Измерение эдс и внутреннего сопротивления источника тока: Лабораторная работа №9 — решебник по физике за 10 класс Мякишев, Буховцев, Сотский

Лабораторная работа по физике «Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»

Карта урока для организации занятий с использованием

дистанционных технологий обучения

Предмет: физика.

Класс: 10

Тема урока: Лабораторная работа «Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»

Цель урока: выполнить виртуальную лабораторную по теме.

1. Проверка ранее изученного материала: повторить закон Ома для полной цепи

2. Выполнение лабораторной работы:

1. По ссылке открыть виртуальную лабораторную работу http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=380

2. Записать число в тетради и тему лабораторной работы.

Тема: Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока

Цель работы: экспериментально определить основные характеристики источника постоянного тока: ЭДС и внутреннего сопротивления r.

Оборудование: исследуемый источник постоянного тока, амперметр, вольтметр, реостат, ключ замыкания цепи, соединительные провода.

Теоретические данные: Используя закон Ома для полной цепи, получим:

,

Отсюда

Посколькуи , то

илиОтсюда следует, что внутреннее сопротивление источника тока , а ЭДС будет

Описание работы. Собираем цепь, изображенную на рис.1, и измеряем силу тока и напряжение на клеммах источника при двух различных значениях внешнего сопротивления R (т.е. при двух различных положениях ползунка реостата).

ХОД РАБОТЫ

1. Соберите электрическую цепь по схеме. Курсором наводим на ключ и замыкаем цепь.

2. Курсором наводим на реостат, двигаем ползунок реостата.

3. Установите ползунок реостата приблизительно в среднее положение, измерьте силу тока и напряжение .

4. Передвиньте ползунок реостата, измерьте силу тока и напряжение .

5. Вычислите внутреннее сопротивление r и ЭДС источника тока.

6. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

2. Запишите вывод: что вы измеряли и какой получен результат.

________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Домашнее задание: Оформить и прислать лабораторную работу для проверки.

Выполненное задание необходимо предоставить в любом доступном формате (скан, фотография, документ MS Word): дневник учащегося в виртуальной школе.

Вопросы можно задать на почту.

Название файла (сообщение) должно содержать название предмета, фамилию ученика и класс. Например: физика лабораторная Иванов10Б.doc

Лабораторная работа «Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока» (11 класс)

Лабораторная работа

«Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»

Дисциплина Физика

Преподаватель Виноградов А.Б.

Нижний Новгород

2014 г.

Цель работы: сформировать умение определения ЭДС и внут­реннего сопротивления источника тока с помощью амперметра и вольтметра.

Оборудование: выпрямитель ВУ-4М, амперметр, вольтметр, соединительные провода, элементы планшета №1: ключ, ре­зистор R₁.

Теоретическое содержание работы.

Внутреннее сопротивление ис­точника тока.

При прохождении тока по

замкнутой цепи, электрически заряженные ча­стицы перемещаются не только внутри проводников, соединяющих полюса источника тока, но и внутри самого источ­ника тока. Поэтому в замкнутой электрической цепи раз­личают внешний и внутренний участки цепи. Внешний уча­сток цепи составляет вся та совокупность проводников, которая подсоединяется к полюсам источника тока. Вну­тренний участок цепи — это сам источник тока. Источник тока, как и любой другой проводник, обладает сопротивле­нием. Таким образом, в электрической цепи, состоящей из источника то­ка и проводников с электриче­ским сопротивлением R, элек­трический ток совершает работу не только на внешнем, но и на внутреннем участке цепи. Напри­мер, при подключении лампы накаливания к гальванической батарее карманного фонаря элек­трическим током нагреваются не только спираль лампы и под­водящие провода, но и сама ба­тарея. Электрическое сопротивле­ние источника тока называется внутренним сопротивлением. В электромагнитном генераторе внутренним сопротивлением яв­ляется электрическое сопротивле­ние провода обмотки генератора. На внутреннем участке электри­ческой цепи выделяется коли­чество теплоты, равное

(1)

где r — внутреннее сопротивле­ние источника тока.

Полное количество теплоты, выделяющееся при протекании постоянного тока в замкнутой цепи, внешний и внутренний участки которой имеют сопротивления, соответственно равные R и r , равно

. (2)

Всякую замкнутую цепь можно представить как два последовательно соединенных резистора с эквивалентными сопротивлениями R и r. Поэтому сопротивление полной це­пи равно сумме внешнего и внутреннего сопротивлений: . Поскольку при последовательном соединении сила тока на всех участках цепи одинакова, то через внеш­ний и внутренний участок цепи проходит одинаковый по величине ток. Тогда по закону Ома для участка цепи паде­ние напряжений на ее внешнем и внутреннем участках бу­дут соответственно равны:

и (3)

Электродвижущая сила.

Пол­ная работа сил электростати­ческого поля при движении за­рядов по замкнутой цепи по­стоянного тока равна нулю. Сле­довательно, вся работа электри­ческого тока в замкнутой элек­трической цепи оказывается со­вершенной за счет действия сто­ронних сил, вызывающих разде­ление зарядов внутри источника и поддерживающих постоянное напряжение на выходе источника тока. Отношение работы , совершаемой сторонними силами по перемещению заряда q вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей си­лой источника (ЭДС) :

, (4)

где — переносимый заряд.

ЭДС вы­ражается в тех же единицах, что и напряжение или разность по­тенциалов, т. е. в вольтах: .

Закон Ома для полной цепи.

Если в результате прохождения постоянного тока в замкнутой электрической цепи происходит только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии полная работа электрического то­ка в замкнутой цепи, равная работе сторонних сил источни­ка тока, равна количеству тепло­ты, выделившейся на внешнем и внутреннем участках цепи:

. (5)

Из выражений (2), (4) и (5) получаем:

. (6)

Так как , то

, (7)

или

. (8)

Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источ­ника тока и обратно пропор­циональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внут­реннего участков цепи. Выраже­ние (8) называется законом Ома для полной цепи.

Таким образом, с точки зрения физики Закон Ома выражает закон сохранения энергии для замкнутой цепи постоянного тока.

Порядок выполнения работы.

1. Подготовка к выполнению работы.

Перед вами на столах находится минилаборатория по электродинамике. Её вид представлен в л. р. № 9 на рисунке 2.

Слева находятся миллиамперметр, выпрямитель ВУ-4М, вольтметр, амперметр. Справа закреплен планшет № 1 (см. рис. 3 в л. р. № 9). В задней секции корпуса размещаются соединительные провода цветные: красный провод использу­ют для подключения ВУ-4М к гнезду «+» планшета; белый провод — для подключения ВУ-4М к гнезду «-»; желтые провода — для подключения к элементам планшета измерительных приборов; синие — для соединения между собой элементов планшета. Секция закрыта откидной площадкой. В рабочем положении площадка располагается горизонтально и используется в качестве рабочей поверхности при сборке экспериментальных установок в опытах.

2. Ход работы.

В ходе работы вы освоите метод измерения основных характеристик источника тока, используя закон Ома для полной цепи, который связывает силу тока I в цепи, ЭДС источника тока , его внутреннее сопротивление r и сопротивление внешней цепи R соотношением:

. (9)

1 способ.

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.

Рис.1.

Внимательно изучите её. При разомкну­том ключе В источник замкнут на вольтметр, сопротивление которого много больше внутреннего сопротивления источника (r<<R). В этом случае ток в цепи настолько мал, что можно пренебречь значением падения на­пряжения на внутреннем сопротивлении источника , и ЭДС источника с пренеб­режимо малой погрешностью равна напря­жения на его зажимах , которое измеряется вольтметром, т.е.

. (10)

Таким образом, ЭДС источника определяется по показаниям вольтметра при разомкнутом ключе В.

