátkych impulzov nabíjania a vybíjania, pri ktorých čas prvého presahuje čas druhého.

Praktická práca

Navrhovaná úloha: určiť vnútorný odpor zdroja prúdu a EMF.

Na jeho dokončenie je potrebné zásobiť sa zdrojom prúdu, ampérmetrom, voltmetrom, posuvným reostatom, kľúčom, súpravou vodičov.

Použitie určí vnútorný odpor zdroja prúdu. Aby ste to dosiahli, musíte poznať jeho EMF, hodnotu odporu reostatu.

Vypočítaný vzorec pre prúdový odpor vo vonkajšej časti obvodu možno určiť z Ohmovho zákona pre časť obvodu:

• I = U: R,

kde I je prúd vo vonkajšej časti obvodu, meraný ampérmetrom; U je napätie na vonkajšom odpore.

Na zlepšenie presnosti sa merania vykonajú najmenej 5-krát. Načo to je? Ďalej sa používa napätie, odpor, prúd (alebo skôr sila prúdu) namerané počas experimentu.

Na určenie EMF zdroja prúdu využijeme skutočnosť, že napätie na jeho svorkách pri otvorenom kľúči sa prakticky rovná EMF.

Zostavme reťaz batérií zapojených do série, reostat, ampérmeter, kľúč. Na svorky zdroja prúdu pripojíme voltmeter. Po otvorení kľúča odčítame jeho hodnoty.

Vnútorný odpor, ktorého vzorec je získaný z Ohmovho zákona pre úplný obvod, je určený matematickými výpočtami:

• I = E: (r + R).
• r = E: I - U: I.

Merania ukázali, že vnútorný odpor je oveľa menší ako vonkajší.

Praktická funkcia akumulátorov a batérií je široko využívaná. Nesporná environmentálna bezpečnosť elektromotorov je nepochybná, ale vytvorenie priestrannej, ergonomickej batérie je problémom modernej fyziky. Jeho riešenie povedie k novému kolu vo vývoji automobilovej techniky.

Malé, ľahké a vysokokapacitné nabíjateľné batérie sú tiež nevyhnutné v mobilných elektronických zariadeniach. Dodávka energie, ktorá sa v nich používa, priamo súvisí s výkonom zariadení.

Na koncoch vodiča a tým aj prúdu je potrebná prítomnosť vonkajších síl neelektrickej povahy, pomocou ktorých dochádza k oddeľovaniu elektrických nábojov.

Vonkajšie sily sa nazývajú akékoľvek sily pôsobiace na elektricky nabité častice v obvode, s výnimkou elektrostatických (t.j. Coulombových síl).

Vonkajšie sily uvádzajú do pohybu nabité častice vo všetkých zdrojoch prúdu: v generátoroch, v elektrárňach, v galvanických článkoch, batériách atď.

Keď je obvod uzavretý, vo všetkých vodičoch obvodu vzniká elektrické pole. Vo vnútri zdroja prúdu sa náboje pohybujú pôsobením vonkajších síl proti Coulombovým silám (elektróny sa pohybujú z kladne nabitej elektródy na zápornú) a vo zvyšku obvodu sú poháňané elektrickým poľom (pozri obrázok vyššie ).

V súčasných zdrojoch sa v procese oddeľovania nabitých častíc rôzne druhy energie premieňajú na elektrickú energiu. Podľa typu premenenej energie sa rozlišujú tieto typy elektromotorickej sily:

- elektrostatický- v elektrofore, v ktorom sa mechanická energia premieňa na elektrickú energiu počas trenia;

- termoelektrický- v termočlánku - vnútorná energia vyhrievaného spojenia dvoch drôtov vyrobených z rôznych kovov sa premieňa na elektrickú energiu;

- fotovoltaický- vo fotobunke. Tu dochádza k premene svetelnej energie na elektrickú energiu: pri osvetlení určitých látok, napríklad selénu, oxidu meďného, ​​kremíka, sa pozoruje strata záporného elektrického náboja;

- chemický- v galvanických článkoch, batériách a iných zdrojoch, v ktorých dochádza k premene chemickej energie na elektrickú energiu.

Elektromotorická sila (EMF)- charakteristika prúdových zdrojov. Koncept EMF zaviedol G. Ohm v roku 1827 pre obvody s jednosmerným prúdom. V roku 1857 Kirchhoff definoval EMF ako prácu vonkajších síl počas prenosu jedného elektrického náboja pozdĺž uzavretého okruhu:

ɛ = A st / q,

kde ɛ - EMF zdroja prúdu, A st- práca vonkajších síl, q- množstvo vytlačeného náboja.

Elektromotorická sila je vyjadrená vo voltoch.

Môžete hovoriť o elektromotorickej sile v ktorejkoľvek časti obvodu. Ide o špecifickú prácu vonkajších síl (prácu na pohyb jednotkového náboja) nie v celom okruhu, ale iba v tejto oblasti.

Vnútorný odpor zdroja prúdu.

Nech existuje jednoduchý uzavretý obvod pozostávajúci zo zdroja prúdu (napríklad galvanického článku, batérie alebo generátora) a odporu s odporom R... Prúd v uzavretom okruhu nie je nikde prerušovaný, preto existuje aj vo vnútri zdroja prúdu. Akýkoľvek zdroj predstavuje určitý odpor pre prúd. Volá sa vnútorný odpor zdroja prúdu a označené písmenom r.

V generátore r- to je odpor vinutia, v galvanickom článku - odpor roztoku elektrolytu a elektród.

Prúdový zdroj je teda charakterizovaný hodnotami EMF a vnútorného odporu, ktoré určujú jeho kvalitu. Napríklad elektrostatické stroje majú veľmi vysoké EMF (až desiatky tisíc voltov), ​​ale ich vnútorný odpor je obrovský (až sto Mohmov). Preto nie sú vhodné na príjem vysokých prúdov. V galvanických článkoch je EMF len asi 1 V, ale na druhej strane je vnútorný odpor tiež nízky (asi 1 Ohm alebo menej). To umožňuje s ich pomocou získať prúdy merané v ampéroch.