Matlamat kerja: mengkaji kaedah mengukur EMF dan rintangan dalaman sumber arus menggunakan ammeter dan voltmeter.

peralatan: tablet logam, sumber arus, ammeter, voltmeter, perintang, kunci, pengapit, wayar penyambung.

Untuk mengukur EMF dan rintangan dalaman sumber arus, litar elektrik dipasang, rajahnya ditunjukkan dalam Rajah 1.

Ammeter, rintangan dan suis yang disambungkan secara bersiri disambungkan kepada punca arus. Di samping itu, voltmeter juga disambungkan terus ke bicu keluaran sumber.

EMF diukur dengan membaca voltmeter dengan suis terbuka. Kaedah menentukan EMF ini adalah berdasarkan akibat daripada undang-undang Ohm untuk litar lengkap, mengikut mana, dengan rintangan litar luar yang tidak terhingga besar, voltan pada terminal sumber adalah sama dengan EMFnya. (Lihat perenggan "Hukum Ohm untuk Litar Lengkap" dalam buku teks Fizik 10).

Untuk menentukan rintangan dalaman sumber, kunci K ditutup. Dalam kes ini, dua bahagian boleh dibezakan secara kasar dalam litar: luaran (yang disambungkan ke sumber) dan dalaman (yang terletak di dalam arus sumber). Oleh kerana EMF sumber adalah sama dengan jumlah penurunan voltan dalam bahagian dalaman dan luaran litar:

ε = Ur+UR, ItuUr = ε -UR (1)

Mengikut hukum Ohm bagi bahagian rantai U r = I · r(2). Menggantikan kesamaan (2) kepada (1) kita mendapat:

saya· r = ε - Ur , dari mana r = (ε - UR)/ J

Oleh itu, untuk mengetahui rintangan dalaman sumber arus, perlu terlebih dahulu menentukan EMFnya, kemudian tutup suis dan ukur penurunan voltan merentasi rintangan luaran, serta kekuatan semasa di dalamnya.

Kemajuan

1. Sediakan jadual untuk merekodkan hasil pengukuran dan pengiraan:

Lukiskan rajah dalam buku nota anda untuk mengukur emf dan rintangan dalaman sumber.

Selepas memeriksa litar, pasangkan litar elektrik. Buka kunci.

Ukur magnitud sumber emf.

Tutup kekunci dan tentukan bacaan ammeter dan voltmeter.

Kira rintangan dalaman punca.

1. Penentuan emf dan rintangan dalaman sumber semasa melalui kaedah grafik

Matlamat kerja: mengkaji ukuran emf, rintangan dalaman dan arus litar pintas sumber arus, berdasarkan analisis graf pergantungan voltan pada output punca pada arus dalam litar.

peralatan: sel galvanik, ammeter, voltmeter, perintang R 1 , perintang boleh ubah, kunci, pengapit, tablet logam, wayar penyambung.

Daripada undang-undang Ohm untuk litar lengkap, ia menunjukkan bahawa voltan pada output sumber arus bergantung pada perkadaran terus dengan arus dalam litar:

kerana I =E/(R+r), maka IR + Ir = E, tetapi IR = U, dari mana U + Ir = E atau U = E – Ir (1).

Jika anda merancang pergantungan U pada I, maka dari titik persilangannya dengan paksi koordinat anda boleh menentukan E, I K.Z. - kekuatan arus litar pintas (arus yang akan mengalir dalam litar punca apabila rintangan luar R menjadi sifar).

EMF ditentukan oleh titik persilangan graf dengan paksi voltan. Titik pada graf ini sepadan dengan keadaan litar di mana tiada arus di dalamnya dan, oleh itu, U = E.

Kekuatan arus litar pintas ditentukan oleh titik persilangan graf dengan paksi arus. Dalam kes ini, rintangan luaran R = 0 dan, oleh itu, voltan pada output sumber U = 0.

Rintangan dalaman sumber ditemui oleh tangen sudut kecondongan graf berbanding paksi semasa. (Bandingkan formula (1) dengan fungsi matematik dalam bentuk Y = AX + B dan ingat maksud pekali bagi X).