Если ключ В замкнуть, вольтметр покажет падение напряжения на резисторе R:

. (11)

Тогда на основании равенств (9), (10) и (11) можно утверждать, что

(12)

Из формулы (12) вид­но, что для определения внутреннего сопротивления источника тока необходимо, кроме его ЭДС, знать силу тока в цепи и напря­жение на резисторе R при замкнутом ключе.

Силу тока в цепи можно измерить при помощи амперметра. Проволочный резистор изготовлен из нихромовой проволоки и имеет сопротивление 5 Ом.

Соберите цепь по схеме, показанной на рисунке 3.

После того, как цепь будет собрана, необходимо поднять руку, позвать учителя, чтобы он проверил правильность сборки электрической цепи. И если цепь собрана правильно, то приступайте к выполнению работы.

При разомкну­том ключе В снимите показания вольтметра и занесите значение напряжения в таблицу 1. Затем замкните ключ В и опять снимите показания вольтметра, но уже и показания амперметра. Занесите значение напряжения и силы тока в таблицу 1.

Вычислите внутреннее сопротивление источника тока.

Таблица1.

, В

, В

I, А

, В

r, Ом

2 способ.

Сначала соберите экспериментальную установку, изображенную на рисунке 2.

Рис. 2.

Измерьте силу тока в цепи при помощи амперметра, результат запишите в тетрадь. Сопротивление резистора =5 Ом. Все данные заносятся в таблицу 2.

Теперь соберите экспериментальную установку, изображенную на рисунке 3.

Рис.3.

Измерьте силу тока в цепи при помощи амперметра, результат запишите в тетрадь. Сопротивление резистора =20 Ом.

Таблица 2.

, А

, Ом

, А

, Ом

, В

r, Ом

Применив закон Ома для полной цепи для каждого случая, получаем систему двух уравнений с двумя неизвестными:

Решая её относительно неизвестных и r, находим значения этих величин.

3. Вывод.

Сравните полученные результаты в первом и во втором случае. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы:

1. Внешний и внутренний участки цепи.

2. Какое сопротивление называются внутренним? Обозначение.

3. Чему равно полное сопротивление?

4. Дайте определение электродвижущей силы (ЭДС). Обозначение. Единицы измерения.

5. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

6. Если бы мы не знали значения сопротивлений проволочных резисторов, то можно ли было бы использовать второй способ и что для этого надо сделать (может нужно, например, включить в цепь какой-нибудь прибор)?

7. Уметь собирать электрические цепи, используемые в работе.

Литература

1. Кабардин О. Ф.. Справ. Материалы: Учеб. Пособие для учащихся.—3-е изд.—М.:Просвещение,1991.—с.:150-151.

2. Справочник школьника. Физика/ Сост. Т. Фещенко, В. Вожегова.–М.: Филологическое об-щество «СЛОВО», ООО «Фирма» «Издательство АСТ», Центр гуманитарных наук при ф-те журна-листики МГУ им. М. В. Ломоносова, 1998. — с.: 124,500-501.

3. Самойленко П. И.. Физика (для нетехнических специальностей): Учебн. для общеобразоват. учреждений сред. Проф. Образования/ П. И.Самойленко, А. В. Сергеев.—2-е изд., стер.—М.: Издательский центр «Академия», 2003-с.: 181-182.

Урок 31. Лабораторная работа № 08. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

Лабораторная работа № 8

   Тема: «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока».

   Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

   Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;

                             2. Источник электрической энергии;

                             3. Соединительные провода,

                             4. Набор сопротивлений 2 Ом и 4 Ом;

                             5. Переключатель однополюсный; ключ.

Теория.

   Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами.

   Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

   При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

   Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

 

   ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.

   Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах [В].

   Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи.

   Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r.

   Если цепь разомкнута, то работа сторонних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r , т.е. ε = IR + Ir.

   Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то,  согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение , где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir — напряжение на внутреннем участке цепи.

   Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

   Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

   ε и r можно определить опытным путем.

   Часто источники электрической энергии соединяют между собой для питания цепи. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.

   При последовательном соединении два соседних источника соединяются разноименными полюсами.

   Т.е., для последовательного соединения аккумуляторов, к ″плюсу″ электрической схемы подключают положительную клемму первого аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к ″минусу″ электрической схемы.

   Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

   1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε₁ + ε₂ + ε₃

   2. Общее сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r_{батареи}= r₁ + r₂ + r₃

Если в батарею соединены n одинаковых источников, то ЭДС батареи ε= nε_1, а сопротивление r_{батареи}= nr₁

   3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   При параллельном соединении соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или n источников.

   Т.е., при параллельном соединении, аккумуляторы соединяют так, чтобы положительные клеммы всех аккумуляторов были подключены к одной точке электрической схемы (″плюсу″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов были подключены к другой точке схемы (″минусу″).

   Параллельно соединяют только источники с одинаковой ЭДС. Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.

 

1. ЭДС батареи одинаковых источников равна ЭДС одного источника. ε= ε₁= ε₂ = ε₃

2. Сопротивление батареи меньше, чем сопротивление одного источника r_{батареи}= r₁/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.

   Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому т.к.при параллельном соединении емкость аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов, т.е увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.

Ход работы.

   1. Начертите таблицу:

№ опыта	Источник электрической энергии ВУП, В	1-й отсчет		2-й отсчет		Э.Д.С. ε , В	Внутреннее сопротивление, r , Ом
		R1, Ом	Сила тока I1 , А	R2, Ом	Сила тока I2 , А
1	1	1		2

   2. Рассмотрите  шкалу амперметра  и определите цену одного деления.
   3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 1. Переключатель поставить в среднее положение.

Рисунок 1.

   4. Замкнуть цепь, введя меньшее сопротивление R₁. Записать величину силы тока I₁. Разомкнуть цепь.

   5. Замкнуть цепь, введя большее сопротивление R₂. Записать величину силы тока I₂. Разомкнуть цепь.

   6. Вычислить значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.

   Закон Ома для полной цепи для каждого случая:     и    

   Отсюда получим формулы для вычисления ε и r:

   

  

   7. Результаты всех измерений и вычислений запишите в таблицу.

   8. Сделайте вывод.

   9. Ответьте на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

   1. Раскройте физический смысл понятия «электродвижущая сила источника тока».

   2. Определить сопротивление внешнего участка цепи, пользуясь результатами полученных измерений и законом Ома для полной цепи.

   3. Объяснить, почему внутреннее сопротивление возрастает при последовательном соединении аккумуляторов и уменьшается при параллельном в сравнении с сопротивлением r₀ одного аккумулятора.

   4. В каком случае вольтметр, включенный на зажимы генератора, показывает ЭДС генератора и в каком случае напряжение на концах внешнего участка цепи? Можно ли это напряжение считать также и напряжением на концах внутреннего участка цепи?

Вариант выполнения измерений.

Опыт 1. Сопротивление R₁=2 Ом, сила тока I₁=1,3 А.

              Сопротивление R₂=4 Ом, сила тока I₂=0,7 А.

Урок 31. Лабораторная работа № 08. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

Лабораторная работа № 8

   Тема: «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока».

   Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

   Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;

                             2. Источник электрической энергии;

                             3. Соединительные провода,

                             4. Набор сопротивлений 2 Ом и 4 Ом;

                             5. Переключатель однополюсный; ключ.

Теория.

   Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами.

   Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

   При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

   Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

 

   ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.

   Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах [В].

   Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи.

   Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r.

   Если цепь разомкнута, то работа сторонних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r , т.е. ε = IR + Ir.

   Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то,  согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение , где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir — напряжение на внутреннем участке цепи.

   Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

   Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

   ε и r можно определить опытным путем.

   Часто источники электрической энергии соединяют между собой для питания цепи. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.

   При последовательном соединении два соседних источника соединяются разноименными полюсами.

   Т.е., для последовательного соединения аккумуляторов, к ″плюсу″ электрической схемы подключают положительную клемму первого аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к ″минусу″ электрической схемы.

   Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

   1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε₁ + ε₂ + ε₃

   2. Общее сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r_{батареи}= r₁ + r₂ + r₃

Если в батарею соединены n одинаковых источников, то ЭДС батареи ε= nε_1, а сопротивление r_{батареи}= nr₁

   3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   При параллельном соединении соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или n источников.

   Т.е., при параллельном соединении, аккумуляторы соединяют так, чтобы положительные клеммы всех аккумуляторов были подключены к одной точке электрической схемы (″плюсу″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов были подключены к другой точке схемы (″минусу″).

   Параллельно соединяют только источники с одинаковой ЭДС. Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.

 

1. ЭДС батареи одинаковых источников равна ЭДС одного источника. ε= ε₁= ε₂ = ε₃

2. Сопротивление батареи меньше, чем сопротивление одного источника r_{батареи}= r₁/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.

   Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому т.к.при параллельном соединении емкость аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов, т.е увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.

Ход работы.

   1. Начертите таблицу:

№ опыта	Источник электрической энергии ВУП, В	1-й отсчет		2-й отсчет		Э.Д.С. ε , В	Внутреннее сопротивление, r , Ом
		R1, Ом	Сила тока I1 , А	R2, Ом	Сила тока I2 , А
1	1	1		2

   2. Рассмотрите  шкалу амперметра  и определите цену одного деления.
   3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 1. Переключатель поставить в среднее положение.

Рисунок 1.

   4. Замкнуть цепь, введя меньшее сопротивление R₁. Записать величину силы тока I₁. Разомкнуть цепь.

   5. Замкнуть цепь, введя большее сопротивление R₂. Записать величину силы тока I₂. Разомкнуть цепь.

   6. Вычислить значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.

   Закон Ома для полной цепи для каждого случая:     и    

   Отсюда получим формулы для вычисления ε и r:

   

  

   7. Результаты всех измерений и вычислений запишите в таблицу.

   8. Сделайте вывод.

   9. Ответьте на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

   1. Раскройте физический смысл понятия «электродвижущая сила источника тока».

   2. Определить сопротивление внешнего участка цепи, пользуясь результатами полученных измерений и законом Ома для полной цепи.

   3. Объяснить, почему внутреннее сопротивление возрастает при последовательном соединении аккумуляторов и уменьшается при параллельном в сравнении с сопротивлением r₀ одного аккумулятора.

   4. В каком случае вольтметр, включенный на зажимы генератора, показывает ЭДС генератора и в каком случае напряжение на концах внешнего участка цепи? Можно ли это напряжение считать также и напряжением на концах внутреннего участка цепи?

Вариант выполнения измерений.

Опыт 1. Сопротивление R₁=2 Ом, сила тока I₁=1,3 А.

              Сопротивление R₂=4 Ом, сила тока I₂=0,7 А.

Урок 31. Лабораторная работа № 08. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

Лабораторная работа № 8

   Тема: «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока».

   Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

   Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;

                             2. Источник электрической энергии;

                             3. Соединительные провода,

                             4. Набор сопротивлений 2 Ом и 4 Ом;

                             5. Переключатель однополюсный; ключ.

Теория.

   Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами.

   Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

   При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

   Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

 

   ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.

   Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах [В].

   Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи.

   Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r.

   Если цепь разомкнута, то работа сторонних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r , т.е. ε = IR + Ir.

   Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то,  согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение , где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir — напряжение на внутреннем участке цепи.

   Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

   Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

   ε и r можно определить опытным путем.

   Часто источники электрической энергии соединяют между собой для питания цепи. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.

   При последовательном соединении два соседних источника соединяются разноименными полюсами.

   Т.е., для последовательного соединения аккумуляторов, к ″плюсу″ электрической схемы подключают положительную клемму первого аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к ″минусу″ электрической схемы.

   Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

   1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε₁ + ε₂ + ε₃

   2. Общее сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r_{батареи}= r₁ + r₂ + r₃

Если в батарею соединены n одинаковых источников, то ЭДС батареи ε= nε_1, а сопротивление r_{батареи}= nr₁

   3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   При параллельном соединении соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или n источников.

   Т.е., при параллельном соединении, аккумуляторы соединяют так, чтобы положительные клеммы всех аккумуляторов были подключены к одной точке электрической схемы (″плюсу″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов были подключены к другой точке схемы (″минусу″).

   Параллельно соединяют только источники с одинаковой ЭДС. Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.

 

1. ЭДС батареи одинаковых источников равна ЭДС одного источника. ε= ε₁= ε₂ = ε₃

2. Сопротивление батареи меньше, чем сопротивление одного источника r_{батареи}= r₁/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.

   Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому т.к.при параллельном соединении емкость аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов, т.е увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.

Ход работы.

   1. Начертите таблицу:

№ опыта	Источник электрической энергии ВУП, В	1-й отсчет		2-й отсчет		Э.Д.С. ε , В	Внутреннее сопротивление, r , Ом
		R1, Ом	Сила тока I1 , А	R2, Ом	Сила тока I2 , А
1	1	1		2

   2. Рассмотрите  шкалу амперметра  и определите цену одного деления.
   3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 1. Переключатель поставить в среднее положение.

Рисунок 1.

   4. Замкнуть цепь, введя меньшее сопротивление R₁. Записать величину силы тока I₁. Разомкнуть цепь.

   5. Замкнуть цепь, введя большее сопротивление R₂. Записать величину силы тока I₂. Разомкнуть цепь.

   6. Вычислить значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.

   Закон Ома для полной цепи для каждого случая:     и    

   Отсюда получим формулы для вычисления ε и r:

   

  

   7. Результаты всех измерений и вычислений запишите в таблицу.

   8. Сделайте вывод.

   9. Ответьте на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

   1. Раскройте физический смысл понятия «электродвижущая сила источника тока».

   2. Определить сопротивление внешнего участка цепи, пользуясь результатами полученных измерений и законом Ома для полной цепи.

   3. Объяснить, почему внутреннее сопротивление возрастает при последовательном соединении аккумуляторов и уменьшается при параллельном в сравнении с сопротивлением r₀ одного аккумулятора.

   4. В каком случае вольтметр, включенный на зажимы генератора, показывает ЭДС генератора и в каком случае напряжение на концах внешнего участка цепи? Можно ли это напряжение считать также и напряжением на концах внутреннего участка цепи?

Вариант выполнения измерений.

Опыт 1. Сопротивление R₁=2 Ом, сила тока I₁=1,3 А.

              Сопротивление R₂=4 Ом, сила тока I₂=0,7 А.

Ответы | Лаб. 4. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока — Физика, 10 класс

1. Почему вольтметр включают в цепь параллельно потребителю? Что произойдет, если вольтметр включить в цепь последовательно?

Вольтметр включают параллельно участку цепи, на котором измеряют напряжение. Напряжение на измеренном участке и напряжение на вольтметре будет одним и тем же, т.к. вольтметр и напряжение на вольтметре подключены к общим точкам.

Т.к. вольтметр обладает большим сопротивлением, то при его последовательном подключении к электрической цепи увеличится внешнее сопротивление цепи, а, значит, сила тока в цепи значительно уменьшится.

2. Почему сопротивление амперметра должно быть значительно меньше сопротивления цепи, в которой измеряют ток? Что произойдет, если амперметр включить параллельно потребителю?

