R התנגדות פנימית. עבודת מעבדה "מדידת EMF והתנגדות פנימית של מקור זרם" (דרגה 11)

27.09.2019

8.5. השפעה תרמית של זרם

8.5.1. כוח מקור נוכחי

הספק הכולל של המקור הנוכחי:

P total = P שימושי + P הפסדים,

כאשר P שימושי - כוח שימושי, P שימושי = I 2 R; הפסדי P - הפסדי כוח, הפסדי P = I 2 r; I - חוזק הנוכחי במעגל; R - התנגדות עומס (מעגל חיצוני); r הוא ההתנגדות הפנימית של המקור הנוכחי.

ניתן לחשב את ההספק הכולל באמצעות אחת משלוש נוסחאות:

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

כאשר ℰ הוא הכוח האלקטרו-מוטורי (EMF) של מקור הזרם.

כוח נטו- זה הכוח שמשתחרר במעגל החיצוני, כלומר. על עומס (נגד), וניתן להשתמש בו למטרות מסוימות.

ניתן לחשב כוח נטו באמצעות אחת משלוש נוסחאות:

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

שבו I הוא עוצמת הזרם במעגל; U הוא המתח במסופים (מהדקים) של מקור הזרם; R - התנגדות עומס (מעגל חיצוני).

אובדן הספק הוא הכוח שמשתחרר במקור הנוכחי, כלומר. במעגל הפנימי, ומושקע בתהליכים המתרחשים במקור עצמו; איבוד החשמל לא יכול לשמש למטרות אחרות.

אובדן החשמל מחושב בדרך כלל באמצעות הנוסחה

הפסדי P = I 2 r,

שבו I הוא עוצמת הזרם במעגל; r הוא ההתנגדות הפנימית של המקור הנוכחי.

במהלך קצר חשמלי, ההספק השימושי הולך לאפס

P שימושי = 0,

מכיוון שאין התנגדות לעומס במקרה של קצר חשמלי: R = 0.

ההספק הכולל במהלך קצר חשמלי של המקור עולה בקנה אחד עם כוח ההפסד ומחושב על ידי הנוסחה

P מלא = ℰ 2 r,

כאשר ℰ הוא הכוח החשמלי (EMF) של מקור הזרם; r הוא ההתנגדות הפנימית של המקור הנוכחי.

כוח שימושי יש ערך מקסימליבמקרה שבו התנגדות העומס R שווה להתנגדות הפנימית r של המקור הנוכחי:

R = r.

כוח שימושי מקסימלי:

P שימושי מקסימום = 0.5 P מלא,

כאשר Ptot הוא ההספק הכולל של המקור הנוכחי; P מלא = ℰ 2 / 2 r.

נוסחה מפורשת לחישוב כוח שימושי מקסימליכדלהלן:

P מקסימום שימושי = ℰ 2 4 r .

כדי לפשט את החישובים, כדאי לזכור שתי נקודות:

אם עם שתי התנגדויות עומס R 1 ו- R 2 משתחרר אותו כוח שימושי במעגל, אז התנגדות פנימיתמקור הנוכחי r קשור להתנגדויות המצוינות על ידי הנוסחה

r = R 1 R 2;

אם הכוח השימושי המקסימלי משתחרר במעגל, אז עוצמת הזרם I * במעגל היא חצי מהעוצמה של זרם הקצר i:

I * = i 2 .

דוגמה 15. כאשר מקצרים אותה להתנגדות של 5.0 אוהם, סוללת תאים מייצרת זרם של 2.0 A. זרם הקצר של הסוללה הוא 12 A. חשב את ההספק השימושי המרבי של הסוללה.

פתרון. הבה ננתח את מצב הבעיה.

1. כאשר סוללה מחוברת להתנגדות R 1 = 5.0 אוהם, זורם במעגל זרם בעוצמה I 1 = 2.0 A, כפי שמוצג באיור. א, נקבע על פי חוק אוהם עבור המעגל השלם:

I 1 = ℰ R 1 + r,

כאשר ℰ - EMF של המקור הנוכחי; r הוא ההתנגדות הפנימית של המקור הנוכחי.

