R rezistența internă. Lucrări de laborator „Măsurarea EMF și rezistența internă a unei surse de curent” (clasa 11)

27.09.2019

8.5. Efectul termic al curentului

8.5.1. Sursa de curent

Puterea totală a sursei de curent:

P total = P util + P pierderi,

unde P util - putere utilă, P util = I 2 R; P pierderi - pierderi de putere, P pierderi = I 2 r; I - puterea curentului în circuit; R - rezistența la sarcină (circuit extern); r este rezistența internă a sursei de curent.

Puterea totală poate fi calculată folosind una dintre cele trei formule:

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

unde ℰ este forța electromotoare (EMF) a sursei de curent.

Putere netă- aceasta este puterea care este eliberată în circuitul extern, adică pe o sarcină (rezistor) și poate fi utilizat în anumite scopuri.

Puterea netă poate fi calculată folosind una dintre cele trei formule:

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

unde I este puterea curentului în circuit; U este tensiunea la bornele (clemele) sursei de curent; R - rezistența la sarcină (circuit extern).

Pierderea de putere este puterea care este eliberată în sursa de curent, adică. în circuitul intern și este cheltuit pe procese care au loc în sursa însăși; Pierderea de putere nu poate fi utilizată în alte scopuri.

Pierderea de putere este de obicei calculată folosind formula

P pierderi = I 2 r,

unde I este puterea curentului în circuit; r este rezistența internă a sursei de curent.

În timpul unui scurtcircuit, puterea utilă ajunge la zero

P util = 0,

deoarece nu există rezistență de sarcină în cazul unui scurtcircuit: R = 0.

Puterea totală în timpul unui scurtcircuit al sursei coincide cu puterea de pierdere și se calculează prin formula

P plin = ℰ 2 r,

unde ℰ este forța electromotoare (EMF) a sursei de curent; r este rezistența internă a sursei de curent.

Puterea utilă are valoare maximăîn cazul în care rezistența de sarcină R este egală cu rezistența internă r a sursei de curent:

R = r.

Putere maxima utila:

P util max = 0,5 P plin,

unde Ptot este puterea totală a sursei de curent; P plin = ℰ 2 / 2 r.

Formulă explicită de calcul putere maxima utila după cum urmează:

P util max = ℰ 2 4 r .

Pentru a simplifica calculele, este util să rețineți două puncte:

dacă cu două rezistențe de sarcină R 1 și R 2 se eliberează aceeași putere utilă în circuit, atunci rezistență internă sursa de curent r este legată de rezistențele indicate prin formula

r = R1R2;

dacă puterea maximă utilă este eliberată în circuit, atunci puterea curentului I * în circuit este jumătate din puterea curentului de scurtcircuit i:

eu * = i 2 .

Exemplul 15. Când scurtcircuitată la o rezistență de 5,0 Ohmi, o baterie de celule produce un curent de 2,0 A. Curentul de scurtcircuit al bateriei este de 12 A. Calculați puterea maximă utilă a bateriei.

Soluție. Să analizăm starea problemei.

1. Când o baterie este conectată la o rezistență R 1 = 5,0 Ohm, în circuit circulă un curent de putere I 1 = 2,0 A, așa cum se arată în Fig. a, determinată de legea lui Ohm pentru circuitul complet:

I 1 = ℰ R 1 + r,

unde ℰ - EMF al sursei de curent; r este rezistența internă a sursei de curent.

2. Când bateria este scurtcircuitată, un curent de scurtcircuit curge în circuit, așa cum se arată în Fig. b. Curentul de scurtcircuit este determinat de formula

unde i este curentul de scurtcircuit, i = 12 A.

3. Când o baterie este conectată la o rezistență R 2 = r, în circuit circulă un curent de forță I 2, așa cum se arată în fig. în , determinat de legea lui Ohm pentru circuitul complet:

I 2 = ℰ R 2 + r = ℰ 2 r;

în acest caz, puterea maximă utilă este eliberată în circuit:

P util max = I 2 2 R 2 = I 2 2 r.

Astfel, pentru a calcula puterea maximă utilă, este necesar să se determine rezistența internă a sursei de curent r și puterea curentului I 2.

Pentru a găsi puterea curentului I 2, scriem sistemul de ecuații:

i = ℰ r , I 2 = ℰ 2 r )

și împărțiți ecuațiile:

i I 2 = 2 .

Asta implică:

I 2 = i 2 = 12 2 = 6,0 A.

