Ako vypočítať vnútorný odpor zdroja prúdu. Ohmov zákon pre úplný obvod. Vnútorný odpor zdroja prúdu

Zdroj je zariadenie, ktoré premieňa mechanickú, chemickú, tepelnú a niektoré iné formy energie na elektrickú energiu. Inými slovami, zdroj je aktívny sieťový prvok určený na výrobu elektriny. Rôzne typy zdrojov dostupných v elektrickej 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. Ideálny bude takýto zdroj s nulovým vnútorným odporom. V praktických podmienkach sa to nedá získať.

Na negatívnom póle zdroja napätia sa hromadí nadbytok elektrónov a na kladnom póle nedostatok elektrónov. 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 ich nevýhoda.

Batérie

Nabíjateľné batérie sú nabíjateľné batérie. Pri nabíjaní sa elektrická energia interne ukladá ako chemická energia. Pri vykladaní prebieha chemický proces v opačnom smere a uvoľňuje sa elektrická energia.

Príklady:

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

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

Dôležité! Pre malé prúdy možno batérie a akumulátory považovať za dobrú aproximáciu ideálnych zdrojov 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 nižšiu hodnotu.

Aktuálny zdroj

Analogicky, tak ako ideálny zdroj napätia vytvára konštantné napätie na výstupe, úlohou zdroja prúdu je produkovať 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 batérií generuje EMF:

ε = E/Q, kde:

• E – energia (J);
• Q – náboj (C).

Celkové emf článku batérie je napätie naprázdno, keď nie je zaťažené. Dá sa s dobrou presnosťou skontrolovať pomocou digitálneho multimetra. Potenciálny rozdiel nameraný na výstupných svorkách batérie, keď je pripojená k zaťažovaciemu odporu, bude menší ako jej napätie, keď je obvod otvorený, v dôsledku toku prúdu cez vonkajšiu záťaž a cez vnútorný odpor zdroja, to vedie k rozptýleniu energie v ňom ako tepelného žiarenia.

Vnútorný odpor chemickej batérie je medzi zlomkom ohmov a niekoľkými ohmmi a je spôsobený hlavne odporom elektrolytických materiálov použitých pri výrobe batérie.

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

Vnútorný odpor nie je konštantná hodnota. Je ovplyvnená typom batérie (alkalická, olovená atď.) a mení sa v závislosti od hodnoty zaťaženia, teploty a doby používania batérie. Napríklad pri jednorazových batériách sa pri používaní zvyšuje vnútorný odpor a napätie preto klesá, až kým nedosiahne stav nevhodný na ďalšie použitie.

Ak je emf zdroja vopred určená veličina, vnútorný odpor zdroja sa určí meraním prúdu pretekajúceho odporom záťaže.

1. Pretože vnútorný a vonkajší odpor v približnom obvode 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 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 Ohmy;
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 byť obmedzený len malým odporom zdroja. Prúd vznikajúci v takejto situácii je taký silný, že tepelnými účinkami prúdu môže dôjsť k poškodeniu zdroja napätia a hrozí nebezpečenstvo požiaru. Riziku požiaru sa predchádza inštaláciou poistiek, napríklad v obvodoch autobatérií.

Vnútorný odpor zdroja napätia je dôležitým faktorom pri rozhodovaní o spôsobe dodania čo najefektívnejšieho výkonu do pripojeného elektrického 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 prenesie do záťaže a rozptýli 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 dodávať 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, ale pre originálne zdroje si možno predstaviť približnú verziu. Ekvivalentný elektrický obvod je odpor pripojený paralelne k zdroju a vonkajší odpor.

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

Výstupný prúd bude súčtom prúdov vo vnútornom odpore a záťaži Io = In + Iin.

Ukázalo sa:

In = Io – Iin = Io – Un/r.

Tento vzťah ukazuje, že keď sa vnútorný odpor zdroja prúdu zvyšuje, tým viac prúd cez neho klesá a zaťažovací odpor prijíma väčšinu prúdu. Zaujímavé je, že napätie neovplyvní aktuálnu hodnotu.

Výstupné napätie skutočného zdroja:

Uout = Ix(Rxr)/(R+r) = IxR/(1 + R/r).

Aktuálna sila:

Iout = 1/(1 + R/r).

Výstupný výkon:

Rout = 12 x R/(1 + R/r)2.

Dôležité! Pri analýze obvodov vychádzame z nasledujúcich podmienok: keď vnútorný odpor zdroja výrazne prevyšuje vonkajší, ide o zdroj prúdu. Keď je naopak vnútorný odpor výrazne menší ako vonkajší, ide o zdroj napätia.

Prúdové zdroje slúžia na napájanie meracích mostíkov, operačných zosilňovačov a môžu to byť rôzne snímače.

Video

Potrebu zaviesť pojem možno ilustrovať na nasledujúcom príklade. Porovnajme dva chemické zdroje jednosmerného prúdu s rovnakým napätím:

• Autobatéria olovená s napätím 12 voltov a kapacitou 55 Ah
• Osem AA batérií zapojených do série. Celkové napätie takejto batérie je tiež 12 voltov, kapacita je oveľa menšia - približne 1 Ah

Napriek rovnakému napätiu sa tieto zdroje pri prevádzke pri rovnakej záťaži výrazne líšia. Autobatéria je teda schopná dodať veľký prúd do záťaže (motor auta štartuje z batérie, zatiaľ čo štartér spotrebuje prúd 250 ampérov), ale štartér sa z reťaze batérií vôbec neotáča. Relatívne malá kapacita batérií nie je dôvodom: jedna ampérhodina v batériách by stačila na otočenie štartéra na 14 sekúnd (pri prúde 250 ampérov).

Pre dvojkoncové siete obsahujúce zdroje (tj generátory napätia a generátory prúdu) je teda potrebné hovoriť konkrétne o interné odpor (alebo impedancia). Ak sieť s dvoma terminálmi neobsahuje zdroje, potom „ interné odpor“ pre takúto dvojkoncovú sieť znamená to isté ako Len„odpor“.

Súvisiace pojmy

Ak je v akomkoľvek systéme možné rozlíšiť vstup a/alebo výstup, často sa používajú tieto výrazy:

Fyzikálne princípy

Napriek skutočnosti, že v ekvivalentnom obvode je vnútorný odpor prezentovaný ako jeden pasívny prvok (a aktívny odpor, to znamená, že odpor je nevyhnutne prítomný), vnútorný odpor nie je sústredený v žiadnom prvku. Dvojkoncová sieť iba externe sa správa ako keby mal koncentrovanú vnútornú impedanciu a generátor napätia. V skutočnosti je vnútorný odpor vonkajším prejavom súboru fyzikálnych účinkov:

• Ak v sieti s dvoma terminálmi existuje iba Zdroj energie bez akéhokoľvek elektrického obvodu (napríklad galvanického článku), potom je vnútorný odpor takmer čisto aktívny (pokiaľ nehovoríme o veľmi vysokých frekvenciách), je to spôsobené fyzikálnymi vplyvmi, ktoré neumožňujú výkon dodávaný týmto zdrojom do zaťaženie prekročiť určitú hranicu. Najjednoduchším príkladom takéhoto efektu je nenulový odpor vodičov elektrického obvodu. Ale spravidla najväčší príspevok k obmedzeniu moci pochádza z účinkov neelektrické prírody. Napríklad pri energii môže byť obmedzená kontaktnou plochou látok zúčastňujúcich sa reakcie, v generátore vodnej elektrárne - obmedzeným tlakom vody atď.
• V prípade dvojkoncovej siete obsahujúcej vnútro elektrická schéma, vnútorný odpor je „rozptýlený“ v prvkoch obvodu (okrem mechanizmov uvedených vyššie v zdroji).

To tiež znamená niektoré vlastnosti vnútorného odporu:

Vplyv vnútorného odporu na vlastnosti dvojpólovej siete

Vplyv vnútorného odporu je integrálnou vlastnosťou každej aktívnej siete s dvomi koncovkami. Hlavným výsledkom prítomnosti vnútorného odporu je obmedzenie elektrického výkonu, ktorý je možné získať v záťaži napájanej z tejto siete s dvomi koncovkami.

Nech existuje dvojkoncová sieť, ktorú možno opísať vyššie uvedeným ekvivalentným obvodom. Sieť s dvoma terminálmi má dva neznáme parametre, ktoré je potrebné nájsť:

• Generátor EMF napätia U
• Vnútorný odpor r

Vo všeobecnosti je na určenie dvoch neznámych potrebné vykonať dve merania: zmerať napätie na výstupe siete s dvomi svorkami (to znamená rozdiel potenciálov U out = φ 2 − φ 1) pri dvoch rôznych zaťažovacích prúdoch. Potom neznáme parametre možno nájsť zo systému rovníc:

Kde U out1 ja 1, Uout2- výstupné napätie pri prúde ja 2. Riešením sústavy rovníc nájdeme neznáme neznáme:

Na výpočet vnútorného odporu sa zvyčajne používa jednoduchšia technika: zistí sa napätie v režime bez zaťaženia a prúd v režime skratu siete s dvoma koncovkami. V tomto prípade je systém () napísaný takto:

Kde U oc- výstupné napätie v režime nečinnosti (angl. otvorený okruh), to znamená pri nulovom zaťažovacom prúde; Isc- zaťažovací prúd v režime skratu (angl. skrat), teda pri zaťažení s nulovým odporom. Tu sa berie do úvahy, že výstupný prúd v režime naprázdno a výstupné napätie v režime nakrátko sú nulové. Z posledných rovníc okamžite dostaneme:

Meranie

koncepcia meranie použiteľné na skutočné zariadenie (ale nie na obvod). Priame meranie ohmmetrom nie je možné, pretože nie je možné pripojiť sondy zariadenia na svorky vnútorného odporu. Preto je potrebné nepriame meranie, ktoré sa zásadne nelíši od výpočtu - napätie na záťaži je potrebné aj pri dvoch rôznych hodnotách prúdu. Nie vždy je však možné použiť zjednodušený vzorec (2), pretože nie každá skutočná dvojkoncová sieť umožňuje prevádzku v režime skratu.

Niekedy sa používa nasledujúca jednoduchá metóda merania, ktorá nevyžaduje výpočty:

• Meria sa napätie naprázdno
• Variabilný odpor je pripojený ako záťaž a jeho odpor je zvolený tak, aby napätie na ňom bolo polovičné ako napätie naprázdno.

Po opísaných postupoch je potrebné zmerať odpor záťažového odporu ohmmetrom - bude sa rovnať vnútornému odporu dvojpólovej siete.

Bez ohľadu na použitú metódu merania je potrebné dávať pozor na preťaženie siete s dvoma svorkami nadmerným prúdom, to znamená, že prúd by nemal prekročiť maximálnu povolenú hodnotu pre danú sieť s dvomi svorkami.

Reaktívny vnútorný odpor

Ak ekvivalentný obvod dvojkoncovej siete obsahuje reaktívne prvky - kondenzátory a / alebo tlmivky, potom kalkulácia Reaktívny vnútorný odpor sa vykonáva rovnakým spôsobom ako aktívny odpor, ale namiesto odporových odporov sa berú komplexné impedancie prvkov zahrnutých v obvode a namiesto napätí a prúdov sa berú ich komplexné amplitúdy, tj. výpočet sa vykonáva metódou komplexnej amplitúdy.

Meranie reaktancia má niektoré špeciálne vlastnosti, pretože ide skôr o funkciu s komplexnou hodnotou ako o skalárnu hodnotu:

• Môžete vyhľadávať rôzne parametre komplexnej hodnoty: modul, argument, iba skutočnú alebo imaginárnu časť, ako aj celé komplexné číslo. Technika merania bude teda závisieť od toho, čo chceme získať.
• Ktorýkoľvek z uvedených parametrov závisí od frekvencie. Teoreticky, aby sme meraním získali úplnú informáciu o vnútornom jalovom odpore, je potrebné odstrániť závislosť na frekvencii, to znamená vykonávať merania pri každý frekvencie, ktoré môže zdroj danej dvojkoncovej siete generovať.

Aplikácia

Vo väčšine prípadov by sme o tom nemali hovoriť aplikácie vnútorný odpor a o účtovníctvo jeho negatívny vplyv, keďže vnútorný odpor je skôr negatívnym vplyvom. V niektorých systémoch je však nevyhnutný menovitý vnútorný odpor.

Zjednodušenie ekvivalentných obvodov

Znázornenie dvojkoncovej siete ako kombinácie generátora napätia a vnútorného odporu je najjednoduchším a najčastejšie používaným ekvivalentným obvodom dvojkoncovej siete.

Porovnanie zdroja a zaťaženia

Zosúladenie zdroja a záťaže je voľba pomeru záťažového odporu a vnútorného odporu zdroja tak, aby boli dosiahnuté špecifikované vlastnosti výsledného systému (spravidla sa snažia dosiahnuť maximálnu hodnotu ľubovoľného parametra pre daný zdroj). Najbežnejšie používané typy zhody sú:

Prispôsobovanie prúdu a výkonu by sa malo používať opatrne, pretože existuje riziko preťaženia zdroja.

Zníženie vysokého napätia

Niekedy sa k zdroju umelo pridáva veľký odpor (pridáva sa k vnútornému odporu zdroja), aby sa výrazne znížilo napätie z neho prijaté. Pridanie odporu ako dodatočného odporu (takzvaný zhášací odpor) však vedie k tomu, že sa mu pridelí zbytočná energia. Aby sa predišlo plytvaniu energiou, AC systémy využívajú reaktívne tlmiace impedancie, najčastejšie kondenzátory. Takto sú postavené kondenzátorové napájacie zdroje. Podobne pomocou kapacitného odbočovača z vysokonapäťového elektrického vedenia môžete získať malé napätie na napájanie akýchkoľvek autonómnych zariadení.

Minimalizácia hluku

Pri zosilňovaní slabých signálov často vzniká úloha minimalizovať šum vnášaný zosilňovačom do signálu. Na tento účel špeciálne nízkošumové zosilňovače sú však navrhnuté tak, aby najnižšie šumové číslo bolo dosiahnuté len v určitom rozsahu výstupnej impedancie zdroja signálu. Napríklad nízkošumový zosilňovač poskytuje minimálny šum iba v rozsahu výstupnej impedancie zdroja od 1 kΩ do 10 kΩ; ak má zdroj signálu nižšiu výstupnú impedanciu (napríklad mikrofón s výstupnou impedanciou 30 Ohmov), potom treba medzi zdroj a zosilňovač použiť stupňovitý transformátor, ktorý výstupnú impedanciu zvýši (ako aj napr. napätie signálu) na požadovanú hodnotu.

Obmedzenia

Pojem vnútorného odporu sa zavádza prostredníctvom ekvivalentného obvodu, takže platia rovnaké obmedzenia ako pre použiteľnosť ekvivalentných obvodov.

Príklady

Hodnoty vnútorného odporu sú relatívne: to, čo sa považuje za malé, napríklad pre galvanický článok, je veľmi veľké pre výkonnú batériu. Nižšie sú uvedené príklady dvojkoncových sietí a hodnoty ich vnútorného odporu r. Triviálne prípady dvojkoncových sietí žiadne zdroje sú konkrétne uvedené.

Nízky vnútorný odpor

Vysoký vnútorný odpor

Záporný vnútorný odpor

Existujú siete s dvoma terminálmi, ktorých vnútorný odpor má negatívne význam. V normálnom aktívny odpor, dochádza k rozptylu energie, v reaktívny V odpore sa energia ukladá a potom sa uvoľňuje späť do zdroja. Zvláštnosťou negatívneho odporu je, že sám je zdrojom energie. Negatívny odpor sa teda nevyskytuje v čistej forme, môže byť simulovaný iba elektronickým obvodom, ktorý nevyhnutne obsahuje zdroj energie. Záporný vnútorný odpor je možné v obvodoch dosiahnuť použitím:

• prvky so záporným diferenciálnym odporom, ako sú tunelové diódy

Systémy so záporným odporom sú potenciálne nestabilné, a preto sa dajú použiť na vytvorenie vlastných oscilátorov.

pozri tiež

Odkazy

Literatúra

• Zernov N.V., Karpov V.G. Teória rádiotechnických obvodov. - M. - L.: Energia, 1965. - 892 s.
• Jones M.H. Elektronika - praktický kurz. - M.: Technosféra, 2006. - 512 s.

Ohmov zákon pre úplný obvod, ktorého definícia sa týka hodnoty elektrického prúdu v reálnych obvodoch, závisí od zdroja prúdu a odporu záťaže. Tento zákon má aj iný názov - Ohmov zákon pre uzavreté obvody. Princíp fungovania tohto zákona je nasledujúci.

Ako najjednoduchší príklad, elektrická lampa, ktorá je spotrebiteľom elektrického prúdu, spolu so zdrojom prúdu nie je nič iné ako uzavretý okruh. Tento elektrický obvod je jasne znázornený na obrázku.

Elektrický prúd prechádzajúci žiarovkou prechádza aj samotným zdrojom prúdu. Pri prechode obvodom teda prúd pocíti odpor nielen vodiča, ale aj odporu priamo samotného zdroja prúdu. V zdroji odpor vytvára elektrolyt umiestnený medzi platňami a hraničnými vrstvami platní a elektrolytu. Z toho vyplýva, že v uzavretom obvode bude jeho celkový odpor pozostávať zo súčtu odporov žiarovky a zdroja prúdu.

Vonkajší a vnútorný odpor

Odpor záťaže, v tomto prípade žiarovky, pripojenej k zdroju prúdu sa nazýva vonkajší odpor. Priamy odpor zdroja prúdu sa nazýva vnútorný odpor. Pre vizuálnejšiu reprezentáciu procesu musia byť všetky hodnoty označené konvenčne. I - , R - vonkajší odpor, r - vnútorný odpor. Keď prúd preteká elektrickým obvodom, aby sa udržal, musí byť medzi koncami vonkajšieho obvodu potenciálny rozdiel, ktorý má hodnotu IxR. Tok prúdu je však pozorovaný aj vo vnútornom okruhu. To znamená, že na udržanie elektrického prúdu vo vnútornom obvode je potrebný aj potenciálny rozdiel na koncoch odporu r. Hodnota tohto potenciálneho rozdielu sa rovná Iхr.

Elektromotorická sila batérie

Batéria musí mať nasledujúcu hodnotu elektromotorickej sily schopnú udržať požadovaný prúd v obvode: E=IxR+Ixr. Zo vzorca je zrejmé, že elektromotorická sila batérie je súčtom vonkajšej a vnútornej. Aktuálna hodnota musí byť vyňatá zo zátvoriek: E=I(r+R). Inak si viete predstaviť: I=E/(r+R) . Posledné dva vzorce vyjadrujú Ohmov zákon pre úplný obvod, ktorého definícia je nasledovná: v uzavretom obvode je sila prúdu priamo úmerná elektromotorickej sile a nepriamo úmerná súčtu odporov tohto obvodu.

EMF a napätie. Vnútorný odpor napájacích zdrojov.
Vzdelávací program je taký vzdelávací program!
Ohmov zákon. To je to čo myslím.
O Ohmovom zákone sme už hovorili. Povedzme si znova – z trochu iného súdka. Bez toho, aby sme zachádzali do fyzických detailov a hovorili jednoduchým mačacím jazykom, Ohmov zákon hovorí: čím väčšie je emf. (elektromotorická sila), čím väčší prúd, tým väčší odpor, tým menší prúd.
Preložením tohto kúzla do jazyka suchých vzorcov dostaneme:

I=E/R

kde: I - sila prúdu, E - E.M.F. - elektromotorická sila R - odpor
Prúd sa meria v ampéroch, emf. - vo voltoch a odpor nesie hrdé meno súdruh Ohm.E.m.f. - to je charakteristika ideálneho generátora, ktorého vnútorný odpor sa považuje za nekonečne malý. V skutočnom živote sa to stáva zriedka, takže platí Ohmov zákon pre sériový obvod (pre nás známejší):

I=U/R

kde: U je zdrojové napätie priamo na jeho svorkách.
Pozrime sa na jednoduchý príklad.
Predstavme si obyčajnú batériu v podobe emf zdroja. a určitý odpor zapojený do série s ním, ktorý bude predstavovať vnútorný odpor batérie. Pripojme voltmeter paralelne k batérii. Jeho vstupný odpor je výrazne väčší ako vnútorný odpor batérie, no nie nekonečne veľký – teda bude ňou pretekať prúd. Hodnota napätia, ktorú ukazuje voltmeter, bude menšia ako hodnota emf. len veľkosťou poklesu napätia na vnútornom imaginárnom rezistore pri danom prúde, no napriek tomu je to práve táto hodnota, ktorá sa berie ako napätie batérie.
Konečný stresový vzorec bude mať nasledujúci tvar:

U(baht)=E-U(interné)

Keďže vnútorný odpor všetkých batérií sa časom zvyšuje, zvyšuje sa aj úbytok napätia na vnútornom odpore. V tomto prípade sa napätie na svorkách batérie zníži. Mňau!
Rozumiem!
Čo sa stane, ak namiesto voltmetra pripojíte k batérii ampérmeter? Keďže vnútorný odpor ampérmetra má tendenciu k nule, budeme vlastne merať prúd pretekajúci vnútorným odporom batérie. Keďže vnútorný odpor zdroja je veľmi malý, meraný prúd v tomto prípade môže dosiahnuť niekoľko ampérov.
Treba však poznamenať, že vnútorný odpor zdroja je rovnaký prvok obvodu ako všetky ostatné. Preto so zvyšujúcim sa zaťažovacím prúdom sa zvýši aj pokles napätia na vnútornom odpore, čo vedie k zníženiu napätia na záťaži. Alebo ako to my rádiové mačky radi hovoríme – pokles napätia.
Aby zmeny záťaže mali čo najmenší vplyv na výstupné napätie zdroja, snažia sa minimalizovať jeho vnútorný odpor.
Prvky sériového obvodu môžete vybrať tak, že na ktoromkoľvek z nich získate napätie, ktoré sa v porovnaní s originálom zníži o ľubovoľný počet krát.

Elektrický prúd vo vodiči vzniká vplyvom elektrického poľa, čo spôsobuje pohyb voľných nabitých častíc v určitom smere. Generovanie prúdu častíc je vážny problém. Zostrojiť také zariadenie, ktoré dlhodobo udrží rozdiel potenciálu poľa v jednom štáte, je úloha, ktorú ľudstvo dokázalo vyriešiť len do konca 18. storočia.

Prvé pokusy

Prvé pokusy o „uskladnenie elektriny“ pre jej ďalší výskum a využitie sa uskutočnili v Holandsku. Nemec Ewald Jürgen von Kleist a Holanďan Pieter van Musschenbroek, ktorí uskutočnili svoj výskum v meste Leiden, vytvorili prvý kondenzátor na svete, neskôr nazvaný „Leyden jar“.

Akumulácia elektrického náboja už prebiehala pod vplyvom mechanického trenia. Na určitý, dosť krátky čas bolo možné použiť výboj cez vodič.

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

Žiaľ, výboj (elektrický prúd vytvorený kondenzátorom) trval tak krátko, že ho nebolo možné vytvoriť. Okrem toho napätie dodávané kondenzátorom postupne klesá, čo neponecháva žiadnu možnosť prijímať dlhodobý prúd.

Bolo treba hľadať inú cestu.

Prvý zdroj

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

Galvaniho závery však vyvrátil 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 si všimol, že živý organizmus je len indikátorom elektrického výboja. Keď prúd prechádza, svaly labiek sa sťahujú, čo naznačuje potenciálny rozdiel. Ukázalo sa, že zdrojom elektrického poľa je kontakt rôznych kovov. Čím ďalej sú v rade chemických prvkov od seba, tým je účinok výraznejší.

Dosky z rôznych kovov, lemované papierovými kotúčmi namočenými v roztoku elektrolytu, vytvárali potrebný potenciálny rozdiel na dlhú dobu. A aj keď bol nízky (1,1 V), elektrický prúd sa dal skúmať dlho. Hlavná vec je, že napätie zostalo nezmenené rovnako dlho.

Čo sa deje

Prečo sa tento efekt vyskytuje 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 objaveniu sa prebytku elektrónov na jednej elektróde, ktorá sa nazýva záporný pól, a nedostatku na druhej elektróde, ktorú označíme ako kladný pól zdroja.

