Termini kasutuselevõtu vajadust saab illustreerida järgmise näitega. Võrdleme kahte sama pingega keemilist alalisvooluallikat:

• Auto pliiaku pingega 12 volti ja võimsusega 55 Ah
• Kaheksa järjestikku ühendatud AA patareid. Sellise aku kogupinge on samuti 12 volti, mahutavus on palju väiksem - umbes 1 Ah

Vaatamata samale pingele erinevad need allikad samal koormusel töötades oluliselt. Seega on autoaku võimeline andma koormusele suurt voolu (auto mootor käivitub akust, starter aga tarbib voolu 250 amprit), kuid akude ketist starter ei pöörle üldse. Akude suhteliselt väike mahutavus pole põhjuseks: ühest ampritunnist akudes piisaks, et starterit 14 sekundit (voolutugevusel 250 amprit) pöörata.

Seega tuleb allikaid (st pinge- ja voolugeneraatoreid) sisaldavate kahe terminaliga võrkude puhul rääkida konkreetselt sisemine takistus (või impedants). Kui kahe terminali võrk ei sisalda allikaid, siis " sisemine vastupanu" tähendab sellise kahe terminali võrgu jaoks sama, mis Lihtsalt"vastupanu".

Seotud terminid

Kui mõnes süsteemis on võimalik sisendit ja/või väljundit eristada, siis kasutatakse sageli järgmisi termineid:

Füüsikalised põhimõtted

Hoolimata asjaolust, et samaväärses vooluringis esitatakse sisetakistus ühe passiivse elemendina (ja aktiivne takistus, see tähendab, et takisti on selles tingimata olemas), ei ole sisetakistus koondunud üheski elemendis. Kahe terminali võrk ainult väliselt käitub nagu oleks sellel kontsentreeritud sisetakistus ja pingegeneraator. Tegelikkuses on sisemine vastupanu füüsiliste mõjude kogumi väline ilming:

• Kui kahe terminali võrgus on ainult energiaallikas ilma elektriahelata (näiteks galvaaniline element), siis on sisetakistus peaaegu puhtalt aktiivne (kui me ei räägi väga kõrgetest sagedustest), on see tingitud füüsilistest mõjudest, mis ei võimalda selle allika poolt tarnitud võimsust koormus ületab teatud piiri. Sellise efekti lihtsaim näide on elektriahela juhtide nullist erinev takistus. Kuid reeglina annavad suurima panuse võimu piiramisse mõju mitteelektriline loodus. Nii saab seda näiteks võimsusel piirata reaktsioonis osalevate ainete kokkupuutepinnaga, hüdroelektrijaama generaatoris - piiratud veesurvega jne.
• Kahe terminali võrgu puhul, mis sisaldab sees elektriskeem, sisetakistus on "hajutatud" vooluahela elementides (lisaks ülaltoodud allikas loetletud mehhanismidele).

See tähendab ka mõningaid sisemise takistuse tunnuseid:

Sisetakistuse mõju kahe terminali võrgu omadustele

Sisemise takistuse mõju on iga aktiivse kahe terminaliga võrgu lahutamatu omadus. Sisemise takistuse olemasolu peamine tulemus on piirata elektrivõimsust, mida on võimalik saada sellest kahe terminali võrgust tarnitava koormuse korral.

Olgu siis kahe terminaliga võrk, mida saab kirjeldada ülaltoodud samaväärse ahelaga. Kahe terminali võrgul on kaks tundmatut parameetrit, mis tuleb leida:

• EMF pinge generaator U
• Sisemine takistus r

Üldiselt on kahe tundmatu määramiseks vaja teha kaks mõõtmist: mõõta pinget kahe terminali võrgu väljundis (st potentsiaali erinevust U out = φ 2 − φ 1) kahel erineval koormusvoolul. Siis leiate võrrandisüsteemist tundmatud parameetrid:

Kus U välja1 ma 1, Uout2- väljundpinge voolul ma 2. Lahendades võrrandisüsteemi, leiame tundmatud tundmatud:

Tavaliselt kasutatakse sisetakistuse arvutamiseks lihtsamat tehnikat: leitakse kaheklemmilise võrgu pinge tühikäigurežiimis ja vool lühisrežiimis. Sel juhul kirjutatakse süsteem () järgmiselt:

Kus U oc- väljundpinge ooterežiimis (ing. avatud vooluring), see tähendab nullkoormusel; Isc- koormusvool lühiserežiimis (ing. lühis), see tähendab nulltakistusega koormuse all. Siin on arvestatud, et väljundvool tühirežiimil ja väljundpinge lühisrežiimis on null. Viimastest võrranditest saame kohe:

Mõõtmine

Kontseptsioon mõõtmine reaalsele seadmele (kuid mitte vooluringile) kohaldatav. Otsene mõõtmine oommeetriga on võimatu, kuna seadme sonde on võimatu ühendada sisemise takistuse klemmidega. Seetõttu on vajalik kaudne mõõtmine, mis ei erine põhimõtteliselt arvutamisest – kahe erineva voolu väärtuse juures on vaja ka pingeid koormuse lõikes. Siiski ei ole alati võimalik kasutada lihtsustatud valemit (2), kuna mitte iga reaalne kahe terminaliga võrk ei võimalda töötada lühisrežiimis.

