Внутреннее сопротивление источника постоянного тока формула. Измерение эдс и внутреннего сопротивления источника тока
Цель работы: изучить метод измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока с помощью амперметра и вольтметра.
Оборудование: металлический планшет, источник тока, амперметр, вольтметр, резистор, ключ, зажимы, соединительные провода.
Для измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока собирают электрическую цепь, схема которой показана на рисунке 1.
К источнику тока подключают амперметр, сопротивление и ключ, соединенные последовательно. Кроме того, непосредственно к выходным гнездам источника подключают еще и вольтметр.
ЭДС измеряют по показанию вольтметра при разомкнутом ключе. Этот прием определения ЭДС основан на следствии из закона Ома для полной цепи, согласно которому при бесконечно большом сопротивлении внешней цепи напряжение на зажимах источника равно его ЭДС. (См. параграф "Закон Ома для полной цепи" учебника "Физика 10").
Для определения внутреннего сопротивления источника замыкают ключ К. При этом в цепи можно условно выделить два участка: внешний (тот, который подключен к источнику) и внутренний (тот, который находится внутри источника тока). Поскольку ЭДС источника равна сумме падения напряжений на внутреннем и внешнем участках цепи:
ε = U r +U R , то U r = ε -U R (1)
По закону Ома для участка цепи U r = I· r (2). Подставив равенство (2) в (1) получают:
I · r = ε - U r , откуда r = (ε - U R )/ J
Следовательно, чтобы узнать внутреннее сопротивление источника тока, необходимо предварительно определить его ЭДС, затем замкнуть ключ и измерить падение напряжения на внешнем сопротивлении, а также силу тока в нем.
Ход работы
1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
|
ε ,в |
U r , B |
i,a |
r , Ом |
Начертите в тетради схему для измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника.
После проверки схемы соберите электрическую цепь. Ключ разомкните.
Измерьте величину ЭДС источника.
Замкните ключ и определите показания амперметра и вольтметра.
Вычислите внутреннее сопротивление источника.
Определение эдс и внутреннего сопротивления источника тока графическим методом
Цель работы: изучить измерения ЭДС, внутреннего сопротивления и тока короткого замыкания источника тока, основанный на анализе графика зависимости напряжения на выходе источника от силы тока в цепи.
Оборудование: гальванический элемент, амперметр, вольтметр, резистор R 1 , переменный резистор, ключ, зажимы, металлический планшет, соединительные провода.
Из закона Ома для полной цепи следует, что напряжение на выходе источника тока зависит прямо пропорционально от силы тока в цепи:
так как I =E/(R+r), то IR + Ir = Е, но IR = U, откуда U + Ir = Е или U = Е – Ir (1).
Если построить график зависимости U от I, то по его точкам пересечения с осями координат можно определить Е, I К.З. - силу тока короткого замыкания (ток, который потечет в цепи источника, когда внешнее сопротивление R станет равным нулю).
ЭДС определяют по точке пересечения графика с осью напряжений. Эта точка графика соответствует состоянию цепи, при котором ток в ней отсутствует и, следовательно, U = Е.
Силу тока короткого замыкания определяют по точке пересечения графика с осью токов. В этом случае внешнее сопротивление R = 0 и, следовательно, напряжение на выходе источника U = 0.
Внутреннее сопротивление источника находят по тангенсу угла наклона графика относительно оси токов. (Сравните формулу (1) с математической функцией вида У = АХ +В и вспомните смысл коэффициента при X).
Ход работы
После проверки схемы преподавателем соберите электрическую цепь. Ползунок переменного резистора установите в положение, при котором сопротивление цепи, подключенной к источнику тока, будет максимальным.
Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:
Определите значение силы тока в цепи и напряжение на зажимах источника при максимальной величине сопротивления переменного резистора. Данные измерений занесите в таблицу.