V najjednoduchších galvanických článkoch prebiehajú na jednej elektróde oxidačné reakcie, na druhej redukčné. Elektróny prichádzajú k elektródam z vonkajšej časti obvodu. Elektrolyt je vodič 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 pochádza z energie 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 prísť do kontaktu.

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

Keď sú elektróny na medenej elektróde, zúčastňujú sa redukčnej reakcie. Ióny medi prichádzajú z roztoku do povrchovej vrstvy, počas procesu redukcie sa menia na atómy medi, ktoré sa usadzujú na medenej platni.

Zhrňme si, 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 preteká iónový prúd.

Náročnosť používania

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

Moderné batérie majú jednoduchšiu štruktúru. Dve elektródy umiestnené v jednom elektrolyte napĺňajú nádobu - telo batérie. Takéto konštrukčné prvky zjednodušujú štruktúru a znižujú náklady na batérie.

Každý galvanický článok je schopný produkovať jednosmerný prúd.

Prúdový odpor neumožňuje, aby sa všetky ióny objavili na elektródach súčasne, takže prvok funguje dlho. Chemické reakcie tvorby iónov sa skôr či neskôr zastavia a 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 takémuto vývoju prekáža.

Elektrický prúd má na jednej strane neoceniteľné vlastnosti používané v každodennom živote a technike, na druhej strane je tu výrazný odpor. Fyzika ako veda o prírode sa snaží nastoliť rovnováhu a 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 odpor vonkajšej časti obvodu majú trochu inú povahu, ale rovnaká v týchto procesoch je práca vykonaná na pohyb náboja.

Samotná práca závisí len 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 rastie s jeho dĺžkou a klesá so zvyšujúcou sa plochou prierezu. Pri riešení problému, ako znížiť odpor, fyzika odporúča použiť špecializované materiály.

Aktuálna práca

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

• Q interné = I 2 r t,

kde r je vnútorný odpor zdroja prúdu.

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

• Q celkom = I2 r t + I 2 Rt = 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:

• q · E = I2 · (r + R) · t.

Keď pochopíme, že náboj sa rovná súčinu sily prúdu a času, keď prúdi, máme:

• E = I (r + R).

V súlade so vzťahmi príčiny a následku má Ohmov zákon formu:

• I = E: (r + R).

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

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

Kapacita vybíjania zdroja

Medzi hlavné charakteristiky zdrojov patrí výbojová kapacita. Maximálne množstvo elektriny získanej počas prevádzky za určitých podmienok závisí od sily vybíjacieho prúdu.

V ideálnom prípade, keď sa urobia určité aproximácie, možno kapacitu vybíjania považovať za konštantnú.

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

Spôsoby nabíjania batérií

Používanie batérií ich vybije. nabíjanie malých prvkov sa vykonáva pomocou prúdu, ktorého sila nepresahuje jednu desatinu kapacity zdroja.

K dispozícii sú nasledujúce spôsoby nabíjania:

• používanie konštantného prúdu po daný čas (asi 16 hodín s prúdom 0,1 kapacity batérie);
• nabíjanie klesajúcim prúdom na daný potenciálny rozdiel;
• použitie asymetrických prúdov;
• sekvenčná aplikácia krátkych impulzov nabíjania a vybíjania, pri ktorých čas prvého presahuje čas druhého.

Praktická práca

Navrhuje sa úloha: určiť vnútorný odpor zdroja prúdu a emf.

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

Použitie vám umožní určiť vnútorný odpor zdroja prúdu. K tomu potrebujete poznať jeho EMF a hodnotu odporu reostatu.

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

• I=U:R,

kde I je sila prúdu vo vonkajšej časti obvodu, meraná ampérmetrom; U je napätie na vonkajšom odpore.

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

Na určenie EMF zdroja prúdu využívame skutočnosť, že napätie na jeho svorkách, keď je spínač otvorený, sa takmer rovná EMF.

Zostavme obvod batérie, reostatu, ampérmetra a kľúča zapojených do série. 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 podstatne 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 vývoja automobilovej techniky.

Malé, ľahké, vysokokapacitné nabíjateľné batérie sú tiež nevyhnutné v mobilných elektronických zariadeniach. Množstvo energie spotrebovanej v nich priamo súvisí s výkonom zariadení.