Izvor je uređaj koji pretvara mehaničku, kemijsku, toplinsku i neke druge oblike energije u električnu energiju. Drugim riječima, izvor je aktivni mrežni element namijenjen za proizvodnju električne energije. Različite vrste Izvori dostupni u električnoj mreži su izvori napona i izvori struje. Ova dva pojma u elektronici međusobno se razlikuju.
Izvor konstantnog napona
Izvor napona je uređaj s dva pola, njegov napon je konstantan u svakom trenutku, a struja koja prolazi kroz njega nema utjecaja. Takav će izvor biti idealan, s nultim unutarnjim otporom. U praktičnim uvjetima to se ne može dobiti.
Višak elektrona nakuplja se na negativnom polu izvora napona, a manjak elektrona na pozitivnom polu. Stanja polova održavaju procesi unutar izvora.
Baterije
Baterije interno pohranjuju kemijsku energiju i mogu je pretvoriti u električnu energiju. Baterije se ne mogu puniti, što im je nedostatak.
Baterije
Punjive baterije su punjive baterije. Prilikom punjenja električna energija se interno pohranjuje kao kemijska energija. Tijekom rasterećenja, kemijski proces se odvija u suprotnom smjeru i oslobađa se električna energija.
Primjeri:
- Olovna baterijska ćelija. Izrađuje se od olovnih elektroda i elektrolitičke tekućine u obliku sumporne kiseline razrijeđene destiliranom vodom. Napon po ćeliji je oko 2 V. U automobilskim akumulatorima obično je šest ćelija spojeno u serijski krug, a rezultirajući napon na izlaznim stezaljkama je 12 V;
- Nikal-kadmijeve baterije, napon ćelija – 1,2 V.
Važno! Za male struje, baterije i akumulatori mogu se smatrati dobrom aproksimacijom idealnih izvora napona.
Izvor izmjeničnog napona
Električna energija se proizvodi u elektranama pomoću generatora i nakon regulacije napona prenosi do potrošača. izmjenični napon kućna mreža 220 V u napajanjima za razne elektroničke uređaje lako se pretvara u nižu vrijednost pri korištenju transformatora.
Trenutni izvor
Analogno tome, kao što idealan izvor napona stvara konstantan napon na izlazu, zadatak izvora struje je proizvesti konstantnu vrijednost struje, automatski kontrolirajući potrebni napon. Primjeri su strujni transformatori (sekundarni namot), fotoćelije, kolektorske struje tranzistora.
Proračun unutarnjeg otpora izvora napona
Izvori stvarnog napona imaju vlastiti električni otpor, koji se naziva "unutarnji otpor". Opterećenje spojeno na stezaljke izvora označeno je kao "vanjski otpor" - R.
Baterija baterija stvara EMF:
ε = E/Q, gdje je:
- E – energija (J);
- Q – naboj (C).
Ukupna emf ćelije baterije je njen napon otvorenog kruga kada nema opterećenja. Može se provjeriti s dobrom točnošću pomoću digitalnog multimetra. Razlika potencijala izmjerena na izlaznim stezaljkama baterije kada je spojena na otpornik opterećenja bit će manja od njenog napona kada je krug otvoren, zbog protoka struje kroz vanjsko opterećenje i kroz unutarnji otpor izvora, to dovodi do rasipanja energije u njemu kao toplinskog zračenja.
Unutarnji otpor kemijske baterije je između djelića ohma i nekoliko ohma i uglavnom je posljedica otpora elektrolitskih materijala korištenih u proizvodnji baterije.
Ako se na bateriju spoji otpornik otpora R, struja u krugu je I = ε/(R + r).
Unutarnji otpor nije konstantna vrijednost. Na njega utječe vrsta akumulatora (alkalni, olovno-kiselinski itd.), a mijenja se ovisno o vrijednosti opterećenja, temperaturi i vremenu korištenja akumulatora. Na primjer, kod jednokratnih baterija unutarnji otpor raste tijekom uporabe, a samim time i napon pada dok ne dođe u stanje nepogodno za daljnju uporabu.
Ako je emf izvora unaprijed određena veličina, unutarnji otpor izvora određuje se mjerenjem struje koja teče kroz otpor opterećenja.
- Budući da su unutarnji i vanjski otpor u približnom krugu spojeni u seriju, možete koristiti Ohmove i Kirchhoffove zakone za primjenu formule:
- Iz ovog izraza r = ε/I – R.
Primjer. Baterija s poznatom emf ε = 1,5 V spojena je u seriju sa žaruljom. Pad napona na žarulji je 1,2 V. Stoga unutarnji otpor elementa stvara pad napona: 1,5 - 1,2 = 0,3 V. Otpor žica u krugu smatra se zanemarivim, otpor svjetiljke nije znan. Izmjerena struja koja prolazi kroz krug: I = 0,3 A. Potrebno je odrediti unutarnji otpor baterije.
- Prema Ohmovom zakonu, otpor žarulje je R = U/I = 1,2/0,3 = 4 Ohma;
- Sada, prema formuli za izračunavanje unutarnjeg otpora, r = ε/I – R = 1,5/0,3 – 4 = 1 Ohm.