Повторите несколько раз измерения силы тока и напряжения, уменьшая всякий раз величину переменного сопротивления так, чтобы напряжение на зажимах источника уменьшалось на 0,1В. Измерения прекратите, когда сила тока в цепи достигнет значения в 1А.
Нанесите полученные в эксперименте точки на график. Напряжение откладывайте по вертикальной оси, а силу тока - по горизонтальной. Проведите по точкам прямую линию.
Продолжите график до пересечения с осями координат и определите величины Е и, I К.З.
Измерьте ЭДС источника, подключив вольтметр к его выводам при разомкнутой внешней цепи. Сопоставьте значения ЭДС, полученные двумя способами, и укажите причину возможного расхождения результатов.
Определите внутреннее сопротивление источника тока. Для этого вычислите тангенс угла наклона построенного графика к оси токов. Так как тангенс угла в прямоугольном треугольнике равен отношению противолежащего катета к прилежащему, то практически это можно сделать, найдя отношение Е / I К.З
Мы пришли к выводу, что для поддержания постоянного тока в замкнутой цепи, в нее необходимо включить источник тока. Подчеркнем, что задача источника заключается не в том, чтобы поставлять заряды в электрическую цепь (в проводниках этих зарядов достаточно), а в том, чтобы заставлять их двигаться, совершать работу по перемещению зарядов против сил электрического поля. Основной характеристики источника является электродвижущая сила 1 (ЭДС) − работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда
Единицей измерения ЭДС в системе единиц СИ является Вольт. ЭДС источника равна 1 вольт, если он совершает работу 1 Джоуль при перемещении заряда 1 Кулон
Для обозначения источников тока на электрических схемах используется специальное обозначение (рис. 397).
рис. 397
Электростатическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов − на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательный. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу».
В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.
Таким образом, электродвижущую силу источника можно считать алгебраической величиной, знак которой («плюс» или «минус») зависит от направления тока. В схеме, показанной на рис. 398,
рис. 398
вне источника (во внешней цепи) ток течет 2 от «плюса» источника к «минусу», в внутри источника от «минуса» к «плюсу». В этом случае, как сторонние силы источника, так и электростатические силы во внешней цепи совершают положительную работу.
Если на некотором участке электрической цепи помимо электростатических действуют и сторонние силы, то над перемещением зарядов «работают» как электростатические, так и сторонние силы. Суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда называется электрическим напряжением на участке цепи
В том случае, когда сторонние силы отсутствуют, электрическое напряжение совпадает с разностью потенциалов электрического поля.
Поясним определение напряжения и знака ЭДС на простом примере. Пусть на участке цепи, по которому протекает электрический ток, имеются источник сторонних сил и резистор (рис. 399).
рис. 399
Для определенности будем считать, что φ o > φ 1
, то есть электрический ток направлен от точки 0
к точке 1
. При подключении источника, как показано на рис. 399 а, Сторонние силы источника совершают положительную работу, поэтому соотношение (2) в этом случае может быть записано в виде
При обратном включении источника (рис. 399 б) внутри него заряды движутся против сторонних сил, поэтому работа последних отрицательна. Фактически силы внешнего электрического поля преодолевают сторонние силы. Следовательно, в этом случае рассматриваемое соотношение (2) имеет вид
Для протекания электрического тока по участку цепи, обладающему электрическим сопротивлением, необходимо совершать работу, по преодолению сил сопротивления. Для единичного положительного заряда эта работа, согласно закону Ома, равна произведению IR = U
которое, естественно совпадает с напряжением на данном участке.