Поскольку включение амперметра в электрическую цепь не должно изменять силу тока в ней, то сопротивление амперметра должно быть как можно меньше.

Сопротивление амперметра гораздо меньше сопротивления потребителя, поэтому при таком неправильном подключении почти весь ток пойдёт через амперметр. В итоге «зашкалит» и может перегореть, если вовремя не отключить. Такое включение амперметра недопустимо.

3. Почему показания вольтметра при разомкнутом и замкнутом ключе различаются?

Потому что у источника питания появляется нагрузка в виде резистора. Вольтметр, подключённый к полюсам источника питания ЭДС источника ε. При подключении нагрузки (резистора) напряжение на источнике будет падать, т.к. источник не идеальный.

4. Как можно повысить точность измерения ЭДС источника тока?

Самый простой способ — взять вольтметр с меньшей приборной погрешностью, т.е. более высокого класса точности.

Также повысить точность можно путём совершенствования методики измерения и обработки результатов, таким образом можно уменьшить систематические погрешности.

5. При каком значении КПД будет получена максимальная полезная мощность от данного источника тока? Каким должно быть при этом сопротивление внешней цепи по отношению ко внутреннему сопротивлению источника тока?

Коэффициент полезного действия источника тока определяется как отношение полезной мощности к полной, и зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника тока. Можно доказать, что КПД оказывается равным 50%.

ЭДС и внутреннее сопротивление

ЭДС и внутреннее сопротивление

Введение

В последние десятилетия произошел огромный рост потребительской электроники. Хотя функции новых устройств сильно различаются, их энергия по-прежнему в основном поступает либо от батарей, либо от сети.

В простых схемах, которые мы встречали до сих пор, мы изобразили источники питания, способные обеспечить такой же ток, как и компоненты требуется. На самом деле это не так.

Основы ЭМП

В

энергия

У системы есть энергия, когда она способна выполнять работу. Научной единицей энергии является джоуль. Энергия, обеспечиваемая любым

мощность

Мощность системы — это мера скорости, с которой энергия передается из одной формы в другую. Научная единица мощности — это ватт. источника питания, такого как батарея, на каждый

кулон

Кулон — это единица заряда.Один кулон приблизительно эквивалентен заряду, переносимому 6,25 × 10 ¹⁸ электронов. Кулон заряда, покидающего батарею или

мощность

Мощность системы — это мера скорости, с которой энергия передается из одной формы в другую. Научная единица мощности — это ватт. источник питания называется

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила (часто сокращенно ЭДС) батареи — это мера ее способности обеспечивать энергией обвинения.электродвижущая сила или

ЭДС

ЭДС — это общепринятое сокращение электродвижущей силы — измерение способности батареи обеспечивать энергией сборы. Электродвижущая сила измеряется в джоулях на

кулон

Кулон — это единица заряда. Один кулон приблизительно эквивалентен заряду 6,25 × 10 ¹⁸ электронов.кулонов (JC ^-1 ) или вольт (В).

Нажмите на рисунок ниже, чтобы взаимодействовать с моделью.

Рисунок 1. Последовательная цепь.

Включите схему, показанную на рис. 1, нажав на переключатель. Затем подключите вольтметры к зуммеру и лампе, перетащив их в места в цепи.Обратите внимание на значения p.d.s для двух компонентов.

Вы должны были открыть один пример общего правила, согласно которому сумма ЭДС батареи всегда равна сумма p.d.s по компонентам. Это можно резюмировать в следующем уравнении:

Подтвердите, что сумма ЭДС батареи всегда равна сумме п.о. по всем компонентам, изменив значения. напряжений аккумуляторной батареи на рис.1. Для этого щелкните по напряжениям батарей и измените их значения в диапазоне 0–10 В.

Внутреннее сопротивление

На рис.1 зуммер и лампа были прикреплены к клеммам батарей. Они могли так же легко быть связаны к выходным клеммам источника питания. Когда какой-либо набор компонентов подключен к клеммам аккумулятора или подобный источник питания, они все вместе называются внешней схемой . Это сделано для того, чтобы отличать такие компоненты от внутренней схемы в блоке питания.В

сопротивление

Противодействие протеканию тока, создаваемое цепью, называется сопротивлением. Сопротивление измеряется в единицах, называемых Ом. Сопротивление

внешняя цепь

Все компоненты, подключенные к клеммам батареи или источника питания, вместе известны как внешняя цепь. Внешняя цепь часто упоминается как сопротивление нагрузки .

На рис.1 сопротивление нагрузки только сопротивление в цепи. Однако это не так в схеме на рисунке 2 ниже.

Щелкните рисунок ниже, чтобы взаимодействовать с моделью.

Рисунок 2. Влияние внутреннего сопротивления.

Снова переместите вольтметры на место, чтобы измерить p.d. через два компонента.

Мы можем объяснить «потерю вольт» на рис. 2 тем, что светодиод и лампа не являются единственными источниками сопротивления в схема. Фактически, батарея также имеет небольшое внутреннее сопротивление .

Любая батарея или блок питания с

внутреннее сопротивление

Все батареи или блоки питания имеют внутреннее сопротивление. Это сопротивление снижает мощность p.d. как подаваемый ток увеличивается. внутреннее сопротивление можно представить, как показано на рисунке 3. Здесь внутреннее сопротивление 2 Ом показано как резистор, включенный последовательно с источником питания.

Рисунок 3. Изображение батареи с внутренним сопротивлением.

Внутреннее сопротивление характерно для всех практических источников питания. Различные конструкции батареи будут иметь разные внутренние сопротивления, и производители часто принимают меры для минимизации внутреннего сопротивления.

Выход 12 В от автомобильного аккумулятора будет иметь такой же выход

напряжение

Напряжение на компоненте — это электрическая энергия, передаваемая 1 кулоном заряда, проходящего через компонент.напряжение как бытовой аккумулятор 12 В. Однако автомобильный аккумулятор должен иметь гораздо более низкое внутреннее сопротивление и необходимую конструкцию. для этого автомобильный аккумулятор становится больше и тяжелее.

Вольтметр на рисунке 4 ниже показывает «потерянные вольт», хотя на практике это величина, которую невозможно измерить. экспериментально.

Щелкните рисунок ниже, чтобы взаимодействовать с моделью.

Рисунок 4. Измерение «потерянных» вольт.

Установите переменный резистор в схеме рис.4 на 10 Ом. Закройте переключатель и обратите внимание на значения пиковых значений на внутреннем сопротивление и нагрузочный резистор.

ПД. Фактически доступный на клеммах аккумуляторной батареи называется клемма p.d. Если ЭДС батареи E ,

терминал р.д.

Терминал п.d. напряжение на клеммах аккумулятора или источника питания. Терминал п.д. варьируется в зависимости от от того, какой ток потребляется. терминал p.d. составляет В _tpd и p.d. на внутреннем сопротивлении В _{потеряно} , мы можем сказать:

Приведенное выше уравнение остается в силе, независимо от того, какое значение сопротивления нагрузки или

ток

Скорость прохождения заряда через любую конкретную точку в цепи.Базовая единица измерения тока — это ток в амперах, потребляемый от источника питания. В этом можно убедиться, используя рис.4. Установите переменный резистор на значение 60 Ом.

Проверьте это еще раз для другого значения переменного резистора.

Эффекты внутреннего сопротивления

На рисунке 5 ниже показаны две идентичные схемы, позволяющие подключать разное количество ламп к батареям. Контур B имеет внутреннее сопротивление в батарее, тогда как схема A показывает гипотетический случай, когда нет внутреннего сопротивления.

Нажмите на рисунок ниже, чтобы взаимодействовать с моделью.

Рисунок 5. Влияние внутреннего сопротивления.