Kada kratki spoj vanjski otpor pada gotovo na nulu. Struja se može ograničiti samo malim otporom izvora. Struja koja se stvara u takvoj situaciji je toliko jaka da se izvor napona može oštetiti toplinskim učincima struje i postoji opasnost od požara. Opasnost od požara sprječava se ugradnjom osigurača, primjerice u krugove akumulatora automobila.
Unutarnji otpor izvora napona važan je čimbenik pri odlučivanju kako isporučiti najučinkovitiju snagu spojenom električnom uređaju.
Važno! Maksimalni prijenos snage događa se kada je unutarnji otpor izvora jednak otporu opterećenja.
Međutim, pod ovim uvjetom, sjećajući se formule P = I² x R, identična količina energije prenosi se na opterećenje i rasipa u samom izvoru, a njegova učinkovitost je samo 50%.
Zahtjevi za opterećenje moraju se pažljivo razmotriti kako bi se odlučilo o najboljoj upotrebi izvora. Na primjer, olovno-kiselinski automobilski akumulator mora isporučivati visoke struje pri relativno niskom naponu od 12 V. Njegov mali unutarnji otpor to mu omogućuje.
U nekim slučajevima, visokonaponski izvori napajanja moraju imati iznimno veliki unutarnji otpor kako bi ograničili struju kratkog spoja.
Značajke unutarnjeg otpora izvora struje
Idealan izvor struje ima beskonačni otpor, ali za prave izvore može se zamisliti približna verzija. Ekvivalentni električni krug je otpor paralelno spojen na izvor i vanjski otpor.
Izlaz struje iz izvora struje raspoređuje se na sljedeći način: dio struje teče kroz najveći unutarnji otpor i kroz otpor niskog opterećenja.
Izlazna struja bit će zbroj struja unutarnjeg otpora i opterećenja Io = In + Iin.
Ispada:
In = Io – Iin = Io – Un/r.
Ovaj odnos pokazuje da kako se unutarnji otpor izvora struje povećava, struja kroz njega se više smanjuje, a otpornik opterećenja prima većinu struje. Zanimljivo, napon neće utjecati na vrijednost struje.
Stvarni izlazni napon izvora:
Uout = I x (R x r)/(R +r) = I x R/(1 + R/r).
Trenutna snaga:
Iout = I/(1 + R/r).
Izlazna snaga:
Ruta = I² x R/(1 + R/r)².
Važno! Pri analizi krugova polazimo od sljedećih uvjeta: kada unutarnji otpor izvora znatno premašuje vanjski, to je izvor struje. Kada je, naprotiv, unutarnji otpor znatno manji od vanjskog, to je izvor napona.
Izvori struje služe za napajanje mjernih mostova, operacijskih pojačala, a to mogu biti razni senzori.
Video
Potreba za uvođenjem pojma može se ilustrirati sljedećim primjerom. Usporedimo dva kemijska istosmjerna izvora s istim naponom:
- Automobilski olovni akumulator napona 12 volti i kapaciteta 55 Ah
- Osam AA baterija povezanih u seriju. Ukupni napon takve baterije također je 12 volti, kapacitet je mnogo manji - otprilike 1 Ah
Unatoč istom naponu, ti se izvori značajno razlikuju kada rade pod istim opterećenjem. Tako, akumulator automobila sposoban je isporučiti veliku struju opterećenju (motor automobila pokreće se iz baterije, dok starter troši struju od 250 ampera), a starter se uopće ne okreće iz lanca baterija. Relativno mali kapacitet baterija nije razlog: jedan amper-sat u baterijama bio bi dovoljan da se starter okrene 14 sekundi (pri struji od 250 ampera).
Dakle, za dvoterminalne mreže koje sadrže izvore (tj. generatore napona i generatore struje), potrebno je posebno govoriti o unutarnje otpor (ili impedancija). Ako mreža s dva terminala ne sadrži izvore, tada " unutarnje otpor" za takvu mrežu s dva terminala znači isto što i Samo"otpornost".
Povezani pojmovi
Ako je u nekom sustavu moguće razlikovati ulaz i/ili izlaz, tada se često koriste sljedeći pojmovi:
Fizikalni principi
Unatoč činjenici da je u ekvivalentnom krugu unutarnji otpor predstavljen kao jedan pasivni element (a aktivni otpor, odnosno otpornik je nužno prisutan u njemu), unutarnji otpor nije koncentriran ni u jednom elementu. Mreža s dva terminala samo izvana ponaša se kao da ima koncentriranu unutarnju impedanciju i generator napona. U stvarnosti, unutarnji otpor je vanjska manifestacija niza fizičkih učinaka:
- Ako u mreži s dva priključka postoji samo izvor energije bez ikakvog električnog kruga (na primjer, galvanskog članka), tada je unutarnji otpor gotovo čisto aktivan (osim ako ne govorimo o vrlo visoke frekvencije), to je zbog fizičkih učinaka koji ne dopuštaju da snaga koju ovaj izvor opskrbljuje opterećenju prijeđe određenu granicu. Najjednostavniji primjer takvog učinka je otpor vodiča električnog kruga različit od nule. Ali, u pravilu, najveći doprinos ograničenju snage dolazi od učinaka neelektrični priroda. Tako, na primjer, u snazi se može ograničiti kontaktnim područjem tvari koje sudjeluju u reakciji, u generatoru hidroelektrane - ograničenim pritiskom vode itd.
