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 reas 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 pinnakihti, redutseerimise käigus muutuvad need vase aatomiteks, sadestuvad vaskplaadile.

Võtame toimuva kokku: galvaanilise elemendi tööprotsessiga kaasneb elektronide üleminek redutseerijalt oksüdeerivale ainele piki 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 tähistatakse takistust: 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 on võrdne voolutugevuse ja selle voolamise aja korrutisega, on meil:

• 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 põhjustab nende tühjenemise. 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 vooluringi 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 arendamise uue vooruni.

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

Elektriajastul pole ilmselt sellist 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 võimaldab genereerida 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 täiendus, 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 see suudab toota. 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: konstantne, vahelduv või impulssvool. 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 tööd juhi kõigi laengute liigutamiseks. 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 jääb ebaselgeks, 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.

8.5. Voolu termiline mõju

8.5.1. Vooluallika võimsus

Vooluallika koguvõimsus:

P kokku = P kasulik + P kaod,

kus P kasulik - kasulik võimsus, P kasulik = I 2 R; P kaod - võimsuskaod, P kaod = I 2 r; I - voolutugevus ahelas; R - koormustakistus (väline ahel); r on vooluallika sisetakistus.

Koguvõimsust saab arvutada ühe kolmest valemist:

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

kus ℰ on vooluallika elektromotoorjõud (EMF).

Netovõimsus- see on võimsus, mis vabaneb välises vooluringis, st. koormusel (takistil) ja seda saab kasutada teatud eesmärkidel.

Puhasvõimsust saab arvutada ühe kolmest valemist:

P kasulik = I 2 R, P kasulik = U 2 R, P kasulik = RÜ,

kus I on voolutugevus ahelas; U on vooluallika klemmide (klambrite) pinge; R - koormustakistus (väline ahel).

Toitekadu on võimsus, mis vabaneb vooluallikas, st. sisemises vooluringis ja kulutatakse allikas endas toimuvatele protsessidele; Toitekadu ei saa kasutada muuks otstarbeks.

Võimsuskadu arvutatakse tavaliselt valemi abil

P kaod = I 2 r,

kus I on voolutugevus ahelas; r on vooluallika sisetakistus.

Lühise ajal läheb kasulik võimsus nulli

P kasulik = 0,

kuna lühise korral puudub koormustakistus: R = 0.

Allika lühise koguvõimsus langeb kokku kaotusvõimsusega ja arvutatakse valemiga

P täis = ℰ 2 r,

kus ℰ on vooluallika elektromotoorjõud (EMF); r on vooluallika sisetakistus.

Kasulik jõud on maksimaalne väärtus juhul, kui koormustakistus R on võrdne vooluallika sisetakistusega r:

R = r.

Maksimaalne kasulik võimsus:

P kasulik max = 0,5 P täis,

kus Ptot on vooluallika koguvõimsus; P täis = ℰ 2 / 2 r.

Arvutamise selge valem maksimaalne kasulik võimsus järgnevalt:

P kasulik max = ℰ 2 4 r .

Arvutuste lihtsustamiseks on kasulik meeles pidada kahte punkti:

• kui kahe koormustakistusega R 1 ja R 2 vabaneb ahelas sama kasulik võimsus, siis sisemine takistus vooluallikas r on valemiga seotud näidatud takistustega

r = R1R2;

• kui vooluringis vabaneb maksimaalne kasulik võimsus, on voolutugevus I * ahelas pool lühisevoolu i tugevusest:

I * = i 2 .

Näide 15. Lühistamisel takistusega 5,0 oomi tekitab elementide aku voolu 2,0 A. Aku lühisvool on 12 A. Arvutage aku maksimaalne kasulik võimsus.

Lahendus. Analüüsime probleemi seisukorda.

1. Kui aku on ühendatud takistusega R 1 = 5,0 Ohm, voolab ahelas vool tugevusega I 1 = 2,0 A, nagu on näidatud joonisel fig. a, määratud Ohmi seadusega kogu vooluringi jaoks:

I 1 = ℰ R 1 + r,

kus ℰ - vooluallika EMF; r on vooluallika sisetakistus.

2. Kui aku on lühises, voolab ahelas lühisvool, nagu on näidatud joonisel fig. b. Lühise vool määratakse valemiga

kus i on lühisevool, i = 12 A.

3. Kui aku on ühendatud takistusega R 2 = r, voolab ahelas jõuvool I 2, nagu on näidatud joonisel fig. aastal, määratud Ohmi seadusega kogu vooluringi jaoks:

I 2 = ℰ R 2 + r = ℰ 2 r;

sel juhul vabaneb vooluringis maksimaalne kasulik võimsus:

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

Seega on maksimaalse kasuliku võimsuse arvutamiseks vaja määrata vooluallika sisetakistus r ja voolutugevus I 2.

Voolutugevuse I 2 leidmiseks kirjutame võrrandisüsteemi:

i = ℰ r, I 2 = ℰ 2 r)

ja jagage võrrandid:

i I 2 = 2 .

See tähendab:

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

Lähte r sisemise takistuse leidmiseks kirjutame võrrandisüsteemi:

I 1 = ℰ R 1 + r, i = ℰ r)

ja jagage võrrandid:

I 1 i = r R 1 + r.

See tähendab:

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

Arvutame maksimaalse kasuliku võimsuse:

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

Seega on aku maksimaalne kasutatav võimsus 36 W.

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.

Lihtsaima näitena on elektrilamp, mis on elektrivoolu tarbija, koos vooluallikaga midagi muud kui suletud vooluring. See elektriahel on joonisel selgelt näidatud.

