Промени в ЕДС и вътрешното съпротивление на източника на ток. Електродвижеща сила

Заключихме, че за да поддържаме постоянен токв затворена верига в нея трябва да бъде включен източник на ток. Подчертаваме, че задачата на източника не е да доставя заряди на електрическата верига (има достатъчно от тези заряди в проводниците), а да ги накара да се движат, да вършат работата по преместване на заряди срещу силите електрическо поле. Основната характеристика на източника е електродвижеща сила 1 (EMF) е работата, извършена от външни сили за преместване на единица положителен заряд

Мерната единица за ЕМП в системата от единици SI е волт. ЕМП на източник е 1 волт, ако той извършва 1 джаул работа, докато премества заряд от 1 кулон

За обозначаване на източници на ток на електрически вериги се използва специално обозначение (фиг. 397).

ориз. 397
Електростатичното поле извършва положителна работа, за да премести положителния заряд в посока на намаляване на потенциала на полето. Източникът на ток извършва разделянето на електрическите заряди - положителните заряди се натрупват на единия полюс, отрицателните - на другия. Силата на електрическото поле в източника е насочена от положителния към отрицателния полюс, така че работата на електрическото поле за преместване на положителния заряд ще бъде положителна, когато се движи от "плюс" към "минус". Работата на външните сили, напротив, е положителна, ако положителните заряди се движат от отрицателния полюс към положителния, тоест от „минус“ към „плюс“.
Това е основната разлика между понятията потенциална разлика и ЕМП, която винаги трябва да се помни.
По този начин електродвижещата сила на източника може да се счита за алгебрична величина, чийто знак ("плюс" или "минус") зависи от посоката на тока. В схемата, показана на фиг. 398,

ориз. 398
извън източника (във външната верига), токът протича 2 от "плюс" на източника към "минус", вътре в източника от "минус" към "плюс". В този случай както силите на външния източник, така и електростатичните сили във външната верига извършват положителна работа.
Ако в някоя област електрическа веригаВ допълнение към електростатичните сили действат и сили на трети страни, след което и електростатичните, и силите на трети страни "работят" върху движението на зарядите. Общата работа на електростатичните и външните сили за преместване на един положителен заряд се нарича електрическо напрежение в секцията на веригата

В случай, че няма външни сили, електрическо напрежениесъвпада с потенциалната разлика на електричното поле.
Нека обясним определението за напрежение и знака на ЕМП прост пример. Нека в участъка на веригата, през който протича електрическият ток, има източник на външни сили и резистор (фиг. 399).

ориз. 399
За категоричност ще приемем, че φ o > φ 1, тоест електрическият ток е насочен от точката 0 към основния въпрос 1 . При свързване на източника, както е показано на фиг. 399 a, Външните сили на източника извършват положителна работа, така че връзката (2) в този случай може да бъде записана като

Когато източникът се включи отново (фиг. 399 b), зарядите вътре в него се движат срещу външни сили, така че работата на последните е отрицателна. Всъщност силите на външното електрическо поле преодоляват външните сили. Следователно в този случай разглежданата връзка (2) има вида

За теч електрически токв участък от веригата, който има електрическо съпротивление, е необходимо да се извърши работа за преодоляване на силите на съпротивление. За единица положителен заряд тази работа, според закона на Ом, е равна на произведението IR = Uкоето, разбира се, съвпада с напрежението в тази област.
Заредените частици (както електрони, така и йони) вътре в източника се движат в някои околен свят, следователно от страна на околната среда те също са засегнати от забавящи сили, които също трябва да бъдат преодолени. Заредените частици преодоляват силите на съпротивление поради действието на външни сили (ако токът в източника е насочен от "плюс" към "минус") или поради електростатични сили (ако токът е насочен от "минус" към "плюс") . Очевидно е, че работата за преодоляване на тези сили не зависи от посоката на движение, тъй като съпротивителните сили винаги са насочени в посока, обратна на скоростта на частиците. Тъй като съпротивителните сили са пропорционални Средната скоростдвижение на частици, тогава работата за преодоляването им е пропорционална на скоростта на движение, следователно на силата на тока. Така можем да въведем още една характеристика на източника - неговата вътрешно съпротивление r, подобно на обикновеното електрическо съпротивление. Работата за преодоляване на съпротивителните сили при преместване на единица положителен заряд между полюсите на източника е A/q = Ir. Още веднъж подчертаваме, че тази работа не зависи от посоката на тока в източника.