Mõnikord kasutatakse järgmist lihtsat mõõtmismeetodit, mis ei nõua arvutusi:

• Mõõdetakse avatud vooluahela pinget
• Muutuva takisti ühendatakse koormusena ja selle takistus valitakse nii, et selle pinge on pool avatud ahela pingest.

Pärast kirjeldatud protseduure tuleb koormustakisti takistust mõõta oommeetriga - see võrdub kahe terminali võrgu sisemise takistusega.

Ükskõik millist mõõtmismeetodit kasutatakse, tuleb olla ettevaatlik kahe terminali võrgu liigse vooluga ülekoormamise eest, see tähendab, et vool ei tohiks ületada antud kahe terminali võrgu maksimaalset lubatud väärtust.

Reaktiivne sisetakistus

Kui kaheklemmilise võrgu ekvivalentskeem sisaldab reaktiivelemente - kondensaatoreid ja/või induktiivpooli, siis arvutus Reaktiivset sisetakistust teostatakse samamoodi nagu aktiivtakistust, kuid takistitakistuste asemel võetakse ahelasse kuuluvate elementide komplekstakistused ning pingete ja voolude asemel nende komplekssed amplituudid, see tähendab arvutus. tehakse kompleksamplituudimeetodil.

Mõõtmine reaktantsusel on mõned eripärad, kuna see on pigem kompleksväärtuslik kui skalaarväärtus:

• Saate otsida erinevaid kompleksväärtuse parameetreid: moodulit, argumenti, ainult reaal- või imaginaarset osa, aga ka kogu kompleksarvu. Sellest lähtuvalt sõltub mõõtmistehnika sellest, mida me tahame saada.
• Kõik loetletud parameetrid sõltuvad sagedusest. Teoreetiliselt on sisemise reaktiivtakistuse kohta täieliku teabe saamiseks mõõtmise teel vaja eemaldada sõltuvus sagedusel, st tehke mõõtmised kell kõik sagedused, mida antud kahe terminaliga võrgu allikas saab genereerida.

Rakendus

Enamikul juhtudel ei tohiks me sellest rääkida rakendus sisetakistust ja umbes raamatupidamine selle negatiivne mõju, kuna sisemine takistus on pigem negatiivne mõju. Mõnes süsteemis on aga nominaalne sisetakistus hädavajalik.

Samaväärsete ahelate lihtsustamine

Kahe terminali võrgu kujutamine pingegeneraatori ja sisetakistuse kombinatsioonina on kahe terminali võrgu kõige lihtsam ja sagedamini kasutatav ekvivalentskeem.

Allika ja koormuse sobitamine

Allika ja koormuse sobitamine on koormuse takistuse ja allika sisemise takistuse suhte valik, et saavutada tulemuseks oleva süsteemi kindlaksmääratud omadused (reeglina püütakse saavutada mis tahes parameetri maksimaalne väärtus antud allikas). Kõige sagedamini kasutatavad sobitamise tüübid on järgmised:

Voolu ja võimsuse sobitamist tuleks kasutada ettevaatusega, kuna on oht allika ülekoormamiseks.

Kõrgepinge vähendamine

Mõnikord lisatakse allikale kunstlikult suur takistus (lisatakse allika sisetakistusele), et sealt saadavat pinget oluliselt vähendada. Takisti lisatakistusena lisamine (nn kustutustakisti) toob aga kaasa selle, et sellele eraldatakse kasutu võimsus. Energia raiskamise vältimiseks kasutavad vahelduvvoolusüsteemid reaktiivsummutavaid takistusi, enamasti kondensaatoreid. Nii ehitatakse kondensaatorite toiteallikad. Samamoodi saate kõrgepingeliini mahtuvusliku kraani abil saada väikese pinge mis tahes autonoomsete seadmete toiteks.

Müra minimeerimine

Nõrkade signaalide võimendamisel tekib sageli ülesanne minimeerida võimendi poolt signaali tekitatud müra. Selleks otstarbeks eriline madala müratasemega võimendid kuid need on konstrueeritud nii, et madalaim müratase saavutatakse ainult signaaliallika väljundtakistuse teatud vahemikus. Näiteks madala müratasemega võimendi annab minimaalse müra ainult allika väljundtakistuse vahemikus 1 kΩ kuni 10 kΩ; kui signaaliallikal on väiksem väljundtakistus (näiteks mikrofon väljundtakistusega 30 oomi), siis tuleks allika ja võimendi vahel kasutada astmelist trafot, mis suurendab väljundtakistust (nagu ka signaali pinge) nõutava väärtuseni.

Piirangud

Sisetakistuse mõiste võetakse kasutusele samaväärse vooluahela kaudu, seega kehtivad samad piirangud, mis samaväärsete vooluahelate rakendatavuse puhul.