Kemajuan

Untuk merekodkan hasil pengukuran, sediakan jadual:

1. Selepas guru menyemak litar, pasang litar elektrik. Tetapkan peluncur perintang boleh ubah ke kedudukan di mana rintangan litar yang disambungkan kepada sumber semasa adalah maksimum.

Tentukan arus dalam litar dan voltan pada terminal punca pada nilai rintangan maksimum perintang boleh ubah. Masukkan data ukuran ke dalam jadual.

Ulangi pengukuran arus dan voltan beberapa kali, setiap kali mengurangkan nilai rintangan berubah supaya voltan pada terminal punca berkurangan sebanyak 0.1V. Hentikan pengukuran apabila arus dalam litar mencapai 1A.

Plotkan titik yang diperoleh dalam eksperimen pada graf. Plot voltan sepanjang paksi menegak, dan arus sepanjang paksi mendatar. Lukis garis lurus melalui titik.

Teruskan graf sehingga ia bersilang dengan paksi koordinat dan tentukan nilai E dan I K.Z.

Ukur EMF punca dengan menyambungkan voltmeter ke terminalnya dengan litar luaran terbuka. Bandingkan nilai EMF yang diperolehi oleh kedua-dua kaedah dan nyatakan sebab kemungkinan percanggahan dalam keputusan.

Tentukan rintangan dalaman sumber arus. Untuk melakukan ini, hitung tangen sudut kecondongan graf yang dibina kepada paksi semasa. Oleh kerana tangen sudut dalam segi tiga tepat adalah sama dengan nisbah sisi bertentangan dengan sisi bersebelahan, ini boleh dilakukan secara praktikal dengan mencari nisbah E / I K.Z

Di hujung konduktor, dan oleh itu arus, kehadiran daya luaran yang bersifat bukan elektrik adalah perlu, dengan bantuan yang mana pemisahan cas elektrik berlaku.

Oleh kuasa luar adalah sebarang daya yang bertindak ke atas zarah bercas elektrik dalam litar, kecuali elektrostatik (iaitu, Coulomb).

Daya pihak ketiga ditetapkan dalam pergerakan zarah bercas di dalam semua sumber semasa: dalam penjana, loji kuasa, sel galvanik, bateri, dsb.

Apabila litar ditutup, medan elektrik tercipta dalam semua konduktor litar. Di dalam sumber arus, cas bergerak di bawah pengaruh daya luar terhadap daya Coulomb (elektron bergerak dari elektrod bercas positif kepada elektrod negatif), dan sepanjang litar lain ia didorong oleh medan elektrik (lihat rajah di atas).

Dalam sumber semasa, dalam proses mengasingkan zarah bercas, pelbagai jenis tenaga ditukarkan kepada tenaga elektrik. Berdasarkan jenis tenaga yang ditukar, jenis daya gerak elektrik berikut dibezakan:

- elektrostatik- dalam mesin elektrofor, di mana tenaga mekanikal ditukar kepada tenaga elektrik melalui geseran;

- termoelektrik- dalam unsur termo - tenaga dalaman simpang panas dua wayar yang diperbuat daripada logam berbeza ditukarkan kepada tenaga elektrik;

- fotovoltaik- dalam fotosel. Di sini penukaran tenaga cahaya kepada tenaga elektrik berlaku: apabila bahan tertentu diterangi, contohnya, selenium, kuprum (I) oksida, silikon, kehilangan cas elektrik negatif diperhatikan;

- kimia- dalam sel galvanik, bateri dan sumber lain di mana tenaga kimia ditukar kepada tenaga elektrik.

Daya gerak elektrik (EMF)— ciri-ciri sumber semasa. Konsep EMF telah diperkenalkan oleh G. Ohm pada tahun 1827 untuk litar arus terus. Pada tahun 1857, Kirchhoff mendefinisikan EMF sebagai kerja daya luaran apabila memindahkan satu unit cas elektrik di sepanjang litar tertutup:

ɛ = A st /q,

di mana ɛ — EMF sumber semasa, A st- kerja kuasa luar, q- jumlah caj yang dipindahkan.

Daya gerak elektrik dinyatakan dalam volt.

Kita boleh bercakap tentang daya gerak elektrik di mana-mana bahagian litar. Ini adalah kerja khusus daya luaran (kerja untuk menggerakkan satu cas) bukan di seluruh litar, tetapi hanya di kawasan tertentu.