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, siis selle säilitamiseks peab 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 selge, 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 kohta, mille definitsioon on järgmine: suletud ahelas on voolutugevus otseselt võrdeline elektromotoorjõuga ja pöördvõrdeline selle ahela takistuste summaga.

Töö eesmärk: uurida vooluallika EMF-i ja sisetakistuse mõõtmise meetodit ampermeetri ja voltmeetri abil.

Varustus: metalltahvel, vooluallikas, ampermeeter, voltmeeter, takisti, võti, klambrid, ühendusjuhtmed.

Vooluallika EMF-i ja sisetakistuse mõõtmiseks monteeritakse kokku elektriahel, mille skeem on näidatud joonisel 1.

Vooluallikaga on ühendatud järjestikku ühendatud ampermeeter, takistus ja lüliti. Lisaks on otse allika väljundpesadesse ühendatud ka voltmeeter.

EMF-i mõõdetakse avatud lülitiga voltmeetri lugemisega. See EMF-i määramise meetod põhineb täieliku vooluahela Ohmi seaduse järeldusel, mille kohaselt on välise vooluahela lõpmatult suure takistuse korral allika klemmide pinge võrdne selle EMF-iga. (Vt lõiku "Ohmi seadus täieliku vooluringi jaoks" Füüsika 10 õpikust).

Allika sisetakistuse määramiseks suletakse klahv K. Sel juhul saab ahelas jämedalt eristada kahte sektsiooni: välimine (see, mis on allikaga ühendatud) ja sisemine (see, mis asub voolu sees allikas). Kuna allika EMF on võrdne vooluahela sisemise ja välise sektsiooni pingelanguste summaga:

ε = Ur+UR, SeeUr = ε -UR (1)

Vastavalt Ohmi seadusele ahela lõigule U r = I · r(2). Asendades võrdsuse (2) väärtusega (1), saame:

I· r = ε - Ur , kust r = (ε - UR)/ J

Seetõttu on vooluallika sisemise takistuse väljaselgitamiseks vaja esmalt määrata selle EMF, seejärel sulgeda lüliti ja mõõta välistakistuse pingelangust, samuti voolutugevust selles.

Edusammud

1. Mõõtmiste ja arvutuste tulemuste salvestamiseks koostage tabel:

Joonistage oma sülearvutisse diagramm, et mõõta allika emf-i ja sisemist takistust.

Pärast vooluahela kontrollimist pange elektriahel kokku. Avage võti.

Mõõtke allika emf suurust.

Sulgege võti ja määrake ampermeetri ja voltmeetri näidud.

Arvutage allika sisetakistus.

1. Vooluallika emf ja sisetakistuse määramine graafilisel meetodil

Töö eesmärk: uurida vooluallika emf, sisetakistuse ja lühisevoolu mõõtmisi, tuginedes allika väljundis oleva pinge sõltuvuse graafikule vooluahela voolust.

Varustus: galvaaniline element, ampermeeter, voltmeeter, takisti R 1 , muutuv takisti, võti, klambrid, metalltahvel, ühendusjuhtmed.

Ohmi seadusest täieliku vooluahela kohta järeldub, et pinge vooluallika väljundis sõltub otseselt vooluahelas olevast voolust:

kuna I =E/(R+r), siis IR + Ir = E, aga IR = U, kust U + Ir = E või U = E – Ir (1).

Kui joonistada U sõltuvuse I-st, saate selle lõikepunktidest koordinaattelgedega määrata E, I K.Z. - lühisevoolu tugevus (vool, mis voolab allikaahelas, kui välistakistus R muutub nulliks).

EMF määratakse graafiku ja pingetelje lõikepunkti järgi. See graafiku punkt vastab vooluahela olekule, milles selles voolu ei ole ja seetõttu U = E.

Lühisevoolu tugevuse määrab graafiku lõikepunkt vooluteljega. Sel juhul on välistakistus R = 0 ja seega ka pinge allika väljundis U = 0.

Allika sisetakistus leitakse graafiku kaldenurga puutuja järgi voolu telje suhtes. (Võrdle valemit (1) matemaatilise funktsiooniga kujul Y = AX + B ja pidage meeles koefitsiendi X tähendust).

Edusammud

Mõõtmistulemuste salvestamiseks koostage tabel:

1. Pärast seda, kui õpetaja on vooluringi kontrollinud, pange elektriahel kokku. Seadke muutuva takisti liugur asendisse, kus vooluallikaga ühendatud vooluahela takistus on maksimaalne.

Määrake voolutugevus ahelas ja pinge allika klemmidel muutuva takisti maksimaalse takistuse väärtuse juures. Sisestage mõõteandmed tabelisse.

Korrake voolu ja pinge mõõtmist mitu korda, vähendades iga kord muutuva takistuse väärtust nii, et pinge allika klemmidel väheneb 0,1 V võrra. Lõpetage mõõtmised, kui voolutugevus vooluringis jõuab 1A-ni.

Joonistage katses saadud punktid graafikule. Joonistage pinge piki vertikaaltelge ja vool piki horisontaaltelge. Joonistage läbi punktide sirgjoon.

Jätkake graafikut, kuni see lõikub koordinaattelgedega, ja määrake E ja I K.Z väärtused.

Mõõtke allika elektromagnetvälja, ühendades voltmeetri selle klemmidega, kui väline vooluahel on avatud. Võrrelge kahe meetodi abil saadud EMF väärtusi ja märkige tulemuste võimaliku lahknevuse põhjus.

Määrake vooluallika sisetakistus. Selleks arvutage koostatud graafiku kaldenurga puutuja praeguse telje suhtes. Kuna täisnurkse kolmnurga nurga puutuja on võrdne vastaskülje ja külgneva külje suhtega, saab seda praktiliselt teha, leides suhte E / I K.Z