Näited

Sisetakistuse väärtused on suhtelised: see, mida peetakse väikeseks, näiteks galvaanilise elemendi puhul, on võimsa aku jaoks väga suur. Allpool on näited kahe terminali võrkude ja nende sisemise takistuse väärtuste kohta r. Kahe terminali võrkude triviaalsed juhtumid allikaid pole on konkreetselt öeldud.

Madal sisetakistus

Kõrge sisemine takistus

Negatiivne sisemine takistus

On kahe terminaliga võrke, mille sisetakistus on olemas negatiivne tähenduses. Normaalses korras aktiivne takistus, energia hajumine toimub, sisse reaktiivne Vastupanu korral energia salvestatakse ja seejärel lastakse tagasi allikale. Negatiivse vastupanu eripära on see, et ta ise on energiaallikas. Seetõttu ei esine negatiivset takistust puhtal kujul, seda saab simuleerida ainult elektroonilise vooluringiga, mis sisaldab tingimata energiaallikat. Negatiivse sisetakistuse saab ahelates saavutada, kasutades:

• negatiivse diferentsiaaltakistusega elemendid, näiteks tunneldioodid

Negatiivse takistusega süsteemid on potentsiaalselt ebastabiilsed ja seetõttu saab neid kasutada iseostsillaatorite ehitamiseks.

Vaata ka

Lingid

Kirjandus

• Zernov N.V., Karpov V.G. Raadiotehnika ahelate teooria. - M. - L.: Energeetika, 1965. - 892 lk.
• Jones M.H. Elektroonika – praktiline kursus. - M.: Tehnosfäär, 2006. - 512 lk. ISBN 5-94836-086-5

Märkmed

Wikimedia sihtasutus.

• 2010. aasta.
• 
  

Polütehniline terminoloogiline seletav sõnastik

Ohmi seadus tervikliku vooluahela jaoks, mille definitsioon puudutab elektrivoolu väärtust reaalsetes ahelates, sõltub vooluallikast ja koormuse takistusest. Sellel seadusel on ka teine ​​nimi – Ohmi seadus suletud ahelate jaoks. Selle seaduse tööpõhimõte on järgmine.

Lambipirni läbiv elektrivool läbib ka vooluallikat ennast. Seega kogeb vool vooluahelat läbides mitte ainult juhi, vaid ka otseselt vooluallika enda takistust. Allikas tekitab takistuse plaatide ning plaatide ja elektrolüüdi piirkihtide vahel paiknev elektrolüüt. Sellest järeldub, et suletud vooluringis koosneb selle kogutakistus lambipirni ja vooluallika takistuste summast.

Väline ja sisemine takistus

Vooluallikaga ühendatud koormuse, antud juhul lambipirni, takistust nimetatakse välistakistuseks. Vooluallika otsetakistust nimetatakse sisetakistuseks. Protsessi visuaalsemaks kujutamiseks tuleb kõik väärtused määratleda tavapäraselt. I - , R - välistakistus, r - sisetakistus. Kui vool liigub läbi elektriahela, peab selle säilitamiseks välise ahela otste vahel olema potentsiaalide erinevus, mille väärtus on IxR. Siiski täheldatakse voolu liikumist ka sisemises vooluringis. See tähendab, et elektrivoolu säilitamiseks siseringis on vajalik ka potentsiaalide erinevus takistuse r otstes. Selle potentsiaalse erinevuse väärtus on võrdne Iхr-ga.

Aku elektromotoorjõud

Akul peab olema järgmine elektromotoorjõu väärtus, mis suudab säilitada ahelas vajalikku voolu: E=IxR+Ixr. Valemist on näha, et aku elektromotoorjõud on välise ja sisemise summa. Praegune väärtus tuleb sulgudest välja võtta: E=I(r+R). Muidu võite ette kujutada: I=E/(r+R) . Viimased kaks valemit väljendavad Ohmi seadust tervikliku vooluringi jaoks, mille definitsioon on järgmine: suletud ahelas on voolutugevus otseselt võrdeline elektromotoorjõuga ja pöördvõrdeline selle ahela takistuste summaga.

Juhis tekib elektrivool elektrivälja mõjul, põhjustades vabade laetud osakeste liikumist teatud suunas. Osakeste voolu tekitamine on tõsine probleem. Sellise seadme ehitamine, mis ühes olekus väljapotentsiaalide erinevust pikka aega säilitaks, on ülesanne, mille inimkond sai lahendada alles 18. sajandi lõpuks.

Esimesed katsed

Esimesed katsed elektrienergiat "salvestada" selle edasiseks uurimiseks ja kasutamiseks tehti Hollandis. Leideni linnas oma uurimistööd teinud sakslane Ewald Jürgen von Kleist ja hollandlane Pieter van Musschenbroek lõid maailma esimese kondensaatori, mida hiljem nimetati Leydeni purgiks.

Elektrilaengu akumuleerumine toimus juba mehaanilise hõõrdumise mõjul. Teatud, üsna lühikese aja jooksul oli võimalik kasutada tühjendust läbi juhtme.

Inimmõistuse võit sellise kaduva aine üle nagu elekter osutus revolutsiooniliseks.