Заполните следующую таблицу для контура A.

Заполните следующие предложения, чтобы описать поведение цепи без внутреннего сопротивления.

• 
  Когда переключатель A1 замкнут, p.d. на лампе 990 В, а ток от аккумулятора 990 мА. Когда последующие переключатели замыкаются, ток, снимаемый с батареи, увеличивается с шагом 990 мА.
  

Теперь заполните следующую таблицу для контура B.

Заполните следующие предложения, чтобы описать поведение цепи с внутренним сопротивлением.

• 
  Когда переключатель B1 замкнут, p.d. на лампе больше чем 9 В, а ток, потребляемый от батареи, больше чем 90 мА. Когда последующие переключатели замыкаются, ток, снимаемый с батареи, увеличивается неравномерно, более чем на 90 мА. При таком же количестве включенных ламп ток, протекающий в цепи A, всегда больше, чем ток, протекающий в цепи B.
  

Рис.5 ясно демонстрирует, что, когда батарея имеет внутреннее сопротивление, увеличение тока, потребляемого от батареи, уменьшает напряжение, доступное для внешней цепи. Вот почему производители блоков питания и аккумуляторов часто стараются снизить внутреннее сопротивление их продукции.

Определение максимального тока

Когда источник питания или батарея имеют внутреннее сопротивление, увеличение тока, подаваемого во внешнюю цепь, снижает п.d. по этой цепи. По мере увеличения тока, снимаемого с источника питания, ток через внутреннее сопротивление увеличивается. и так еще п.д. будет через внутреннее сопротивление. Следовательно, меньше p.d. будет доступен для внешних цепь. Мы можем увидеть эту идею математически, используя приведенное выше уравнение:

, где E — ЭДС, V _tpd — p.d. между клеммами аккумулятора, и В _{потеряно} — это «потерянное» напряжение.

Поскольку внутреннее сопротивление r и нагрузочный резистор R соединены последовательно, одинаковый ток I проходит через оба резистора.

Следовательно,

По мере увеличения I увеличивается Ir , и, поскольку E является постоянным, V tpd должен уменьшаться.

Таким образом, когда ток I , потребляемый от батареи, увеличивается, p.d. доступная на его выходе ( В, т / д, ) уменьшается.

Если ток становится достаточно большим, выходной сигнал p.d. упадет до нуля. Значение тока, при котором это происходит называется I _макс .

Щелкните рисунок ниже, чтобы взаимодействовать с моделью.

Рисунок 6. Определение максимального тока.

Батарея на рис.6 выше имеет внутреннее сопротивление (которое не показано на принципиальной схеме). Используйте переменный резистор для изменения тока, потребляемого батареей, и наблюдения за его изменением.

Когда сопротивление на батарее равно нулю, мы говорим, что батарея закорочена .Максимальный ток протекает при коротком замыкании батареи.

Определение ЭДС

Мы видели, что происходит, когда максимальный ток получается от источника питания. В качестве альтернативы, если ток не подается от источника питания выходное напряжение В, _тпд и ЭДС E аккумулятора равны.

Мы можем снова показать эту идею математически, повторно используя приведенное выше уравнение:

Если ток не потребляется от источника питания I = 0, поэтому Ir = 0

Следовательно, E = V tpd .

ЭДС источника питания равна выходному п.о. когда нет тока.

Щелкните рисунок ниже, чтобы взаимодействовать с моделью.

Рисунок 7. Определение ЭДС аккумуляторной батареи.

Батарея на Рис.7 выше имеет внутреннее сопротивление (которое не показано на принципиальной схеме).Используйте переменный резистор чтобы изменить ток, потребляемый от батареи, и посмотреть, как p.d. по лампочке разнится.

Нажмите на рисунок ниже, чтобы взаимодействовать с моделью.

Рисунок 8. Отключение тока от батареи.

Включите выключатель, чтобы увидеть, как показания вольтметра на рис.8 изменений.

Определение внутреннего сопротивления

На рис.9 переменный резистор подключен к батарее. Мы будем использовать эту схему для определения ЭДС, максимального тока, и внутреннее сопротивление батареи.

Нажмите на рисунок ниже, чтобы взаимодействовать с моделью.

Рисунок 9. Батарея и резистор.

Отрегулируйте переменный резистор, чтобы изменить ток, проходящий через схему, показанную на рисунке 9 выше.

Установите переменный резистор, показанный на рисунке 9, в различные положения и введите значения для клеммы p.d. V _tpd , а текущий I в таблицу на рис.10.

Рисунок 10. Терминал p.d. изменение в зависимости от тока.

Линия на графике на рис. 10 представлена ​​уравнением E = V _tpd + Ir . Мы можем использовать это уравнение, чтобы объяснить форму линии.

По мере увеличения I увеличивается Ir .

Поскольку E постоянно, V tpd должно уменьшиться.

Когда ток увеличивается и становится равным I max , тогда выход p.d. упадет до нуля.

Ток достигает I max , когда сопротивление на выходе батареи равно нулю.

Как мы видели ранее, это ток, протекающий при коротком замыкании.

На графике значение I _max задается точкой, в которой линия пересекает ось x. Продолжая линию на рис.10 до точки, где она пересекает ось x, мы можно найти значение для I _max .

Мы уже видели, что ЭДС — это наибольшее напряжение, доступное от батареи, и что это происходит, когда I = 0. На графике это показано точкой, где линия пересекает ось y графика.

Теперь, когда мы знаем значения ЭДС и тока короткого замыкания I _max , мы можем рассчитать внутреннее сопротивление батареи. Следующие ниже шаги проводят анализ того, как это сделать.

Мы знаем, что

Мы также знаем, что когда ток равен I max , выход p.d. равно нулю, В tpd = 0

Мы можем изменить это, чтобы найти выражение для тока короткого замыкания.

Мы можем еще раз переставить, чтобы найти выражение для внутреннего сопротивления r .

В качестве альтернативы мы можем использовать данные другим способом, чтобы найти внутреннее сопротивление источника питания. Строка в График на рис.10 представлен уравнением:

Щелкните член V _tpd , чтобы изменить формулу. Теперь он имеет стандартную форму « y = m x + c», где V _tpd — это переменная, нанесенная на ось y, а I — переменная, нанесенная на ось x.Перехват дает ЭДС питания, а отрицательный градиент указывает его внутреннее сопротивление.

Рисунок 11. Терминал p.d. изменение в зависимости от тока.

График выше показывает график терминала p.d. график зависимости от тока для источника питания.

Мощность в цепях

Экспериментальные данные, полученные из рисунка 10, показывают разные токи, проходящие через резистор для разных значений. п.о. через это. Мы можем умножить эти значения, чтобы получить мощность, рассеиваемую в резисторе при разных токах. так же мы можем использовать

Закон Ома

Закон Ома гласит, что при постоянной температуре ток в проводнике прямо пропорционален d.п. поперек проводника. Константа пропорциональности называется сопротивлением образца. Закон Ома позволяет получить значения сопротивления, подключенного к батарее, простым делением p.d. показания текущими показаниями.

Рисунок 12. Максимальная мощность.

График зависимости подаваемой мощности от сопротивления нагрузки показывает, что мощность, подаваемая во внешнюю цепь, не является постоянной. Доставляемая мощность возрастает до максимума, когда внутреннее и внешнее сопротивление равны.

Сводка

Все компоненты, подключенные к клеммам батареи или источника питания, вместе известны как внешняя цепь.Общее сопротивление этих компонентов известно как сопротивление нагрузки.

Все батареи или блоки питания имеют внутреннее сопротивление. Это сопротивление снижает выходной p.d. как ток увеличивается.