- U slučaju mreže s dva priključka koja sadrži unutar električni dijagram , unutarnji otpor je "raspršen" u elementima kruga (pored mehanizama navedenih gore u izvoru).
To također podrazumijeva neke značajke unutarnjeg otpora:
Utjecaj unutarnjeg otpora na svojstva dvopolne mreže
Učinak unutarnjeg otpora sastavno je svojstvo svake aktivne mreže s dva priključka. Glavni rezultat prisustva unutarnjeg otpora je ograničavanje električne energije koja se može dobiti u opterećenju opskrbljenom iz ove mreže s dva priključka.
Neka postoji mreža s dva priključka, koja se može opisati gornjim ekvivalentnim sklopom. Mreža s dva terminala ima dva nepoznata parametra koja je potrebno pronaći:
- EMF generator napona U
- Unutarnji otpor r
U opći slučaj, za određivanje dvije nepoznanice potrebno je napraviti dva mjerenja: izmjeriti napon na izlazu dvopolne mreže (odnosno potencijalnu razliku U izlaz = φ 2 − φ 1) pri dvije različite struje opterećenja. Tada se nepoznati parametri mogu pronaći iz sustava jednadžbi:
| (naponi) |
Gdje U out1 ja 1, Uout2- izlazni napon pri struji ja 2. Rješavanjem sustava jednadžbi nalazimo nepoznate nepoznanice:
Obično se koristi jednostavnija tehnika za izračunavanje unutarnjeg otpora: pronalaze se napon u praznom hodu i struja u kratkom spoju mreže s dva priključka. U ovom slučaju sustav () se piše na sljedeći način:
Gdje U oc- izlazni napon u stanju mirovanja (eng. otvoreni krug), odnosno pri nultoj struji opterećenja; Isc- struja opterećenja u režimu kratkog spoja (eng. kratki spoj), odnosno pod opterećenjem s nultim otporom. Ovdje se uzima u obzir da su izlazna struja u praznom hodu i izlazni napon u kratkom spoju nula. Iz posljednjih jednadžbi odmah dobivamo:
| (Unutarnji otpor) |
Mjerenje
Koncept mjerenje primjenjivo na pravi uređaj(ali ne na dijagram). Izravno mjerenje ohmmetrom je nemoguće, jer je nemoguće spojiti sonde uređaja na priključke unutarnjeg otpora. Stoga je potrebno neizravno mjerenje, koje se bitno ne razlikuje od izračuna - naponi na opterećenju također su potrebni pri dvije različite vrijednosti struje. Međutim, nije uvijek moguće koristiti pojednostavljenu formulu (2), budući da svaka prava mreža s dva terminala ne dopušta rad u kratkom spoju.
Ponekad se koristi sljedeća jednostavna metoda mjerenja koja ne zahtijeva izračune:
- Mjeri se napon otvorenog kruga
- Promjenjivi otpornik je spojen kao opterećenje i njegov otpor je odabran tako da napon na njemu bude polovica napona otvorenog kruga.
Nakon opisanih postupaka potrebno je ohmmetrom izmjeriti otpor otpornika opterećenja - bit će jednak unutarnjem otporu mreže s dva priključka.
Koja god metoda mjerenja se koristi, treba paziti na preopterećenje strujnog kruga s dva priključka prekomjernom strujom, odnosno struja ne smije prelaziti maksimalnu dopuštene vrijednosti za ovu dvoterminalnu mrežu.
Reaktivni unutarnji otpor
Ako nadomjesni krug dvopolne mreže sadrži reaktivne elemente - kondenzatore i/ili induktore, tada izračun Reaktivni unutarnji otpor provodi se na isti način kao i aktivni otpor, ali umjesto otpora otpornika uzimaju se kompleksne impedancije elemenata uključenih u krug, a umjesto napona i struja uzimaju se njihove kompleksne amplitude, tj. proračun se vrši metodom kompleksne amplitude.
Mjerenje reaktancija ima neke posebne značajke jer je to funkcija kompleksnih vrijednosti, a ne skalarna vrijednost:
- Možete pretraživati različite parametre kompleksne vrijednosti: modul, argument, samo realni ili imaginarni dio, kao i cijeli kompleksni broj. Sukladno tome, tehnika mjerenja ovisit će o tome što želimo dobiti.
- Svaki od navedenih parametara ovisi o učestalosti. Teoretski, dobiti mjerenjem pune informacije o unutarnjem reaktivnom otporu, potrebno je ukloniti ovisnost na frekvenciji, odnosno provoditi mjerenja na svatko frekvencije koje izvor dane dvoterminalne mreže može generirati.