Pentru a afla rezistența internă a sursei r, scriem sistemul de ecuații:

I 1 = ℰ R 1 + r, i = ℰ r)

și împărțiți ecuațiile:

I 1 i = r R 1 + r .

Asta implică:

r = I 1 R 1 i − I 1 = 2,0 ⋅ 5,0 12 − 2,0 = 1,0 Ohm.

Să calculăm puterea maximă utilă:

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

Astfel, puterea maximă utilizabilă a bateriei este de 36 W.

Legea lui Ohm pentru un circuit complet, a cărui definiție se referă la valoarea curent electricîn circuite reale, depinde de sursa de curent și de rezistența de sarcină. Această lege are și un alt nume - legea lui Ohm pentru circuite închise. Principiul de funcționare al acestei legi este următorul.

Ca cel mai mult exemplu simplu, o lampă electrică, care este un consumator de curent electric, împreună cu o sursă de curent nu este altceva decât una închisă. Acest circuit electric este prezentat clar în figură.

Un curent electric care trece printr-un bec trece și prin sursa de curent în sine. Astfel, în timp ce trece prin circuit, curentul va experimenta nu numai rezistența conductorului, ci și rezistența, direct, a sursei de curent în sine. În sursă, rezistența este creată de electrolitul situat între plăci și straturile limită ale plăcilor și electrolitului. Rezultă că într-un circuit închis, rezistența sa totală va consta din suma rezistențelor becului și a sursei de curent.

Rezistență externă și internă

Rezistenta la sarcina, in în acest caz, a unui bec conectat la o sursă de curent se numește rezistență externă. Rezistența directă a sursei de curent se numește rezistență internă. Pentru o reprezentare mai vizuală a procesului, toate valorile trebuie desemnate convențional. I - , R - rezistență externă, r - rezistență internă. Când curentul trece printr-un circuit electric, pentru a-l menține, trebuie să existe o diferență de potențial între capetele circuitului extern, care are valoarea IxR. Cu toate acestea, fluxul de curent este observat și în circuitul intern. Aceasta înseamnă că pentru a menține curentul electric în circuitul intern este necesară și o diferență de potențial la capetele rezistenței r. Valoarea acestei diferențe de potențial este egală cu Iхr.

Forța electromotoare a bateriei

Bateria trebuie să aibă următoarea valoare a forței electromotoare capabilă să mențină curentul necesar în circuit: E=IxR+Ixr. Din formulă este clar că forța electromotoare a bateriei este suma externă și internă. Valoarea curentă trebuie scoasă din paranteze: E=I(r+R). Altfel vă puteți imagina: I=E/(r+R) . Ultimele două formule exprimă legea lui Ohm pentru un circuit complet, a cărui definiție este următoarea: într-un circuit închis, puterea curentului este direct proporțională cu forța electromotoare și invers proporțională cu suma rezistențelor acestui circuit.

Scopul lucrării:Învățați să determinați experimental FEM și rezistența internă a unei surse de curent.

Instrumente și echipamente: Surse energie electrica, ampermetru (pana la 2A cu diviziuni pana la 0,1A), voltmetru (constante pana la 3A cu diviziuni pana la 0,3V), magazie (rezistenta pana la 10 Ohmi), cheie, fire de conectare.

TEORIE:

Pentru a menține curentul într-un conductor, este necesar ca diferența de potențial (tensiune) la capetele acestuia să rămână constantă. Pentru aceasta, se folosește o sursă de curent. Diferența de potențial la polii săi se formează datorită separării sarcinilor în pozitive și negative. Lucrarea de separare a sarcinilor este efectuată de forțe externe (nu de origine electrică).

Mărimea măsurată prin munca efectuată de forțele externe la deplasarea unei unități de sarcină electrică pozitivă în interiorul unei surse de curent se numește forța electromotoare a sursei de curent (EMF) și este exprimată în volți.

Când circuitul este închis, sarcinile separate în sursa de curent formează un câmp electric care deplasează sarcinile de-a lungul circuitului extern; În interiorul sursei de curent, sarcinile se deplasează spre câmp sub influența forțelor externe. Astfel, energia stocată în sursa de curent este cheltuită pentru munca de mișcare a sarcinii într-un circuit cu rezistențe externe R și interne r.

PROGRESUL

1. Asamblați circuitul electric așa cum se arată în diagramă.

2. Măsurați EMF-ul sursei de energie electrică conectând-o la un voltmetru (circuit).

3. Măsurați căderea curentului și a tensiunii la o rezistență dată.

№	E	U	eu	R	r	rcр
1.
2.
3.