2. כאשר הסוללה קצרה, זורם זרם קצר במעגל, כפי שמוצג באיור. ב. זרם הקצר נקבע על ידי הנוסחה

כאשר i הוא זרם הקצר, i = 12 A.

3. כאשר סוללה מחוברת להתנגדות R 2 = r, זורם במעגל זרם של כוח I 2, כפי שמוצג באיור. ב, נקבע על פי חוק אוהם עבור המעגל השלם:

I 2 = ℰ R 2 + r = ℰ 2 r;

במקרה זה, הכוח השימושי המרבי משתחרר במעגל:

P שימושי מקסימום = I 2 2 R 2 = I 2 2 r.

לפיכך, כדי לחשב את ההספק השימושי המרבי, יש צורך לקבוע את ההתנגדות הפנימית של מקור הזרם r ואת חוזק הנוכחי I 2.

כדי למצוא את עוצמת הזרם I 2, נכתוב את מערכת המשוואות:

i = ℰ r , I 2 = ℰ 2 r )

ומחלקים את המשוואות:

i I 2 = 2 .

זה מרמז:

I 2 = i 2 = 12 2 = 6.0 A.

כדי למצוא את ההתנגדות הפנימית של המקור r, נכתוב את מערכת המשוואות:

I 1 = ℰ R 1 + r, i = ℰ r)

ומחלקים את המשוואות:

I 1 i = r R 1 + r .

זה מרמז:

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

בואו לחשב את ההספק השימושי המקסימלי:

P מקסימום שימושי = I 2 2 r = 6.0 2 ⋅ 1.0 = 36 W.

לפיכך, ההספק המרבי שמיש של הסוללה הוא 36 וואט.

חוק אוהם למעגל שלם, שהגדרתו נוגעת לערך זרם חשמליבמעגלים אמיתיים, תלוי במקור הזרם ובהתנגדות העומס. לחוק הזה יש גם שם נוסף - חוק אוהם למעגלים סגורים. עקרון הפעולה של חוק זה הוא כדלקמן.

הכי הרבה דוגמה פשוטה, מנורה חשמלית, שהיא צרכנית של זרם חשמלי, יחד עם מקור זרם היא לא יותר מאשר סגורה. מעגל חשמלי זה מוצג בבירור באיור.

זרם חשמלי העובר דרך נורה עובר גם דרך מקור הזרם עצמו. לפיכך, בזמן שהוא עובר במעגל, הזרם יחווה את ההתנגדות לא רק של המוליך, אלא גם את ההתנגדות, ישירות, של מקור הזרם עצמו. במקור נוצרת התנגדות מהאלקטרוליט הממוקם בין הלוחות ושכבות הגבול של הלוחות והאלקטרוליט. מכאן נובע שבמעגל סגור, ההתנגדות הכוללת שלו תהיה מורכבת מסכום ההתנגדויות של הנורה ומקור הזרם.

התנגדות חיצונית ופנימית

התנגדות עומס, ב במקרה הזהשל נורה המחוברת למקור זרם נקראת התנגדות חיצונית. ההתנגדות הישירה של המקור הנוכחית נקראת התנגדות פנימית. עבור ייצוג חזותי יותר של התהליך, כל הערכים חייבים להיות מוגדרים באופן קונבנציונלי. I - , R - התנגדות חיצונית, r - התנגדות פנימית. כאשר זורם זרם במעגל חשמלי, על מנת לשמור עליו, חייב להיות הפרש פוטנציאל בין קצוות המעגל החיצוני, בעל הערך IxR. עם זאת, זרימת זרם נצפית גם במעגל הפנימי. המשמעות היא שכדי לשמור על זרם חשמלי במעגל הפנימי, יש צורך גם בהפרש פוטנציאל בקצוות ההתנגדות r. הערך של הפרש פוטנציאל זה שווה ל-Iхr.