1 Име на това физическо количествонеуспешен - така че електродвижещата сила е работа, а не сила в обичайния механичен смисъл. Но този термин е толкова установен, че не е „в нашата власт“ да го променим. Между другото силата на тока не е същата механична сила! Да не говорим за такива понятия като „сила на духа“, „сила на волята“, „божествена сила“ и т.н.
2 Спомнете си, че посоката на движение на положителните заряди се приема като посока на движение на електрически ток.

В краищата на проводника, а оттам и на тока, е необходимо да има външни сили от неелектрически характер, с помощта на които се извършва разделянето на електрическите заряди.

Сили на трети странисе наричат ​​всички сили, действащи върху електрически заредени частици във верига, с изключение на електростатични (т.е. кулон).

Сили на трети страни задвижват заредени частици във всички източници на ток: в генератори, в електроцентрали, в галванични клетки, батерии и др.

Когато веригата е затворена, във всички проводници на веригата се създава електрическо поле. Вътре в източника на ток зарядите се движат под действието на външни сили срещу силите на Кулон (електроните се движат от положително зареден електрод към отрицателен), а в останалата част от веригата те се задвижват от електрическо поле (вижте фигурата по-горе ).

В текущите източници, в хода на работата по разделянето на заредени частици, настъпва трансформация различни видовеенергия в електричество. Според вида на преобразуваната енергия се различават следните видовеелектродвижеща сила:

- електростатични- в електрофорната машина, в която се извършва трансформацията механична енергияпри триене в електрически;

- термоелектрически- в термоелемента - вътрешна енергиянагрят кръстовище на два проводника, изработени от различни метали, се превръща в електрически;

- фотоволтаични— във фотоклетка. Тук светлинната енергия се преобразува в електрическа: когато определени вещества се осветяват, например селен, меден оксид (I), силиций, загуба на отрицателна електрически заряд;

- химически- в галванични елементи, батерии и други източници, в които химическата енергия се преобразува в електрическа.

Електродвижеща сила (ЕМП)- характеристика на източниците на ток. Концепцията за ЕМПе въведен от G. Ohm през 1827 г. за вериги с постоянен ток. През 1857 г. Кирхоф дефинира ЕМП като работа на външни сили по време на пренасянето на единичен електрически заряд по затворен контур:

ɛ \u003d A st / q,

където ɛ - ЕМП на източника на ток, ул- работата на външни сили, ре сумата на прехвърлената такса.

Електродвижещата сила се изразява във волтове.

Можем да говорим за електродвижеща сила във всяка част от веригата. Това е специфичната работа на външните сили (работата по преместване на единичен заряд) не в цялата верига, а само в тази област.

Вътрешно съпротивление на източника на ток.

Нека има проста затворена верига, състояща се от източник на ток (например галванична клетка, батерия или генератор) и резистор със съпротивление Р. Токът в затворена верига не се прекъсва никъде, следователно съществува и вътре в източника на ток. Всеки източник представлява известно съпротивление на тока. Нарича се вътрешно съпротивление на източника на токи се отбелязва с буквата r.

В генератора r- това е съпротивлението на намотката, в галванична клетка - съпротивлението на електролитния разтвор и електродите.

По този начин източникът на ток се характеризира със стойностите на ЕМП и вътрешното съпротивление, които определят неговото качество. Например електростатичните машини имат много висока ЕМП (до десетки хиляди волта), но в същото време вътрешното им съпротивление е огромно (до стотици Mohms). Следователно те са неподходящи за приемане на големи токове. При галванични клетки EMF е само около 1 V, но вътрешното съпротивление също е малко (около 1 ом или по-малко). Това им позволява да получават токове, измерени в ампери.

Обективен: да проучи метода за измерване на ЕМП и вътрешно съпротивление на източник на ток с помощта на амперметър и волтметър.

Оборудване: метална таблетка, източник на ток, амперметър, волтметър, резистор, ключ, скоби, свързващи проводници.

За измерване на ЕМП и вътрешно съпротивлениеизточници на ток събират електрическа верига, чиято диаграма е показана на фигура 1.