4. Calculați rezistența internă folosind legea lui Ohm pentru întregul circuit.

5. Efectuați experimente cu alte rezistențe și calculați rezistența internă a elementului.

6. Calculați valoarea medie a rezistenței interne a elementului.

7. Notează rezultatele tuturor măsurătorilor și calculelor într-un tabel.

8. Aflați eroarea absolută și relativă.

9. Trageți o concluzie.

ÎNTREBĂRI DE CONTROL

1. Indicaţi condiţiile de existenţă a curentului electric într-un conductor.

2. Care este rolul sursei de energie electrică într-un circuit electric?

3. De ce depinde tensiunea la bornele sursei de energie electrică?

LUCRARE DE LABORATOR Nr 7

DETERMINAREA ECHIVALENTULUI ELECTROCHIMIC AL CUPRULUI.

Scopul lucrării: învață în practică să calculezi echivalentul electrochimic al cuprului.

Echipament: Cântare, ampermetru, ceas. , sursă de energie electrică, reostat, cheie, plăci de cupru (electrozi), fire de legătură, baie electrolitică cu soluție sulfat de cupru.

Teorie

Procesul prin care moleculele de săruri, acizi și alcalii, atunci când sunt dizolvate în apă sau alți solvenți, se dezintegrează în particule încărcate (ioni) se numește disociere electrolitică. , soluția rezultată cu ioni pozitivi și negativi se numește electrolit.

Dacă plăcile (electrozii) conectate la bornele unei surse de curent sunt plasate într-un vas cu un electrolit (se creează un câmp electric în electrolit), atunci ionii pozitivi se vor deplasa spre catod, iar ionii negativi se vor deplasa către anod. În consecință, în soluțiile de acizi, săruri și alcalii, sarcina electrică se va mișca împreună cu particulele substanței. În acest caz, la electrozi au loc reacții redox, timp în care o substanță este eliberată pe ei. Procesul de trecere a curentului electric printr-un electrolit, însoțit de reacții chimice numită electroliză.

Pentru electroliză, legea lui Faraday este valabilă: masa substanței eliberate pe electrod este direct proporțională cu sarcina care trece prin electrolit:

unde k este echivalentul electrochimic - cantitatea de substanță eliberată atunci când 1 C de electricitate trece prin electrolit. Măsurând puterea curentului în circuit, timpul de trecere al acestuia și masa substanței eliberate la catod, se poate determina echivalentul electrochimic (1c se exprimă în kg/C).

unde m este masa de cupru eliberată la catod; I este puterea curentului în circuit; t este timpul în care curentul trece prin circuit.

Asamblați circuitul electric conform diagramei.

1. Se cântărește cu atenție una dintre plăci, care va fi catodul, (dacă placa este umedă, trebuie să fie uscată) cu o precizie de 10 mg și scrie rezultatul în tabel.

2. Introduceți electrodul în baia electrolitică și creați un circuit electric conform diagramei.

3. Reglați curentul cu un reostat, astfel încât valoarea acestuia să nu depășească 1A la 50 cm 2 din partea scufundată a plăcii catodice.

4. Închideți circuitul timp de 15-20 de minute.

5. Deschideți circuitul, îndepărtați placa catodică, spălați soluția rămasă din ea și uscați-o sub uscător.

6. Se cântărește placa uscată cu cel mai apropiat 10 mg.

7. Notați în tabel valoarea curentă, timpul experimentului, creșterea în masă a plăcii catodice și determinați echivalentul electrochimic.

Estimarea erorilor.

Eroare relativă:
.

, prin urmare .

După aceasta, rezultatul este dat astfel: .

Comparați rezultatul cu tabelul.

Întrebări de control.

1. Ce este disociere electrolitică, electroliza?

2. Cât timp va avea loc electroliza sulfatului de cupru dacă ambii electrozi sunt din cupru? Ambii electrozi sunt carbon?

3. Electroliza va merge mai repede sau mai lent dacă unul dintre electrozii de cupru este înlocuit cu zinc?

Scop: calculați experimental f.e.m. și rezistența internă a sursei de curent.

Echipament: sursă de energie electrică, ampermetru, voltmetru, reostat (6 - 8 Ohmi), cheie, fire de legătură.

O cantitate egală numeric cu munca efectuată de forțele externe atunci când se deplasează o sarcină unitară în interiorul unei surse de curent se numește forța electromotoare a sursei de curent. ε, din legea lui Ohm:

unde I este curent, U este tensiune.

În SI ε exprimată în volți (V).

Forța electromotoare și rezistența internă a sursei de curent pot fi determinate experimental.

Comandă de lucru

1. Determinați prețul de împărțire a scalei instrumentelor de măsură.

2. Realizați un circuit electric conform schemei prezentate în Fig. 1

3. După verificarea circuitului de către profesor, închideți cheia și, folosind un reostat, setați puterea curentului corespunzătoare mai multor diviziuni ale scalei ampermetrului, luați citirile voltmetrului și ampermetrului.

4. Repetați experimentul de 2 ori, schimbând puterea curentului circuitului folosind un reostat.

5.Scrieți datele obținute în tabelul 1.

Figura 4.10 – Schema experimentală

№	Tensiune pe partea externă a circuitului U, V	Puterea curentului în circuitul I, A	Rezistența internă r, Ohm	Valoarea medie a rezistenței interne r avg, Ohm	EMF e, V	Emf e c p medie, V

Tabelul 1 – Date experimentale

1. Înlocuiți rezultatele măsurătorii în ecuația 1 și, rezolvând sistemul de ecuații:

determinați rezistența internă a sursei folosind formulele:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Scrieți datele în tabelul 1.

5.Trageți o concluzie.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Întrebări de control

1. Care este esența fizică a rezistenței electrice?

2. Care este rolul sursei de curent într-un circuit electric?

3. Ce este sens fizic EMF? Definiți volt.

4. De ce depinde tensiunea la bornele sursei de curent?

5. Folosind rezultatele măsurătorilor efectuate, determinați rezistența circuitului extern.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Raport de laborator nr.__________

elev de grup_________________

NUMELE COMPLET_______________________________________________________________

TEMA: INVESTIGARE A DEPENDENȚEI PUTERII CURENTULUI ELECTRIC A LĂMPII INFLEX DE TENSIUNE

Scop: stăpânirea metodei de măsurare a puterii consumate de un aparat electric, bazată pe măsurarea curentului și tensiunii; studiază dependența puterii consumate de un bec de tensiunea la bornele acestuia; investigați dependența rezistenței conductorului de temperatură.

Dotare: lampă electrică, sursă tensiune DCși variabil, reostat glisor, ampermetru; voltmetru, cheie, fire de conectare, hârtie milimetrică.

Informații teoretice scurte

Valoarea egală cu raportul dintre munca efectuată de curentul A și timpul t în care acesta este efectuat se numește putere P:

Prin urmare, (1)

Comandă de lucru

Experimentul nr. 1

1. Realizați un circuit electric conform schemei prezentate în figura 1, pentru un experiment zero, respectând polaritatea dispozitivelor

Figura 1 – Schema de conectare

2. Determinați prețul de împărțire a scalei instrumentelor de măsură

_____________________________________________________________________________

3.După verificarea circuitului de către profesor, luați citiri ale tensiunii U și curentului I.

4. Notați datele dispozitivului în Tabelul 1.

Tabelul 1 – Date experimentale Nr. 1

Experimentul nr. 2.

1. Asamblați circuitul conform Fig. 2, unde becul este conectat la curent alternativ printr-un reostat.

Figura 4.12 – Schema de conectare

2. După verificarea circuitului de către profesor, luați citirile ampermetrului și voltmetrului, schimbând poziția glisorului pe reostat de 10 - 11 ori.

3. Notați datele dispozitivului în Tabelul 2.

Tabelul 2 – Date experimentale Nr. 2

Prelucrarea rezultatelor măsurătorilor

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.Găsiți rezistență R0, pentru zero experiență:

(5)

unde ΔT 0 K este modificarea temperaturii absolute (în acest caz egală cu temperatura camerei pe scara Celsius); α este coeficientul de rezistență la temperatură pentru wolfram (Anexa B).

3. Introduceți datele obținute în tabelul 1.

Experimentul nr. 2

1. Pentru fiecare experiment, determinați puterea P consumată de lampă folosind formula:

Р= U max ·I max (6)

3. Găsiți temperatura filamentului lămpii pentru fiecare experiment folosind formula:

4. Introduceți rezultatele măsurătorilor și calculelor în tabelul 2.

5. Pe hârtie milimetrică, desenați grafice: a) dependența puterii P consumată de lampă de tensiunea U la bornele acesteia; b) dependența rezistenței R de temperatura T.

6.Trageți o concluzie pe baza rezultatelor a două experimente.