Rintangan dalaman sumber semasa.

Biarkan terdapat litar tertutup ringkas yang terdiri daripada sumber arus (contohnya, sel galvanik, bateri atau penjana) dan perintang dengan rintangan R. Arus dalam litar tertutup tidak terganggu di mana-mana, oleh itu, ia juga wujud di dalam sumber semasa. Mana-mana sumber mewakili beberapa rintangan kepada arus. Ia dipanggil rintangan dalaman sumber semasa dan ditetapkan oleh surat itu r.

Dalam penjana r- ini adalah rintangan penggulungan, dalam sel galvanik - rintangan larutan elektrolit dan elektrod.

Oleh itu, sumber semasa dicirikan oleh nilai EMF dan rintangan dalaman, yang menentukan kualitinya. Sebagai contoh, mesin elektrostatik mempunyai EMF yang sangat tinggi (sehingga puluhan ribu volt), tetapi pada masa yang sama rintangan dalamannya sangat besar (sehingga ratusan megohm). Oleh itu, ia tidak sesuai untuk menghasilkan arus yang tinggi. Sel galvanik mempunyai EMF hanya kira-kira 1 V, tetapi rintangan dalaman juga rendah (kira-kira 1 Ohm atau kurang). Ini membolehkan mereka mendapatkan arus yang diukur dalam ampere.

EMF dan voltan. Rintangan dalaman bekalan kuasa.
Program pendidikan adalah program pendidikan!
Hukum Ohm. Itu yang saya maksudkan.
Kita telah pun bercakap tentang hukum Ohm. Mari kita bercakap lagi - dari sudut yang sedikit berbeza. Tanpa pergi ke butiran fizikal dan bercakap dalam bahasa kucing yang mudah, undang-undang Ohm menyatakan: semakin besar emf. (daya gerak elektrik), semakin besar arus, semakin besar rintangan, semakin kecil arus.
Menerjemahkan mantera ini ke dalam bahasa formula kering yang kami dapat:

I=E/R

di mana: I - kekuatan semasa, E - E.M.F. - daya gerak elektrik R - rintangan
Arus diukur dalam ampere, emf. - dalam volt, dan rintangan itu membawa nama kebanggaan Komrad Ohm.E.m.f. - ini adalah ciri penjana yang ideal, rintangan dalaman yang dianggap sangat kecil. Dalam kehidupan sebenar, ini jarang berlaku, jadi undang-undang Ohm untuk litar bersiri (lebih biasa kepada kita) mula berkuat kuasa:

I=U/R

di mana: U ialah voltan punca terus pada terminalnya.
Mari kita lihat contoh mudah.
Mari kita bayangkan bateri biasa dalam bentuk sumber emf. dan perintang tertentu yang disambungkan secara bersiri dengannya, yang akan mewakili rintangan dalaman bateri. Mari sambungkan voltmeter selari dengan bateri. Rintangan inputnya jauh lebih besar daripada rintangan dalaman bateri, tetapi tidak besar tidak terhingga - iaitu, arus akan mengalir melaluinya. Nilai voltan yang ditunjukkan oleh voltmeter akan kurang daripada nilai emf. hanya dengan jumlah penurunan voltan merentasi perintang khayalan dalaman pada arus tertentu.Tetapi, bagaimanapun, nilai inilah yang diambil sebagai voltan bateri.
Formula tegasan akhir akan mempunyai bentuk berikut:

U(baht)=E-U(dalaman)

