R المقاومة الداخلية. العمل المخبري "قياس المجالات الكهرومغناطيسية والمقاومة الداخلية للمصدر الحالي" (الصف 11)

27.09.2019

8.5. التأثير الحراري للتيار

8.5.1. مصدر الطاقة الحالي

إجمالي الطاقة للمصدر الحالي:

مجموع P = P خسائر مفيدة + P،

حيث P مفيدة - قوة مفيدة، P مفيدة = I 2 R؛ خسائر P - خسائر الطاقة، خسائر P = I 2 r؛ أنا - القوة الحالية في الدائرة؛ R - مقاومة الحمل (الدائرة الخارجية)؛ r هي المقاومة الداخلية للمصدر الحالي.

يمكن حساب الطاقة الإجمالية باستخدام إحدى الصيغ الثلاث:

P كامل = I 2 (R + r)، P كامل = ℰ 2 R + r، P كامل = I ℰ،

حيث ℰ هي القوة الدافعة الكهربائية (EMF) للمصدر الحالي.

صافي القوة- هذه هي الطاقة التي يتم إطلاقها في الدائرة الخارجية، أي. على الحمل (المقاوم)، ويمكن استخدامه لبعض الأغراض.

يمكن حساب صافي القدرة باستخدام إحدى الصيغ الثلاث:

P مفيد = I 2 R، P مفيد = U 2 R، P مفيد = IU،

حيث I هي القوة الحالية في الدائرة؛ U هو الجهد عند أطراف (المشابك) للمصدر الحالي؛ R - مقاومة الحمل (الدائرة الخارجية).

فقدان الطاقة هو الطاقة التي يتم تحريرها في المصدر الحالي، أي. في الدائرة الداخلية، وينفق على العمليات التي تجري في المصدر نفسه؛ لا يمكن استخدام فقدان الطاقة لأية أغراض أخرى.

عادة ما يتم حساب فقدان الطاقة باستخدام الصيغة

خسائر P = أنا 2 ص،

حيث I هي القوة الحالية في الدائرة؛ r هي المقاومة الداخلية للمصدر الحالي.

خلال دائرة كهربائية قصيرة، تصل الطاقة المفيدة إلى الصفر

ف مفيد = 0،

نظرًا لعدم وجود مقاومة للحمل في حالة حدوث ماس كهربائي: R = 0.

تتزامن الطاقة الإجمالية أثناء ماس كهربائى للمصدر مع فقدان الطاقة ويتم حسابها بواسطة الصيغة

ف كامل = ℰ 2 ص،

حيث ℰ هي القوة الدافعة الكهربائية (EMF) للمصدر الحالي؛ r هي المقاومة الداخلية للمصدر الحالي.

القوة المفيدة لديها القيمة القصوىفي الحالة التي تكون فيها مقاومة الحمل R مساوية للمقاومة الداخلية r للمصدر الحالي:

ص = ص.

أقصى قوة مفيدة:

P الحد الأقصى المفيد = 0.5 P كامل،

حيث Ptot هي القدرة الكلية للمصدر الحالي؛ ف كامل = ℰ 2 / 2 ص.

صيغة صريحة للحساب أقصى قوة مفيدةعلى النحو التالي:

P الحد الأقصى المفيد = ℰ 2 4 r .

لتبسيط الحسابات، من المفيد أن نتذكر نقطتين:

إذا تم إطلاق نفس الطاقة المفيدة في الدائرة مع مقاومتي الحمل R 1 و R 2، إذن المقاومة الداخليةالمصدر الحالي r يرتبط بالمقاومات المشار إليها بالصيغة

ص = ص 1 ص 2 ;

إذا تم إطلاق الحد الأقصى من الطاقة المفيدة في الدائرة، فإن القوة الحالية I * في الدائرة هي نصف قوة تيار الدائرة القصيرة i:

أنا * = أنا 2 .

مثال 15. عند قصر المقاومة إلى 5.0 أوم، تنتج بطارية من الخلايا تيارًا قدره 2.0 A. تيار الدائرة القصيرة للبطارية هو 12 A. احسب الحد الأقصى للطاقة المفيدة للبطارية.

حل . دعونا نحلل حالة المشكلة.

1. عند توصيل بطارية بمقاومة R 1 = 5.0 أوم، يتدفق تيار بقوة I 1 = 2.0 A في الدائرة، كما هو موضح في الشكل. أ، يحددها قانون أوم للدائرة الكاملة:

أنا 1 = ℰ ر 1 + ص،

حيث ℰ - EMF للمصدر الحالي؛ r هي المقاومة الداخلية للمصدر الحالي.