Kahjuks kestis tühjenemine (kondensaatori tekitatud elektrivool) nii lühikest aega, et seda ei saanud tekitada. Lisaks väheneb kondensaatori poolt antav pinge järk-järgult, mis ei jäta võimalust pikaajalise voolu vastuvõtmiseks.

Tuli otsida teist teed.

Esimene allikas

Itaallase Galvani katsed "looma elektri" alal olid originaalne katse leida looduses loomulik vooluallikas. Riputades lõhestatud konnade jalad raudvõre metallkonksudele, juhtis ta tähelepanu närvilõpmete iseloomulikule reaktsioonile.

Galvani järeldused lükkas aga ümber teine ​​itaallane Alessandro Volta. Tundes huvi loomorganismide elektrienergia saamise võimalusest, viis ta läbi rea katseid konnadega. Kuid tema järeldus osutus eelnevate hüpoteeside täielikuks vastupidiseks.

Volta märkas, et elusorganism on vaid elektrilahenduse indikaator. Kui vool möödub, tõmbuvad käppade lihased kokku, mis näitab potentsiaalset erinevust. Elektrivälja allikaks osutus erinevate metallide kokkupuude. Mida kaugemal need keemiliste elementide seerias asuvad, seda olulisem on mõju.

Erinevatest metallidest plaadid, mis olid vooderdatud elektrolüüdilahuses leotatud paberketastega, tekitasid pikaks ajaks vajaliku potentsiaalide erinevuse. Ja kuigi see oli madal (1,1 V), sai elektrivoolu uurida kaua. Peaasi, et pinge püsis sama kaua muutumatuna.

Mis toimub

Miks see efekt ilmneb allikates, mida nimetatakse "galvaanilisteks elementideks"?

Kaks dielektrikusse asetatud metallelektroodi mängivad erinevat rolli. Üks varustab elektrone, teine ​​võtab neid vastu. Redoksreaktsiooni protsess toob kaasa elektronide liigse ilmumise ühel elektroodil, mida nimetatakse negatiivseks pooluseks, ja puudujäägini teisel, mida nimetame allika positiivseks pooluseks.

Kõige lihtsamates galvaanilistes elementides toimuvad ühel elektroodil oksüdatsioonireaktsioonid, teisel redutseerimisreaktsioonid. Elektronid tulevad elektroodidele ahela välisosast. Elektrolüüt on ioonvoolu juht allika sees. Vastupanu jõud kontrollib protsessi kestust.

Vask-tsink element

Huvitav on vaadelda galvaaniliste elementide tööpõhimõtet vask-tsink-galvaanielemendi näitel, mille toime tuleneb tsingi ja vasksulfaadi energiast. Selles allikas asetatakse vaskplaat lahusesse ja tsinkelektrood kastetakse tsinksulfaadi lahusesse. Lahused eraldatakse segunemise vältimiseks poorse vahetükiga, kuid need peavad kokku puutuma.

Kui ahel on suletud, oksüdeerub tsingi pinnakiht. Vedelikuga interaktsiooni käigus ilmuvad lahusesse tsingi aatomid, mis muutuvad ioonideks. Elektroodil vabanevad elektronid, mis võivad osaleda voolu moodustamises.

Vaskelektroodile sattudes osalevad elektronid redutseerimisreaktsioonis. Vase ioonid tulevad lahusest redutseerimise käigus pinnakihti, need muutuvad vase aatomiteks, sadestuvad vaskplaadile.

Võtame toimuva kokku: galvaanilise elemendi tööprotsessiga kaasneb elektronide üleminek redutseerijalt oksüdeerivale ainele mööda ahela välist osa. Reaktsioonid toimuvad mõlemal elektroodil. Allika sees voolab ioonvool.

Kasutamise raskus

Põhimõtteliselt saab akudes kasutada kõiki võimalikke redoksreaktsioone. Kuid tehniliselt väärtuslikes elementides ei ole nii palju aineid, mis oleksid võimelised töötama. Pealegi nõuavad paljud reaktsioonid kalleid aineid.

Kaasaegsed akud on lihtsama ehitusega. Kaks elektroodi, mis on paigutatud ühte elektrolüüti, täidavad anuma - aku korpuse. Sellised disainifunktsioonid lihtsustavad struktuuri ja vähendavad akude maksumust.

Iga galvaaniline element on võimeline tootma alalisvoolu.

Voolutakistus ei lase kõigil ioonidel korraga elektroodidele ilmuda, mistõttu element töötab pikka aega. Ioonide moodustumise keemilised reaktsioonid peatuvad varem või hiljem ja element tühjeneb.

Praegusel allikal on suur tähtsus.

Natuke vastupanust

Kahtlemata viis elektrivoolu kasutamine teaduse ja tehnika arengu uuele tasemele ja andis sellele hiiglasliku tõuke. Kuid vooluvoolu takistusjõud takistab sellist arengut.

Ühelt poolt on elektrivoolul igapäevaelus ja tehnikas kasutatavad hindamatud omadused, teisalt aga märkimisväärne takistus. Füüsika kui loodusteadus püüab luua tasakaalu ja viia need asjaolud kooskõlla.

