Rezistența internă este egală cu cea externă. Curent electric constant. EMF a sursei de curent și rezistența internă a sursei de curent

Un curent electric dintr-un conductor ia naștere sub influența unui câmp electric, determinând particulele încărcate liber să se miște într-o direcție. Generarea curentului de particule este o problemă serioasă. A construi un astfel de dispozitiv care va menține diferența de potențial de câmp pentru o lungă perioadă de timp într-o singură stare este o sarcină pe care umanitatea a fost posibilă să o rezolve doar până la sfârșitul secolului al XVIII-lea.

Primele încercări

Primele încercări de „stocare electricitate” pentru cercetarea și utilizarea sa ulterioară au fost făcute în Olanda. Germanul Ewald Jürgen von Kleist și olandezul Pieter van Musschenbroek, care și-au condus cercetările în orașul Leiden, au creat primul condensator din lume, numit mai târziu „borcanul Leyden”.

Acumularea sarcinii electrice a avut loc deja sub influența frecării mecanice. A fost posibil să se folosească o descărcare printr-un conductor pentru o anumită perioadă de timp destul de scurtă.

Victoria minții umane asupra unei substanțe atât de efemere precum electricitatea s-a dovedit a fi revoluționară.

Din păcate, descărcarea (curent electric creat de condensator) a durat atât de scurt încât nu a putut fi creată. În plus, tensiunea furnizată de condensator scade treptat, ceea ce nu lasă posibilitatea de a primi curent pe termen lung.

A fost necesar să se caute o altă cale.

Prima sursă

Experimentele italianului Galvani privind „electricitatea animală” au fost o încercare originală de a găsi o sursă naturală de curent în natură. Atârnând picioarele broaștelor disecate de cârligele metalice ale unei rețele de fier, a atras atenția asupra reacției caracteristice a terminațiilor nervoase.

Cu toate acestea, concluziile lui Galvani au fost infirmate de un alt italian, Alessandro Volta. Interesat de posibilitatea de a obține energie electrică de la organisme animale, a efectuat o serie de experimente cu broaște. Dar concluzia lui s-a dovedit a fi complet opusul ipotezelor anterioare.

Volta a observat că un organism viu este doar un indicator al unei descărcări electrice. Când trece curentul, mușchii labelor se contractă, indicând o diferență de potențial. Sursa câmpului electric s-a dovedit a fi contactul cu metale diferite. Cu cât acestea sunt mai îndepărtate în seria elementelor chimice, cu atât efectul este mai semnificativ.

Plăcile din metale diferite, căptușite cu discuri de hârtie înmuiate într-o soluție de electrolit, au creat diferența de potențial necesară pentru o lungă perioadă de timp. Și chiar dacă era scăzut (1,1 V), curentul electric a putut fi studiat mult timp. Principalul lucru este că tensiunea a rămas neschimbată la fel de mult timp.

Ce se întâmplă

De ce apare acest efect în surse numite „celule galvanice”?

Doi electrozi metalici plasați într-un dielectric joacă roluri diferite. Unul furnizează electroni, celălalt îi acceptă. Procesul de reacție redox duce la apariția unui exces de electroni pe un electrod, care se numește pol negativ, și la o deficiență pe al doilea, pe care îl vom desemna drept pol pozitiv al sursei.

În cele mai simple celule galvanice, reacțiile de oxidare au loc pe un electrod, reacții de reducere pe celălalt. Electronii vin la electrozi din partea exterioară a circuitului. Electrolitul este un conductor de curent ionic în interiorul sursei. Forța de rezistență controlează durata procesului.

Element cupru-zinc

Este interesant să luăm în considerare principiul de funcționare al celulelor galvanice folosind exemplul unei celule galvanice cupru-zinc, a cărei acțiune provine din energia zincului și a sulfatului de cupru. În această sursă, o placă de cupru este plasată într-o soluție și un electrod de zinc este scufundat într-o soluție de sulfat de zinc. Soluțiile sunt separate printr-un distanțier poros pentru a evita amestecarea, dar trebuie să vină în contact.

Dacă circuitul este închis, stratul superficial de zinc este oxidat. În procesul de interacțiune cu lichidul, în soluție apar atomii de zinc, transformându-se în ioni. Electronii sunt eliberați la electrod, care poate lua parte la formarea curentului.

Odată pe electrodul de cupru, electronii iau parte la reacția de reducere. Ionii de cupru vin din soluție la stratul de suprafață în timpul procesului de reducere, se transformă în atomi de cupru, depunându-se pe placa de cupru.

Să rezumam ceea ce se întâmplă: procesul de funcționare a unei celule galvanice este însoțit de tranziția electronilor de la agentul reducător la agentul de oxidare de-a lungul părții externe a circuitului. Reacțiile apar pe ambii electrozi. Un curent ionic circulă în interiorul sursei.

Dificultate de utilizare

În principiu, oricare dintre posibilele reacții redox poate fi folosită în baterii. Dar nu există atât de multe substanțe capabile să lucreze în elemente valoroase din punct de vedere tehnic. Mai mult, multe reacții necesită substanțe scumpe.

Bateriile moderne au o structură mai simplă. Doi electrozi plasați într-un electrolit umplu vasul - corpul bateriei. Astfel de caracteristici de proiectare simplifică structura și reduc costul bateriilor.

Orice celulă galvanică este capabilă să producă curent continuu.

Rezistența curentului nu permite toți ionii să apară pe electrozi în același timp, astfel încât elementul funcționează mult timp. Reacțiile chimice de formare a ionilor se opresc mai devreme sau mai târziu și elementul este descărcat.

Sursa actuală este de mare importanță.

Puțin despre rezistență

Folosirea curentului electric, fără îndoială, a adus progresul științific și tehnologic la un nou nivel și i-a dat un impuls gigantic. Dar forța de rezistență la fluxul de curent stă în calea unei astfel de dezvoltări.

Pe de o parte, curentul electric are proprietăți neprețuite utilizate în viața de zi cu zi și în tehnologie, pe de altă parte, există o rezistență semnificativă. Fizica, ca știință a naturii, încearcă să stabilească un echilibru și să alinieze aceste circumstanțe.

Rezistența curentului apare din cauza interacțiunii particulelor încărcate electric cu substanța prin care se deplasează. Este imposibil să excludem acest proces în condiții normale de temperatură.

Rezistenţă

Sursa de curent și rezistența părții externe a circuitului au o natură ușor diferită, dar același lucru este și în aceste procese și munca depusă pentru deplasarea încărcăturii.

Lucrarea în sine depinde numai de proprietățile sursei și de umplerea acesteia: calitățile electrozilor și electrolitului, precum și ale părților externe ale circuitului, a căror rezistență depinde de parametrii geometrici și de caracteristicile chimice ale materialului. De exemplu, rezistența unui fir metalic crește odată cu lungimea sa și scade odată cu creșterea ariei secțiunii transversale. Când rezolvăm problema modului de reducere a rezistenței, fizica recomandă utilizarea materialelor specializate.

Munca curenta

În conformitate cu legea Joule-Lenz, o cantitate de căldură este eliberată în conductori proporțional cu rezistența. Dacă cantitatea de căldură se notează cu Q int. , puterea curentului I, timpul său de curgere t, atunci obținem:

• Q intern = I 2 r t,

unde r este rezistența internă a sursei de curent.

În întregul lanț, incluzând atât părțile sale interne, cât și externe, va fi eliberată cantitatea totală de căldură, a cărei formulă este:

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

Se știe cum se notează rezistența în fizică: circuitul extern (toate elementele cu excepția sursei) are o rezistență R.

Legea lui Ohm pentru un circuit complet

Să luăm în considerare faptul că munca principală este efectuată de forțe externe în interiorul sursei de curent. Valoarea sa este egală cu produsul dintre sarcina transferată de câmp și forța electromotoare a sursei:

• q · E = I 2 · (r + R) · t.

Înțelegând că sarcina este egală cu produsul dintre puterea curentului și timpul în care curge, avem:

• E = I (r + R).

În conformitate cu relațiile cauză-efect, legea lui Ohm are forma:

• I = E: (r + R).

Într-un circuit închis, EMF al sursei de curent este direct proporțional și invers proporțional cu rezistența totală (la impact) a circuitului.

Pe baza acestui model, este posibil să se determine rezistența internă a sursei de curent.

Capacitatea de descărcare a sursei

Principalele caracteristici ale surselor includ capacitatea de descărcare. Cantitatea maximă de energie electrică obținută în timpul funcționării în anumite condiții depinde de puterea curentului de descărcare.

În cazul ideal, când se fac anumite aproximări, capacitatea de descărcare poate fi considerată constantă.

De exemplu, o baterie standard cu o diferență de potențial de 1,5 V are o capacitate de descărcare de 0,5 Ah. Dacă curentul de descărcare este de 100 mA, acesta funcționează timp de 5 ore.

Metode de încărcare a bateriilor

Utilizarea bateriilor va duce la descărcarea acestora. încărcarea elementelor de dimensiuni mici se realizează folosind un curent a cărui putere nu depășește o zecime din capacitatea sursei.

Sunt disponibile următoarele metode de încărcare:

• utilizarea curentului constant pentru un timp dat (aproximativ 16 ore cu un curent de 0,1 capacitate a bateriei);
• încărcarea cu un curent descrescător la o diferență de potențial dată;
• utilizarea curenților asimetrici;
• aplicarea secvențială a impulsurilor scurte de încărcare și descărcare, în care timpul primului depășește timpul celui de-al doilea.

Munca practica

Se propune o sarcină: determinați rezistența internă a sursei de curent și a fem.

Pentru a-l efectua, trebuie să vă aprovizionați cu o sursă de curent, un ampermetru, un voltmetru, un reostat glisor, o cheie și un set de conductori.

Utilizarea vă va permite să determinați rezistența internă a sursei de curent. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți EMF-ul său și valoarea rezistenței reostatului.

Formula de calcul pentru rezistența de curent în partea externă a circuitului poate fi determinată din legea lui Ohm pentru secțiunea circuitului:

• I=U:R,

unde I este puterea curentului în partea exterioară a circuitului, măsurată cu un ampermetru; U este tensiunea pe rezistența externă.

Pentru a crește acuratețea, măsurătorile sunt efectuate de cel puțin 5 ori. Pentru ce este? Tensiunea, rezistența, curentul (sau mai degrabă, puterea curentului) măsurate în timpul experimentului sunt utilizate în continuare.

Pentru a determina EMF-ul sursei de curent, profităm de faptul că tensiunea la bornele sale atunci când comutatorul este deschis este aproape egală cu EMF.

Să asamblam un circuit al unei baterii, un reostat, un ampermetru și o cheie conectată în serie. Conectam un voltmetru la bornele sursei de curent. După ce am deschis cheia, îi luăm citirile.

Rezistența internă, a cărei formulă este obținută din legea lui Ohm pentru un circuit complet, este determinată prin calcule matematice:

• I = E: (r + R).
• r = E: I - U: I.

Măsurătorile arată că rezistența internă este semnificativ mai mică decât cea externă.

Funcția practică a acumulatorilor și bateriilor este utilizată pe scară largă. Siguranța incontestabilă a motoarelor electrice este dincolo de orice îndoială, dar crearea unei baterii încăpătoare și ergonomice este o problemă a fizicii moderne. Soluția sa va duce la o nouă rundă de dezvoltare a tehnologiei auto.

Bateriile mici, ușoare, reîncărcabile de mare capacitate sunt, de asemenea, esențiale în dispozitivele electronice mobile. Cantitatea de energie folosită în ele este direct legată de performanța dispozitivelor.

Necesitatea introducerii termenului poate fi ilustrată prin exemplul următor. Să comparăm două surse chimice de curent continuu cu aceeași tensiune:

• Baterie auto plumb-acid cu o tensiune de 12 volți și o capacitate de 55 Ah
• Opt baterii AA conectate în serie. Tensiunea totală a unei astfel de baterii este, de asemenea, de 12 volți, capacitatea este mult mai mică - aproximativ 1 Ah

În ciuda aceleiași tensiuni, aceste surse diferă semnificativ atunci când funcționează la aceeași sarcină. Astfel, o baterie de mașină este capabilă să furnizeze un curent mare la sarcină (motorul mașinii pornește de la baterie, în timp ce demarorul consumă un curent de 250 de amperi), dar demarorul nu se rotește deloc dintr-un lanț de baterii. Capacitatea relativ mică a bateriilor nu este motivul: un amperi-oră în baterii ar fi suficient pentru a roti demarorul timp de 14 secunde (la un curent de 250 de amperi).

Astfel, pentru rețelele cu două terminale care conțin surse (adică generatoare de tensiune și generatoare de curent), este necesar să vorbim în mod specific despre intern rezistență (sau impedanță). Dacă rețeaua cu două terminale nu conține surse, atunci „ intern rezistență” pentru o astfel de rețea cu două terminale înseamnă același lucru ca Doar"rezistenţă".

Termeni înrudiți

Dacă în orice sistem este posibil să se distingă o intrare și/sau o ieșire, atunci se folosesc adesea următorii termeni:

Principii fizice

În ciuda faptului că în circuitul echivalent rezistența internă este prezentată ca un element pasiv (și rezistența activă, adică o rezistență este prezentă în mod necesar în el), rezistența internă nu este concentrată în niciun element. Rețea cu două terminale numai extern se comportă de parcă ar avea o impedanță internă concentrată și un generator de tensiune. În realitate, rezistența internă este o manifestare externă a unui set de efecte fizice:

• Dacă într-o rețea cu două terminale există doar sursa de energie fără nici un circuit electric (de exemplu, o celulă galvanică), atunci rezistența internă este aproape pur activă (cu excepția cazului în care vorbim de frecvențe foarte înalte), se datorează unor efecte fizice care nu permit puterea furnizată de această sursă către sarcina sa depaseasca o anumita limita. Cel mai simplu exemplu al unui astfel de efect este rezistența diferită de zero a conductorilor unui circuit electric. Dar, de regulă, cea mai mare contribuție la limitarea puterii vine din efecte neelectrice natură. Deci, de exemplu, în putere poate fi limitată de zona de contact a substanțelor care participă la reacție, într-un generator de centrală hidroelectrică - prin presiunea limitată a apei etc.
• În cazul unei rețele cu două terminale care conține în interior schema electrica, rezistența internă este „dispersată” în elementele circuitului (în plus față de mecanismele enumerate mai sus în sursă).

Acest lucru implică și câteva caracteristici ale rezistenței interne:

Influența rezistenței interne asupra proprietăților unei rețele cu două terminale

Efectul rezistenței interne este o proprietate integrală a oricărei rețele active cu două terminale. Principalul rezultat al prezenței rezistenței interne este limitarea puterii electrice care poate fi obținută în sarcina alimentată din această rețea cu două terminale.

Să existe o rețea cu două terminale, care poate fi descrisă de circuitul echivalent de mai sus. O rețea cu două terminale are doi parametri necunoscuți care trebuie găsiți:

• Generator de tensiune EMF U
• Rezistență internă r

În general, pentru a determina două necunoscute, este necesar să se facă două măsurători: se măsoară tensiunea la ieșirea rețelei cu două terminale (adică diferența de potențial U out = φ 2 − φ 1) la doi curenți de sarcină diferiți. Atunci parametrii necunoscuți pot fi găsiți din sistemul de ecuații:

Unde U out1 eu 1, Uout2- tensiune de iesire la curent eu 2. Rezolvând sistemul de ecuații, găsim necunoscutele necunoscute:

De obicei, pentru a calcula rezistența internă se utilizează o tehnică mai simplă: se găsește tensiunea în modul fără sarcină și curentul în modul scurtcircuit al rețelei cu două terminale. În acest caz, sistemul () se scrie după cum urmează:

Unde U oc- tensiune de ieșire în modul inactiv (ing. circuit deschis), adică la curent de sarcină zero; Este c- curent de sarcină în regim de scurtcircuit (ing. scurt circuit), adică sub o sarcină cu rezistență zero. Aici se ține cont de faptul că curentul de ieșire în modul fără sarcină și tensiunea de ieșire în modul de scurtcircuit sunt zero. Din ultimele ecuații obținem imediat:

Măsurare

Concept măsurare aplicabil dispozitivului real (dar nu și circuitului). Măsurarea directă cu un ohmmetru este imposibilă, deoarece este imposibil să conectați sondele dispozitivului la bornele rezistenței interne. Prin urmare, este necesară măsurarea indirectă, care nu este fundamental diferită de calcul - tensiunile pe sarcină sunt, de asemenea, necesare la două valori de curent diferite. Cu toate acestea, nu este întotdeauna posibilă utilizarea formulei simplificate (2), deoarece nu orice rețea reală cu două terminale permite funcționarea în modul de scurtcircuit.

Uneori se folosește următoarea metodă simplă de măsurare, care nu necesită calcule:

• Se măsoară tensiunea în circuit deschis
• Un rezistor variabil este conectat ca sarcină și rezistența sa este selectată astfel încât tensiunea pe el să fie jumătate din tensiunea în circuit deschis.

După procedurile descrise, rezistența rezistenței de sarcină trebuie măsurată cu un ohmmetru - va fi egală cu rezistența internă a rețelei cu două terminale.

Indiferent de metoda de măsurare utilizată, trebuie să fiți atenți la supraîncărcarea rețelei cu două terminale cu un curent excesiv, adică curentul nu trebuie să depășească valoarea maximă admisă pentru o anumită rețea cu două terminale.

Rezistență internă reactivă

Dacă circuitul echivalent al unei rețele cu două terminale conține elemente reactive - condensatoare și/sau inductori, atunci calcul Rezistența internă reactivă se realizează în același mod ca și rezistența activă, dar în locul rezistențelor de rezistență se iau impedanțele complexe ale elementelor incluse în circuit, iar în loc de tensiuni și curenți se iau amplitudinile lor complexe, adică calculul. se realizează prin metoda amplitudinii complexe.

Măsurare reactanța are unele caracteristici speciale, deoarece este mai degrabă o funcție cu valori complexe decât o valoare scalară:

• Puteți căuta diverși parametri ai unei valori complexe: modul, argument, doar partea reală sau imaginară, precum și întregul număr complex. În consecință, tehnica de măsurare va depinde de ceea ce dorim să obținem.
• Oricare dintre parametrii enumerați depinde de frecvență. Teoretic, pentru a obține informații complete despre rezistența reactivă internă prin măsurare, este necesar să se îndepărteze dependenta pe frecvență, adică efectuați măsurători la toata lumea frecvențele pe care le poate genera sursa unei rețele date cu două terminale.

Aplicație

În cele mai multe cazuri, nu ar trebui să vorbim despre aplicarea rezistență internă, și aproximativ contabilitate impactul său negativ, deoarece rezistența internă este mai degrabă un efect negativ. Cu toate acestea, în unele sisteme o rezistență internă nominală este esențială.

Simplificarea circuitelor echivalente

Reprezentarea unei rețele cu două terminale ca o combinație a unui generator de tensiune și rezistență internă este cel mai simplu și cel mai frecvent utilizat circuit echivalent al unei rețele cu două terminale.

Potrivire sursă-încărcare

Potrivirea sursei și a sarcinii este alegerea raportului dintre rezistența de sarcină și rezistența internă a sursei pentru a atinge proprietățile specificate ale sistemului rezultat (de regulă, ei încearcă să atingă valoarea maximă a oricărui parametru pentru un sursa dată). Cele mai frecvent utilizate tipuri de potrivire sunt:

Potrivirea curentului și a puterii trebuie utilizată cu prudență, deoarece există riscul de supraîncărcare a sursei.

Reducere de înaltă tensiune

Uneori, la sursă se adaugă artificial o rezistență mare (se adaugă rezistenței interne a sursei) pentru a reduce semnificativ tensiunea primită de la aceasta. Cu toate acestea, adăugarea unui rezistor ca rezistență suplimentară (așa-numitul rezistor de stingere) duce la alocarea de putere inutilă acestuia. Pentru a evita risipa de energie, sistemele AC folosesc impedanțe de amortizare reactive, cel mai adesea condensatoare. Acesta este modul în care sunt construite sursele de alimentare cu condensatoare. În mod similar, folosind un robinet capacitiv de la o linie de înaltă tensiune, puteți obține tensiuni mici pentru a alimenta orice dispozitiv autonom.

Minimizarea zgomotului

La amplificarea semnalelor slabe, apare adesea sarcina de a minimiza zgomotul introdus de amplificator în semnal. În acest scop special amplificatoare cu zgomot redus, cu toate acestea, ele sunt proiectate în așa fel încât cea mai mică cifră de zgomot să fie obținută numai într-un anumit interval al impedanței de ieșire a sursei de semnal. De exemplu, un amplificator cu zgomot redus furnizează zgomot minim numai pe domeniul de impedanță de ieșire a sursei de la 1 kΩ la 10 kΩ; dacă sursa de semnal are o impedanță de ieșire mai mică (de exemplu, un microfon cu o impedanță de ieșire de 30 ohmi), atunci trebuie utilizat un transformator de creștere între sursă și amplificator, care va crește impedanța de ieșire (precum și tensiunea semnalului) la valoarea cerută.

Restricții

Conceptul de rezistență internă este introdus printr-un circuit echivalent, deci se aplică aceleași restricții ca și pentru aplicabilitatea circuitelor echivalente.

Exemple

Valorile rezistenței interne sunt relative: ceea ce este considerat mic, de exemplu, pentru o celulă galvanică, este foarte mare pentru o baterie puternică. Mai jos sunt exemple de rețele cu două terminale și valorile rezistenței lor interne r. Cazuri banale de rețele cu două terminale fara surse sunt precizate în mod expres.

Rezistență internă scăzută

Rezistență internă ridicată

Rezistență internă negativă

Există rețele cu două terminale a căror rezistență internă are negativ sens. In normal activ rezistență, are loc disiparea energiei, în reactivÎn rezistență, energia este stocată și apoi eliberată înapoi la sursă. Particularitatea rezistenței negative este că ea însăși este o sursă de energie. Prin urmare, rezistența negativă nu apare în forma sa pură, ea poate fi simulată doar de un circuit electronic, care conține în mod necesar o sursă de energie. Rezistența internă negativă poate fi obținută în circuite folosind:

• elemente cu rezistență diferențială negativă, cum ar fi diode tunel

Sistemele cu rezistență negativă sunt potențial instabile și, prin urmare, pot fi folosite pentru a construi auto-oscilatoare.

Vezi si

Legături

Literatură

• Zernov N.V., Karpov V.G. Teoria circuitelor de inginerie radio. - M. - L.: Energie, 1965. - 892 p.
• Jones M.H. Electronica - curs practic. - M.: Tehnosfera, 2006. - 512 p. ISBN 5-94836-086-5

Note

Fundația Wikimedia. 2010.

• Dicționar terminologic explicativ politehnic
• 
  

În epoca electricității, probabil că nu există o astfel de persoană care să nu știe despre existența curentului electric. Dar puțini oameni își amintesc mai mult dintr-un curs de fizică școlar decât numele cantităților: curent, tensiune, rezistență, legea lui Ohm. Și doar foarte puțini își amintesc care este sensul acestor cuvinte.

În acest articol, vom discuta despre cum apare curentul electric, cum este transmis printr-un circuit și cum să folosim această cantitate în calcule. Dar înainte de a trece la partea principală, să ne întoarcem la istoria descoperirii curentului electric și a surselor sale, precum și la definiția a ceea ce este forța electromotoare.

Poveste

Electricitatea ca sursă de energie este cunoscută din cele mai vechi timpuri, deoarece natura însăși o generează în volume uriașe. Un exemplu izbitor este fulgerul sau o rampă electrică. În ciuda unei asemenea apropieri de oameni, această energie a fost posibilă abia la mijlocul secolului al XVII-lea: Otto von Guericke, primarul din Magdeburg, a creat o mașină care permite generarea unei sarcini electrostatice. La mijlocul secolului al XVIII-lea, Peter von Muschenbroek, un om de știință din Olanda, a creat primul condensator electric din lume, numit borcanul Leyden în onoarea universității în care lucra.

Poate că epoca adevăratelor descoperiri dedicate electricității începe cu lucrările lui Luigi Galvani și Alessandro Volta, care au studiat, respectiv, curenții electrici în mușchi și apariția curentului în așa-numitele celule galvanice. Cercetările ulterioare ne-au deschis ochii asupra conexiunii dintre electricitate și magnetism, precum și asupra mai multor fenomene foarte utile (cum ar fi inducția electromagnetică), fără de care este imposibil să ne imaginăm viața astăzi.

Dar nu ne vom aprofunda în fenomenele magnetice și ne vom concentra doar pe cele electrice. Deci, să ne uităm la modul în care apare electricitatea în celulele galvanice și despre ce este vorba.

Ce este o celulă galvanică?

Putem spune că produce electricitate datorită reacțiilor chimice care au loc între componentele sale. Cea mai simplă celulă galvanică a fost inventată de Alessandro Volta și numită după el ca coloană voltaică. Este alcătuit din mai multe straturi, alternând între ele: o placă de cupru, o garnitură conductivă (în versiunea de acasă a designului, se folosește vată umezită cu apă sărată) și o placă de zinc.

Ce reacții au loc în ea?

Să aruncăm o privire mai atentă asupra proceselor care ne permit să generăm energie electrică folosind o celulă galvanică. Există doar două astfel de transformări: oxidarea și reducerea. Când un element, agentul reducător, este oxidat, acesta cedează electroni unui alt element, agentul de oxidare. Agentul de oxidare, la rândul său, este redus prin acceptarea de electroni. În acest fel, particulele încărcate se deplasează de la o placă la alta, iar acest lucru, după cum se știe, se numește curent electric.

Și acum să trecem fără probleme la subiectul principal al acestui articol - EMF-ul sursei curente. Și mai întâi, să ne uităm la ce este această forță electromotoare (EMF).

Ce este EMF?

Această mărime poate fi reprezentată ca munca forțelor (și anume „muncă”) efectuată atunci când o sarcină se deplasează de-a lungul unui circuit electric închis. De foarte multe ori ei fac și precizări că sarcina trebuie să fie neapărat pozitivă și unitară. Și acesta este un plus esențial, deoarece numai în aceste condiții forța electromotoare poate fi considerată o mărime măsurabilă precisă. Apropo, se măsoară în aceleași unități ca și tensiunea: volți (V).

EMF a sursei de curent

După cum știți, fiecare baterie sau baterie are propria sa valoare de rezistență pe care o poate produce. Această valoare, emf-ul sursei de curent, arată cât de multă muncă este efectuată de forțele externe pentru a muta sarcina de-a lungul circuitului în care este conectată bateria sau acumulatorul.

De asemenea, merită să clarificăm ce tip de curent produce sursa: constant, alternativ sau pulsat. Celulele galvanice, inclusiv acumulatorii și bateriile, produc întotdeauna numai curent electric direct. EMF-ul sursei de curent în acest caz va fi egală ca mărime cu tensiunea de ieșire la contactele sursei.

Acum este timpul să ne dăm seama de ce este necesară o astfel de cantitate ca EMF în general și cum să o utilizați atunci când calculați alte cantități ale unui circuit electric.

Formula EMF

Am aflat deja că EMF-ul sursei de curent este egal cu munca forțelor externe pentru a muta sarcina. Pentru o mai mare claritate, am decis să scriem formula pentru această cantitate: E = A forțe externe / q, unde A este munca și q este sarcina pentru care a fost efectuată munca. Vă rugăm să rețineți că se percepe taxa totală, nu taxa unitară. Acest lucru se face deoarece luăm în considerare munca efectuată de forțe pentru a muta toate sarcinile dintr-un conductor. Și acest raport dintre muncă și încărcare va fi întotdeauna constant pentru o anumită sursă, deoarece indiferent de câte particule încărcate luați, cantitatea specifică de muncă pentru fiecare dintre ele va fi aceeași.

După cum puteți vedea, formula forței electromotoare nu este atât de complicată și constă doar din două cantități. Este timpul să trecem la una dintre principalele întrebări care decurg din acest articol.

De ce este nevoie de EMF?

S-a spus deja că EMF și tensiunea sunt de fapt aceleași cantități. Dacă cunoaștem valorile EMF și rezistența internă a sursei de curent, atunci nu va fi dificil să le înlocuim în legea lui Ohm pentru un circuit complet, care arată astfel: I=e/(R+r) , unde I este puterea curentului, e este EMF, R este rezistența circuitului, r - rezistența internă a sursei de curent. De aici putem găsi două caracteristici ale circuitului: I și R. De remarcat că toate aceste argumente și formule sunt valabile doar pentru un circuit de curent continuu. În cazul unei variabile, formulele vor fi complet diferite, deoarece se supune propriilor legi oscilatorii.

Dar încă rămâne neclar ce aplicație are EMF-ul unei surse de curent. Într-un circuit, de regulă, există o mulțime de elemente care își îndeplinesc funcția. În orice telefon există o placă, care, de asemenea, nu este altceva decât un circuit electric. Și fiecare astfel de circuit necesită o sursă de curent pentru a funcționa. Și este foarte important ca EMF-ul său să se potrivească cu parametrii pentru toate elementele circuitului. În caz contrar, circuitul fie va înceta să funcționeze, fie se va arde din cauza tensiunii ridicate din interiorul său.

Concluzie

Credem că acest articol a fost util pentru mulți. Într-adevăr, în lumea modernă este foarte important să știm cât mai multe despre ceea ce ne înconjoară. Inclusiv cunoștințe esențiale despre natura curentului electric și comportamentul acestuia în interiorul circuitelor. Și dacă crezi că așa ceva ca un circuit electric este folosit doar în laboratoare și ești departe de asta, atunci te înșeli foarte mult: toate dispozitivele care consumă energie electrică sunt de fapt circuite. Și fiecare dintre ele are propria sa sursă de curent, care creează un EMF.

Să încercăm să rezolvăm această problemă folosind un exemplu specific. Forța electromotoare a sursei de alimentare este de 4,5 V. O sarcină a fost conectată la ea și a trecut prin ea un curent egal cu 0,26 A. Tensiunea a devenit apoi egală cu 3,7 V. În primul rând, imaginați-vă că un circuit serial al unui ideal sursă de tensiune de 4,5 V, a cărei rezistență internă este zero, precum și un rezistor, a cărui valoare trebuie găsită. Este clar că în realitate nu este cazul, dar pentru calcule analogia este destul de potrivită.

Pasul 2

Amintiți-vă că litera U indică doar tensiunea sub sarcină. Pentru a desemna forța electromotoare, este rezervată o altă literă - E. Este imposibil să o măsurați absolut exact, deoarece veți avea nevoie de un voltmetru cu rezistență infinită de intrare. Chiar și cu un voltmetru electrostatic (electrometru), este uriaș, dar nu infinit. Dar una este să fii absolut exact și alta este să ai o precizie acceptabilă în practică. Al doilea este destul de fezabil: este necesar doar ca rezistența internă a sursei să fie neglijabilă în comparație cu rezistența internă a voltmetrului. Între timp, să calculăm diferența dintre EMF-ul sursei și tensiunea acesteia sub o sarcină care consumă un curent de 260 mA. E-U = 4,5-3,7 = 0,8. Aceasta va fi căderea de tensiune pe acel „rezistor virtual”.

Pasul 3

Ei bine, atunci totul este simplu, pentru că intră în joc legea clasică a lui Ohm. Ne amintim că curentul prin sarcină și „rezistorul virtual” este același, deoarece sunt conectate în serie. Căderea de tensiune pe acesta din urmă (0,8 V) este împărțită la curent (0,26 A) și obținem 3,08 ohmi. Iată răspunsul! De asemenea, puteți calcula cât de multă putere este disipată la sarcină și cât este inutilă la sursă. Disiparea la sarcină: 3,7*0,26=0,962 W. La sursă: 0,8*0,26=0,208 W. Calculați singur raportul procentual dintre ele. Dar acesta nu este singurul tip de problemă pentru a găsi rezistența internă a unei surse. Există și acelea în care rezistența la sarcină este indicată în loc de puterea curentului, iar restul datelor inițiale sunt aceleași. Apoi mai întâi trebuie să faceți un calcul. Tensiunea sub sarcină (nu EMF!) dată în condiție este împărțită la rezistența de sarcină. Și obțineți puterea curentului în circuit. După care, după cum spun fizicienii, „problema se reduce la cea anterioară”! Încercați să creați o astfel de problemă și să o rezolvați.

La capetele conductorului, și deci de curent, este necesară prezența unor forțe externe de natură neelectrică, cu ajutorul cărora are loc separarea sarcinilor electrice.

Prin forțele exterioare sunt orice forță care acționează asupra particulelor încărcate electric dintr-un circuit, cu excepția electrostaticelor (adică, Coulomb).

Forțe terțe pun în mișcare particule încărcate în interiorul tuturor surselor de curent: în generatoare, centrale electrice, celule galvanice, baterii etc.

Când un circuit este închis, se creează un câmp electric în toți conductorii circuitului. În interiorul sursei de curent, sarcinile se deplasează sub influența forțelor externe împotriva forțelor Coulomb (electronii se mută de la un electrod încărcat pozitiv la unul negativ), iar în restul circuitului sunt conduși de un câmp electric (vezi figura de mai sus).

În sursele de curent, în procesul de separare a particulelor încărcate, diferite tipuri de energie sunt transformate în energie electrică. Pe baza tipului de energie convertită, se disting următoarele tipuri de forță electromotoare:

- electrostatic- într-un aparat electrofor, în care energia mecanică este transformată în energie electrică prin frecare;

- termoelectric- într-un termoelement - energia internă a joncțiunii încălzite a două fire din metale diferite este transformată în energie electrică;

- fotovoltaic- într-o celulă foto. Aici are loc conversia energiei luminoase în energie electrică: atunci când anumite substanțe sunt iluminate, de exemplu, seleniu, oxid de cupru (I), siliciu, se observă o pierdere a sarcinii electrice negative;

- chimică- în celule galvanice, baterii și alte surse în care energia chimică este transformată în energie electrică.

Forța electromotoare (EMF)- caracteristicile surselor de curent. Conceptul de EMF a fost introdus de G. Ohm în 1827 pentru circuitele de curent continuu. În 1857, Kirchhoff a definit EMF ca fiind munca forțelor externe în timpul transferului unei sarcini electrice unitare de-a lungul unui circuit închis:

ɛ = A st /q,

Unde ɛ — EMF a sursei curente, Un st- munca forțelor externe, q- suma taxei transferate.

Forța electromotoare este exprimată în volți.

Putem vorbi despre forța electromotoare în orice parte a circuitului. Aceasta este munca specifică a forțelor externe (lucrare pentru a muta o singură sarcină) nu pe întregul circuit, ci numai într-o zonă dată.

Rezistența internă a sursei de curent.

Să existe un circuit închis simplu format dintr-o sursă de curent (de exemplu, o celulă galvanică, o baterie sau un generator) și un rezistor cu o rezistență R. Curentul dintr-un circuit închis nu este întrerupt nicăieri, prin urmare, există și în interiorul sursei de curent. Orice sursă reprezintă o oarecare rezistență la curent. Se numeste rezistența internă a sursei de curentși este desemnat prin scrisoare r.

În generator r- aceasta este rezistența înfășurării, într-o celulă galvanică - rezistența soluției de electrolit și a electrozilor.

Astfel, sursa de curent se caracterizează prin valorile EMF și rezistența internă, care determină calitatea acesteia. De exemplu, mașinile electrostatice au un EMF foarte mare (până la zeci de mii de volți), dar în același timp rezistența lor internă este enormă (până la sute de megaohmi). Prin urmare, nu sunt potrivite pentru generarea de curenți mari. Celulele galvanice au un EMF de numai aproximativ 1 V, dar și rezistența internă este scăzută (aproximativ 1 Ohm sau mai puțin). Acest lucru le permite să obțină curenți măsurați în amperi.