Oleh kerana rintangan dalaman semua bateri meningkat dari semasa ke semasa, penurunan voltan merentasi rintangan dalaman juga meningkat. Dalam kes ini, voltan pada terminal bateri berkurangan. Meow!
Dah faham!
Apakah yang berlaku jika anda menyambungkan ammeter kepada bateri dan bukannya voltmeter? Oleh kerana rintangan dalaman ammeter cenderung kepada sifar, kita sebenarnya akan mengukur arus yang mengalir melalui rintangan dalaman bateri. Oleh kerana rintangan dalaman sumber adalah sangat kecil, arus yang diukur dalam kes ini boleh mencapai beberapa ampere.
Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa rintangan dalaman sumber adalah elemen litar yang sama seperti semua yang lain. Oleh itu, apabila arus beban meningkat, penurunan voltan merentasi rintangan dalaman juga akan meningkat, yang membawa kepada penurunan voltan merentas beban. Atau seperti yang kita radio kucing suka meletakkannya - penurunan voltan.
Agar perubahan beban mempunyai kesan yang sedikit pada voltan keluaran sumber yang mungkin, mereka cuba meminimumkan rintangan dalamannya.
Anda boleh memilih elemen litar bersiri sedemikian rupa sehingga pada mana-mana daripada mereka anda mendapat voltan yang dikurangkan, berbanding dengan asal, dengan beberapa kali.

Katakan terdapat litar tertutup elektrik ringkas yang merangkumi sumber arus, contohnya penjana, sel galvanik atau bateri, dan perintang dengan rintangan R. Oleh kerana arus dalam litar tidak terganggu di mana-mana, ia mengalir di dalam sumber.

Dalam keadaan sedemikian, kita boleh mengatakan bahawa mana-mana sumber mempunyai beberapa rintangan dalaman yang menghalang aliran semasa. Rintangan dalaman ini mencirikan sumber semasa dan ditetapkan oleh huruf r. Untuk bateri, rintangan dalaman ialah rintangan larutan elektrolit dan elektrod; untuk penjana, ia ialah rintangan belitan stator, dsb.

Oleh itu, sumber semasa dicirikan oleh kedua-dua magnitud EMF dan nilai rintangan dalamannya sendiri r - kedua-dua ciri ini menunjukkan kualiti sumber.

Penjana voltan tinggi elektrostatik (seperti penjana Van de Graaff atau penjana Wimshurst), sebagai contoh, dibezakan oleh EMF besar yang diukur dalam berjuta-juta volt, manakala rintangan dalamannya diukur dalam ratusan megaohm, itulah sebabnya ia tidak sesuai. untuk menghasilkan arus yang besar.

Unsur galvanik (seperti bateri), sebaliknya, mempunyai EMF dalam urutan 1 volt, walaupun rintangan dalamannya adalah dari susunan pecahan atau, paling banyak, puluhan ohm, dan oleh itu arus unit dan puluhan ampere boleh didapati daripada unsur galvanik.

Rajah ini menunjukkan sumber sebenar dengan beban yang dilampirkan. Rintangan dalamannya, serta rintangan beban, ditunjukkan di sini. Menurut, arus dalam litar ini akan sama dengan:

Oleh kerana bahagian litar luar adalah homogen, voltan merentasi beban boleh didapati daripada hukum Ohm:

Menyatakan rintangan beban daripada persamaan pertama dan menggantikan nilainya ke dalam persamaan kedua, kita memperoleh pergantungan voltan beban pada arus dalam litar tertutup:

Dalam gelung tertutup, EMF adalah sama dengan jumlah penurunan voltan merentasi elemen litar luaran dan rintangan dalaman sumber itu sendiri. Kebergantungan voltan beban pada arus beban adalah idealnya linear.

Graf menunjukkan ini, tetapi data eksperimen pada perintang sebenar (silang berhampiran graf) sentiasa berbeza daripada yang ideal:

Eksperimen dan logik menunjukkan bahawa pada arus beban sifar, voltan pada litar luaran adalah sama dengan emf punca, dan pada voltan beban sifar, arus dalam litar adalah sama dengan . Sifat litar sebenar ini membantu mencari secara eksperimen emf dan rintangan dalaman sumber sebenar.

Penentuan eksperimen rintangan dalaman

Untuk menentukan ciri-ciri ini secara eksperimen, plotkan pergantungan voltan pada beban pada nilai semasa, kemudian ekstrapolasi ke persimpangan dengan paksi.

Pada titik persilangan graf dengan paksi voltan ialah nilai emf punca, dan pada titik persilangan dengan paksi semasa ialah nilai arus litar pintas. Akibatnya, rintangan dalaman didapati oleh formula:

Kuasa berguna yang dibangunkan oleh sumber dilepaskan ke beban. Pergantungan kuasa ini pada rintangan beban ditunjukkan dalam rajah. Lengkung ini bermula dari persilangan paksi koordinat pada titik sifar, kemudian meningkat kepada nilai kuasa maksimum, selepas itu ia turun kepada sifar apabila rintangan beban adalah sama dengan infiniti.