Voolutakistus tekib elektriliselt laetud osakeste vastasmõjul ainega, mille kaudu nad liiguvad. Tavalistes temperatuuritingimustes on seda protsessi võimatu välistada.

Vastupidavus

Vooluallikal ja vooluringi välisosa takistusel on veidi erinev olemus, kuid sama on nendes protsessides laengu liigutamiseks tehtav töö.

Töö ise sõltub ainult allika ja selle täitmise omadustest: elektroodide ja elektrolüüdi omadustest, samuti vooluringi välistest osadest, mille takistus sõltub materjali geomeetrilistest parameetritest ja keemilistest omadustest. Näiteks metalltraadi takistus suureneb selle pikkusega ja väheneb ristlõikepinna suurenedes. Resistentsuse vähendamise probleemi lahendamisel soovitab füüsika kasutada spetsiaalseid materjale.

Praegune töö

Joule-Lenzi seaduse kohaselt eraldub juhtides takistusega võrdeline soojushulk. Kui soojushulk on tähistatud Q int. , voolutugevus I, selle vooluaeg t, siis saame:

• Q sisemine = I 2 r t,

kus r on vooluallika sisetakistus.

Kogu ahelas, sealhulgas nii sise- kui ka välisosas, eraldub soojuse koguhulk, mille valem on:

• Q kokku = I 2 r t + I 2 R t = I 2 (r + R) t,

On teada, kuidas füüsikas takistust tähistatakse: välisahelal (kõik elemendid, välja arvatud allikas) on takistus R.

Ohmi seadus tervikliku vooluringi jaoks

Võtkem arvesse, et põhitööd teevad välised jõud vooluallika sees. Selle väärtus võrdub välja poolt ülekantud laengu ja allika elektromotoorjõu korrutisega:

• q · E = I 2 · (r + R) · t.

Mõistes, et laeng võrdub voolutugevuse ja selle voolamise aja korrutisega, saame:

• E = I (r + R).

Vastavalt põhjuse-tagajärje seostele on Ohmi seadusel järgmine kuju:

• I = E: (r + R).

Suletud vooluringis on vooluallika EMF otseselt proportsionaalne ja pöördvõrdeline ahela kogu (löögi)takistusega.

Selle mustri põhjal on võimalik määrata vooluallika sisetakistus.

Allika tühjendusvõimsus

Allikate peamised omadused hõlmavad tühjendusvõimsust. Teatud tingimustel töötamise ajal saadav maksimaalne elektrienergia kogus sõltub tühjendusvoolu tugevusest.

Ideaaljuhul, kui tehakse teatud lähendused, võib tühjendusvõimsust pidada konstantseks.

Näiteks standardaku, mille potentsiaalide erinevus on 1,5 V, tühjendusvõimsus on 0,5 Ah. Kui tühjendusvool on 100 mA, töötab see 5 tundi.

Akude laadimise meetodid

Akude kasutamine tühjendab need. väikese suurusega elementide laadimine toimub voolu abil, mille tugevus ei ületa kümnendikku allika võimsusest.

Saadaval on järgmised laadimisviisid:

• konstantse voolu kasutamine teatud aja jooksul (umbes 16 tundi vooluga 0,1 aku mahutavusega);
• laadimine kahaneva vooluga etteantud potentsiaalide erinevuseni;
• asümmeetriliste voolude kasutamine;
• lühikeste laadimis- ja tühjendusimpulsside järjestikune rakendamine, mille puhul esimese aeg ületab teise aega.

Praktiline töö

Pakutakse välja ülesanne: määrake vooluallika sisetakistus ja emf.

Selle teostamiseks peate varuma vooluallika, ampermeetri, voltmeetri, liugurreostaadi, võtme ja juhtmete komplekti.

Kasutamine võimaldab teil määrata vooluallika sisemise takistuse. Selleks peate teadma selle EMF-i ja reostaadi takistuse väärtust.

Voolutakistuse arvutamise valemi vooluringi välisosas saab määrata vooluahela sektsiooni Ohmi seadusest:

• I=U:R,

kus I on voolutugevus vooluahela välisosas, mõõdetuna ampermeetriga; U on välistakistuse pinge.

Täpsuse suurendamiseks tehakse mõõtmisi vähemalt 5 korda. Milleks see mõeldud on? Edasi kasutatakse katse käigus mõõdetud pinget, takistust, voolu (õigemini voolutugevust).

Vooluallika EMF-i määramiseks kasutame ära asjaolu, et selle klemmide pinge, kui lüliti on avatud, on peaaegu võrdne EMF-iga.

Paneme kokku aku, reostaadi, ampermeetri ja järjestikku ühendatud võtme vooluringi. Ühendame voltmeetri vooluallika klemmidega. Pärast võtme avamist võtame selle näidud.

Sisetakistus, mille valem saadakse Ohmi seadusest terve vooluahela jaoks, määratakse matemaatiliste arvutustega:

• I = E: (r + R).
• r = E: I - U: I.

Mõõtmised näitavad, et sisemine takistus on oluliselt väiksem kui välimine.