כוח אלקטרו-מוטיבי של הסוללה

הסוללה חייבת להיות בעלת הערך הבא של כוח אלקטרו-מוטורי המסוגל לשמור על הזרם הנדרש במעגל: E=IxR+Ixr. מהנוסחה ברור שהכוח האלקטרו-מוטיבי של הסוללה הוא סכום החיצוני והפנימי. יש להוציא את הערך הנוכחי מסוגריים: E=I(r+R). אחרת אתה יכול לדמיין: I=E/(r+R) . שתי הנוסחאות האחרונות מבטאות את חוק אוהם למעגל שלם, שהגדרתו היא כדלקמן: במעגל סגור, עוצמת הזרם עומדת ביחס ישר לכוח האלקטרו-מוטורי וביחס הפוך לסכום ההתנגדויות של מעגל זה.

מטרת העבודה:למד לקבוע באופן ניסיוני את ה-emf וההתנגדות הפנימית של מקור זרם.

מכשירים וציוד:מקורות אנרגיה חשמלית, מד זרם (עד 2A עם חלוקות עד 0.1A), מד מתח (קבוע עד 3A עם חלוקות עד 0.3V), מגזין (התנגדות עד 10 אוהם), מפתח, חוטי חיבור.

תֵאוֹרִיָה:

כדי לשמור על זרם במוליך, יש צורך שהפרש הפוטנציאל (מתח) בקצותיו יישאר קבוע. לשם כך, נעשה שימוש במקור נוכחי. הפרש הפוטנציאלים בקטבים שלו נוצר עקב הפרדה של מטענים לחיובי ושלילי. עבודת הפרדת המטענים מתבצעת על ידי כוחות חיצוניים (לא ממקור חשמלי).

הכמות הנמדדת על ידי העבודה שנעשתה על ידי כוחות חיצוניים בעת הזזת יחידת מטען חשמלי חיובי בתוך מקור זרם נקראת הכוח האלקטרו-מוטורי של מקור הזרם (EMF) והיא מתבטאת בוולטים.

כאשר המעגל סגור, המטענים המופרדים במקור הזרם יוצרים שדה חשמלי המניע את המטענים לאורך המעגל החיצוני; בתוך המקור הנוכחי המטענים נעים לעבר השדה בהשפעת כוחות חיצוניים. לפיכך, האנרגיה המאוחסנת במקור הנוכחי מושקעת בעבודה של העברת מטען במעגל עם התנגדות R חיצונית ו-r פנימית.

התקדמות

1. הרכיבו את המעגל החשמלי כפי שמוצג בתרשים.

2. מדוד את EMF של מקור האנרגיה החשמלי על ידי חיבורו למד מתח (מעגל).

3. מדוד את נפילת הזרם והמתח על פני התנגדות נתונה.

№	ה	U	אני	ר	ר	rcр
1.
2.
3.

4. חשב את ההתנגדות הפנימית באמצעות חוק אוהם עבור המעגל כולו.

5. בצעו ניסויים עם התנגדויות אחרות וחשבו את ההתנגדות הפנימית של האלמנט.

6. חשב את הערך הממוצע של ההתנגדות הפנימית של האלמנט.

7. רשום את תוצאות כל המדידות והחישובים בטבלה.

8. מצא את השגיאה המוחלטת והיחסית.

9. מסיקים מסקנה.

שאלות בקרה

1. ציין את התנאים לקיומו של זרם חשמלי במוליך.

2. מה תפקידו של מקור האנרגיה החשמלית במעגל חשמלי?

3. במה תלוי המתח במסופים של מקור האנרגיה החשמלי?

עבודת מעבדה מס' 7

קביעת שווה ערך אלקטרוכימי של נחושת.

מטרת העבודה: למד בפועל לחשב את המקבילה האלקטרוכימית של נחושת.

צִיוּד:מאזני שקילה, מד זרם, שעון. , מקור אנרגיה חשמלית, ריאוסטט, מפתח, לוחות נחושת (אלקטרודות), חוטי חיבור, אמבט אלקטרוליטי עם תמיסה נחושת גופרתית.