Primjena
U većini slučajeva, ne bismo trebali govoriti o primjena unutarnji otpor, i oko računovodstvo njegov negativan utjecaj, budući da je unutarnji otpor prije negativan učinak. Međutim, u nekim je sustavima bitan nominalni unutarnji otpor.
Pojednostavljenje ekvivalentnih sklopova
Prikaz dvopolne mreže kao kombinacije generatora napona i unutarnjeg otpora je najjednostavniji i najčešće korišteni nadomjesni sklop dvopolne mreže.
Usklađivanje izvora i opterećenja
Usklađivanje izvora i opterećenja je izbor omjera otpora opterećenja i unutarnjeg otpora izvora kako bi se postigla navedena svojstva rezultirajućeg sustava (u pravilu se pokušava postići maksimalna vrijednost bilo kojeg parametra za dati izvor). Najčešće se koristi sljedeće vrste odobrenja:
Usklađivanje struje i snage treba koristiti s oprezom jer postoji rizik od preopterećenja izvora.
Smanjenje visokog napona
Ponekad se izvoru umjetno dodaje veliki otpor (dodaje se unutarnjem otporu izvora) kako bi se znatno smanjio napon primljen od njega. Međutim, dodavanje otpornika kao dodatnog otpora (tzv. otpornik za gašenje) dovodi do beskorisne dodjele snage. Kako bi se izbjeglo rasipanje energije, AC sustavi koriste reaktivne prigušne impedancije, najčešće kondenzatore. Ovako se grade kondenzatorska napajanja. Slično, korištenjem kapacitivnog odvodnika iz visokonaponskog dalekovoda, možete dobiti male napone za napajanje bilo kojeg autonomnog uređaja.
Smanjenje buke
Kod pojačavanja slabih signala često se postavlja zadatak minimiziranja šuma koji unosi pojačalo u signal. U tu svrhu poseban niskošumna pojačala međutim, oni su dizajnirani na takav način da se najniža vrijednost šuma postiže samo unutar određenog raspona izlazne impedancije izvora signala. Na primjer, niskošumno pojačalo daje minimalan šum samo u rasponu izlazne impedancije izvora od 1 kΩ do 10 kΩ; ako izvor signala ima manju izlaznu impedanciju (na primjer, mikrofon s izlaznom impedancijom od 30 Ohma), tada treba koristiti transformator za pojačavanje između izvora i pojačala, koji će povećati izlaznu impedanciju (kao i napon signala) na traženu vrijednost.
Ograničenja
Pojam unutarnjeg otpora uvodi se kroz nadomjesni krug, pa vrijede ista ograničenja kao i za primjenjivost nadomjesnog sklopa.
Primjeri
Vrijednosti unutarnjeg otpora su relativne: ono što se smatra malim, na primjer, za galvansku ćeliju, vrlo je veliko za snažna baterija. Ispod su primjeri mreža s dva priključka i vrijednosti njihovog unutarnjeg otpora r. Trivijalni slučajevi mreža s dva terminala nema izvora su posebno navedeni.
Mali unutarnji otpor
Visoki unutarnji otpor
Negativan unutarnji otpor
Postoje mreže s dva priključka čiji unutarnji otpor ima negativan značenje. U normalnom aktivan otpor, dolazi do rasipanja energije, u reaktivan U otporu se energija skladišti i zatim otpušta natrag u izvor. Osobitost negativnog otpora je da je on sam izvor energije. Stoga se negativni otpor ne javlja u svom čistom obliku, može se samo simulirati elektronički sklop, koji nužno sadrži izvor energije. Negativan unutarnji otpor može se postići u krugovima korištenjem:
- elementi s negativnim diferencijalnim otporom, kao što su tunelske diode
Sustavi s negativnim otporom su potencijalno nestabilni i stoga se mogu koristiti za izgradnju autooscilatora.
vidi također
Linkovi
Književnost
- Zernov N.V., Karpov V.G. Teorija radijski sklopovi. - M. - L.: Energija, 1965. - 892 str.
- Jones M.H. Elektronika - praktični predmet. - M.: Tekhnosphere, 2006. - 512 str.
Recimo da postoji jednostavan električni zatvoreni krug koji uključuje izvor struje, na primjer generator, galvanski članak ili bateriju, i otpornik s otporom R. Budući da struja u krugu nije nigdje prekinuta, ona teče unutar izvora.
U takvoj situaciji možemo reći da svaki izvor ima neki unutarnji otpor koji sprječava protok struje. Taj unutarnji otpor karakterizira izvor struje i označava se slovom r. Za bateriju, unutarnji otpor je otpor otopine elektrolita i elektroda; za generator, to je otpor namota statora itd.
Dakle, izvor struje karakterizira i veličina EMF-a i vrijednost vlastitog unutarnjeg otpora r - obje ove karakteristike ukazuju na kvalitetu izvora.
Elektrostatički visokonaponski generatori (poput Van de Graaffovog generatora ili Wimshurstovog generatora), na primjer, odlikuju se ogromnim EMF-om koji se mjeri u milijunima volti, dok im se unutarnji otpor mjeri u stotinama megaohma, zbog čega su neprikladni za proizvodnju velikih struja.
Galvanski elementi (kao što je baterija), naprotiv, imaju EMF reda veličine 1 volta, iako je njihov unutarnji otpor reda frakcija ili, najviše, desetaka ohma, pa stoga struje jedinica i desetaka ampera se može dobiti iz galvanskih elemenata.
Ovaj dijagram prikazuje pravi izvor s priključenim opterećenjem. Ovdje su naznačeni njegov unutarnji otpor, kao i otpor opterećenja. Prema tome, struja u ovom krugu bit će jednaka:
Budući da je dio vanjskog kruga homogen, napon preko opterećenja može se pronaći iz Ohmovog zakona:
Izražavajući otpor opterećenja iz prve jednadžbe i zamjenjujući njegovu vrijednost u drugu jednadžbu, dobivamo ovisnost napona opterećenja o struji u zatvorenom krugu:
U zatvorenoj petlji EMF je jednak zbroju padova napona na elementima vanjskog kruga i unutarnjeg otpora samog izvora. Ovisnost napona opterećenja o struji opterećenja idealno je linearna.
Grafikon to pokazuje, ali eksperimentalni podaci na stvarnom otporniku (križići u blizini grafikona) uvijek se razlikuju od idealnih:
Eksperimenti i logika pokazuju da je pri nultoj struji opterećenja napon na vanjskom krugu jednak izvornoj emf, a pri nultom naponu opterećenja struja u krugu jednaka je. Ovo svojstvo stvarnih krugova pomaže u eksperimentalnom pronalaženju emf i unutarnjeg otpora stvarnih izvora.
Eksperimentalno određivanje unutarnjeg otpora
Da biste eksperimentalno odredili ove karakteristike, nacrtajte ovisnost napona o opterećenju o trenutnoj vrijednosti, a zatim je ekstrapolirajte do sjecišta s osi.
Na sjecištu grafa s osi napona je vrijednost emf izvora, a na sjecištu s osi struja je vrijednost struje kratkog spoja. Kao rezultat, unutarnji otpor nalazi se formulom:
Korisna snaga koju razvija izvor predaje se opterećenju. Ovisnost ove snage o otporu opterećenja prikazana je na slici. Ova krivulja počinje od sjecišta koordinatnih osi u nultočki, zatim raste do maksimalne vrijednosti snage, nakon čega pada na nulu kada je otpor opterećenja jednak beskonačnosti.
Da bi se odredio maksimalni otpor opterećenja pri kojem će se teoretski razviti maksimalna snaga na danom izvoru, uzima se derivacija formule snage u odnosu na R i postavlja se na nulu. Najveća snaga će se razviti kada je vanjski otpor kruga jednak unutarnjem otporu izvora:
Ova odredba o maksimalnoj snazi pri R = r omogućuje nam eksperimentalno pronalaženje unutarnjeg otpora izvora crtanjem ovisnosti snage oslobođene na opterećenju o vrijednosti otpora opterećenja. Pronalaženjem stvarnog, a ne teorijskog otpora opterećenja koji daje maksimalnu snagu, određuje se stvarni unutarnji otpor napajanja.
Učinkovitost izvora struje pokazuje omjer maksimalne snage dodijeljene opterećenju prema ukupnoj snazi, koja u ovaj trenutak razvija se
Električna struja u vodiču nastaje pod utjecajem električnog polja, zbog čega se slobodne nabijene čestice kreću u smjeru. Generiranje struje čestica je ozbiljan problem. Izgraditi takav uređaj koji će dugo održavati razliku potencijala polja u jednom stanju zadatak je koji je čovječanstvo uspjelo riješiti tek krajem 18. stoljeća.
Prvi pokušaji
Prvi pokušaji "pohranjivanja električne energije" za daljnje istraživanje i korištenje napravljeni su u Nizozemskoj. Nijemac Ewald Jürgen von Kleist i Nizozemac Pieter van Musschenbroek, koji su svoja istraživanja provodili u gradu Leidenu, stvorili su prvi svjetski kondenzator, kasnije nazvan “Leyden jar”.
Akumulacija električnog naboja dogodila se već pod utjecajem mehaničkog trenja. Bilo je moguće koristiti pražnjenje kroz vodič kroz određeno, prilično kratko vrijeme.
Pobjeda ljudskog uma nad tako kratkotrajnom supstancom kao što je elektricitet pokazala se revolucionarnom.
Nažalost, pražnjenje (električna struja koju stvara kondenzator) je trajalo toliko kratko da se nije moglo stvoriti. Osim toga, napon koji isporučuje kondenzator postupno se smanjuje, što ne ostavlja mogućnost primanja dugotrajne struje.
Trebalo je tražiti drugi put.
Prvi izvor
Pokusi Talijana Galvanija o "životinjskom elektricitetu" bili su originalan pokušaj pronalaska prirodnog izvora struje u prirodi. Objesivši noge seciranih žaba na metalne kuke željezne rešetke, skrenuo je pozornost na karakterističnu reakciju živčanih završetaka.
Međutim, Galvanijeve zaključke opovrgnuo je još jedan Talijan, Alessandro Volta. Zainteresiran za mogućnost dobivanja električne energije iz životinjskih organizama, proveo je niz pokusa sa žabama. No, pokazalo se da je njegov zaključak potpuno suprotan prethodnim hipotezama.
Volta je primijetio da je živi organizam samo indikator električnog pražnjenja. Kada struja prolazi, mišići šapa se skupljaju, što ukazuje na potencijalnu razliku. Ispostavilo se da je izvor električnog polja kontakt različitih metala. Što su udaljeniji u nizu kemijskih elemenata, učinak je značajniji.
Ploče od različitih metala, obložene papirnatim diskovima natopljenim otopinom elektrolita, dugo su stvarale potrebnu razliku potencijala. I iako je bila niska (1,1 V), električna struja se mogla dugo proučavati. Glavno je da je napetost jednako dugo ostala nepromijenjena.
Što se događa
Zašto se ovaj učinak pojavljuje u izvorima koji se nazivaju "galvanske ćelije"?
Dvije metalne elektrode postavljene u dielektrik imaju različite uloge. Jedan dovodi elektrone, drugi ih prihvaća. Proces redoks reakcije dovodi do pojave viška elektrona na jednoj elektrodi, koja se naziva negativni pol, i manjka na drugoj, koju ćemo označiti kao pozitivni pol izvora.
U najjednostavnijim galvanskim člancima na jednoj se elektrodi odvijaju reakcije oksidacije, a na drugoj redukcijske reakcije. Elektroni dolaze na elektrode s vanjskog dijela kruga. Elektrolit je vodič ionske struje unutar izvora. Sila otpora kontrolira trajanje procesa.
Bakar-cink element
Zanimljivo je razmotriti princip rada galvanskih članaka na primjeru bakar-cink galvanskog članka čije djelovanje dolazi iz energije cinka i bakrenog sulfata. U ovom izvoru, bakrena ploča se stavlja u otopinu, a cinkova elektroda uronjena je u otopinu cinkovog sulfata. Otopine su odvojene poroznim odstojnikom kako bi se izbjeglo miješanje, ali moraju doći u dodir.
Ako je krug zatvoren, površinski sloj cinka se oksidira. U procesu interakcije s tekućinom, atomi cinka, pretvarajući se u ione, pojavljuju se u otopini. Na elektrodi se oslobađaju elektroni koji mogu sudjelovati u stvaranju struje.
Kada se jednom nađu na bakrenoj elektrodi, elektroni sudjeluju u reakciji redukcije. Ioni bakra dolaze iz otopine u površinski sloj, a tijekom procesa redukcije pretvaraju se u atome bakra koji se talože na bakrenoj ploči.
Rezimirajmo što se događa: proces rada galvanskog članka popraćen je prijelazom elektrona iz redukcijskog sredstva u oksidacijsko sredstvo duž vanjskog dijela kruga. Reakcije se odvijaju na obje elektrode. Ionska struja teče unutar izvora.
Poteškoće u korištenju
U principu, svaka od mogućih redoks reakcija može se koristiti u baterijama. Ali nema toliko tvari koje mogu raditi u tehnički vrijednim elementima. Štoviše, mnoge reakcije zahtijevaju skupe tvari.
Moderno punjive baterije imaju jednostavniju strukturu. Dvije elektrode smještene u jedan elektrolit ispunjavaju posudu – tijelo baterije. Takve značajke dizajna pojednostavljuju strukturu i smanjuju troškove baterija.
Svaki galvanski članak može proizvesti istosmjernu struju.
Trenutni otpor ne dopušta da se svi ioni pojavljuju na elektrodama u isto vrijeme, tako da element radi dugo vremena. Kemijske reakcije stvaranja iona prije ili kasnije prestaju, a element se ispušta.
Trenutni izvor je od velike važnosti.
Malo o otporu
Upotreba električne struje je nedvojbeno dovela znanstveni i tehnološki napredak na novu razinu i dala mu ogroman poticaj. Ali sila otpora protoku struje staje na put takvom razvoju.
S jedne strane, električna struja ima neprocjenjiva svojstva koja se koriste u svakodnevnom životu i tehnologiji, s druge strane, postoji značajan otpor. Fizika, kao znanost o prirodi, pokušava uspostaviti ravnotežu i uskladiti te okolnosti.
Otpor struje nastaje zbog međudjelovanja električki nabijenih čestica s tvari kroz koju se kreću. Nemoguće je isključiti ovaj proces u normalnim temperaturnim uvjetima.
Otpornost
Izvor struje i otpor vanjskog dijela strujnog kruga imaju malo drugačiju prirodu, ali isti je u tim procesima rad koji se vrši za pomicanje naboja.
Sam rad ovisi samo o svojstvima izvora i njegovom punjenju: o kvaliteti elektroda i elektrolita, kao i o vanjskim dijelovima strujnog kruga, čiji otpor ovisi o geometrijskim parametrima i kemijskim svojstvima materijala. Na primjer, otpor metalne žice raste s njezinom duljinom, a smanjuje se s povećanjem površine poprečnog presjeka. Prilikom rješavanja problema kako smanjiti otpor, fizika preporuča korištenje specijaliziranih materijala.
Trenutni rad
U skladu s Joule-Lenzovim zakonom, u vodičima se oslobađa količina topline proporcionalna otporu. Ako se količina topline označi s Q int. , jakost struje I, njeno vrijeme protoka t, tada dobivamo:
- Q unutarnji = I 2 r t,
gdje je r unutarnji otpor izvora struje.
U cijelom lancu, uključujući njegove unutarnje i vanjske dijelove, oslobodit će se ukupna količina topline čija je formula:
- Q ukupno = I 2 r t + I 2 R t = I 2 (r +R) t,
Poznato je kako se u fizici označava otpor: vanjski krug (svi elementi osim izvora) ima otpor R.
Ohmov zakon za kompletan krug
Uzmimo u obzir da glavni rad obavljaju vanjske sile unutar izvora struje. Njegova vrijednost jednaka je umnošku naboja prenesenog poljem i elektromotorne sile izvora:
- q · E = I 2 · (r + R) · t.
Podrazumijevajući da je naboj jednak umnošku jakosti struje i vremena koje teče, imamo:
- E = I (r + R).
U skladu s uzročno-posljedičnim vezama, Ohmov zakon ima oblik:
- I = E: (r + R).
U zatvorenom krugu, EMF izvora struje je izravno proporcionalan i obrnuto proporcionalan ukupnom (udarnom) otporu kruga.
Na temelju ovog uzorka moguće je odrediti unutarnji otpor izvora struje.
Kapacitet pražnjenja izvora
Glavne karakteristike izvora uključuju kapacitet pražnjenja. Maksimalni iznos električna energija dobivena tijekom rada pod određenim uvjetima ovisi o jakosti struje pražnjenja.
U idealnom slučaju, kada se naprave određene aproksimacije, kapacitet pražnjenja se može smatrati konstantnim.
Na primjer, standardna baterija s potencijalnom razlikom od 1,5 V ima kapacitet pražnjenja od 0,5 Ah. Ako je struja pražnjenja 100 mA, radi 5 sati.
Metode punjenja baterija
Korištenje baterija uzrokovat će njihovo pražnjenje. punjenje elemenata male veličine provodi se pomoću struje čija snaga ne prelazi jednu desetinu kapaciteta izvora.
Dostupni su sljedeći načini punjenja:
- korištenje konstantne struje za određeno vrijeme (oko 16 sati sa strujom od 0,1 kapaciteta baterije);
- punjenje s opadajućom strujom do zadane razlike potencijala;
- korištenje asimetričnih struja;
- sekvencijalna primjena kratkih impulsa punjenja i pražnjenja, pri čemu vrijeme prvog premašuje vrijeme drugog.
Praktični rad
Predlaže se zadatak: odrediti unutarnji otpor izvora struje i emf.
Da biste to izveli, morate se opskrbiti izvorom struje, ampermetrom, voltmetrom, kliznim reostatom, ključem i setom vodiča.
Korištenje će vam omogućiti određivanje unutarnjeg otpora izvora struje. Da biste to učinili, morate znati njegov EMF i vrijednost otpora reostata.
Formula za izračun struje otpora u vanjskom dijelu kruga može se odrediti iz Ohmovog zakona za dio kruga:
- I=U:R,
gdje je I jakost struje u vanjskom dijelu kruga, mjerena ampermetrom; U je napon na vanjskom otporu.
Da bi se povećala točnost, mjerenja se izvode najmanje 5 puta. Čemu služi? Napon, otpor, struja (točnije jakost struje) izmjereni tijekom eksperimenta koriste se dalje.
Za određivanje EMF izvora struje koristimo činjenicu da je napon na njegovim stezaljkama kada je sklopka otvorena gotovo jednak EMF-u.
Sastavimo krug od baterije, reostata, ampermetra i ključa spojenih u seriju. Spojimo voltmetar na stezaljke izvora struje. Nakon što smo otvorili ključ, očitavamo ga.
Unutarnji otpor, čija se formula dobiva iz Ohmovog zakona za cijeli strujni krug, određuje se matematičkim izračunima:
- I = E: (r + R).
- r = E: I - U: I.
Mjerenja pokazuju da je unutarnji otpor znatno manji od vanjskog.
Praktična funkcija akumulatora i baterija naširoko se koristi. Neosporna ekološka sigurnost elektromotora je nesumnjiva, ali stvaranje velike, ergonomske baterije problem je moderne fizike. Njegovo rješenje dovest će do novog kruga razvoja automobilske tehnologije.
Male, lagane punjive baterije velikog kapaciteta također su iznimno potrebne u mobilnim uređajima. elektronički uređaji. Količina energije koja se u njima koristi izravno je povezana s učinkom uređaja.