Akude ja patareide praktilist funktsiooni kasutatakse laialdaselt. Elektrimootorite vaieldamatu keskkonnaohutus on väljaspool kahtlust, kuid mahuka, ergonoomilise aku loomine on kaasaegse füüsika probleem. Selle lahendus viib autotehnoloogia uue arendamise vooruni.

Väikesed, kerged ja suure võimsusega taaslaetavad akud on samuti hädavajalikud mobiilsetes elektroonikaseadmetes. Nendes kasutatud energia hulk on otseselt seotud seadmete jõudlusega.

Elektriajastul pole ilmselt inimest, kes ei teaks elektrivoolu olemasolust. Kuid vähesed inimesed mäletavad koolifüüsika kursusest rohkem kui suuruste nimetusi: vool, pinge, takistus, Ohmi seadus. Ja ainult väga vähesed mäletavad, mis nende sõnade tähendus on.

Selles artiklis käsitleme, kuidas elektrivool tekib, kuidas see ahela kaudu edastatakse ja kuidas seda suurust arvutustes kasutada. Kuid enne põhiosa juurde asumist pöördugem elektrivoolu ja selle allikate avastamise ajaloo ning elektromotoorjõu määratluse poole.

Lugu

Elekter kui energiaallikas on tuntud juba iidsetest aegadest, sest loodus ise toodab seda tohututes kogustes. Ilmekas näide on välk või elektriline kaldtee. Vaatamata sellisele inimlähedusele õnnestus seda energiat ohjeldada alles XVII sajandi keskel: Magdeburgi burgomeister Otto von Guericke lõi masina, mis võimaldas tekitada elektrostaatilist laengut. Kaheksateistkümnenda sajandi keskel lõi Hollandi teadlane Peter von Muschenbroek maailma esimese elektrikondensaatori, mis nimetati Leydeni purgiks ülikooli auks, kus ta töötas.

Võib-olla algab elektrile pühendatud tõeliste avastuste ajastu Luigi Galvani ja Alessandro Volta töödega, kes uurisid vastavalt elektrivoolu lihastes ja voolu tekkimist niinimetatud galvaanilistes rakkudes. Edasised uuringud avasid meie silmad elektri ja magnetismi seostele ning mitmetele väga kasulikele nähtustele (näiteks elektromagnetiline induktsioon), ilma milleta on võimatu oma elu tänapäeval ette kujutada.

Kuid me ei süvene magnetnähtustesse ja keskendume ainult elektrilistele nähtustele. Niisiis, vaatame, kuidas galvaanilistes elementides elekter tekib ja mis see on.

Mis on galvaaniline element?

Võime öelda, et see toodab elektrit selle komponentide vahel toimuvate keemiliste reaktsioonide tõttu. Lihtsaima galvaanilise elemendi leiutas Alessandro Volta ja nimetas ta voltaic kolonniks. See koosneb mitmest kihist, mis vahelduvad üksteisega: vaskplaadist, juhtivast tihendist (disaini koduses versioonis kasutatakse soolase veega niisutatud vatti) ja tsinkplaadist.

Millised reaktsioonid selles toimuvad?

Vaatame lähemalt protsesse, mis võimaldavad galvaanilise elemendi abil elektrit toota. Selliseid muundumisi on ainult kaks: oksüdatsioon ja redutseerimine. Kui üks element, redutseerija, oksüdeerub, loovutab see elektronid teisele elemendile, oksüdeerivale ainele. Oksüdeeriv aine omakorda redutseeritakse elektronide vastuvõtmisega. Nii liiguvad laetud osakesed ühelt plaadilt teisele ja seda, nagu teada, nimetatakse elektrivooluks.

Ja nüüd liigume sujuvalt selle artikli peateema - praeguse allika EMF-i juurde. Ja kõigepealt vaatame, mis see elektromotoorjõud (EMF) on.

Mis on EMF?

Seda suurust saab kujutada jõudude tööna (nimelt “tööna”), mis tehakse siis, kui laeng liigub mööda suletud elektriahelat. Väga sageli teevad nad ka täpsustusi, et laeng peab tingimata olema positiivne ja ühik. Ja see on oluline lisand, sest ainult sellistel tingimustel saab elektromotoorjõudu pidada täpseks mõõdetavaks suuruseks. Muide, seda mõõdetakse pingega samades ühikutes: voltides (V).

Vooluallika EMF

Nagu teate, on igal akul või akul oma takistusväärtus, mida nad suudavad pakkuda. See väärtus, vooluallika emf, näitab, kui palju tööd teevad välised jõud laengu liigutamiseks mööda vooluringi, kuhu aku või aku on ühendatud.

Samuti tasub selgitada, millist tüüpi voolu allikas toodab: alalis-, vahelduv- või impulssvoolu. Galvaanilised elemendid, sealhulgas akud ja patareid, toodavad alati ainult alalisvoolu. Vooluallika EMF on sel juhul võrdne allika kontaktide väljundpingega.

Nüüd on aeg välja mõelda, miks sellist kogust nagu EMF üldiselt vaja on ja kuidas seda kasutada elektriahela muude koguste arvutamisel.