Untuk mencari rintangan beban maksimum di mana kuasa maksimum secara teorinya akan berkembang pada sumber tertentu, terbitan formula kuasa berkenaan dengan R diambil dan ditetapkan sama dengan sifar. Kuasa maksimum akan berkembang apabila rintangan litar luaran adalah sama dengan rintangan dalaman sumber:

Peruntukan mengenai kuasa maksimum pada R = r membolehkan kita mencari secara eksperimen rintangan dalaman sumber dengan memplot pergantungan kuasa yang dilepaskan pada beban pada nilai rintangan beban. Setelah menemui rintangan beban sebenar, dan bukan teori, yang memberikan kuasa maksimum, rintangan dalaman sebenar bekalan kuasa ditentukan.

Kecekapan sumber arus menunjukkan nisbah kuasa maksimum yang diperuntukkan kepada beban kepada jumlah kuasa yang sedang dibangunkan.

Mari cuba selesaikan masalah ini menggunakan contoh khusus. Daya gerak elektrik bagi sumber kuasa ialah 4.5 V. Satu beban telah disambungkan kepadanya, dan arus bersamaan dengan 0.26 A mengalir melaluinya. Voltan kemudiannya menjadi sama dengan 3.7 V. Pertama sekali, bayangkan bahawa litar bersiri yang ideal sumber voltan 4.5 V, rintangan dalaman yang sifar, serta perintang, nilai yang perlu dicari. Adalah jelas bahawa pada hakikatnya ini tidak berlaku, tetapi untuk pengiraan analogi itu agak sesuai.

Langkah 2

Ingat bahawa huruf U hanya menandakan voltan di bawah beban. Untuk menetapkan daya gerak elektrik, satu lagi huruf dikhaskan - E. Tidak mustahil untuk mengukurnya dengan tepat, kerana anda memerlukan voltmeter dengan rintangan input tak terhingga. Walaupun dengan voltmeter elektrostatik (elektrometer), ia adalah besar, tetapi tidak terhingga. Tetapi ia adalah satu perkara untuk menjadi benar-benar tepat, dan satu lagi untuk mempunyai ketepatan yang boleh diterima dalam amalan. Yang kedua agak boleh dilaksanakan: hanya perlu bahawa rintangan dalaman sumber boleh diabaikan berbanding dengan rintangan dalaman voltmeter. Sementara itu, mari kita hitung perbezaan antara EMF sumber dan voltannya di bawah beban yang menggunakan arus 260 mA. E-U = 4.5-3.7 = 0.8. Ini akan menjadi penurunan voltan merentasi "perintang maya" itu.

Langkah 3

Jadi, semuanya mudah, kerana undang-undang Ohm klasik mula bermain. Kami ingat bahawa arus melalui beban dan "perintang maya" adalah sama, kerana ia disambungkan secara bersiri. Kejatuhan voltan merentasi yang terakhir (0.8 V) dibahagikan dengan arus (0.26 A) dan kami mendapat 3.08 Ohm. Inilah jawapannya! Anda juga boleh mengira berapa banyak kuasa yang hilang pada beban dan berapa banyak yang tidak berguna pada sumber. Pelesapan pada beban: 3.7*0.26=0.962 W. Pada sumber: 0.8*0.26=0.208 W. Kira nisbah peratusan antara mereka sendiri. Tetapi ini bukan satu-satunya jenis masalah untuk mencari rintangan dalaman sumber. Terdapat juga yang mana rintangan beban ditunjukkan dan bukannya kekuatan semasa, dan data awal yang lain adalah sama. Kemudian anda perlu melakukan satu pengiraan lagi terlebih dahulu. Voltan di bawah beban (bukan EMF!) yang diberikan dalam keadaan dibahagikan dengan rintangan beban. Dan anda mendapat kekuatan semasa dalam litar. Selepas itu, seperti yang dikatakan ahli fizik, "masalah itu dikurangkan kepada yang sebelumnya"! Cuba buat masalah sedemikian dan selesaikannya.