2. عندما تكون البطارية ذات دائرة قصر، يتدفق تيار دائرة قصر في الدائرة، كما هو موضح في الشكل. ب. يتم تحديد تيار الدائرة القصيرة بواسطة الصيغة

حيث i هو تيار الدائرة القصيرة، i = 12 A.

3. عند توصيل بطارية بمقاومة R 2 = r، يتدفق تيار بقوة I 2 في الدائرة، كما هو موضح في الشكل. في ، يحددها قانون أوم للدائرة الكاملة:

أنا 2 = ℰ ر 2 + ص = ℰ 2 ص؛

في هذه الحالة، يتم تحرير الحد الأقصى من الطاقة المفيدة في الدائرة:

P الحد الأقصى المفيد = I 2 2 R 2 = I 2 2 r.

وبالتالي، لحساب الحد الأقصى من الطاقة المفيدة، من الضروري تحديد المقاومة الداخلية للمصدر الحالي r والقوة الحالية I 2.

من أجل إيجاد القوة الحالية I 2، نكتب نظام المعادلات:

أنا = ℰ ص , أنا 2 = ℰ 2 ص )

وتقسيم المعادلات:

أنا 2 = 2 .

هذا يعني:

أنا 2 = أنا 2 = 12 2 = 6.0 أ.

ومن أجل إيجاد المقاومة الداخلية للمصدر r نكتب نظام المعادلات:

أنا 1 = ℰ ر 1 + ص، أنا = ℰ ص)

وتقسيم المعادلات:

أنا 1 أنا = ص ص 1 + ص .

هذا يعني:

r = I 1 R 1 i − I 1 = 2.0 ⋅ 5.0 12 − 2.0 = 1.0 أوم.

دعونا نحسب الحد الأقصى من الطاقة المفيدة:

P الحد الأقصى المفيد = I 2 2 r = 6.0 2 ⋅ 1.0 = 36 واط.

وبالتالي، فإن الحد الأقصى للطاقة القابلة للاستخدام للبطارية هو 36 واط.

قانون أوم لدائرة كاملة، وتعريفه يتعلق بالقيمة التيار الكهربائيفي الدوائر الحقيقية، يعتمد على مصدر التيار ومقاومة الحمل. هذا القانون له أيضًا اسم آخر - قانون أوم للدوائر المغلقة. مبدأ تشغيل هذا القانون هو كما يلي.

كأكثر مثال بسيط، المصباح الكهربائي، الذي هو مستهلك للتيار الكهربائي، مع مصدر التيار ليس أكثر من مصدر مغلق. وتظهر هذه الدائرة الكهربائية بوضوح في الشكل.

يمر تيار كهربائي عبر المصباح الكهربائي عبر مصدر التيار نفسه أيضًا. وبالتالي، أثناء مروره عبر الدائرة، سيواجه التيار مقاومة ليس فقط الموصل، ولكن أيضًا مقاومة المصدر الحالي مباشرة. في المصدر، يتم إنشاء المقاومة بواسطة المنحل بالكهرباء الموجود بين الصفائح والطبقات الحدودية للصفائح والإلكتروليت. ويترتب على ذلك أنه في الدائرة المغلقة، تتكون مقاومتها الإجمالية من مجموع مقاومات المصباح الكهربائي ومصدر التيار.

المقاومة الخارجية والداخلية

مقاومة الحمل، في في هذه الحالةيسمى توصيل المصباح الكهربائي بمصدر تيار بالمقاومة الخارجية. تسمى المقاومة المباشرة للمصدر الحالي بالمقاومة الداخلية. للحصول على تمثيل أكثر وضوحا للعملية، يجب تحديد جميع القيم بشكل تقليدي. I - , R - المقاومة الخارجية، r - المقاومة الداخلية. عندما يتدفق التيار عبر دائرة كهربائية، ومن أجل الحفاظ عليه، يجب أن يكون هناك فرق جهد بين طرفي الدائرة الخارجية، والذي له القيمة IxR. ومع ذلك، يتم ملاحظة تدفق التيار أيضًا في الدائرة الداخلية. هذا يعني أنه من أجل الحفاظ على التيار الكهربائي في الدائرة الداخلية، من الضروري أيضًا وجود فرق محتمل عند نهايات المقاومة r. قيمة هذا الفرق المحتمل تساوي Ikhr.

القوة الدافعة الكهربائية للبطارية

يجب أن تحتوي البطارية على القيمة التالية للقوة الدافعة الكهربائية القادرة على الحفاظ على التيار المطلوب في الدائرة: E=IxR+Ixr. يتضح من الصيغة أن القوة الدافعة الكهربائية للبطارية هي مجموع القوى الخارجية والداخلية. يجب إخراج القيمة الحالية من الأقواس: E=I(r+R). وإلا يمكنك أن تتخيل: I=E/(r+R) . تعبر الصيغتان الأخيرتان عن قانون أوم لدائرة كاملة، وتعريفها هو كما يلي: في الدائرة المغلقة، تتناسب قوة التيار بشكل مباشر مع القوة الدافعة الكهربائية ويتناسب عكسيًا مع مجموع مقاومات هذه الدائرة.

الهدف من العمل:تعلم كيفية تحديد القوة الدافعة الكهربية والمقاومة الداخلية للمصدر الحالي بشكل تجريبي.

الأدوات والمعدات:مصادر طاقة كهربائية، مقياس التيار الكهربائي (حتى 2 أمبير مع أقسام تصل إلى 0.1 أمبير)، الفولتميتر (ثابت حتى 3 أمبير مع أقسام تصل إلى 0.3 فولت)، مجلة (مقاومة تصل إلى 10 أوم)، مفتاح، توصيل الأسلاك.

نظرية:

للحفاظ على التيار في الموصل، من الضروري أن يظل فرق الجهد (الجهد) عند طرفيه ثابتًا. لهذا، يتم استخدام المصدر الحالي. ويتكون فرق الجهد عند قطبيه نتيجة لفصل الشحنات إلى موجبة وسالبة. تتم أعمال فصل الشحنات بواسطة قوى خارجية (ليست ذات أصل كهربائي).

تسمى الكمية المقاسة بالعمل الذي تقوم به القوى الخارجية عند تحريك وحدة شحنة كهربائية موجبة داخل مصدر حالي، القوة الدافعة الكهربائية للمصدر الحالي (EMF) ويتم التعبير عنها بالفولت.

عندما تكون الدائرة مغلقة، تشكل الشحنات المنفصلة في مصدر التيار مجالًا كهربائيًا يحرك الشحنات على طول الدائرة الخارجية؛ داخل المصدر الحالي تتحرك الشحنات نحو المجال تحت تأثير القوى الخارجية. وبالتالي، يتم إنفاق الطاقة المخزنة في المصدر الحالي على عمل تحريك الشحنة في دائرة ذات مقاومات R خارجية ومقاومات r داخلية.

تقدم

1. قم بتجميع الدائرة الكهربائية كما هو موضح في الرسم التخطيطي.

2. قياس المجال الكهرومغناطيسي لمصدر الطاقة الكهربائية عن طريق توصيله بالفولتميتر (الدائرة).

3. قياس انخفاض التيار والجهد عبر مقاومة معينة.

№	ه	ش	أنا	ر	ص	rc
1.
2.
3.

4. احسب المقاومة الداخلية باستخدام قانون أوم للدائرة بأكملها.

5. إجراء تجارب على مقاومات أخرى وحساب المقاومة الداخلية للعنصر.

6. احسب متوسط قيمة المقاومة الداخلية للعنصر.

7. اكتب نتائج جميع القياسات والحسابات في جدول.

8. أوجد الخطأ المطلق والنسبي.

9. استنتج.

أسئلة التحكم

1. بيان شروط وجود تيار كهربائي في الموصل.

2. ما هو دور مصدر الطاقة الكهربائية في الدائرة الكهربائية؟

3. على ماذا يعتمد الجهد عند أطراف مصدر الطاقة الكهربائية؟

العمل المختبري رقم 7

تحديد المعادل الكهروكيميائي للنحاس.

الهدف من العمل: تعلم عمليًا حساب المعادل الكهروكيميائي للنحاس.

معدات:موازين الوزن، الأميتر، الساعة. , مصدر الطاقة الكهربائية، مقاومة متغيرة، مفتاح، ألواح نحاسية (أقطاب كهربائية)، أسلاك توصيل، حمام إلكتروليتي مع محلول كبريتات النحاس.

نظرية

تسمى العملية التي تتحلل بها جزيئات الأملاح والأحماض والقلويات، عند ذوبانها في الماء أو المذيبات الأخرى، إلى جسيمات مشحونة (أيونات) بالتفكك الإلكتروليتي , ويسمى المحلول الناتج مع الأيونات الموجبة والسالبة بالكهرباء.

إذا تم وضع الألواح (الأقطاب الكهربائية) المتصلة بأطراف المصدر الحالي في وعاء به إلكتروليت (يتم إنشاء مجال كهربائي في المنحل بالكهرباء)، فسوف تتحرك الأيونات الموجبة نحو الكاثود، وستتحرك الأيونات السالبة نحو الأنود. وبالتالي، في محاليل الأحماض والأملاح والقلويات، سوف تتحرك الشحنة الكهربائية جنبا إلى جنب مع جزيئات المادة. في هذه الحالة، تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال عند الأقطاب الكهربائية، حيث يتم إطلاق المادة عليها. عملية تمرير تيار كهربائي من خلال المنحل بالكهرباء، يرافقه التفاعلات الكيميائيةيسمى التحليل الكهربائي.

بالنسبة للتحليل الكهربائي، قانون فاراداي صالح: كتلة المادة المنطلقة على القطب تتناسب طرديًا مع الشحنة التي تمر عبر المنحل بالكهرباء:

حيث k هو المعادل الكهروكيميائي - كمية المادة المنطلقة عند مرور 1 درجة مئوية من الكهرباء عبر المنحل بالكهرباء. من خلال قياس قوة التيار في الدائرة، وزمن مروره، وكتلة المادة المنطلقة عند الكاثود، يمكن تحديد المعادل الكهروكيميائي (يتم التعبير عن 1c بالكيلو جرام/درجة مئوية).

حيث m هي كتلة النحاس المنبعثة عند الكاثود؛ I هي القوة الحالية في الدائرة؛ t هو الوقت الذي يمر فيه التيار عبر الدائرة.

قم بتجميع الدائرة الكهربائية حسب الرسم التخطيطي.

1. قم بوزن أحد الألواح التي ستكون الكاثود بعناية (إذا كانت اللوحة مبللة فيجب تجفيفها) بدقة 10 ملغ واكتب النتيجة في الجدول.

2. أدخل القطب في الحمام الإلكتروليتي وأنشئ دائرة كهربائية وفقًا للرسم التخطيطي.

3. اضبط التيار بالمقاومة بحيث لا تزيد قيمته عن 1 أمبير لكل 50 سم2 من الجزء المغمور من لوحة الكاثود.

4. أغلق الدائرة لمدة 15-20 دقيقة.

5. افتح الدائرة، وأزل لوحة الكاثود، واغسل المحلول المتبقي منها وجففها تحت المجفف.

6. قم بوزن الطبق المجفف لأقرب 10 ملجم.

7. اكتب القيمة الحالية ووقت التجربة والزيادة في كتلة لوحة الكاثود في الجدول وحدد المكافئ الكهروكيميائي.

تقدير الخطأ.

خطأ نسبي:
.

، لذلك .

وبعد ذلك تعطى النتيجة كالآتي: .

قارن النتيجة بالجدول.

أسئلة التحكم.

1. ما هو التفكك الكهربائي، التحليل الكهربائي؟

2. ما المدة التي يستغرقها التحليل الكهربائي لكبريتات النحاس إذا كان كلا القطبين من النحاس؟ هل كلا القطبين كربون؟

3. هل سيكون التحليل الكهربائي أسرع أم أبطأ إذا تم استبدال أحد أقطاب النحاس بالزنك؟

الهدف: حساب القوة الدافعة الكهربية والمقاومة الداخلية للمصدر الحالي بشكل تجريبي.

المعدات: مصدر الطاقة الكهربائية، الأميتر، الفولتميتر، المقاومة المتغيرة (6 - 8 أوم)، المفتاح، أسلاك التوصيل.

الكمية المساوية عدديًا للشغل الذي تبذله قوى خارجية عند تحريك وحدة شحنة داخل مصدر تيار تسمى القوة الدافعة الكهربائية للمصدر الحالي ε, من قانون أوم:

حيث أنا الحالي، U هو الجهد.

في سي ε أعرب في فولت (V).

يمكن تحديد القوة الدافعة الكهربائية والمقاومة الداخلية للمصدر الحالي بشكل تجريبي.

أمر العمل

1. تحديد سعر تقسيم ميزان أدوات القياس.

2. قم بعمل دائرة كهربائية حسب الشكل الموضح في الشكل. 1

3. بعد فحص المعلم للدائرة، أغلق المفتاح واستخدم المتغير المتغير لضبط القوة الحالية المقابلة لعدة أقسام من مقياس التيار الكهربائي، وأخذ قراءات الفولتميتر ومقياس التيار الكهربائي.

4. كرر التجربة مرتين، مع تغيير القوة الحالية للدائرة باستخدام مقاومة متغيرة.

5.أكتب البيانات التي تم الحصول عليها في الجدول 1.

الشكل 4.10 - المخطط التجريبي

№	الجهد على الجزء الخارجي من الدائرة U، V	شدة التيار في الدائرة I,A	المقاومة الداخلية ص، أوم	متوسط قيمة المقاومة الداخلية r avg، أوم	إي إم إف ه، ف	متوسط emf e c p، V

الجدول 1 - البيانات التجريبية

1. استبدل نتائج القياس في المعادلة 1 وحل نظام المعادلات:

تحديد المقاومة الداخلية للمصدر باستخدام الصيغ:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.أكتب البيانات في الجدول 1.

5. ارسم استنتاجًا.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

أسئلة التحكم

1. ما هو الجوهر المادي للمقاومة الكهربائية؟

2. ما هو دور المصدر الحالي في الدائرة الكهربائية؟

3. ما هو المعنى الجسدي EMF ؟ تعريف فولت.

4. على ماذا يعتمد الجهد عند أطراف المصدر الحالي؟

5. باستخدام نتائج القياسات المتخذة، حدد مقاومة الدائرة الخارجية.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

تقرير المختبر رقم __________

طالب المجموعة _________________

الاسم الكامل_______________________________________________________________

الموضوع: بحث عن اعتماد قوة التيار الكهربائي لمصباح انفلكس على الجهد

الهدف: إتقان طريقة قياس الطاقة التي يستهلكها جهاز كهربائي، على أساس قياس التيار والجهد. دراسة اعتماد الطاقة التي يستهلكها المصباح الكهربائي على الجهد عند أطرافه؛ التحقيق في اعتماد مقاومة الموصل على درجة الحرارة.

المعدات: مصباح كهربائي، المصدر الجهد المستمرومتغير، مقاومة متغيرة المنزلق، مقياس التيار الكهربائي؛ الفولتميتر، المفتاح، أسلاك التوصيل، ورق الرسم البياني.

معلومات نظرية مختصرة

القيمة التي تساوي نسبة الشغل الذي ينجزه التيار A إلى الوقت t الذي يتم تنفيذه خلاله تسمى القدرة P:

لذلك، (1)

أمر العمل

التجربة رقم 1

1.صنع دائرة كهربائية حسب الشكل الموضح في الشكل 1 لتجربة صفرية مع ملاحظة قطبية الأجهزة

الشكل 1 - مخطط الاتصال

2. تحديد سعر تقسيم ميزان أدوات القياس

_____________________________________________________________________________

3. بعد فحص الدائرة من قبل المعلم، خذ قراءات الجهد U والتيار I.

4. قم بتدوين بيانات الجهاز في الجدول 1.

الجدول 1 - البيانات التجريبية رقم 1

التجربة رقم 2.

1. قم بتجميع الدائرة وفقًا للشكل 2، حيث يتم توصيل المصباح الكهربائي بالتيار المتردد من خلال مقاومة متغيرة.

الشكل 4.12 - مخطط الاتصال

2. بعد فحص المعلم للدائرة، خذ قراءات مقياس التيار الكهربائي والفولتميتر، مع تغيير موضع شريط التمرير على المقاومة المتغيرة 10 - 11 مرة.

3. قم بتدوين بيانات الجهاز في الجدول 2.

الجدول 2 - البيانات التجريبية رقم 2

معالجة نتائج القياس

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. البحث عن المقاومة ص0، للخبرة الصفرية:

(5)

حيث ΔT 0 K هو التغير في درجة الحرارة المطلقة (في هذه الحالة يساوي درجة حرارة الغرفة على مقياس مئوية)؛ α هو معامل مقاومة درجة الحرارة للتنغستن (الملحق ب).

3. أدخل البيانات التي تم الحصول عليها في الجدول 1.

التجربة رقم 2

1. لكل تجربة، حدد الطاقة P التي يستهلكها المصباح باستخدام الصيغة:

Р= U ماكس ·I ماكس (6)

3. أوجد درجة حرارة فتيل المصباح لكل تجربة باستخدام الصيغة:

4. أدخل نتائج القياسات والحسابات في الجدول 2.

5. على ورق الرسم البياني، ارسم الرسوم البيانية: أ) اعتماد الطاقة P التي يستهلكها المصباح على الجهد U عند أطرافه؛ ب) اعتماد المقاومة R على درجة الحرارة T.

6. استنتج استنتاجاً بناءً على نتائج تجربتين.