Амперметър, съпротивление и ключ, свързани последователно, са свързани към източника на ток. В допълнение, волтметър също е свързан директно към изходните гнезда на източника.

EMF се измерва чрез показанията на волтметъра при отворен ключ. Тази техника за определяне на ЕМП се основава на следствието от закона на Ом за пълна верига, според който при безкрайно голямо съпротивление на външната верига напрежението на изходните клеми е равно на неговия EMF. (Вижте параграф "Закон на Ом за пълна верига" от учебника "Физика 10").

За да се определи вътрешното съпротивление на източника, ключът K е затворен.В този случай във веригата могат условно да се разграничат две секции: външна (тази, която е свързана към източника) и вътрешна (тази, която е вътре в тока източник). Тъй като ЕМП на източника е равна на сумата от спада на напрежението във вътрешните и външните секции на веригата:

ε = Ur+UР, тогаваUr = ε -UР (1)

Съгласно закона на Ом за участъка на веригата U r = I · r(2). Като заместим равенство (2) в (1), получаваме:

аз· r = ε - Ur , откъдето r = (ε - UР)/ Дж

Следователно, за да разберете вътрешното съпротивление на източник на ток, е необходимо първо да определите неговия ЕМП, след това да затворите ключа и да измерите спада на напрежението върху външното съпротивление, както и силата на тока в него.

Напредък

1. Подгответе таблица за записване на резултатите от измерванията и изчисленията:

ε , в	U r , б	аз,а	r , Ом

Начертайте в тетрадката си схема за измерване на ЕМП и вътрешно съпротивление на източника.

След като проверите веригата, сглобете електрическата верига. Отворете ключа.

Измерете EMF стойностизточник.

Затворете превключвателя и прочетете показанията на амперметъра и волтметъра.

Изчислете вътрешното съпротивление на източника.

1. Определяне на ЕДС и вътрешно съпротивление на източник на ток чрез графичен метод

Обективен: за изследване на измерванията на EMF, вътрешното съпротивление и тока на късо съединение на източника на ток, въз основа на анализа на графиката на зависимостта на напрежението на изхода на източника от силата на тока във веригата.

Оборудване: галваничен елемент, амперметър, волтметър, резистор Р 1 , променлив резистор, ключ, скоби, метална пластина, свързващи проводници.

От закона на Ом за пълна верига следва, че напрежението на изхода на източника на ток зависи правопропорционално на силата на тока във веригата:

тъй като I = E / (R + r), тогава IR + Ir = E, но IR = U, откъдето U + Ir = E или U = E - Ir (1).

Ако изградите графика на зависимостта на U от I, тогава чрез неговите пресечни точки с координатните оси можете да определите E, I K.Z. - силата на тока на късо съединение (токът, който ще тече във веригата на източника, когато външното съпротивление R стане равно на нула).

EMF се определя от точката на пресичане на графиката с оста на напрежението. Тази точка на графиката съответства на състоянието на веригата, при което в нея няма ток и следователно U = E.

Силата на тока на късо съединение се определя от точката на пресичане на графиката с оста на тока. В този случай външното съпротивление R = 0 и, следователно, напрежението на изхода на източника U = 0.

Вътрешното съпротивление на източника се намира от тангенса на наклона на графиката спрямо текущата ос. (Сравнете формула (1) с математическа функция от формата Y = AX + B и запомнете значението на коефициента при X).

Напредък

За да запишете резултатите от измерването, изгответе таблица:

1. След като проверите веригата от учителя, сглобете електрическата верига. Поставете плъзгача на променливия резистор в положение, при което съпротивлението на веригата, свързана към източника на ток, ще бъде максимално.

Определете стойността на тока във веригата и напрежението на изходните клеми при максималната стойност на съпротивлението на променливия резистор. Въведете данните от измерването в таблицата.

Повторете измерванията на тока и напрежението няколко пъти, като всеки път намалявате стойността на променливото съпротивление, така че напрежението на клемите на източника да намалее с 0,1 V. Спрете измерването, когато токът във веригата достигне 1A.

Нанесете получените при експеримента точки върху графиката. Начертайте напрежението по вертикалната ос и тока по хоризонталната ос. Начертайте права линия през точките.

Продължете графиката до пресечната точка с координатните оси и определете стойностите на E и, I K.Z.