EMF valem

Oleme juba avastanud, et vooluallika EMF on võrdne välisjõudude tööga laengu liigutamiseks. Suurema selguse huvides otsustasime üles kirjutada selle suuruse valemi: E = A välisjõud / q, kus A on töö ja q on laeng, millega tööd tehti. Pange tähele, et võetakse tasu kogusumma, mitte ühikutasu. Seda tehakse seetõttu, et arvestame jõudude poolt juhi kõigi laengute liigutamiseks tehtud tööd. Ja see töö ja laengu suhe on antud allika puhul alati konstantne, kuna olenemata sellest, kui palju laetud osakesi võtate, on nende konkreetne töömaht sama.

Nagu näete, pole elektromotoorjõu valem nii keeruline ja koosneb ainult kahest suurusest. On aeg liikuda edasi ühe põhiküsimuse juurde, mis sellest artiklist tuleneb.

Miks on EMF-i vaja?

On juba öeldud, et EMF ja pinge on tegelikult samad suurused. Kui teame EMF-i väärtusi ja vooluallika sisemist takistust, siis pole keeruline neid Ohmi seadusega asendada tervikliku vooluahela jaoks, mis näeb välja selline: I=e/(R+r) , kus I on voolutugevus, e on EMF, R on vooluahela takistus, r - vooluallika sisetakistus. Siit leiame kaks ahela tunnust: I ja R. Tuleb märkida, et kõik need argumendid ja valemid kehtivad ainult alalisvooluahela puhul. Muutuja puhul on valemid täiesti erinevad, kuna see järgib oma võnkeseadusi.

Kuid endiselt on ebaselge, milline on praeguse allika EMF-i rakendus. Ahelas on reeglina palju elemente, mis täidavad oma funktsiooni. Igas telefonis on tahvel, mis pole samuti midagi muud kui elektriahel. Ja iga sellise vooluahela tööks on vaja vooluallikat. Ja on väga oluline, et selle EMF vastaks ahela kõigi elementide parameetritele. Vastasel juhul vooluahel kas lakkab töötamast või põleb läbi selle sees oleva kõrge pinge tõttu.

Järeldus

Arvame, et see artikkel oli paljudele kasulik. Tõepoolest, tänapäeva maailmas on väga oluline teada võimalikult palju meid ümbritsevast. Sealhulgas olulised teadmised elektrivoolu olemusest ja selle käitumisest ahelates. Ja kui arvate, et sellist asja nagu elektriahel kasutatakse ainult laborites ja te olete sellest kaugel, siis eksite väga: kõik elektrit tarbivad seadmed koosnevad tegelikult ahelatest. Ja igal neist on oma vooluallikas, mis loob EMF-i.

Allikas on seade, mis muudab mehaanilise, keemilise, termilise ja mõned muud energiavormid elektrienergiaks. Teisisõnu, allikas on aktiivne võrguelement, mis on loodud elektrienergia tootmiseks. Elektrivõrgus kasutatavad erinevat tüüpi allikad on pingeallikad ja vooluallikad. Need kaks elektroonika mõistet erinevad üksteisest.

Püsipinge allikas

Pingeallikas on kahe poolusega seade, mille pinge igal ajal on konstantne ja seda läbival voolul pole mingit mõju. Selline allikas on ideaalne, millel on null sisetakistus. Praktilistes tingimustes seda ei saa.

Pingeallika negatiivsele poolusele koguneb elektronide liig ja positiivsele poolusele elektronide defitsiit. Pooluste olekuid säilitavad allikasisesed protsessid.

Patareid

Patareid salvestavad sisemiselt keemilist energiat ja on võimelised muutma selle elektrienergiaks. Akusid ei saa laadida, mis on nende puuduseks.

Patareid

Taaslaetavad akud on laetavad akud. Laadimisel salvestatakse elektrienergia sisemiselt keemilise energiana. Mahalaadimisel toimub keemiline protsess vastupidises suunas ja elektrienergia vabaneb.

Näited:

1. Pliiaku element. See on valmistatud pliielektroodidest ja elektrolüütilisest vedelikust väävelhappe kujul, mis on lahjendatud destilleeritud veega. Pinge ühe elemendi kohta on umbes 2 V. Autoakudes on tavaliselt kuus elementi ühendatud järjestikku ja sellest tulenev pinge väljundklemmidel on 12 V;

1. Nikkel-kaadmium akud, elemendi pinge – 1,2 V.

Tähtis! Väikeste voolude korral võib patareisid ja akusid pidada ideaalsete pingeallikate heaks ligikaudseks.

Vahelduvvoolu pingeallikas

Elektrit toodetakse elektrijaamades generaatorite abil ja pärast pinge reguleerimist edastatakse see tarbijale. 220 V koduvõrgu vahelduvpinge erinevate elektroonikaseadmete toiteallikates muundatakse trafode kasutamisel kergesti madalamaks.

Praegune allikas

Analoogiliselt, nii nagu ideaalne pingeallikas loob väljundis konstantse pinge, on vooluallika ülesandeks toota konstantset vooluväärtust, reguleerides automaatselt vajalikku pinget. Näiteks voolutrafod (sekundaarmähis), fotoelemendid, transistoride kollektorivoolud.