Выход п.о. В _tpd для любого тока I можно найти с помощью уравнения:

, где E — ЭДС источника питания, а r — внутреннее сопротивление источника питания.

Если известны ЭДС источника питания и ток короткого замыкания I _max , внутреннее сопротивление источника питания можно определить с помощью следующего уравнения:

Упражнения

Рисунок 13.

Рисунок 14.

Рисунок 15.

Рисунок 16.

Электродвижущая сила и внутреннее сопротивление

Электродвижущая сила (э) или э.м.д. это энергия, обеспечиваемая элементом или батареей на кулон заряда, проходящего через них, она составляет , измеренная в вольтах (В). Это равно разности потенциалов на выводах ячейки, когда ток не течет.

• e = электродвижущая сила в вольтах, В
• E = энергия в джоулях, Дж
• Q = заряд в кулонах, Кл

Батареи и элементы имеют внутреннее сопротивление (r) , что составляет Ом (Вт). Когда электричество течет по цепи, внутреннее сопротивление самой ячейки сопротивляется прохождению тока, и поэтому тепловая энергия теряется в самой ячейке.

• e = электродвижущая сила в вольтах, В
• I = ток в амперах, А
• R = сопротивление нагрузки в цепи в Ом, Вт
• r = внутреннее сопротивление ячейки в Ом, Вт

Мы можем изменить приведенное выше уравнение;

, а затем на

В этом уравнении ( В, ) появляется разность потенциалов между клеммами , измеренная в вольтах (В).Это разность потенциалов на выводах ячейки при протекании тока в цепи, она всегда меньше, чем ЭДС. ячейки.

Пример;

Q1) p.d. на выводах ячейки составляет 3,0 В, когда она не подключена к цепи и не течет ток. Когда ячейка подключена к цепи и течет ток 0,37 А, клемма p.d. падает до 2,8 В. Какое внутреннее сопротивление ячейки?

График терминала п.d. против нынешних

Если мы построим график разности потенциалов на клеммах (V) в зависимости от тока в цепи (I), мы получим прямую линию с отрицательным градиентом.

Мы можем им переставить э.д.с. уравнение сверху для соответствия общему выражению для прямой линии y = mx + c.

Из красных прямоугольников выше видно;

• точка пересечения по оси y равна э.д.с. ячейки
• градиент графика равен -r, где r — внутреннее сопротивление ячейки.

Cells EMF Internal Resistance — Study Materials для IIT JEE

• Полный курс физики — 11 класс

• ПРЕДЛАГАЕМАЯ ЦЕНА: Rs.2 968

• Просмотр подробностей

История

Луиджи Гальвани Итальянский ученый, отрезая лягушачью лапу, его стальной скальпель задел один из нервов лягушки, и мышцы ноги дернулись.Нога дернулась. Он назвал это явление феноменом животным электричеством. Гальвани тогда считал, что это электричество является врожденным или естественным для живых существ, включая человека. Затем он был удостоен чести за открытие биоэлектричества. Но позже Алессандро Вольта не согласился с его открытием. Он проделал тот же эксперимент и смог воспроизвести тот же результат. Хотя Вольта получил тот же результат, заявление Гальвани его не удовлетворило. Вольта сказал, что ноги дергались из-за двух разных металлов.

Volta затем провел еще один эксперимент, чтобы доказать это. Он приготовил стопку чередующихся слоев из меди и цинка, которые были разделены бумагой или тканью, смоченной в смеси с соленой водой. В этом эксперименте цинк теряет электроны, и, таким образом, происходит реакция окисления. Эти электроны затем принимаются ионами в воде и, таким образом, происходит реакция восстановления. Это основа элемента или батареи. Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею. Впервые он был назван Voltaic Pile. За его вклад в науку единица электрического потенциала названа Вольт .

Гальваническая свая

Позже ученые улучшили дизайн Вольты. Гальваническая батарея не могла обеспечивать ток в течение более длительных периодов времени. Затем John Frederic Daniell разработал ячейку Daniell. Таким образом, он избежал проблем с коррозией изобретения Вольта. Затем Джордж Лекланш, изобрел мокрый элемент, а доктор Карл Гасснер представил сухую батарею.Ученые заменили химический раствор сухими ячейками, заполненными химической пастой. Здесь металл снова окисляется, и происходят реакции как окисления, так и восстановления. Электрический ток не был полностью изучен до того, как были разработаны батареи. Сухие батареи — один из наиболее часто используемых типов батарей в наши дни.

Простая схема сухого элемента

Gaston Plante представил первую аккумуляторную батарею. Это свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, которая снова наиболее часто используется в автомобилях.

Ячейка

Мы знаем, что электрический ток — это поток заряженных частиц. Это поток электронов по цепи.

Ячейка — это устройство, которое поддерживает разность потенциалов, которая существует между двумя электродами из-за химической реакции. Набор из двух или более ячеек, которые соединены последовательно или параллельно, называется батареей . Таким образом мы получим необходимое напряжение или ток. Аккумулятор — это источник энергии, преобразующий химическую энергию в электрическую.Он также известен как электрохимическая ячейка. Энергия хранится в форме химической энергии внутри батареи. Аккумуляторы дают нам удобный источник энергии для питания устройств без кабелей и проводов. Когда он подключен к цепи, он производит электрическую энергию.

Батарея состоит из двух клемм — положительной и отрицательной. Положительный вывод называется , катод , а отрицательный вывод — , анод . Их также называют электродами ячейки .Эти электроды будут погружены в раствор, называемый электролитом. Это жидкость, которая является ионной и проводит электричество. Выходное напряжение батареи зависит от элементов, используемых в качестве электродов, размера электродов и типа используемого в ней электролита.

Когда аккумулятор собирается заряжаться, к нему подключается внешний источник. Анод батареи подключен к отрицательной клемме источника, а катод подключен к положительной клемме источника. Поскольку внешний источник подключен к батарее, электроны вставляются в анод.Когда элемент или батарея подключены к цепи, происходят химические реакции. Таким образом, внутри двух электродов происходят химические реакции. Здесь происходят реакции окисления и восстановления. Затем на катоде происходит реакция восстановления, а на аноде — процесс окисления.

Компоненты ячейки

Катод действует как окислитель, принимая электроны от отрицательного концевого анода. Анод действует как восстановитель, теряя электроны.Таким образом, из-за этих химических реакций возникает электрическая разница между клеммами-анодом и катодом. Когда нет энергии, электролит запрещает движение электронов непосредственно от анода к катоду. Вот почему мы используем внешний источник или подключаемся к цепи. Таким образом, электроны перемещаются от анода к катоду, когда цепь замкнута. Наконец, он дает питание подключенному к нему прибору. Спустя долгое время, когда электрохимический процесс изменяет материалы анода и катода, он перестает выделять электроны.Потом садится аккум.

Первичная и вторичная ячейки

Элемент или аккумулятор можно разделить на несколько категорий, таких как первичный элемент или аккумулятор, вторичный элемент или аккумулятор, резервный элемент и топливный элемент. Первичный элемент нельзя зарядить повторно, поэтому его можно использовать только один раз. Химическая реакция будет необратимой, и активные материалы не могут вернуться к своей первоначальной форме в первичной ячейке. Сухие элементы, щелочные элементы и ртутные элементы являются различными примерами первичных элементов.Первичные элементы стоят недорого и могут быть легко использованы. Не подходит для больших нагрузок.

Вторичные элементы можно заряжать снова и использовать снова и снова. Химическая реакция во вторичной ячейке обратима. Свинцово-кислотный элемент и топливные элементы являются примерами вторичных элементов. Свинцово-кислотный элемент широко используется в транспортных средствах и других приложениях, где требуется высокий ток нагрузки. Автомобильные аккумуляторы и резервные источники питания являются вторичными элементами. Солнечные элементы — это вторичные элементы, которые преобразуют энергию солнечного света в электрическую.Хотя стоимость вторичной ячейки выше по сравнению с первичной ячейкой, первичная ячейка может использоваться в течение длительного периода времени. Использование вторичной ячейки более сложно.