Измерете ЕМП на източника, като свържете волтметър към клемите му с отворена външна верига. Сравнете стойностите на EMF, получени по двата метода, и посочете причината за възможното несъответствие между резултатите.

Определете вътрешното съпротивление на източника на ток. За да направите това, изчислете тангентата на наклона на построената графика към текущата ос. Тъй като тангенса на ъгъл в правоъгълен триъгълник е равна на съотношението на срещуположния катет към съседния, това практически може да се направи чрез намиране на съотношението E / I K.Z

Лабораторна работа

"Измерване на ЕМП и вътрешно съпротивление на източник на ток"

Дисциплина Физика

Виноградов A.B.

Нижни Новгород

2014 г

Обективен: да формират способността да определят ЕМП и вътрешното съпротивление на източник на ток с помощта на амперметър и волтметър.

Оборудване: Токоизправител ВУ-4М, амперметър, волтметър, свързващи проводници, елементи на таблет № 1: ключ, резисторР 1 .

теоретичен Съдържанието на произведението.

Вътрешно съпротивление на източника на ток.

При преминаване на ток затворена верига, електрически заредените частици се движат не само вътре в проводниците, свързващи полюсите на източника на ток, но и вътре в самия източник на ток. Следователно в затворена електрическа верига се разграничават външни и вътрешни секции на веригата. Външна част на веригатасъставлява целия набор от проводници, който е свързан към полюсите на източника на ток. Вътрешна част на веригатае самият източник на енергия. Източникът на ток, както всеки друг проводник, има съпротивление. По този начин в електрическа верига, състояща се от източник на ток и проводници с електрическо съпротивление Р , електрическият ток работи не само върху външната, но и върху вътрешната част на веригата. Например, когато лампа с нажежаема жичка е свързана към галваничната батерия на джобно фенерче, не само бобината на лампата и проводниците се нагряват от електрически ток, но и самата батерия. Електрическото съпротивление на източника на ток се нарича вътрешно съпротивление.В електромагнитен генератор вътрешното съпротивление е електрическото съпротивление на проводника на намотката на генератора. Във вътрешната част на електрическата верига се отделя количество топлина, равно на

където r- вътрешно съпротивление на източника на ток.

Общото количество топлина, отделена по време на протичане на постоянен ток в затворена верига, чиито външни и вътрешни секции имат съответно съпротивления, равни на Р и r, се равнява

. (2)

Всяка затворена верига може да бъде представена като два резистора, свързани последователно с еквивалентни съпротивления. Р и r. Следователно съпротивлението на цялата верига е равно на сумата от външното и вътрешното съпротивление:
. Тъй като при серийна връзкаТъй като токът във всички секции на веригата е еднакъв, тогава същият ток протича през външните и вътрешните секции на веригата. Тогава, съгласно закона на Ом, за част от веригата спадът на напрежението във външните и вътрешните й секции ще бъде съответно равен:

и
(3)

Електродвижеща сила.

Общата работа на силите на електростатичното поле по време на движението на зарядите по затворена постоянна верига е равна на нула. Следователно цялата работа на електрическия ток в затворена електрическа верига е завършена поради действието на външни сили, които причиняват разделянето на зарядите вътре в източника и поддържат постоянно наляганена изхода на източника на ток. Работно отношение
извършвани от външни сили за преместване на заряда р по веригата, до стойността на този заряд се нарича източник на електродвижеща сила(ЕМП) :

, (4)

където
- преносимо зареждане.

EMF се изразява в същите единици като напрежението или потенциалната разлика, т.е. във волтове:
.

Закон на Ом за пълна верига.

Ако в резултат на преминаването на постоянен ток в затворена електрическа верига се получава само нагряване на проводниците, тогава според закона за запазване на енергията пълна работаелектрически ток в затворена верига, равно на работавъншни сили на източника на ток, е равно на количеството топлина, отделена във външните и вътрешните секции на веригата:

. (5)

От изрази (2), (4) и (5) получаваме:

. (6)

защото
, тогава

, (7)

или

. (8)

Силата на тока в електрическата верига е право пропорционална на електродвижещата сила източник на ток и обратно пропорционална на сумата електрическо съпротивлениевъншни и вътрешни части на веригата. Извиква се израз (8). Закон на Ом за пълна верига.