תֵאוֹרִיָה

התהליך שבו מולקולות של מלחים, חומצות ואלקליות, כשהן מומסות במים או בממסים אחרים, מתפרקות לחלקיקים טעונים (יונים) נקרא פירוק אלקטרוליטי , התמיסה המתקבלת עם יונים חיוביים ושליליים נקראת אלקטרוליט.

אם לוחות (אלקטרודות) המחוברות למסופים של מקור זרם ממוקמים בכלי עם אלקטרוליט (נוצר שדה חשמלי באלקטרוליט), אז יונים חיוביים ינועו לכיוון הקתודה, ויונים שליליים ינועו לכיוון האנודה. כתוצאה מכך, בתמיסות של חומצות, מלחים ואלקליות, המטען החשמלי ינוע יחד עם חלקיקי החומר. במקרה זה מתרחשות תגובות חיזור באלקטרודות, שבמהלכן משתחרר עליהן חומר. תהליך העברת זרם חשמלי דרך אלקטרוליט, מלווה ב תגובה כימיתהנקרא אלקטרוליזה.

לגבי אלקטרוליזה, חוק פאראדיי תקף: המסה של החומר המשוחרר על האלקטרודה עומדת ביחס ישר למטען העובר דרך האלקטרוליט:

כאשר k הוא המקבילה האלקטרוכימית - כמות החומר המשתחררת כאשר 1 C של חשמל עובר דרך האלקטרוליט. על ידי מדידת עוצמת הזרם במעגל, זמן המעבר שלו ומסת החומר המשתחרר בקתודה, ניתן לקבוע את המקבילה האלקטרוכימית (1c מבוטא בק"ג/C).

כאשר m היא מסת הנחושת המשתחררת בקתודה; I הוא עוצמת הזרם במעגל; t הוא הזמן שבו הזרם עובר במעגל.

הרכיבו את המעגל החשמלי לפי התרשים.

1. שקלו בזהירות את אחת הלוחות שתהיה הקתודה (אם הצלחת רטובה יש לייבש אותה) בדיוק של 10 מ"ג ורשמו את התוצאה בטבלה.

2. הכנס את האלקטרודה לאמבט האלקטרוליטי וצור מעגל חשמלי לפי התרשים.

3. כוונן את הזרם באמצעות ריאוסטט כך שערכו לא יעלה על 1A לכל 50 ס"מ 2 של החלק השקוע של לוחית הקתודה.

4. סגור את המעגל למשך 15-20 דקות.

5. פתחו את המעגל, הסר את לוחית הקתודה, שטפו ממנה את התמיסה שנותרה וייבשו אותה מתחת למייבש.

6. שקלו את הצלחת המיובשת ל-10 מ"ג הקרובים ביותר.

7. רשמו בטבלה את הערך הנוכחי, זמן הניסוי, עליית המסה של לוחית הקתודה וקבעו את המקבילה האלקטרוכימית.

הערכת שגיאה.

שגיאה יחסית:
.

, ומכאן .

לאחר מכן התוצאה ניתנת כך: .

השווה את התוצאה עם הטבלה.

שאלות בקרה.

1. מה זה ניתוק אלקטרוליטי, אלקטרוליזה?

2. כמה זמן תתקיים אלקטרוליזה של גופרת נחושת אם שתי האלקטרודות הן נחושת? האם שתי האלקטרודות הן פחמן?

3. האם האלקטרוליזה תעבור מהר יותר או לאט יותר אם אחת מאלקטרודות הנחושת תוחלף באבץ?

מטרה: חישוב ניסיוני של ה-emf וההתנגדות הפנימית של המקור הנוכחי.

ציוד: מקור אנרגיה חשמלית, מד זרם, מד מתח, ריאוסטט (6 - 8 אוהם), מפתח, חוטי חיבור.

כמות השווה מבחינה מספרית לעבודה שנעשית על ידי כוחות חיצוניים בעת הזזת מטען יחידה בתוך מקור זרם נקראת הכוח האלקטרו-מוטורי של מקור הזרם ε, מחוק אוהם:

איפה אני זרם, U הוא מתח.