Pingeallika sisetakistuse arvutamine

Reaalsetel pingeallikatel on oma elektritakistus, mida nimetatakse "sisetakistuseks". Lähteklemmidega ühendatud koormus on tähistatud kui "välistakistus" - R.

Patarei aku tekitab EMF-i:

ε = E/Q, kus:

• E – energia (J);
• Q – laeng (C).

Akuelemendi kogu emf on selle avatud vooluahela pinge, kui koormus puudub. Seda saab hea täpsusega kontrollida digitaalse multimeetri abil. Potentsiaalide erinevus, mida mõõdetakse aku väljundklemmidel, kui see on ühendatud koormustakistiga, on avatud vooluahela pingest väiksem, kuna voolu voolab läbi väliskoormuse ja allika sisemise takistuse, see toob kaasa energia hajumise selles soojuskiirgusena.

Keemiaaku sisetakistus jääb murdosa oomi ja mõne oomi vahele ning tuleneb peamiselt aku valmistamisel kasutatud elektrolüütiliste materjalide takistusest.

Kui akuga on ühendatud takistusega R takisti, on voolutugevus ahelas I = ε/(R + r).

Sisetakistus ei ole konstantne väärtus. Seda mõjutab aku tüüp (leelis-, pliihape jne) ning see muutub sõltuvalt aku koormusväärtusest, temperatuurist ja kasutusajast. Näiteks ühekordselt kasutatavatel akudel suureneb kasutamise käigus sisetakistus ja pinge seetõttu langeb, kuni jõuab edasiseks kasutamiseks sobimatusse olekusse.

Kui allika emf on etteantud suurus, määratakse allika sisetakistus koormuse takistust läbiva voolu mõõtmise teel.

1. Kuna ligikaudse vooluahela sisemine ja välimine takistus on ühendatud järjestikku, saate valemi rakendamiseks kasutada Ohmi ja Kirchhoffi seadusi:

1. Sellest avaldisest r = ε/I - R.

Näide. Aku, mille emf ε = 1,5 V on teadaolevalt, on ühendatud lambipirniga järjestikku. Lambipirni pingelang on 1,2 V. Seetõttu tekitab elemendi sisetakistus pingelangu: 1,5 - 1,2 = 0,3 V. Juhtmete takistust vooluringis peetakse tühiseks, lambi takistust ei ole teada. Ahelat läbiv mõõdetud vool: I = 0,3 A. Vajalik on määrata aku sisetakistus.

1. Ohmi seaduse järgi on lambipirni takistus R = U/I = 1,2/0,3 = 4 oomi;
2. Nüüd on sisetakistuse arvutamise valemi kohaselt r = ε / I - R = 1,5 / 0,3 - 4 = 1 Ohm.

Lühise korral langeb välistakistus peaaegu nullini. Voolu saab piirata ainult allika väikese takistusega. Sellises olukorras tekkiv vool on nii tugev, et voolu termilise mõju tõttu võib pingeallikas kahjustuda ja tekib tulekahju oht. Tuleohtu välditakse kaitsmete paigaldamisega, näiteks autoaku ahelatesse.

Pingeallika sisetakistus on oluline tegur, kui otsustatakse, kuidas ühendatud elektriseadmele kõige tõhusam võimsus üle kanda.

Tähtis! Maksimaalne jõuülekanne toimub siis, kui allika sisetakistus on võrdne koormuse takistusega.

Kuid selle tingimuse korral, pidades meeles valemit P = I² x R, kantakse koormusele üle identne kogus energiat ja hajub allikas endas ning selle kasutegur on vaid 50%.

Koormusnõudeid tuleb hoolikalt kaaluda, et otsustada allika parima kasutamise üle. Näiteks auto pliiaku peab andma suuri voolusid suhteliselt madalal pingel 12 V. Selle madal sisetakistus võimaldab seda teha.

Mõnel juhul peab kõrgepinge toiteallikatel olema lühisevoolu piiramiseks äärmiselt kõrge sisetakistus.

Vooluallika sisemise takistuse omadused

Ideaalsel vooluallikal on lõpmatu takistus, kuid ehtsate allikate puhul võib ette kujutada ligikaudset versiooni. Samaväärne elektriahel on allikaga paralleelselt ühendatud takistus ja välistakistus.

Vooluallika väljundvool jaotub järgmiselt: osa voolust voolab läbi suurima sisetakistuse ja läbi väikese koormustakistuse.

Väljundvool on sisetakistuse ja koormuse Io = In + Iin voolude summa.

Selgub:

In = Iо - Iin = Iо - Un/r.

See seos näitab, et kui vooluallika sisemine takistus suureneb, seda rohkem väheneb vool selle kaudu ja koormustakisti saab suurema osa voolust. Huvitav on see, et pinge ei mõjuta praegust väärtust.

Pärisallika väljundpinge:

Uout = I x (R x r)/(R +r) = I x R/(1 + R/r). Hinda seda artiklit: