La legge di Ohm per un circuito completo, la cui definizione si riferisce al valore della corrente elettrica nei circuiti reali, dipende dalla sorgente di corrente e dalla resistenza del carico. Questa legge ha un altro nome: la legge di Ohm per i circuiti chiusi. Il principio di funzionamento di questa legge è il seguente.
Come esempio più semplice, una lampada elettrica che consuma corrente elettrica, insieme a una sorgente di corrente, non è altro che una lampada chiusa. Questo circuito elettrico è chiaramente mostrato nella figura.
La corrente elettrica che passa attraverso la lampadina passa anche attraverso la sorgente di corrente stessa. Così, attraversando il circuito, la corrente subirà la resistenza non solo del conduttore, ma anche la resistenza, direttamente, della sorgente di corrente stessa. Nella sorgente, la resistenza è creata dall'elettrolita situato tra le piastre e strati limite piastre ed elettrolita. Ne consegue che in un circuito chiuso la sua resistenza totale sarà costituita dalla somma delle resistenze della lampadina e della sorgente di corrente.
Resistenza al carico, cm questo caso Una lampadina collegata a una fonte di corrente è chiamata resistenza esterna. La resistenza diretta di una sorgente di corrente è chiamata resistenza interna. Per una rappresentazione più visiva del processo, tutti i valori devono essere designati in modo condizionale. io - , R - resistenza esterna, r - resistenza interna. Quando una corrente scorre attraverso un circuito elettrico, allora per mantenerla deve esserci una differenza di potenziale tra le estremità del circuito esterno, che ha un valore di IxR. Tuttavia, il flusso di corrente si osserva anche nel circuito interno. Ciò significa che per mantenere la corrente elettrica nel circuito interno è necessaria anche una differenza di potenziale ai capi della resistenza r. Il valore di questa differenza di potenziale è uguale a Iхr.
La batteria deve avere il seguente valore della forza elettromotrice in grado di mantenere la corrente richiesta nel circuito: E \u003d IxR + Ixr. Dalla formula si può vedere che la forza elettromotrice della batteria è la somma di esterna e interna. Il valore corrente deve essere tolto tra parentesi: E \u003d I (r + R) . Altrimenti, puoi immaginare: I=E/(r+R) . Le ultime due formule esprimono la legge di Ohm per un circuito completo, la cui definizione è la seguente: in un circuito chiuso, l'intensità della corrente è direttamente proporzionale alla forza elettromotrice e inversamente proporzionale alla somma delle resistenze di questo circuito.
Una sorgente è un dispositivo che converte energia meccanica, chimica, termica e altre forme di energia in energia elettrica. In altre parole, la sorgente è un elemento di rete attivo destinato a generare elettricità. tipi diversi le fonti disponibili sulla rete elettrica sono le fonti di tensione e le fonti di corrente. Questi due concetti in elettronica sono diversi l'uno dall'altro.
La sorgente di tensione è un dispositivo a due poli, la sua tensione in qualsiasi momento è costante e la corrente che lo attraversa non ha alcun effetto. Una tale fonte sarebbe l'ideale, avendo zero resistenza interna. In termini pratici, non può essere ottenuto.
Al polo negativo della sorgente di tensione si accumula un eccesso di elettroni, al polo positivo il loro deficit. Gli stati dei poli sono mantenuti dai processi all'interno della sorgente.
Le batterie immagazzinano energia chimica internamente e sono in grado di convertirla in energia elettrica. Le batterie non possono essere ricaricate, che è il loro svantaggio.
Le batterie sono batterie ricaricabili. Durante la ricarica, l'energia elettrica viene immagazzinata internamente sotto forma di energia chimica. Durante lo scarico, il processo chimico procede in direzione opposta e viene rilasciata energia elettrica.
Esempi:
Importante! A basse correnti, le batterie e gli accumulatori possono essere visti come una buona approssimazione delle sorgenti di tensione ideali.
L'elettricità viene prodotta nelle centrali elettriche con l'ausilio di generatori e, dopo la regolazione della tensione, viene trasmessa all'utenza. Tensione CA rete di casa 220 V in varie alimentazioni dispositivi elettronici facilmente convertito in un valore inferiore quando si utilizzano trasformatori.