Така, от гледна точка на физиката, законът на Ом изразява закона за запазване на енергията за затворена постоянна верига.

Работен ред.

Подготовка за работа.

Пред вас на масите има минилаборатория по електродинамика. Обликът му е представен на л. Р. № 9 на фигура 2.

Отляво са милиамперметър, токоизправител ВУ-4М, волтметър, амперметър. Таблет № 1 е фиксиран отдясно (виж фиг. 3 в листов файл № 9). В задната част на кутията са разположени цветни свързващи проводници: червеният проводник служи за свързване на ВУ-4М към гнездото "+" на таблета; бял проводник - за свързване на VU-4M към гнездото "-"; жълти проводници - за свързване на измервателни устройства към елементите на таблета; синьо - за свързване на елементите на таблета. Секцията е затворена със сгъваема платформа. В работно положение мястото е разположено хоризонтално и се използва като работна повърхност при сглобяване на експериментални настройки в експерименти.

2. Напредък на работата.

В хода на работа ще овладеете метода за измерване на основните характеристики на източник на ток, като използвате закона на Ом за пълна верига, който свързва силата на тока азвъв веригата, EMF на източника на ток , вътрешното му съпротивление rи външно съпротивление на веригата Рсъотношение:

. (9)

1 начин.

ОТ хема експериментална настройкапоказано на фигура 1.

Фиг. 1.

Проучете го внимателно. Когато ключът е отворен B, източникът е затворен към волтметър, чието съпротивление е много по-голямо от вътрешното съпротивление на източника (r << Р ). В този случай токът във веригата е толкова малък, че стойността на спада на напрежението върху вътрешното съпротивление на източника може да бъде пренебрегната
, а ЕМП на източника с незначителна грешка е равна на напрежението на неговите клеми , което се измерва с волтметър, т.е.

. (10)

По този начин ЕМП на източника се определя от показанията на волтметъра с отворен ключ.

Ако ключ B е затворен, волтметърът ще покаже спада на напрежението върху резистора Р :

. (11)

Тогава, въз основа на равенства (9), (10) и (11), можем да заявим това

(12)

От формула (12) се вижда, че за да се определи вътрешното съпротивление на източника на ток, е необходимо, в допълнение към неговата EMF, да се знае силата на тока във веригата и напрежението на резистора R, когато ключът затворено е.

Токът във веригата може да се измери с амперметър. Жичен резистор изработен от нихромова тел и има съпротивление от 5 ома.

Сглобете веригата според диаграмата, показана на фигура 3.

След като веригата е сглобена, трябва да вдигнете ръката си, да се обадите на учителя, за да проверите правилното сглобяване на електрическата верига. И ако веригата е сглобена правилно, продължете към работата.

При отворен ключ B вземете показанията на волтметъра и въведете стойността на напрежението в таблица 1. След това затворете клавиша B и отново вземете показанията на волтметъра, но вече и показанията на амперметъра. Въведете стойността на напрежението и тока в таблица 1.

Изчислете вътрешното съпротивление на източника на ток.

Маса 1.

, AT

, AT

аз, А

, AT

r , Ом

2 начина.

Първо сглобете експерименталната настройка, показана на фигура 2.

Ориз. 2.

Измерете тока във веригата с помощта на амперметър, запишете резултата в тетрадка. Съпротивление на резистора =5 ома.Всички данни се въвеждат в таблица 2., Ом

тестови въпроси:

Външни и вътрешни части на веригата.

Какво съпротивление се нарича вътрешно? Обозначаване.

Какво е общо съпротивление?

Дайте определението за електродвижеща сила (ЕМС). Обозначаване. Единици.

Формулирайте закона на Ом за пълна верига.

Ако не знаехме стойностите на съпротивлението на жичните резистори, би ли било възможно да използваме втория метод и какво трябва да се направи за това (може би, например, трябва да включите някакво устройство във веригата)?

Да може да сглобява електрическите вериги, използвани в работата.

Литература

Кабардин О. Ф. Реф. Материали: учеб. Ръководство за ученици , - 3-то издание - М.: Образование, 1991. - стр.: 150-151.

Наръчник на ученика. Физика / Комп. Т. Фещенко, В. Вожегова.–М.: Филологическо дружество „СЛОВО”, ООО „Фирма” „Издателство АСТ”, Център за хуманитарни науки към факултета по журналистика на Московския държавен университет. М. В. Ломоносов, 1998. - стр.: 124,500-501.

Samoilenko P.I. Физика (за нетехнически специалности): Учебник. за общо образование средни институции. проф. Образование / П. И. Самойленко, А. В. Сергеев.-2-ро изд., Стер.-М .: Издателски център "Академия", 2003-с.: 181-182.

Да предположим, че има проста електрическа затворена верига, която включва източник на ток, като например генератор, галванична клетка или батерия, и резистор със съпротивление R. Тъй като токът във веригата не се прекъсва никъде, той също протича вътре в източника .

В такава ситуация можем да кажем, че всеки източник има някакво вътрешно съпротивление, което предотвратява тока. Това вътрешно съпротивление характеризира източника на ток и се обозначава с буквата r. За една или друга батерия вътрешното съпротивление е съпротивлението на електролитния разтвор и електродите, за генератора, съпротивлението на намотките на статора и т.н.

По този начин източникът на ток се характеризира както със стойността на ЕМП, така и със стойността на собственото си вътрешно съпротивление r - и двете характеристики показват качеството на източника.

Електростатичните генератори за високо напрежение (като генератора на Ван де Грааф или генератора на Уимсхърст) например имат огромна ЕМП, измерена в милиони волта, докато вътрешното им съпротивление се измерва в стотици мегаома, поради което са неподходящи за генериране на големи течения.

Галваничните елементи (като батерия) - напротив - имат ЕМП от порядъка на 1 волт, въпреки че вътрешното им съпротивление е от порядъка на фракции или максимум десет ома и следователно токове от единици и десетки ампери могат се получават от галванични клетки.

Тази диаграма показва реален източник с прикачен товар. Тук са посочени вътрешното му съпротивление, както и съпротивлението на натоварване. Според токът в тази верига ще бъде равен на:

Тъй като секцията на външната верига е хомогенна, тогава от закона на Ом можете да намерите напрежението върху товара:

Изразявайки съпротивлението на натоварване от първото уравнение и замествайки стойността му във второто уравнение, получаваме зависимостта на напрежението от товара върху тока в затворена верига:

В затворена верига ЕМП е равна на сумата от паданията на напрежението върху елементите на външната верига и върху вътрешното съпротивление на самия източник. Зависимостта на напрежението на товара от тока на натоварване е идеално линейна.

Графиката показва това, но експерименталните данни за реален резистор (кръстове близо до графиката) винаги се различават от идеалните:

Експериментите и логиката показват, че при нулев ток на натоварване напрежението във външната верига е равно на ЕМП на източника, а при нулево напрежение на товара токът във веригата е . Това свойство на реалните вериги помага експериментално да се намери ЕМП и вътрешното съпротивление на реални източници.

Експериментално установяване на вътрешно съпротивление

За да определите експериментално тези характеристики, изградете графика на напрежението на товара спрямо тока, след което я екстраполирайте до пресечната точка с осите.

В точката на пресичане на графиката с оста на напрежението е стойността на ЕМП на източника, а в точката на пресичане с оста на тока е големината на тока на късо съединение. В резултат на това вътрешното съпротивление се намира по формулата:

Полезната мощност, развита от източника, се разпределя към товара. На фигурата е показана графика на зависимостта на тази мощност от съпротивлението на натоварване. Тази крива започва от пресечната точка на координатните оси в нулевата точка, след което се увеличава до максималната стойност на мощността, след което пада до нула, когато съпротивлението на натоварване е равно на безкрайност.

За да се намери максималното съпротивление на натоварване, при което теоретично се развива максимална мощност за даден източник, се взема производната на формулата за мощност по отношение на R и се приравнява на нула. Максималната мощност ще се развие при съпротивление на външната верига, равно на вътрешното съпротивление на източника:

Това твърдение за максималната мощност при R = r дава възможност експериментално да се намери вътрешното съпротивление на източника чрез начертаване на зависимостта на мощността, освободена от товара, от стойността на съпротивлението на товара. След намиране на реалното, а не теоретично съпротивление на натоварване, което осигурява максимална мощност, се определя реалното вътрешно съпротивление на източника на захранване.

Ефективността на източника на ток показва съотношението на максималната мощност, разпределена на товара, към общата мощност, която се развива в момента