8.5. Toplinski učinak struje
8.5.1. Trenutna snaga izvora
Ukupna snaga izvora struje:
P ukupno = P korisni + P gubici,
gdje je P korisna - korisna snaga, P korisna = I 2 R; P gubici - gubici snage, P gubici = I 2 r; I - jakost struje u krugu; R - otpor opterećenja (vanjski krug); r je unutarnji otpor izvora struje.
Ukupna snaga može se izračunati pomoću jedne od tri formule:
P pun = I 2 (R + r), P pun = ℰ 2 R + r, P pun = I ℰ,
gdje je ℰ elektromotorna sila (EMS) izvora struje.
Neto snaga- ovo je snaga koja se oslobađa u vanjskom krugu, tj. na opterećenje (otpornik), te se može koristiti u neke svrhe.
Neto snaga može se izračunati pomoću jedne od tri formule:
P korisni = I 2 R, P korisni = U 2 R, P korisni = IU,
gdje je I jakost struje u krugu; U je napon na stezaljkama (stezaljkama) izvora struje; R - otpor opterećenja (vanjski krug).
Gubitak snage je snaga koja se oslobađa u izvoru struje, tj. u unutarnjem krugu, a troši se na procese koji se odvijaju u samom izvoru; Gubitak snage ne može se koristiti ni u koje druge svrhe.
Gubitak snage obično se izračunava pomoću formule
P gubici = I 2 r,
gdje je I jakost struje u krugu; r je unutarnji otpor izvora struje.
Tijekom kratkog spoja korisna snaga pada na nulu
P korisno = 0,
budući da u slučaju kratkog spoja nema otpora opterećenja: R = 0.
Ukupna snaga tijekom kratkog spoja izvora podudara se s gubitkom snage i izračunava se formulom
P puni = ℰ 2 r,
gdje je ℰ elektromotorna sila (EMS) izvora struje; r je unutarnji otpor izvora struje.
Korisnu snagu ima maksimalna vrijednost u slučaju kada je otpor opterećenja R jednak unutarnjem otporu r izvora struje:
R = r.
Maksimalna korisna snaga:
P korisni max = 0,5 P puni,
gdje je Ptot ukupna snaga izvora struje; P puni = ℰ 2 / 2 r.
Eksplicitna formula za izračun maksimalna korisna snaga kako slijedi:
P korisni max = ℰ 2 4 r .
Da biste pojednostavili izračune, korisno je zapamtiti dvije točke:
- ako se uz dva otpora opterećenja R 1 i R 2 u krugu oslobađa ista korisna snaga tada unutarnji otpor strujni izvor r povezan je s navedenim otporima formulom
r = R1R2;
- ako se u krugu oslobodi najveća korisna snaga, tada je jakost struje I * u krugu polovica jakosti struje kratkog spoja i:
I * = i 2 .
Primjer 15. Kod kratkog spoja na otpor od 5,0 Ohma baterija ćelija proizvodi struju od 2,0 A. Struja kratkog spoja baterije je 12 A. Izračunajte najveću korisnu snagu baterije.
Riješenje . Analizirajmo stanje problema.
1. Kada je baterija spojena na otpor R 1 = 5,0 Ohma, u krugu teče struja jakosti I 1 = 2,0 A, kao što je prikazano na sl. a, određeno Ohmovim zakonom za cijeli krug:
I 1 = ℰ R 1 + r,
gdje je ℰ - EMF izvora struje; r je unutarnji otpor izvora struje.
2. Kada je baterija u kratkom spoju, u krugu teče struja kratkog spoja, kao što je prikazano na sl. b. Struja kratkog spoja određena je formulom
gdje je i struja kratkog spoja, i = 12 A.
3. Kada je baterija spojena na otpor R 2 = r, u krugu teče struja sile I 2, kao što je prikazano na sl. u , određeno Ohmovim zakonom za cijeli krug:
I 2 = ℰ R 2 + r = ℰ 2 r;
u ovom slučaju, najveća korisna snaga se oslobađa u krugu:
P korisni max = I 2 2 R 2 = I 2 2 r.
Dakle, za izračunavanje najveće korisne snage potrebno je odrediti unutarnji otpor izvora struje r i jakost struje I 2.
Da bismo pronašli jakost struje I 2, napišemo sustav jednadžbi:
i = ℰ r, I 2 = ℰ 2 r)
i podijelite jednadžbe:
i I 2 = 2 .
Iz čega slijedi:
I 2 = i 2 = 12 2 = 6,0 A.
Da bismo pronašli unutarnji otpor izvora r, napišemo sustav jednadžbi:
I 1 = ℰ R 1 + r, i = ℰ r)
i podijelite jednadžbe:
I 1 i = r R 1 + r .
Iz čega slijedi:
r = I 1 R 1 i − I 1 = 2,0 ⋅ 5,0 12 − 2,0 = 1,0 Ohm.
Izračunajmo maksimalnu korisnu snagu:
P korisni max = I 2 2 r = 6,0 2 ⋅ 1,0 = 36 W.
Dakle, maksimalna iskoristiva snaga baterije je 36 W.