Соединения ячейки

Ячейки могут быть соединены в цепь как последовательно, так и параллельно. Для ячеек, соединенных последовательно, он дает большее результирующее напряжение. Поврежденные элементы можно легко идентифицировать и, следовательно, легко заменить, поскольку они разрывают цепь. Если какая-либо из ячеек повреждена в цепи, это может повлиять на все соединение.Ячейки, которые соединены последовательно, быстро истощаются, и поэтому они не служат дольше. В домашней электропроводке не используется.

Если ячейки соединены параллельно и одна из ячеек повреждена в цепи, это не повлияет на все соединение. Ячейки, соединенные параллельно, не изнашиваются легко и поэтому служат дольше. Напряжение, развиваемое ячейками при параллельном соединении, не может быть увеличено за счет увеличения количества ячеек, присутствующих в цепи. Это потому, что у них разные круговые пути.При параллельном подключении подключение обеспечивает питание из расчета на одну ячейку. Так что яркость лампочки не будет высокой.

Самодельные аккумуляторы

Из картошки можно сделать в домашних условиях батарею. Для этого эксперимента нам понадобятся картофель, оцинкованный гвоздь, медная монета, два зажима из кожи аллигатора и вольтметр. Оцинкованные гвозди имеют цинковое покрытие. Возьмите свежий картофель, потому что от его сока зависит результат эксперимента. Вставьте гальванизированный гвоздь в картофель чуть посередине.Затем вставьте медную монету в картофель, который должен быть немного дальше от оцинкованного гвоздя. Теперь один зажим к медной монете и вольтметр подключаем к одному проводу. Второй зажим подключается к оцинкованному гвоздю, а следующий вывод подключается к вольтметру. Затем проверьте показания вольтметра. Будет небольшое повышение напряжения.

Картофель в качестве аккумулятора

Картофельный сок действует как электролит в эксперименте, а цинк в ногте вступает в реакцию с медью.Таким образом происходит химическая реакция. Мы можем привести часы в действие, используя картофельные батарейки. Также можно зажечь лампочки от картофельного аккумулятора. Мы также можем вырабатывать электричество, используя лимонную батарею.

ЭДС

ЭДС или электродвижущая сила определяется как разность потенциалов, которая возникает между двумя выводами батареи в разомкнутой цепи. Мы знаем, что анод имеет положительный потенциал (V ₊ ), а катод — отрицательный потенциал (V _— ).Таким образом, ЭДС — это разность потенциалов между анодом положительного вывода и катодом отрицательного вывода, когда через него не протекает ток. ЭДС измеряет энергию, передаваемую заряду в элементе или батарее. Это энергия в джоулях, деленная на заряд в кулонах. ЭДС действует как инициирующая сила для протекания тока.

ε = E / Q, где ε — электродвижущая сила, E — энергия, а Q — заряд.

ЭДС, которая обозначается ε, а уравнение определяется как ε = V ₊ — (-V _— ) = V ₊ + V _-. Измеряется в вольтах.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление — это сопротивление внутри батареи, которое препятствует прохождению тока при подключении к цепи. Таким образом, он вызывает падение напряжения, когда через него протекает ток. Это сопротивление, обеспечиваемое электролитом и электродами, присутствующими в ячейке. Таким образом, внутреннее сопротивление обеспечивается электродами и электролитом, которые препятствуют прохождению тока внутри ячейки.

ЭДС и внутреннее сопротивление

Рассмотрим схему, приведенную ниже. Ячейка может быть модифицирована с помощью ЭДС ε и внутреннего резистора с сопротивлением r, включенного последовательно. В цепь также включен внешний нагрузочный резистор с сопротивлением R. Разность потенциалов клемм, представленная как V, определяется как разность потенциалов между положительной и отрицательной клеммами ячейки, когда ток течет по цепи.

ЭДС и внутреннее сопротивление

В = В ₊ + В _— — Ir.Это падение напряжения из-за внутреннего сопротивления.

Мы знаем, что ε = V ₊ + V _-. = Я (R + r).

ε = ИК + Ir.

= V + Ir

В = ε — Ir.

Итак, V = ε — Ir, где V — разность потенциалов в цепи, ε — ЭДС, I — ток, протекающий по цепи, r — внутреннее сопротивление.

Обычно внутреннее сопротивление ячейки не учитывается, потому что ε >> Ir. Величина внутреннего сопротивления меняется от ячейки к ячейке.

Эквивалентная ЭДС n ячеек в последовательной комбинации является суммой их индивидуальных ЭДС. Эквивалентное внутреннее сопротивление n ячеек в последовательной комбинации является суммой их индивидуального внутреннего сопротивления. Для числа n ячеек, соединенных параллельно с ЭДС ε _1, ε _{2 ……} ε _n и внутренним сопротивлением r ₁ , r _2…. r _n

Резюме

• Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею, которая сначала была названа Voltaic Pile .

• Ячейка — это ячейка, которая поддерживает разность потенциалов, существующую между двумя электродами из-за химической реакции. Когда две или более ячейки объединяются вместе, получается батарея. Он преобразует химическую энергию в электрическую.

• Батарея состоит из двух клемм, которые являются положительной и отрицательной клеммами и также известны как электроды ячейки . Положительный вывод называется катодом , а отрицательный вывод называется анодом .Эти электроды будут погружены в раствор, называемый электролитом. Когда происходит химическая реакция, на аноде происходит окисление, а на катоде — восстановление.

• Элемент или батарея делятся на две основные категории, такие как первичный элемент или батарея и вторичный элемент. Первичная ячейка используется только один раз, а вторичная ячейка может использоваться более одного раза.

• Элементы могут быть соединены последовательно и параллельно в цепь.

• Мы можем сделать батарейки в домашних условиях из картофеля, лимона и т. Д.

• ЭДС или электродвижущая сила — это разность потенциалов, возникающая между двумя выводами батареи в разомкнутой цепи. ε = E / Q, ε — электродвижущая сила, E — энергия, Q — заряд.

• Внутреннее сопротивление, которое существует внутри батареи, препятствует протеканию тока при подключении к цепи.

Посмотрите это видео, чтобы получить дополнительную информацию

Дополнительная информация

Ячейки, ЭДС, внутреннее сопротивление

Особенности курса

• 101 Видеолекция
• Примечания к редакции
• Документы за предыдущий год
• Интеллектуальная карта
• Планировщик исследования
• Решения NCERT
• Обсуждение Форум
• Тестовая бумага с видео-решением

Тщательное измерение ЭДС, образцы эссе

3 страницы, 1237 слов

Для измерения напряжения и тока в цепи и на основе этого значения вычислить ЭДС и внутреннее сопротивление элемента, чтобы выявить связанные с этим ошибки и устранить их наиболее эффективным способом, а также поддерживать безопасную рабочую среду в любое время.

Фон

ЭДС (электродвижущая сила) — это мера работы, совершаемой на единицу заряда, и измеряется в вольтах. Внутреннее сопротивление — это сопротивление ячейки в Ом. В эксперименте я буду использовать батарею на 1,5 В. Я буду измерять напряжение и ток мультиметрами.

Метод расчета

Я намереваюсь переставить уравнение «ε = Ir + IR», чтобы сформировать «V = -Ir + ε», а затем нарисовать графическое уравнение y = mx + c, чтобы найти ЭДС и внутреннее сопротивление. Пересечение оси Y измеряет ЭДС, а градиент дает вам внутреннее сопротивление.

Прогнозируемые основные источники ошибки

Мультиметр имеет некоторые неточности: сопротивление с точностью до 0,1 Ом (+/- 0,8%), ток с точностью до 0,03 А (+/- 2%) и напряжение с точностью до 1 мВ (+/- 0,5%).

Сами по себе незначительные проблемы, но могут иметь кумулятивный эффект. Сопротивление всех соединенных вместе проводов составляет 0,6 Ом. Но самая большая погрешность после раннего тестирования — это колебания амперметра, амперметр очень редко устанавливает значение, которое приводит к неточности 0.02 В (+/- 0,01 В) и 0,02 А (+/- 0,01 А).

Эта неопределенность может быть очень высокой, особенно при более низких значениях Первый эксперимент

Я начал с простого эксперимента, чтобы получить цифры, позволяющие добиться улучшений.

2 страницы, 607 слов

The Essay on Circuits Experiment

1. Опишите тип движения счетчика, используемого в аналоговых счетчиках. Ток в цепи используется в базовых счетчиках для измерения падения напряжения или тока в цепи.Ток проходит через витки проводов, которые затем намагничиваются. Внутри устройства также находится постоянный магнит, который противодействует магнитному полю намагниченной катушки с проволокой, соединенной с указателем …

Это принципиальная схема моего первого эксперимента

Вскоре стало ясно, что у переменного резистора не было сопротивления, необходимого для индукции тока, необходимого для эксперимента. Я заменил исходный переменный резистор на реостат, так как сопротивление можно было изменять более линейно, а не экспоненциально увеличивая переменный резистор.В моем эксперименте есть несколько угроз безопасности, но, чтобы убедиться, что в проводах не просвечивает медь, я касался реостата только тогда, когда он не был подключен к ячейке, и опасался опасностей, связанных с нахождением рядом с другими экспериментами.

Мои первоначальные результаты были очень обнадеживающими, поскольку корреляция была очень сильной. Я повторил тот же эксперимент, но потребовал больше времени. Эти результаты образуют явную отрицательную корреляцию. Однако в конце эксперимента результаты отклонились от линии наилучшего соответствия, что резко показало, что во время эксперимента явно произошла ошибка.Первоначально я думал, что это проблема с нагревом батареи со временем, поэтому решил измерить сопротивление реостата в моем следующем эксперименте, чтобы у батареи было время остыть.

См. Соответствующий график (следующая страница)

Я также измерил напряжение на своей батарее в перерывах между экспериментами и обнаружил, что моя батарея «1,5 В» выдает 1,559 В, с ошибкой в ​​4%. Чтобы попытаться исправить эту проблему, я пробовал новые батареи, пока не был обнаружен один с очень низким процентом ошибки, один с 1.503V с незначительной ошибкой.

Второй эксперимент

Поскольку мой первый эксперимент дал хорошие результаты, я подумал, что в моем эксперименте не требуется никаких крупномасштабных изменений. Я решил измерить сопротивление реостата между измерениями напряжения и тока в цепи, так как в то время я считал, что нагрев батареи — это проблема, которая даст ей время остыть. Принципиальная схема такая же, как и раньше, с измеренным сопротивлением в побочном эксперименте. Сначала результаты были хорошими, но затем упали, и корреляция пошла в неверном направлении.Две попытки дали очень похожие результаты.

Я подумал, что это могло быть результатом перегрева батареи, поскольку она была включена в течение долгого времени, так как сначала я изо всех сил пытался получить показания, так как показание сопротивления было очень низким. Когда сопротивление на реостате очень низкое, возникают аномалии. Батарея вырабатывает большой флуктуирующий ток, потому что при низком сопротивлении возникает большой ток. Химическая энергия в батарее недостаточна для регенерации энергии.Я также использовал те же меры предосторожности, что и раньше, поскольку не было никаких новых опасностей, связанных с моим слегка измененным экспериментом

.

6 страниц, 2729 слов

Курсовая работа по систематической идентификации Bacillus Subtilis и Serratia Marcescens с помощью набора тестов и планшетов Введение

Целью этого эксперимента было использование систематической батареи пробирок и планшетов, предназначенных для идентификации двух неизвестных видов бактерий по совокупности всех результатов.Использовали образец бактерий, обозначенный «Образец 4», из которого должны были быть получены оба вида, один грамм-положительный и один грамм-отрицательный. Таблица 1 представляет собой список возможных бактерий, которые необходимо идентифицировать; базовая …

Третий эксперимент

Я значительно изменил свой экспериментальный метод для моего третьего эксперимента. Я выяснил, что реостат мог перегреваться сам по себе или одновременно с батареей, поэтому я перестал снимать показания сопротивления и ввел переключатель в схему, чтобы батарея и реостат использовались как можно меньше времени.Я также провел последний эксперимент без переключателя, а также повторил эксперимент с переключателем.

Конечная электрическая схема

Мои лучшие результаты были получены в последнем эксперименте с переключателем, все окончательные результаты эксперимента четко коррелируют. Это мои окончательные результаты. Я снова провел свой последний эксперимент и соединил результаты на одном графике, чтобы показать корреляции.

Заключение

Мое значение ЭДС 1,45 В с погрешностью +/- 0.1 вольт. Это вычисляется с использованием «V = -Ir + ε» по оси x, «-Ir» части уравнения = 0, поэтому в этой точке «V = ε», так что отсюда считывается значение. Если «V = -Ir + ε,» заменяется на «y = mx + c», внутреннее сопротивление представляет собой градиент графика. Мое значение внутреннего сопротивления составляет 0,1 Ом с погрешностью +/- из-за его небольшого размера. Эти результаты взяты только из моего окончательного графика. Мои планки погрешностей в обоих направлениях объединяют все погрешности эксперимента.

2 страницы, 829 слов

The Essay on Starter Relay Motor Battery Switch

Функция пусковой системы — провернуть двигатель для его запуска.Система состоит из стартера, реле стартера (также называемого соленоидом), аккумулятора, переключателя и соединительных проводов. При повороте ключа зажигания в исходное положение сигнал на реле стартера подается через цепь управления стартером. Затем реле стартера подключает аккумулятор к стартеру. Аккумулятор питает …

Оценка

Мои точки данных точно соответствуют корреляции. Значение ЭДС является точкой пересечения оси y, потому что, когда, однако, по мере увеличения тока точки данных расходятся дальше.Вероятно, это связано с тем, что они объединены из двух разных экспериментов, и батарея или реостат могли нагреваться во время эксперимента, ясно, что для получения наилучшей корреляции различные компоненты должны быть как можно сильнее выключены. Я также удостоверился, что в моих окончательных результатах не было результатов короткого замыкания, так как это сильно повлияло бы на корреляцию, сделав ее неточной. Если бы я слишком проделал эксперимент снова, я бы сделал эти два набора результатов непосредственно друг за другом, так как ячейка так же явно истощилась в эксперименте между этими значениями.Я бы также взял гораздо больше наборов данных, чтобы быть уверенным, что корреляция верна и имеет наиболее точное значение ЭДС и внутреннего сопротивления.

Я бы использовал переключатель с самого начала, так как большая часть химической энергии могла быть израсходована на батарею с течением времени, особенно когда низкое сопротивление замыкало ее накоротко, поскольку ее ЭДС, похоже, упала с 1,503 вольт в начале до 1,45 вольт в конце эксперимента. Я бы также использовал более точные мультиметры, чтобы уменьшить неопределенность эксперимента.Я бы также попробовал батареи, если бы разные номинальные мощности, чтобы увидеть, какие батареи дадут значение ЭДС, наиболее близкое к его номинальной мощности.