Заряженные частицы (как электроны, так и ионы) внутри источника движутся в некоторой окружающей среде, поэтому со стороны среду на них также действуют тормозящие силы, которые также необходимо преодолевать. Заряженные частицы преодолевают силы сопротивления благодаря действию сторонних сил (если ток в источнике направлен от «плюса» к «минусу») либо благодаря электростатическим силам (если ток направлен от «минуса» к «плюсу»). Очевидно, что работа по преодолению этих сил не зависит от направления движения, так как силы сопротивления всегда направлены в сторону, противоположную скорости движения частиц. Так как силы сопротивления пропорциональны средней скорости движения частиц, то работа по их преодолению пропорциональна скорости движения, следовательно, силе тока силе. Таким образом, мы можем ввести еще характеристику источника − его внутренне сопротивление
r
, аналогично обычному электрическому сопротивлению. Работа по преодолению сил сопротивления при перемещении единичного положительного заряда между полюсами источника равна A/q = Ir
. Еще раз подчеркнем, эта работа не зависит от направления тока в источнике.
1 Название этой физической величины неудачно − так электродвижущая сила является работой, а не силой в обычном механическом понимании. Но этот термин настолько устоялся, что изменять его не «в наших силах». К слову, сила тока то же не является механической силой! Не говоря уж о таких понятиях «сила духа», «сила воли», «божественная сила» и т.д.
2 Напомним, за направление движения электрического тока принято направление движения положительных зарядов.
На концах проводника, а значит, и тока необходимо наличие сторонних сил неэлектрической природы, с помощью которых происходит разделение электрических зарядов .
Сторонними силами называются любые силы, действующие на электрически заряженные частицы в цепи, за исключением электростатических (т. е. кулоновских).
Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внут-ри всех источников тока: в генераторах, на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.
При замыкании цепи создается электрическое поле во всех про-водниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны движут-ся от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит а движение электрическое поле (см. рис. выше).
В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение разных видов энергии в электричес-кую. По типу преобразованной энергии различают следующие виды электродвижущей силы:
- электростатическая — в электрофорной машине, в которой происходит превращение механической энергии при трении в электрическую;
- термоэлектрическая - в термоэлементе — внутренняя энергия нагретого спая двух проволок, изготовленных из разных металлов, превращается в электрическую;
- фотоэлектрическая — в фотоэлементе. Здесь происходит превращение энергии света в элек-трическую: при освещении некоторых веществ, например, селена, оксида меди (I) , кремния наблюдается потеря отрицательного электрического заряда;
- химическая — в гальванических элементах, аккумуляторах и др. источниках, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую.
Электродвижущая сила (ЭДС) — характеристика источников тока. Понятие ЭДС было введено Г. Омом в 1827 г. для цепей постоянного тока. В 1857 г. Кирхгофф определил ЭДС как работу сторонних сил при переносе единичного электрического заряда вдоль замкнутого контура:
ɛ = A ст /q ,
где ɛ — ЭДС источника тока, А ст — работа сторонних сил , q — количество перемещенного заряда.
Электродвижущую силу выражают в вольтах.
Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке.
Внутреннее сопротивление источника тока.
Пусть имеется простая замкнутая цепь, состоящая из источника тока (например, гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора с сопротивлением R . Ток в замкну-той цепи не прерывается нигде, следовательно, oн существует и внутри источника тока. Любой источник представляет собой некоторое сопротивление дли тока. Оно называется внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой r .
В генераторе r — это сопротивление обмотки, в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.
Таким образом, источник тока характеризуется величинами ЭДС и внутреннего сопротивлении, которые определяют его качество. Например, электростатические машины имеют очень большую ЭДС (до десятков тысяч вольт), но при этом их внутреннее сопротивление огромно (до со-тни Мом). Поэтому они непригодны для получения сильных токов. У гальванических элементов ЭДС всего лишь приблизительно 1 В, но зато и внутреннее сопротивление мало (приблизительно 1 Ом и меньше). Это позволяет с их помощью получать токи, измеряемые амперами.
Цель работы: Научиться экспериментальным путем определять ЭДС, и внутреннее сопротивление источника тока.
Приборы и оборудование: Источники электрической энергии, амперметр (до 2А с делением до 0,1А), вольтметр (постоянного до 3А с делением до 0,3В), магазин (сопротивления до 10 Ом) ключ, соединительные провода.
