A lei de Ohm para um circuito completo, cuja definição se refere ao valor da corrente elétrica em circuitos reais, depende da fonte de corrente e da resistência da carga. Esta lei tem outro nome - a lei de Ohm para circuitos fechados. O princípio de funcionamento desta lei é o seguinte.
Como exemplo mais simples, uma lâmpada elétrica consumidora de corrente elétrica, juntamente com uma fonte de corrente, nada mais é do que uma lâmpada fechada. Este circuito elétrico é claramente mostrado na figura.
A corrente elétrica que passa pela lâmpada também passa pela própria fonte de corrente. Assim, ao passar pelo circuito, a corrente experimentará a resistência não só do condutor, mas também a resistência, diretamente, da própria fonte de corrente. Na fonte, a resistência é criada pelo eletrólito localizado entre as placas e camadas limite placas e eletrólito. Segue-se que, em um circuito fechado, sua resistência total consistirá na soma das resistências da lâmpada e da fonte de corrente.
Resistência de carga, em este caso Uma lâmpada conectada a uma fonte de corrente é chamada de resistência externa. A resistência direta de uma fonte de corrente é chamada de resistência interna. Para uma representação mais visual do processo, todos os valores devem ser designados condicionalmente. I - , R - resistência externa, r - resistência interna. Quando uma corrente flui por um circuito elétrico, então, para mantê-la, deve haver uma diferença de potencial entre as extremidades do circuito externo, que tem um valor de IxR. No entanto, o fluxo de corrente também é observado no circuito interno. Isso significa que, para manter a corrente elétrica no circuito interno, também é necessária uma diferença de potencial nas extremidades da resistência r. O valor dessa diferença de potencial é igual a Iхr.
A bateria deve ter o seguinte valor de força eletromotriz capaz de manter a corrente necessária no circuito: E \u003d IxR + Ixr. A partir da fórmula, pode-se ver que a força eletromotriz da bateria é a soma de externa e interna. O valor atual deve ser retirado dos colchetes: E \u003d I (r + R) . Caso contrário, você pode imaginar: I=E/(r+R) . As duas últimas fórmulas expressam a lei de Ohm para um circuito completo, cuja definição é a seguinte: em um circuito fechado, a intensidade da corrente é diretamente proporcional à força eletromotriz e inversamente proporcional à soma das resistências desse circuito.
Uma fonte é um dispositivo que converte energia mecânica, química, térmica e outras formas de energia em energia elétrica. Em outras palavras, a fonte é um elemento de rede ativo projetado para gerar eletricidade. tipos diferentes As fontes disponíveis na rede elétrica são fontes de tensão e fontes de corrente. Esses dois conceitos em eletrônica são diferentes um do outro.
A fonte de tensão é um dispositivo com dois pólos, sua tensão a qualquer momento é constante e a corrente que passa por ela não tem efeito. Tal fonte seria ideal, tendo resistência interna zero. Em termos práticos, não pode ser obtido.
No pólo negativo da fonte de tensão, um excesso de elétrons se acumula, no pólo positivo - seu déficit. Os estados dos pólos são mantidos pelos processos dentro da fonte.
As baterias armazenam energia química internamente e são capazes de convertê-la em energia elétrica. As baterias não podem ser recarregadas, o que é sua desvantagem.
As baterias são baterias recarregáveis. Ao carregar, a energia elétrica é armazenada internamente na forma de energia química. Durante o descarregamento, o processo químico prossegue na direção oposta e a energia elétrica é liberada.
Exemplos:
Importante! Em correntes baixas, baterias e acumuladores podem ser vistos como uma boa aproximação para fontes de tensão ideais.
A eletricidade é produzida nas usinas com a ajuda de geradores e, após a regulação da tensão, é transmitida ao consumidor. Tensão CA rede doméstica 220 V em várias fontes de alimentação dispositivos eletrônicos facilmente convertido para um valor mais baixo ao usar transformadores.
Por analogia, como uma fonte de tensão ideal cria uma tensão constante na saída, a tarefa de uma fonte de corrente é fornecer um valor de corrente constante, controlando automaticamente a tensão necessária. Exemplos são transformadores de corrente (enrolamento secundário), fotocélulas, correntes coletoras de transistores.
Fontes de tensão reais possuem sua própria resistência elétrica, que é chamada de "resistência interna". A carga conectada às saídas da fonte é denominada “resistência externa” - R.
A bateria gera EMF:
ε = E/Q, onde:
A fem total de uma célula de bateria é sua tensão de circuito aberto quando não há carga. Pode ser controlado com boa precisão com um multímetro digital. A diferença de potencial medida nos contatos de saída da bateria, quando conectada a um resistor de carga, será menor que sua tensão quando o circuito estiver aberto, devido à corrente que circula pela carga externa e pela resistência interna da fonte , isso leva à dissipação de energia na forma de radiação térmica.
A resistência interna de uma bateria química está entre uma fração de ohm e alguns ohms e está relacionada principalmente à resistência dos materiais eletrolíticos usados na bateria.
Se um resistor com resistência R for conectado a uma bateria, a corrente no circuito será I = ε/(R + r).
A resistência interna não é um valor constante. É afetado pelo tipo de bateria (alcalina, chumbo-ácido, etc.) e varia em função do valor da carga, temperatura e idade da bateria. Por exemplo, em baterias descartáveis, a resistência interna aumenta durante o uso e, portanto, a tensão cai até atingir um estado inadequado para uso posterior.
Se a EMF da fonte for um valor predeterminado, a resistência interna da fonte é determinada medindo a corrente que flui através do resistor de carga.
Exemplo. Uma bateria com uma EMF conhecida ε = 1,5 V é conectada em série com uma lâmpada. A queda de tensão na lâmpada é de 1,2 V. Portanto, a resistência interna do elemento cria uma queda de tensão: 1,5 - 1,2 \u003d 0,3 V. A resistência dos fios do circuito é considerada desprezível, a resistência da lâmpada é não conhecido. A corrente medida que passa pelo circuito: I \u003d 0,3 A. É necessário determinar a resistência interna da bateria.
Quando curto circuito a resistência externa cai para quase zero. A corrente só pode ser limitada por uma pequena resistência da fonte. A corrente gerada em tal situação é tão alta que a fonte de tensão pode ser danificada pelo efeito térmico da corrente, havendo risco de incêndio. O risco de incêndio é evitado através da instalação de fusíveis, por exemplo, em circuitos de baterias de automóveis.
Resistência interna da fonte de tensão - fator importante ao decidir como transferir a energia mais eficiente para o aparelho elétrico conectado.
Importante! A máxima transferência de potência ocorre quando a resistência interna da fonte é igual à resistência da carga.
Porém, nessa condição, lembrando a fórmula P \u003d I² x R, uma quantidade idêntica de energia é dada à carga e dissipada na própria fonte, e sua eficiência é de apenas 50%.
Os requisitos de carga devem ser cuidadosamente considerados para decidir sobre o melhor uso da fonte. Por exemplo, uma bateria de carro de chumbo-ácido deve fornecer altas correntes a uma tensão relativamente baixa de 12 V. Sua baixa resistência interna permite isso.
Em alguns casos, as fontes de alimentação de alta tensão devem ter resistência interna extremamente alta para limitar a corrente de curto-circuito.
Uma fonte de corrente ideal tem resistência infinita, mas para fontes genuínas pode-se imaginar uma versão aproximada. O circuito equivalente é uma resistência conectada em paralelo à fonte e uma resistência externa.
A saída de corrente da fonte de corrente é distribuída da seguinte forma: parte da corrente flui pela resistência interna mais alta e pela resistência de carga baixa.
A corrente de saída será da soma das correntes na resistência interna e na carga Io \u003d Ir + Ivn.
Acontece que:
Em \u003d Io - Ivn \u003d Io - Un / r.
Essa dependência mostra que, quando a resistência interna da fonte de corrente aumenta, mais a corrente diminui e o resistor de carga recebe a maior parte da corrente. Curiosamente, a tensão não afetará o valor atual.
Tensão de saída da fonte real:
Uout \u003d I x (R x r) / (R + r) \u003d I x R / (1 + R / r). Avalie este artigo:
Suponha que exista um circuito elétrico fechado simples que inclua uma fonte de corrente, como um gerador, uma célula galvânica ou uma bateria, e um resistor com resistência R. Como a corrente no circuito não é interrompida em nenhum lugar, ela também flui dentro da fonte .
Em tal situação, podemos dizer que qualquer fonte possui alguma resistência interna que impeça a corrente. Essa resistência interna caracteriza a fonte de corrente e é indicada pela letra r. Para uma bateria, a resistência interna é a resistência da solução eletrolítica e eletrodos, para um gerador, a resistência dos enrolamentos do estator, etc.
Assim, a fonte de corrente é caracterizada tanto pelo valor do EMF quanto pelo valor de sua própria resistência interna r - ambas as características indicam a qualidade da fonte.
Os geradores eletrostáticos de alta tensão (como o gerador Van de Graaff ou o gerador Wimshurst), por exemplo, possuem um enorme EMF medido em milhões de volts, enquanto sua resistência interna é medida em centenas de megaohms, razão pela qual eles são inadequados para gerar grandes correntes.
As células galvânicas (como uma bateria) - pelo contrário - têm um EMF da ordem de 1 volt, embora sua resistência interna seja da ordem de frações ou no máximo dez ohms e, portanto, correntes de unidades e dezenas de amperes podem ser obtido a partir de células galvânicas.
Este diagrama mostra uma fonte real com uma carga conectada. Aqui são indicadas, sua resistência interna, bem como a resistência de carga. De acordo com, a corrente neste circuito será igual a:
Como a seção do circuito externo é homogênea, a partir da lei de Ohm você pode encontrar a tensão na carga:
Tendo expresso a resistência de carga da primeira equação e substituindo seu valor na segunda equação, obtemos a dependência da tensão na carga da corrente em um circuito fechado:
Em um circuito fechado, o EMF é igual à soma das quedas de tensão nos elementos do circuito externo e na resistência interna da própria fonte. A dependência da tensão de carga na corrente de carga é idealmente linear.
O gráfico mostra isso, mas os dados experimentais em um resistor real (cruzamentos próximos ao gráfico) sempre diferem do ideal:
Experimentos e lógica mostram que, com corrente de carga zero, a tensão no circuito externo é igual à EMF da fonte e, com tensão zero na carga, a corrente no circuito é . Esta propriedade de circuitos reais ajuda a encontrar experimentalmente o EMF e a resistência interna de fontes reais.
Descoberta experimental de resistência interna
Para determinar experimentalmente essas características, construa um gráfico da tensão de carga versus corrente e extrapole-o para a interseção com os eixos.
No ponto de interseção do gráfico com o eixo da tensão está o valor da EMF da fonte, e no ponto de interseção com o eixo da corrente está a magnitude da corrente de curto-circuito. Como resultado, a resistência interna é encontrada pela fórmula:
A potência útil desenvolvida pela fonte é alocada para a carga. Um gráfico da dependência desta potência na resistência de carga é mostrado na figura. Essa curva começa na interseção dos eixos coordenados no ponto zero, depois aumenta até o valor máximo de potência, após o que cai para zero quando a resistência da carga é igual ao infinito.
Para encontrar a resistência de carga máxima na qual a potência máxima se desenvolve teoricamente para uma determinada fonte, a derivada da fórmula de potência em relação a R é tomada e igualada a zero. A potência máxima se desenvolverá com a resistência do circuito externo igual à resistência interna da fonte:
Esta afirmação sobre a potência máxima em R = r torna possível encontrar experimentalmente a resistência interna da fonte plotando a dependência da potência liberada na carga com o valor da resistência da carga. Tendo encontrado a resistência de carga real, e não teórica, que fornece potência máxima, determina-se a resistência interna real da fonte de alimentação.
A eficiência da fonte de corrente mostra a relação entre a potência máxima alocada à carga e a potência total, que em este momento desenvolve
Laboratório nº 8
Tema: "Determinação da força eletromotriz e resistência interna de uma fonte de corrente».
Alvo: aprenda a determinar a força eletromotriz e a resistência interna da fonte energia elétrica.
Equipamento: 1. Amperímetro de laboratório;
2. Fonte de energia elétrica;
3. fios de conexão,
4. Um conjunto de resistências de 2 ohms e 4 ohms;
5. Interruptor unipolar; chave.
Teoria.
A ocorrência de uma diferença de potencial nos pólos de qualquer fonte é resultado da separação de cargas positivas e negativas nela. Essa separação ocorre devido ao trabalho realizado por forças externas.
Forças de origem não elétrica atuando em portadores de carga livres de fontes de corrente são chamadas forças externas.
Quando cargas elétricas se movem através de um circuito corrente direta as forças externas que atuam dentro das fontes de corrente funcionam.
Quantidade física, igual à razão do trabalho A st das forças externas ao mover a carga q dentro da fonte de corrente para o valor dessa carga, é chamadoforça eletromotriz da fonte (EMF):
EMF é determinado pelo trabalho realizado por forças externas ao mover uma única carga positiva.
A força eletromotriz, assim como a diferença de potencial, é medida em volts[NO].
Para medir EMF fonte, você precisa Junte para ele voltímetro de circuito aberto.
A fonte de corrente é um condutor e sempre tem alguma resistência, então a corrente gera calor nela. Essa resistência é chamada resistência interna da fonte e denotar r.
Se o circuito estiver aberto, o trabalho das forças externas é convertido em energia potencial da fonte de corrente. Com um circuito fechado, essa energia potencial é gasta no trabalho de cargas em movimento no circuito externo com resistência R e na parte interna do circuito com resistência r, ou seja, ε = IR + Ir .
Se o circuito consistir em uma parte externa com resistência R e resistência interna r, então, de acordo com a lei de conservação de energia, o EMF da fonte será igual à soma das tensões nas seções externa e interna do circuito , Porque ao se mover em um circuito fechado, a carga retorna à sua posição original, onde IVé a tensão na seção externa do circuito, e ir- tensão na seção interna do circuito.
Assim, para uma seção do circuito contendo EMF:
Esta fórmula expressa Lei de Ohm para um circuito completo : a intensidade da corrente em um circuito completo é diretamente proporcional à força eletromotriz da fonte e inversamente proporcional à soma das resistências das seções externa e interna do circuito.
ε e r podem ser determinados empiricamente.
Muitas vezes, fontes de energia elétrica são interligadas para alimentar o circuito. A conexão de fontes na bateria pode ser serial e paralela.
Com uma conexão em série, duas fontes adjacentes são conectadas por pólos opostos.
Ou seja, para conexão serial de baterias, ao ″plus″ circuito elétrico conecte o terminal positivo da primeira bateria. O terminal positivo da segunda bateria é conectado ao seu terminal negativo, etc. O terminal negativo da última bateria é conectado ao "menos" do circuito elétrico.
A bateria resultante de uma conexão serial tem a mesma capacidade de uma bateria simples, e a tensão de tal bateria é igual à soma das tensões das baterias incluídas nela. Aqueles. se as baterias tiverem a mesma voltagem, a voltagem da bateria é igual à voltagem de uma bateria multiplicada pelo número de baterias na bateria.
1. O EMF da bateria é igual à soma do EMF de fontes individuaisε= ε 1 + ε 2 + ε 3
2 . A resistência total da bateria de fontes é igual à soma das resistências internas das fontes individuais r baterias = r 1 + r 2 + r 3
Se n fontes idênticas forem conectadas à bateria, então a EMF da bateria ε= nε 1 e a resistência da bateria r = nr 1
3.
Quando conectados em paralelo, todos os pólos positivos e negativos de dois ou maisn fontes.
Ou seja, quando conectadas em paralelo, as baterias são conectadas de forma que os terminais positivos de todas as baterias sejam conectados a um ponto do circuito elétrico (″mais″) e os terminais negativos de todas as baterias sejam conectados a outro ponto do circuito ("menos").
Conectar apenas em paralelo fontes Com o mesmo EMF. A bateria resultante de uma ligação em paralelo tem a mesma voltagem de uma bateria simples, e a capacidade dessa bateria é igual à soma das capacidades das baterias incluídas nela. Aqueles. se as baterias tiverem a mesma capacidade, a capacidade da bateria é igual à capacidade de uma bateria multiplicada pelo número de baterias na bateria.
1. O EMF de uma bateria de fontes idênticas é igual ao EMF de uma fonte.ε= ε 1 = ε 2 = ε 3
2.
A resistência da bateria é menor que a resistência de uma única fonte r baterias = r 1 /n
3.
A força atual em tal circuito de acordo com a lei de Ohm
A energia elétrica armazenada na bateria é igual à soma das energias das baterias individuais (o produto das energias das baterias individuais, se as baterias forem iguais), independentemente de as baterias estarem conectadas em paralelo ou em série .
A resistência interna das baterias fabricadas com a mesma tecnologia é aproximadamente inversamente proporcional à capacidade da bateria. Portanto, como na conexão em paralelo, a capacidade da bateria é igual à soma das capacidades das baterias incluídas nela, ou seja, aumenta, a resistência interna diminui.
Progresso.
1. Desenhe uma tabela:
2. Considere a escala do amperímetro e determine o preço de uma divisão.
3. Faça um circuito elétrico de acordo com o diagrama mostrado na Figura 1. Coloque a chave na posição intermediária.
Imagem 1.
4. Feche o circuito introduzindo uma resistência menor R 1 1 . Abra a corrente.
5. Feche o circuito introduzindo mais resistência R 2 . Anote o valor da corrente I 2 . Abra a corrente.
6. Calcule o valor da EMF e resistência interna da fonte de energia elétrica.
Lei de Ohm para o circuito completo para cada caso: e
A partir daqui, obtemos fórmulas para calcular ε e r:
7. Registre os resultados de todas as medições e cálculos em uma tabela.
8. Tire uma conclusão.
9. Responda às perguntas de segurança.
QUESTÕES DE TESTE.
1. Abra significado físico o conceito de "força eletromotriz da fonte de corrente".
2. Determine a resistência da seção externa do circuito, usando os resultados das medições obtidas e a lei de Ohm para o circuito completo.
3. Explique por que a resistência interna aumenta quando as baterias são conectadas em série e diminui quando conectadas em paralelo em comparação com a resistência r 0 uma bateria.
4. Em que caso o voltímetro conectado aos terminais do gerador mostra o gerador EMF e em que caso a tensão está nas extremidades da seção externa do circuito? Essa tensão também pode ser considerada como a tensão nas extremidades da seção interna do circuito?
Opção de medição.
Experiência 1. Resistência R 1 \u003d 2 Ohm, intensidade da corrente I 1 \u003d 1,3 A.
Resistência R 2 \u003d 4 Ohm, intensidade da corrente I 2 \u003d 0,7 A.
Nas extremidades do condutor, e portanto da corrente, é necessário haver forças externas de natureza não elétrica, com a ajuda das quais ocorre a separação das cargas elétricas.
forças de terceiros quaisquer forças que atuam sobre partículas eletricamente carregadas em um circuito são chamadas, com exceção de eletrostática (isto é, Coulomb).
Forças de terceiros colocam em movimento partículas carregadas dentro de todas as fontes de corrente: em geradores, em usinas de energia, em células galvânicas, baterias, etc.
Quando o circuito é fechado, um campo elétrico é criado em todos os condutores do circuito. Dentro da fonte de corrente, as cargas se movem sob a ação de forças externas contra as forças de Coulomb (os elétrons se movem de um eletrodo carregado positivamente para um negativo), e no restante do circuito são movidos por um campo elétrico (veja a figura acima ).
Nas fontes atuais, no decorrer do trabalho de separação de partículas carregadas, ocorre uma transformação tipos diferentes energia em eletricidade. De acordo com o tipo de energia convertida, distinguem-se os seguintes tipos de força eletromotriz:
- eletrostática- em uma máquina de eletróforos, na qual a energia mecânica é convertida em energia elétrica durante o atrito;
- termoelétrico- em um termoelemento, a energia interna de uma junção aquecida de dois fios de metais diferentes é convertida em energia elétrica;
- fotovoltaica— em uma fotocélula. Aqui, a energia luminosa é convertida em energia elétrica: quando algumas substâncias são iluminadas, por exemplo, selênio, óxido de cobre (I), silício, observa-se uma perda de carga elétrica negativa;
- químico- em células galvânicas, baterias e outras fontes nas quais a energia química é convertida em energia elétrica.
Força Eletromotriz (EMF)- característica das fontes de corrente. O conceito de EMF foi introduzido por G. Ohm em 1827 para circuitos DC. Em 1857, Kirchhoff definiu EMF como o trabalho de forças externas durante a transferência de uma unidade de carga elétrica ao longo de um circuito fechado:
ɛ \u003d A st / q,
Onde ɛ - EMF da fonte atual, um st- o trabalho de forças externas, qé a quantidade de carga transferida.
A força eletromotriz é expressa em volts.
Podemos falar sobre a força eletromotriz em qualquer parte do circuito. Este é o trabalho específico de forças externas (o trabalho de mover uma unidade de carga) não em todo o circuito, mas apenas nesta área.
Seja um circuito fechado simples que consiste em uma fonte de corrente (por exemplo, uma célula galvânica, bateria ou gerador) e um resistor com resistência R. A corrente em um circuito fechado não é interrompida em nenhum lugar, portanto, também existe dentro da fonte de corrente. Qualquer fonte representa alguma resistência à corrente. É chamado resistência interna da fonte de corrente e está marcada com a letra r.
no gerador r- esta é a resistência do enrolamento, em uma célula galvânica - a resistência da solução eletrolítica e dos eletrodos.
Assim, a fonte de corrente é caracterizada pelos valores de EMF e resistência interna, que determinam sua qualidade. Por exemplo, máquinas eletrostáticas têm EMF muito alto (até dezenas de milhares de volts), mas ao mesmo tempo sua resistência interna é enorme (até centenas de Mohms). Portanto, eles são inadequados para receber altas correntes. Em células galvânicas, o EMF é apenas aproximadamente 1 V, mas a resistência interna também é pequena (aproximadamente 1 ohm ou menos). Isso permite que eles recebam correntes medidas em amperes.