Per analogia, poiché un generatore di tensione ideale crea una tensione costante in uscita, il compito di un generatore di corrente è quello di fornire un valore di corrente costante, controllando automaticamente la tensione richiesta. Esempi sono trasformatori di corrente (avvolgimento secondario), fotocellule, correnti di collettore di transistor.
Le fonti di tensione reali hanno una propria resistenza elettrica, chiamata "resistenza interna". Il carico collegato alle uscite della sorgente è indicato come "resistenza esterna" - R.
Il pacco batteria genera campi elettromagnetici:
ε = E/Q, dove:
La fem totale di una cella della batteria è la sua tensione a circuito aperto quando non c'è carico. Può essere controllato con buona precisione con un multimetro digitale. La differenza di potenziale misurata ai contatti di uscita della batteria, quando è collegata a un resistore di carico, sarà inferiore alla sua tensione quando il circuito è aperto, a causa della corrente che scorre attraverso il carico esterno e attraverso la resistenza interna della sorgente , questo porta alla dissipazione di energia in esso come radiazione termica .
La resistenza interna di una batteria chimica è compresa tra una frazione di ohm e qualche ohm ed è principalmente correlata alla resistenza dei materiali elettrolitici utilizzati nella batteria.
Se un resistore con resistenza R è collegato a una batteria, la corrente nel circuito è I = ε/(R + r).
La resistenza interna non è un valore costante. È influenzato dal tipo di batteria (alcalina, piombo-acido, ecc.) e varia a seconda del valore del carico, della temperatura e dell'età della batteria. Ad esempio, nelle batterie usa e getta, la resistenza interna aumenta durante l'uso, e quindi la tensione scende fino a raggiungere uno stato non idoneo per un ulteriore utilizzo.
Se l'EMF della sorgente è un valore predeterminato, la resistenza interna della sorgente viene determinata misurando la corrente che scorre attraverso il resistore di carico.
Esempio. Una batteria con un EMF noto ε = 1,5 V è collegata in serie con una lampadina. La caduta di tensione attraverso la lampadina è di 1,2 V. Pertanto, la resistenza interna dell'elemento crea una caduta di tensione: 1,5 - 1,2 \u003d 0,3 V. La resistenza dei fili nel circuito è considerata trascurabile, la resistenza della lampada è non conosciuto. La corrente misurata che passa attraverso il circuito: I \u003d 0,3 A. È necessario determinare la resistenza interna della batteria.
quando corto circuito la resistenza esterna scende quasi a zero. La corrente può essere limitata solo da una piccola resistenza della sorgente. La corrente generata in una situazione del genere è così elevata che la sorgente di tensione può essere danneggiata dall'effetto termico della corrente e sussiste il rischio di incendio. Il rischio di incendio è prevenuto installando fusibili, ad esempio nei circuiti delle batterie delle auto.
Resistenza interna della sorgente di tensione - fattore importante al momento di decidere come trasferire la potenza più efficiente all'apparecchio elettrico collegato.
Importante! Il massimo trasferimento di potenza si verifica quando la resistenza interna della sorgente è uguale alla resistenza del carico.
Tuttavia, in questa condizione, ricordando la formula P \u003d I² x R, una quantità identica di energia viene data al carico e dissipata nella sorgente stessa, e la sua efficienza è solo del 50%.
I requisiti di carico devono essere considerati attentamente per decidere il miglior utilizzo della sorgente. Ad esempio, una batteria per auto al piombo-acido deve fornire correnti elevate a una tensione relativamente bassa di 12 V. La sua bassa resistenza interna gli consente di farlo.
In alcuni casi, gli alimentatori ad alta tensione devono avere una resistenza interna estremamente elevata per limitare la corrente di cortocircuito.
Una sorgente di corrente ideale ha una resistenza infinita, ma per sorgenti autentiche si può immaginare una versione approssimativa. Il circuito equivalente è una resistenza collegata in parallelo alla sorgente e una resistenza esterna.
La corrente in uscita dalla sorgente di corrente è distribuita come segue: parte della corrente scorre attraverso la resistenza interna più alta e attraverso la bassa resistenza di carico.
La corrente di uscita sarà dalla somma delle correnti sulla resistenza interna e sul carico Io \u003d Ir + Ivn.
Si scopre:
In \u003d Io - Ivn \u003d Io - Un / r.
Questa dipendenza mostra che quando la resistenza interna della sorgente di corrente aumenta, più la corrente su di essa diminuisce e il resistore di carico riceve la maggior parte della corrente. È interessante notare che la tensione non influirà sul valore corrente.
Tensione di uscita sorgente reale:
Uout \u003d I x (R x r) / (R + r) \u003d I x R / (1 + R / r). Vota questo articolo:
Supponiamo che esista un semplice circuito elettrico chiuso che include una sorgente di corrente, come un generatore, una cella galvanica o una batteria, e un resistore con resistenza R. Poiché la corrente nel circuito non viene interrotta da nessuna parte, scorre anche all'interno della sorgente .
In una situazione del genere, possiamo dire che qualsiasi sorgente ha una resistenza interna che impedisce la corrente. Questa resistenza interna caratterizza la sorgente di corrente ed è indicata con la lettera r. Per una batteria, la resistenza interna è la resistenza della soluzione elettrolitica e degli elettrodi, per un generatore, la resistenza degli avvolgimenti dello statore, ecc.
Pertanto, la sorgente corrente è caratterizzata sia dal valore dell'EMF sia dal valore della propria resistenza interna r - entrambe queste caratteristiche indicano la qualità della sorgente.
I generatori elettrostatici ad alta tensione (come il generatore Van de Graaff o il generatore Wimshurst), ad esempio, hanno un enorme EMF misurato in milioni di volt, mentre la loro resistenza interna è misurata in centinaia di megaohm, motivo per cui non sono adatti per generare grandi correnti.
Le celle galvaniche (come una batteria) - al contrario - hanno un EMF dell'ordine di 1 volt, sebbene la loro resistenza interna sia dell'ordine di frazioni o al massimo di dieci ohm, e quindi possono essere correnti di unità e decine di ampere essere ottenuto da celle galvaniche.
Questo diagramma mostra una sorgente reale con un carico collegato. Qui sono indicate la sua resistenza interna, così come la resistenza al carico. Secondo, la corrente in questo circuito sarà uguale a:
Poiché la sezione del circuito esterno è omogenea, dalla legge di Ohm puoi trovare la tensione ai capi del carico:
Avendo espresso la resistenza del carico dalla prima equazione e sostituendo il suo valore nella seconda equazione, otteniamo la dipendenza della tensione sul carico dalla corrente in un circuito chiuso:
In un circuito chiuso, l'EMF è uguale alla somma delle cadute di tensione sugli elementi del circuito esterno e sulla resistenza interna della sorgente stessa. La dipendenza della tensione di carico dalla corrente di carico è idealmente lineare.
Il grafico lo mostra, ma i dati sperimentali su un resistore reale (croci vicino al grafico) differiscono sempre dall'ideale:
Gli esperimenti e la logica mostrano che a zero corrente di carico, la tensione sul circuito esterno è uguale all'EMF della sorgente e a zero tensione sul carico, la corrente nel circuito è . Questa proprietà dei circuiti reali aiuta a trovare sperimentalmente l'EMF e la resistenza interna delle sorgenti reali.
Individuazione sperimentale della resistenza interna
Per determinare sperimentalmente queste caratteristiche, costruisci un grafico della tensione di carico rispetto alla corrente, quindi estrapolalo all'intersezione con gli assi.
Nel punto di intersezione del grafico con l'asse della tensione c'è il valore dell'EMF della sorgente, e nel punto di intersezione con l'asse della corrente c'è l'ampiezza della corrente di cortocircuito. Di conseguenza, la resistenza interna si trova con la formula:
La potenza utile sviluppata dalla sorgente viene allocata al carico. Un grafico della dipendenza di questa potenza dalla resistenza del carico è mostrato nella figura. Questa curva parte dall'intersezione degli assi coordinati nel punto zero, quindi aumenta fino al valore massimo di potenza, dopodiché scende a zero quando la resistenza di carico è uguale all'infinito.
Per trovare la massima resistenza di carico alla quale si sviluppa teoricamente la potenza massima per una data sorgente, la derivata della formula di potenza rispetto a R viene presa ed eguagliata a zero. La potenza massima si svilupperà con la resistenza del circuito esterno uguale alla resistenza interna della sorgente:
Questa affermazione sulla potenza massima a R = r consente di trovare sperimentalmente la resistenza interna della sorgente tracciando la dipendenza della potenza rilasciata sul carico dal valore della resistenza del carico. Trovata la reale, e non teorica, resistenza di carico che fornisce la massima potenza, si determina la reale resistenza interna del generatore.
L'efficienza della sorgente di corrente mostra il rapporto tra la potenza massima assegnata al carico e la potenza totale, che in questo momento sviluppa
Laboratorio n. 8
Argomento: "Determinazione della forza elettromotrice e della resistenza interna di una sorgente di corrente».
Obbiettivo: imparare a determinare la forza elettromotrice e la resistenza interna della sorgente energia elettrica.
Attrezzatura: 1. Amperometro da laboratorio;
2. Fonte di energia elettrica;
3. fili di collegamento,
4. Un set di resistenze da 2 ohm e 4 ohm;
5. Interruttore unipolare; chiave.
Teoria.
Il verificarsi di una differenza potenziale ai poli di qualsiasi sorgente è il risultato della separazione delle cariche positive e negative in essa contenute. Questa separazione avviene a causa del lavoro svolto da forze esterne.
Vengono chiamate forze di origine non elettrica che agiscono su portatori di carica gratuiti da fonti correnti forze esterne.
Quando le cariche elettriche si muovono attraverso un circuito corrente continua le forze esterne che agiscono all'interno delle fonti di corrente funzionano.
Quantità fisica, pari al rapporto tra il lavoro A st delle forze esterne quando si sposta la carica q all'interno della sorgente corrente al valore di questa carica, è chiamatofonte di forza elettromotrice (EMF):
L'EMF è determinato dal lavoro svolto da forze esterne quando si sposta una singola carica positiva.
La forza elettromotrice, come la differenza di potenziale, viene misurata in volt[A].
Per misurare l'EMF fonte, ti serve giuntura a lui voltmetro a circuito aperto.
La sorgente di corrente è un conduttore e ha sempre una certa resistenza, quindi la corrente genera calore al suo interno. Questa resistenza è chiamata sorgente resistenza interna e denotare r.
Se il circuito è aperto, il lavoro delle forze esterne viene convertito in energia potenziale della sorgente corrente. Con un circuito chiuso, questa energia potenziale viene spesa per il lavoro delle cariche in movimento nel circuito esterno con resistenza R e nella parte interna del circuito con resistenza r, cioè ε = IR + IR .
Se il circuito è costituito da una parte esterna con resistenza R e resistenza interna r, quindi, secondo la legge di conservazione dell'energia, l'EMF della sorgente sarà uguale alla somma delle tensioni sulle sezioni esterna e interna del circuito , perché quando si muove lungo un circuito chiuso, la carica ritorna nella sua posizione originale, dove IRè la tensione sulla sezione esterna del circuito, e Ir- tensione sulla sezione interna del circuito.
Pertanto, per una sezione del circuito contenente EMF:
Questa formula esprime Legge di Ohm per un circuito completo : l'intensità di corrente in un circuito completo è direttamente proporzionale alla forza elettromotrice della sorgente e inversamente proporzionale alla somma delle resistenze delle sezioni esterna ed interna del circuito.
ε e r possono essere determinati empiricamente.
Spesso le fonti di energia elettrica sono interconnesse per alimentare il circuito. La connessione delle sorgenti nella batteria può essere seriale e parallela.
Con un collegamento in serie, due sorgenti adiacenti sono collegate da poli opposti.
Cioè, per il collegamento seriale delle batterie, al ″plus″ circuito elettrico collegare il terminale positivo della prima batteria. Il terminale positivo della seconda batteria è collegato al suo terminale negativo, ecc. Il terminale negativo dell'ultima batteria è collegato al "meno" del circuito elettrico.
La batteria risultante da un collegamento seriale ha la stessa capacità di una singola batteria e la tensione di tale batteria è pari alla somma delle tensioni delle batterie in essa contenute. Quelli. se le batterie hanno la stessa tensione, la tensione della batteria è uguale alla tensione di una batteria moltiplicata per il numero di batterie nella batteria.
1. L'EMF della batteria è uguale alla somma dell'EMF delle singole fontiε= ε 1 + ε 2 + ε 3
2 . La resistenza totale della batteria di sorgenti è pari alla somma delle resistenze interne delle singole sorgenti r batterie = r 1 + r 2 + r 3
Se n sorgenti identiche sono collegate alla batteria, allora l'EMF della batteria ε= nε 1 e la resistenza della batteria r = nr 1
3.
Se collegati in parallelo, tutti i poli positivi e tutti i poli negativi di due o piùn fonti.
Cioè, quando sono collegate in parallelo, le batterie sono collegate in modo che i terminali positivi di tutte le batterie siano collegati a un punto del circuito elettrico (″più″) e i terminali negativi di tutte le batterie siano collegati a un altro punto del circuito ("meno").
Collegare solo in parallelo fonti Insieme a lo stesso EMF. La batteria risultante da un collegamento in parallelo ha la stessa tensione di una singola batteria e la capacità di tale batteria è pari alla somma delle capacità delle batterie in essa incluse. Quelli. se le batterie hanno la stessa capacità, la capacità della batteria è uguale alla capacità di una batteria moltiplicata per il numero di batterie nella batteria.
1. L'EMF di una batteria di sorgenti identiche è uguale all'EMF di una sorgente.ε= ε 1 = ε 2 = ε 3
2.
La resistenza della batteria è inferiore alla resistenza di una singola sorgente r batterie = r 1 /n
3.
La forza attuale in un tale circuito secondo la legge di Ohm
L'energia elettrica immagazzinata nella batteria è pari alla somma delle energie delle singole batterie (prodotto delle energie delle singole batterie, se le batterie sono uguali), indipendentemente dal fatto che le batterie siano collegate in parallelo o in serie .
La resistenza interna delle batterie prodotte utilizzando la stessa tecnologia è approssimativamente inversamente proporzionale alla capacità della batteria. Pertanto, poiché con un collegamento in parallelo, la capacità della batteria è uguale alla somma delle capacità delle batterie in essa incluse, cioè aumenta, la resistenza interna diminuisce.
Progresso.
1. Disegna una tabella:
2. Considera la scala dell'amperometro e determina il prezzo di una divisione.
3. Realizzare un circuito elettrico secondo lo schema mostrato in Figura 1. Mettere l'interruttore in posizione centrale.
Immagine 1.
4. Chiudere il circuito introducendo una resistenza R inferiore 1 1 . Apri la catena.
5. Chiudere il circuito introducendo più resistenza R 2 . Annotare il valore della corrente I 2 . Apri la catena.
6. Calcolare il valore dell'EMF e la resistenza interna della fonte di energia elettrica.
La legge di Ohm per il circuito completo per ogni caso: e
Da qui otteniamo le formule per il calcolo di ε e r:
7. Registrare i risultati di tutte le misurazioni e calcoli in una tabella.
8. Trai una conclusione.
9. Rispondi alle domande di sicurezza.
DOMANDE DI PROVA.
1. Apri significato fisico il concetto di "forza elettromotrice della sorgente di corrente".
2. Determinare la resistenza della sezione esterna del circuito, utilizzando i risultati delle misure ottenute e la legge di Ohm per il circuito completo.
3. Spiega perché la resistenza interna aumenta quando le batterie sono collegate in serie e diminuisce quando sono collegate in parallelo rispetto alla resistenza r 0 una batteria.
4. In quale caso il voltmetro collegato ai terminali del generatore mostra la FEM del generatore e in quale caso è la tensione ai capi della sezione esterna del circuito? Questa tensione può essere considerata anche come la tensione ai capi della sezione interna del circuito?
Opzione di misurazione.
Esperienza 1. Resistenza R 1 \u003d 2 Ohm, forza attuale I 1 \u003d 1,3 A.
Resistenza R 2 \u003d 4 Ohm, forza attuale I 2 \u003d 0,7 A.
Alle estremità del conduttore, e quindi della corrente, è necessario disporre di forze esterne di natura non elettrica, con l'aiuto delle quali avviene la separazione delle cariche elettriche.
Forze terze vengono chiamate tutte le forze che agiscono su particelle caricate elettricamente in un circuito, ad eccezione di elettrostatica (cioè Coulomb).
Forze di terze parti mettono in moto particelle cariche all'interno di tutte le fonti di corrente: nei generatori, nelle centrali elettriche, nelle celle galvaniche, nelle batterie, ecc.
Quando il circuito è chiuso, si crea un campo elettrico in tutti i conduttori del circuito. All'interno della sorgente di corrente, le cariche si muovono sotto l'azione di forze esterne contro le forze di Coulomb (gli elettroni si spostano da un elettrodo caricato positivamente a uno negativo), e nel resto del circuito sono guidati da un campo elettrico (vedi figura sopra ).
Nelle fonti attuali, nel corso del lavoro sulla separazione delle particelle cariche, si verifica una trasformazione tipi diversi energia in elettricità. In base al tipo di energia convertita si distinguono i seguenti tipi di forza elettromotrice:
- elettrostatico- in una macchina elettrofora, in cui l'energia meccanica viene convertita in energia elettrica durante l'attrito;
- termoelettrico- in un termoelemento, l'energia interna di una giunzione riscaldata di due fili di metalli diversi viene convertita in energia elettrica;
- fotovoltaico— in una fotocellula. Qui l'energia luminosa viene convertita in energia elettrica: quando alcune sostanze vengono illuminate, ad esempio selenio, ossido di rame (I), silicio, si osserva una perdita di carica elettrica negativa;
- chimico- in celle galvaniche, batterie e altre fonti in cui l'energia chimica viene convertita in energia elettrica.
Forza elettromotrice (EMF)- caratteristica delle fonti attuali. Il concetto di EMF fu introdotto da G. Ohm nel 1827 per i circuiti DC. Nel 1857, Kirchhoff definì l'EMF come il lavoro di forze esterne durante il trasferimento di una carica elettrica unitaria lungo un circuito chiuso:
ɛ \u003d A st / q,
dove ɛ - EMF della sorgente corrente, Un santo- il lavoro di forze esterne, qè l'importo della carica trasferita.
La forza elettromotrice è espressa in volt.
Possiamo parlare della forza elettromotrice in qualsiasi parte del circuito. Questo è il lavoro specifico delle forze esterne (il lavoro di spostamento di una carica unitaria) non nell'intero circuito, ma solo in quest'area.
Lascia che ci sia un semplice circuito chiuso costituito da una sorgente di corrente (ad esempio una cella galvanica, una batteria o un generatore) e un resistore con resistenza R. La corrente in un circuito chiuso non è interrotta da nessuna parte, quindi esiste anche all'interno della sorgente di corrente. Qualsiasi fonte rappresenta una certa resistenza alla corrente. È chiamato resistenza interna della sorgente di corrente ed è contrassegnato dalla lettera r.
Nel generatore r- questa è la resistenza dell'avvolgimento, in una cella galvanica - la resistenza della soluzione elettrolitica e degli elettrodi.
Pertanto, la fonte attuale è caratterizzata dai valori di EMF e resistenza interna, che ne determinano la qualità. Ad esempio, le macchine elettrostatiche hanno un EMF molto elevato (fino a decine di migliaia di volt), ma allo stesso tempo la loro resistenza interna è enorme (fino a centinaia di Mohm). Pertanto, non sono adatti a ricevere correnti elevate. Nelle celle galvaniche, l'EMF è solo di circa 1 V, ma anche la resistenza interna è piccola (circa 1 ohm o meno). Ciò consente loro di ricevere correnti misurate in ampere.