ТЕОРИЯ:
Для поддержания тока в проводнике необходимо, чтобы разность потенциалов (напряжение) на его концах была неизменной. Для этого используется источник тока. Разность потенциалов на его полюсах образуется вследствие разделения зарядов на положительные и отрицательные. Работу по разделению зарядов выполняют сторонние силы (не электрического происхождения).
Величина, измеряемая работой, совершенной сторонними силами при перемещении единичного положительного электрического заряда внутри источника тока, называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС) и выражается в вольтах.
Когда цепь замыкается, разделенные в источнике тока заряды образуют электрическое поле, которое перемещает заряды по внешней цепи; внутри же источника тока заряды движутся навстречу полю под действием сторонних сил. Таким образом, энергия, запасенная в источнике тока, расходуется на работу по перемещению заряда в цепи с внешним R и внутренним r сопротивлениями.
ХОД РАБОТЫ
1. Собрать электрическую цепь как показано на схеме.
2. Измерить ЭДС источника электрической энергии замкнув его на вольтметр (схема).
3. Измерить силу тока и падение напряжения на заданном сопротивлении.
| № | Е | U | I | R | r | rcр |
| 1. | ||||||
| 2. | ||||||
| 3. |
4. Вычислить внутреннее сопротивление по закону Ома для всей цепи.
5. Произвести опыты с другими сопротивлениями и вычислить внутреннее сопротивление элемента.
6. Вычислить среднее значение внутреннего сопротивления элемента.
7. Результаты всех измерений и вычислений записать в таблицу.
8. Найти абсолютную и относительную погрешность.
9. Сделать вывод.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Укажите условия существования электрического тока в проводнике.
2. Какова роль источника электрической энергии в электрической цепи?
3. От чего зависит напряжение на зажимах источника электрической энергии?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА МЕДИ.
Цель работы : научиться на практике рассчитывать электрохимический эквивалент меди.
Оборудование: Весы с разновесом, амперметр, часы., источник электрической энергии, реостат, ключ, медные пластины (электроды), соединительные провода, электролитическая ванна с раствором медного купороса.
Теория
Процесс, при котором молекулы солей, кислот и щелочей при растворении в воде или других растворителях распадаются на заряженные частицы (ионы), называется электролитической диссоциацией, получившийся при этом раствор с положительными и отрицательными ионами называется электролитом.
Если в сосуд с электролитом поместить пластины (электроды), соединенные с зажимами источника тока (создать в электролите электрическое поле), то положительные ионы будут двигаться к катоду, а отрицательные - к аноду. Следовательно, в растворах кислот, солей и щелочей электрический заряд будет перемещаться вместе с частицами вещества. У электродов при этом происходит окислительно-восстановительные реакции, при которых на них выделяется вещество. Процесс прохождения электрического тока через электролит, сопровождающийся химическими реакциями называется электролизом.
Для электролиза справедлив закон Фарадея: масса выделившегося вещества на электроде прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит:
где k-электрохимический эквивалент-количествовещества, выделенное при прохождении через электролит 1 Кл электричества. Измерив силу тока в цепи, время его прохождения и массу выделившегося на катоде вещества можно определить электрохимический эквивалент (1с выражается в кг/Кл).
где m-масса меди, выделившейся на катоде; I-сила тока в цепи; t- время пропускания тока в цепи.
Соберите электрическую цепь по схеме.
1. Одну из пластин, которая будет катодом, (если пластина мокрая, ее надо подсушить) тщательно взвесить с точностью до 10мг и записать результат в таблицу.
2. Вставить электрод в электролитическую ванну и составить электрическую цепь согласно схеме.
3. Отрегулировать реостатом ток, чтобы величина его не превышала 1А на 50см 2 погруженной части катодной пластины.
4. Замкнуть цепь на 15-20 минут.
5. Разомкнуть цепь, вынуть катодную пластинку, смыть с нее остатка раствора и высушить под рукосушителем.