ב-SI ε מבוטא בוולט (V).

ניתן לקבוע בניסוי את הכוח האלקטרו-מוטיבי וההתנגדות הפנימית של מקור הזרם.

הזמנת עבודה

1. קבע את מחיר החלוקה של סולם מכשירי המדידה.

2. צור מעגל חשמלי לפי התרשים המוצג באיור. 1

3. לאחר בדיקת המעגל על ידי המורה, סגור את המפתח ובאמצעות ריאוסטט, קבע את עוצמת הזרם התואמת למספר חלוקות של סולם מד הזרם, קח את הקריאות של מד המתח ומד הזרם.

4. חזור על הניסוי 2 פעמים, שינוי חוזק הזרם של המעגל באמצעות ריאוסטט.

5.כתוב את הנתונים שהתקבלו בטבלה 1.

איור 4.10 - סכמה ניסויית

№	מתח על החלק החיצוני של המעגל U, V	חוזק זרם במעגל I, A	התנגדות פנימית r, Ohm	ערך ממוצע של התנגדות פנימית r avg, Ohm	EMF ה, V	ממוצע emf e c p, V

טבלה 1 - נתונים ניסויים

1. החליפו את תוצאות המדידה במשוואה 1 ופתרו את מערכת המשוואות:

קבע את ההתנגדות הפנימית של המקור באמצעות הנוסחאות:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. כתוב את הנתונים לטבלה 1.

5.הסיקו מסקנה.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

שאלות בקרה

1. מהי המהות הפיזית של התנגדות חשמלית?

2. מה תפקידו של מקור הזרם במעגל חשמלי?

3. מה זה משמעות פיזית EMF? הגדר וולט.

4. במה תלוי המתח במסופים של מקור הזרם?

5. באמצעות תוצאות המדידות שנלקחו, קבע את ההתנגדות של המעגל החיצוני.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

דוח מעבדה מס'__________

תלמיד קבוצה_________________

שם מלא_______________________________________________________________

נושא: חקירת התלות בכוח הזרם החשמלי של מנורת אינפלקס במתח

מטרה: לשלוט בשיטת מדידת ההספק שצורך מכשיר חשמלי, על בסיס מדידת זרם ומתח; ללמוד את התלות של הכוח הנצרך על ידי נורה במתח במסופים שלה; לחקור את התלות של התנגדות המוליך בטמפרטורה.

ציוד: מנורה חשמלית, מקור מתח DCומשתנה, מחוון ריאוסטט, מד זרם; מד מתח, מפתח, חוטי חיבור, נייר גרפי.

מידע תיאורטי קצר

הערך השווה ליחס בין העבודה שעשה הזרם A לזמן t שבמהלכו הוא מבוצע נקרא הספק P:

לָכֵן, (1)

הזמנת עבודה

ניסוי מס' 1

1. צור מעגל חשמלי לפי התרשים המוצג באיור 1, לניסוי אפס, תוך התבוננות בקוטביות של המכשירים

איור 1 - דיאגרמת חיבור

2. לקבוע את מחיר החלוקה של סולם מכשירי המדידה

_____________________________________________________________________________

3.לאחר בדיקת המעגל על ידי המורה, קח קריאות של מתח U וזרם I.

4. רשום את נתוני המכשיר בטבלה 1.

טבלה 1 – נתוני ניסוי מס' 1

ניסוי מס' 2.

1. הרכיבו את המעגל לפי איור 2, שבו הנורה מחוברת לזרם חילופין דרך ריאוסטט.

איור 4.12 – דיאגרמת חיבור

2. לאחר בדיקת המעגל על ידי המורה, קח את קריאות מד הזרם ומד המתח, שנה את מיקום המחוון על הריאוסטט 10 - 11 פעמים.

3. רשום את נתוני המכשיר בטבלה 2.

טבלה 2 – נתוני ניסוי מס' 2

עיבוד תוצאות מדידה

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. מצא התנגדות R0, עבור אפס ניסיון:

(5)