6. Взвесить высушенную пластину с точностью до 10мг.
7. Значение тока, время опыта, увеличение в массе катодной пластину записать в таблицу и определить электрохимический эквивалент.
Оценка погрешностей.
.
.
, следовательно 
.
После этого дается результат в виде: 
.
Сравните полученный результат с табличным.
Контрольные вопросы.
1. Что такое электролитическая диссоциация, электролиз?
2. До каких пор будет происходить электролиз медного купороса, если оба электрода медные? Оба электрода угольные?
3. Быстрее или медленнее пойдет электролиз, если один из медных электродов заменить цинковым?
Источник – это устройство, которое преобразует механическую, химическую, термическую и некоторые другие формы энергии в электрическую. Другими словами, источник является активным сетевым элементом, предназначенным для генерации электроэнергии. Различные типы источников, доступных в электросети, представляют собой источники напряжения и источники тока. Эти две концепции в электронике различаются друг от друга.
Источник постоянного напряжения
Источник напряжения – устройство с двумя полюсами, напряжение его в любой момент времени является постоянным, и проходящий через него ток не оказывает влияния. Такой источник будет идеальным, имеющим нулевое внутреннее сопротивление. В практических условиях он не может быть получен.
На отрицательном полюсе источника напряжения скапливается избыток электронов, у положительного полюса – их дефицит. Состояния полюсов поддерживаются процессами внутри источника.
Батареи
Батареи хранят химическую энергию внутри и способны преобразовывать ее в электрическую. Батареи не могут быть перезаряжены, что является их недостатком.
Аккумуляторы
Аккумуляторы являются перезаряжаемыми батареями. При зарядке электрическая энергия сохраняется внутри в виде химической. Во время разгрузки химический процесс протекает в противоположном направлении, а электрическая энергия высвобождается.
Примеры:
- Свинцово-кислотный аккумуляторный элемент. Изготавливается из свинцовых электродов и электролитической жидкости в виде разведенной дистиллированной водой серной кислоты. Напряжение на ячейку – около 2 В. В автомобильных аккумуляторах шесть ячеек обычно соединены в последовательную цепь, на клеммах выхода результирующее напряжение – 12 В;
- Никель-кадмиевые аккумуляторы, напряжение ячейки – 1,2 В.
Важно! При небольших токах батареи и аккумуляторы можно рассматривать как хорошее приближение к идеальным источникам напряжения.
Источник переменного напряжения
Электроэнергия производится на электрических станциях с помощью генераторов и после регулирования напряжения передается к потребителю. Переменное напряжение домашней сети 220 В в блоках питания различных электронных устройств легко преобразуется в более низкий показатель при применении трансформаторов.
Источник тока
По аналогии, как идеальный источник напряжения создает постоянное напряжение на выходе, задача источника тока – выдать постоянное значение тока, автоматом контролируя требуемое напряжение. Примерами являются трансформаторы тока (вторичная обмотка), фотоэлементы, коллекторные токи транзисторов.
Расчет внутреннего сопротивления источника напряжения
Реальные источники напряжения обладают собственным электрическим сопротивлением, которое называется «внутреннее сопротивление». Присоединенная на выводы источника нагрузка обозначается под названием «внешнее сопротивление» – R.
Батарея аккумуляторов генерирует ЭДС:
ε = E/Q, где:
- Е – энергия (Дж);
- Q – заряд (Кл).
Суммарная ЭДС аккумуляторного элемента является напряжением его разомкнутой цепи при отсутствии нагрузки. Его можно проконтролировать с хорошей точностью цифровым мультиметром. Разность потенциалов, измеренная на выходных контактах батареи, когда она включена на нагрузочный резистор, составит меньшую величину, чем ее напряжение при незамкнутой цепи, по причине протекания тока через нагрузочное внешнее и через внутреннее сопротивление источника, это приводит к рассеиванию энергии в нем как теплового излучения.
Внутреннее сопротивление аккумулятора с химическим принципом действия находится между долей ома и несколькими омами и в основном связано с сопротивлением электролитических материалов, используемых при изготовлении батареи.
Если резистор сопротивлением R подсоединить к батарее, ток в цепи I = ε/(R + r).
Внутреннее сопротивление – не постоянная величина. На него влияет род батареи (щелочная, свинцово-кислотная и т. д.), оно изменяется в зависимости от нагрузочного значения, температуры и срока использования аккумулятора. К примеру, у разовых батареек внутреннее сопротивление возрастает во время использования, а напряжение в связи с этим падает до прихода в состояние, непригодное для дальнейшей эксплуатации.
Если ЭДС источника – заранее данная величина, внутреннее сопротивление источника определяется, измеряя ток, протекающий через нагрузочное сопротивление.
- Так как внутреннее и внешнее сопротивление в приближённой схеме включены последовательно, можно использовать законы Ома и Кирхгофа для применения формулы:
- Из этого выражения r = ε/I — R.
Пример. Аккумулятор с известной ЭДС ε = 1.5 В и соединен последовательно с лампочкой. Падение напряжения на лампочке составляет 1,2 В. Следовательно, внутреннее сопротивление элемента создает падение напряжения: 1,5 — 1,2 = 0,3 В. Сопротивление проводов в цепи считается пренебрежимо малым, сопротивление лампы не известно. Измеренный ток, проходящий через цепь: I = 0,3 А. Нужно определить внутреннее сопротивление аккумулятора.
- По закону Ома сопротивление лампочки R = U/I = 1,2/0,3 = 4 Ом;
- Теперь по формуле для расчета внутреннего сопротивления r = ε/I — R = 1,5/0,3 — 4 = 1 Ом.
В случае короткого замыкания внешнее сопротивление падает почти до нуля. Ток может ограничивать свое значение только маленьким сопротивлением источника. Сила тока, возникающая в такой ситуации, настолько велика, что источник напряжения может быть поврежден тепловым воздействием тока, существует опасность возгорания. Риск пожара предотвращается установкой предохранителей, например, в цепях автомобильных аккумуляторов.
Внутреннее сопротивление источника напряжения – важный фактор, когда решается вопрос, как передать наиболее эффективную мощность подсоединенному электроприбору.
Важно! Максимальная передача мощности происходит, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки.
Однако при этом условии, помня формулу Р = I² x R, идентичное количество энергии отдается нагрузке и рассеивается в самом источнике, а его КПД составляет всего 50%.
Требования нагрузки должны быть тщательно рассмотрены для принятия решения о наилучшем использовании источника. Например, свинцово-кислотная автомобильная батарея должна обеспечивать высокие токи при сравнительно низком напряжении 12 В. Ее низкое внутреннее сопротивление позволяет ей это делать.
В некоторых случаях источники питания высокого напряжения должны иметь чрезвычайно большое внутреннее сопротивление, чтобы ограничить ток к. з.
Особенности внутреннего сопротивления источника тока
У идеального источника тока бесконечное сопротивление, а для подлинных источников можно представить приближенный вариант. Эквивалентная электросхема – это сопротивление, подключенное к источнику параллельно, и внешнее сопротивление.
Токовый выход от источника тока распределяется так: частично ток течет через наиболее высокое внутреннее сопротивление и через низкое сопротивление нагрузки.
Выходной ток будет находиться из суммы токов на внутреннем сопротивлении и нагрузочного Iо = Iн + Iвн.
Получается:
Iн = Iо — Iвн = Iо — Uн/r.
Эта зависимость показывает, что когда внутреннее сопротивление источника тока растет, тем больше снижается ток на нем, а резистор нагрузки получает большую часть тока. Интересно, что напряжение влиять не будет на токовую величину.
Выходное напряжение реального источника:
Uвых = I x (R x r)/(R +r) = I x R/(1 + R/r). Оцените статью:
