Curent electric constant. EMF a sursei de curent și rezistența internă a sursei de curent. Rezistență internă

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 clarificat 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 s-a lucrat. Vă rugăm să rețineți că se percepe taxa totală, nu taxa unitară. Acest lucru se face deoarece luăm în considerare munca forțelor 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 credeți că așa ceva ca un circuit electric este folosit doar în laboratoare și sunteți departe de asta, atunci vă înșelați foarte mult: toate dispozitivele care consumă energie electrică constau de fapt din circuite. Și fiecare dintre ele are propria sa sursă de curent, care creează un EMF.

O sursă este un dispozitiv care transformă energia mecanică, chimică, termică și alte forme de energie în energie electrică. Cu alte cuvinte, sursa este un element de rețea activ conceput pentru a genera energie electrică. Diferitele tipuri de surse disponibile în rețeaua electrică sunt sursele de tensiune și sursele de curent. Aceste două concepte din electronică sunt diferite unul de celălalt.

Sursă de tensiune constantă

O sursă de tensiune este un dispozitiv cu doi poli, tensiunea sa este constantă în orice moment, iar curentul care trece prin ea nu are efect. O astfel de sursă va fi ideală, având rezistență internă zero. În condiții practice nu se poate obține.

Un exces de electroni se acumulează la polul negativ al sursei de tensiune, în timp ce o deficiență se acumulează la polul pozitiv. Stările polilor sunt menținute prin procese în cadrul sursei.

baterii

Bateriile stochează energia chimică în interior și sunt capabile să o transforme în energie electrică. Bateriile nu pot fi reîncărcate, ceea ce este dezavantajul lor.

baterii

Bateriile reîncărcabile sunt baterii reîncărcabile. La încărcare, energia electrică este stocată intern ca energie chimică. În timpul descărcării, procesul chimic are loc în sens invers și se eliberează energie electrică.

Exemple:

1. Celula bateriei plumb-acid. Este realizat din electrozi de plumb și lichid electrolitic sub formă de acid sulfuric diluat cu apă distilată. Tensiunea per celulă este de aproximativ 2 V. În bateriile auto, șase celule sunt de obicei conectate într-un circuit în serie, iar tensiunea rezultată la bornele de ieșire este de 12 V;

1. Baterii nichel-cadmiu, tensiunea celulei – 1,2 V.

Important! Pentru curenți mici, bateriile și acumulatorii pot fi considerate o bună aproximare a surselor ideale de tensiune.

Sursa de tensiune AC

Electricitatea este produsă la centralele electrice folosind generatoare și, după reglarea tensiunii, este transmisă consumatorului. Tensiunea alternativă a rețelei de acasă de 220 V în sursele de alimentare ale diferitelor dispozitive electronice este ușor convertită la o valoare mai mică atunci când se utilizează transformatoare.

Sursa actuala

Prin analogie, la fel cum o sursă de tensiune ideală creează o tensiune constantă la ieșire, sarcina unei surse de curent este să producă o valoare constantă a curentului, controlând automat tensiunea necesară. Exemple sunt transformatoarele de curent (înfășurarea secundară), fotocelulele, curenții de colector ai tranzistoarelor.

Calculul rezistenței interne a sursei de tensiune

Sursele reale de tensiune au propria lor rezistență electrică, care se numește „rezistență internă”. Sarcina conectată la bornele sursei este desemnată ca „rezistență externă” - R.

O baterie de baterii generează EMF:

ε = E/Q, unde:

• E – energie (J);
• Q – taxa (C).

FEM totală a unei celule de baterie este tensiunea în circuit deschis atunci când nu există sarcină. Poate fi verificat cu o bună acuratețe folosind un multimetru digital. Diferența de potențial măsurată la bornele de ieșire ale bateriei atunci când aceasta este conectată la o rezistență de sarcină va fi mai mică decât tensiunea acestuia când circuitul este deschis, datorită fluxului de curent prin sarcina externă și prin rezistența internă a sursei, aceasta duce la disiparea energiei în ea sub formă de radiație termică.

Rezistența internă a unei baterii chimice este între o fracțiune de ohm și câțiva ohmi și se datorează în principal rezistenței materialelor electrolitice utilizate la fabricarea bateriei.

Dacă la o baterie este conectat un rezistor cu rezistența R, curentul din circuit este I = ε/(R + r).

Rezistența internă nu este o valoare constantă. Este afectată de tipul bateriei (alcalină, plumb-acid etc.) și se modifică în funcție de valoarea de încărcare, temperatură și perioada de utilizare a bateriei. De exemplu, la bateriile de unică folosință, rezistența internă crește în timpul utilizării și, prin urmare, tensiunea scade până când ajunge într-o stare care nu este adecvată pentru utilizare ulterioară.

Dacă fem-ul sursei este o mărime predeterminată, rezistența internă a sursei este determinată prin măsurarea curentului care curge prin rezistența de sarcină.

1. Deoarece rezistența internă și externă din circuitul aproximativ sunt conectate în serie, puteți utiliza legile lui Ohm și Kirchhoff pentru a aplica formula:

1. Din această expresie r = ε/I - R.

Exemplu. O baterie cu o fem cunoscută ε = 1,5 V este conectată în serie cu un bec. Căderea de tensiune pe bec este de 1,2 V. Prin urmare, rezistența internă a elementului creează o cădere de tensiune: 1,5 - 1,2 = 0,3 V. Rezistența firelor din circuit este considerată neglijabilă, rezistența lămpii nu este cunoscut. Curentul măsurat care trece prin circuit: I = 0,3 A. Este necesar să se determine rezistența internă a bateriei.

1. Conform legii lui Ohm, rezistența becului este R = U/I = 1,2/0,3 = 4 Ohmi;
2. Acum, conform formulei de calcul a rezistenței interne, r = ε/I - R = 1,5/0,3 - 4 = 1 Ohm.

În cazul unui scurtcircuit, rezistența externă scade la aproape zero. Curentul poate fi limitat doar de rezistența mică a sursei. Curentul generat într-o astfel de situație este atât de puternic încât sursa de tensiune poate fi deteriorată de efectele termice ale curentului și există riscul de incendiu. Riscul de incendiu este prevenit prin instalarea siguranțelor, de exemplu în circuitele bateriilor auto.

Rezistența internă a unei surse de tensiune este un factor important atunci când decideți cum să furnizați cea mai eficientă putere unui aparat electric conectat.

Important! Transferul maxim de putere are loc atunci când rezistența internă a sursei este egală cu rezistența sarcinii.

Cu toate acestea, în această condiție, amintindu-ne formula P = I² x R, o cantitate identică de energie este transferată la sarcină și disipată în sursă însăși, iar eficiența acesteia este de numai 50%.

Cerințele de încărcare trebuie luate în considerare cu atenție pentru a decide cea mai bună utilizare a sursei. De exemplu, o baterie de mașină cu plumb-acid trebuie să furnizeze curenți mari la o tensiune relativ scăzută de 12 V. Rezistența sa internă scăzută îi permite să facă acest lucru.

În unele cazuri, sursele de alimentare de înaltă tensiune trebuie să aibă o rezistență internă extrem de mare pentru a limita curentul de scurtcircuit.

Caracteristici ale rezistenței interne a sursei de curent

O sursă de curent ideală are rezistență infinită, dar pentru sursele autentice se poate imagina o versiune aproximativă. Circuitul electric echivalent este o rezistență conectată la sursă în paralel și o rezistență externă.

Ieșirea de curent de la sursa de curent este distribuită după cum urmează: o parte din curent trece prin cea mai mare rezistență internă și prin rezistența de sarcină scăzută.

Curentul de ieșire va fi suma curenților din rezistența internă și sarcina Io = In + Iin.

Se dovedește:

In = Iо - Iin = Iо - Un/r.

Această relație arată că, pe măsură ce rezistența internă a sursei de curent crește, cu atât curentul prin aceasta scade, iar rezistența de sarcină primește cea mai mare parte a curentului. Interesant, tensiunea nu va afecta valoarea curentului.

Tensiune reală de ieșire a sursei:

Uout = I x (R x r)/(R +r) = I x R/(1 + R/r). Evaluează acest articol:

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).

Forțele 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 atunci când transfera o sarcină electrică unitară 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.

Scopul lucrării: studiați metoda de măsurare a EMF și a rezistenței interne a unei surse de curent folosind un ampermetru și un voltmetru.

Echipament: tableta metalica, sursa de curent, ampermetru, voltmetru, rezistenta, cheie, cleme, fire de conectare.

Pentru a măsura EMF și rezistența internă a sursei de curent, este asamblat un circuit electric, a cărui diagramă este prezentată în Figura 1.

La sursa de curent sunt conectate un ampermetru, o rezistență și un comutator conectat în serie. În plus, un voltmetru este, de asemenea, conectat direct la mufele de ieșire ale sursei.

EMF se măsoară citind un voltmetru cu comutatorul deschis. Această metodă de determinare a EMF se bazează pe un corolar din legea lui Ohm pentru un circuit complet, conform căruia, cu o rezistență infinit mare a circuitului extern, tensiunea la bornele sursei este egală cu EMF sa. (Vezi paragraful „Legea lui Ohm pentru un circuit complet” din manualul Fizica 10).

Pentru a determina rezistența internă a sursei, cheia K este închisă. În acest caz, se pot distinge aproximativ două secțiuni în circuit: externă (cea care este conectată la sursă) și internă (cea care se află în interiorul curentului). sursă). Deoarece sursa EMF este egală cu suma căderilor de tensiune din secțiunile interne și externe ale circuitului:

ε = Ur+UR, AceaUr = ε -UR (1)

Conform legii lui Ohm pentru o secțiune a lanțului U r = I · r(2). Înlocuind egalitatea (2) în (1) obținem:

eu· r = ε - Ur , de unde r = (ε - UR)/ J

Prin urmare, pentru a afla rezistența internă a unei surse de curent, este necesar să se determine mai întâi EMF, apoi să închideți comutatorul și să măsurați căderea de tensiune pe rezistența externă, precum și puterea curentului din aceasta.

Progres

1. Pregătiți un tabel pentru a înregistra rezultatele măsurătorilor și calculelor:

ε ,V	U r , B	in absenta	r , Ohm

Desenați o diagramă în caiet pentru a măsura emf și rezistența internă a sursei.

După verificarea circuitului, asamblați circuitul electric. Deblocați cheia.

Măsurați mărimea emf sursei.

Închideți cheia și determinați citirile ampermetrului și voltmetrului.

Calculați rezistența internă a sursei.

1. Determinarea emf și a rezistenței interne a unei surse de curent prin metoda grafică

Scopul lucrării: studiază măsurătorile fem, rezistența internă și curentul de scurtcircuit al sursei de curent, pe baza analizei graficului dependenței tensiunii la ieșirea sursei de curentul din circuit.

Echipament: celulă galvanică, ampermetru, voltmetru, rezistor R 1 , rezistență variabilă, cheie, cleme, tabletă metalică, fire de legătură.

Din legea lui Ohm pentru un circuit complet rezultă că tensiunea la ieșirea sursei de curent depinde direct proporțional de curentul din circuit:

întrucât I =E/(R+r), atunci IR + Ir = E, dar IR = U, de unde U + Ir = E sau U = E – Ir (1).

Dacă trasați dependența lui U de I, atunci din punctele sale de intersecție cu axele de coordonate puteți determina E, I K.Z. - puterea curentului de scurtcircuit (curentul care va curge în circuitul sursă atunci când rezistența externă R devine zero).

EMF este determinată de punctul de intersecție a graficului cu axa tensiunii. Acest punct de pe grafic corespunde stării circuitului în care nu există curent în el și, prin urmare, U = E.

Puterea curentului de scurtcircuit este determinată de punctul de intersecție a graficului cu axa curentului. În acest caz, rezistența externă R = 0 și, prin urmare, tensiunea la ieșirea sursei U = 0.

Rezistența internă a sursei se găsește prin tangenta unghiului de înclinare a graficului față de axa curentului. (Comparați formula (1) cu o funcție matematică de forma Y = AX + B și amintiți-vă semnificația coeficientului pentru X).

Progres

Pentru a înregistra rezultatele măsurătorii, pregătiți un tabel:

1. După ce profesorul verifică circuitul, asamblați circuitul electric. Setați glisorul rezistenței variabile în poziția în care rezistența circuitului conectat la sursa de curent este maximă.

Determinați curentul în circuit și tensiunea la bornele sursei la valoarea maximă a rezistenței rezistorului variabil. Introduceți datele de măsurare în tabel.

Repetați măsurătorile de curent și tensiune de mai multe ori, scăzând de fiecare dată valoarea rezistenței variabile, astfel încât tensiunea la bornele sursei să scadă cu 0,1V. Opriți măsurătorile când curentul din circuit ajunge la 1A.

Reprezentați pe un grafic punctele obținute în experiment. Trasează tensiunea de-a lungul axei verticale și curentul de-a lungul axei orizontale. Desenați o linie dreaptă prin puncte.

Continuați graficul până când se intersectează cu axele de coordonate și determinați valorile lui E și I K.Z.

Măsurați EMF-ul sursei conectând un voltmetru la bornele sale cu circuitul extern deschis. Comparați valorile EMF obținute prin cele două metode și indicați motivul posibilei discrepanțe în rezultate.

Determinați rezistența internă a sursei de curent. Pentru a face acest lucru, calculați tangenta unghiului de înclinare a graficului construit la axa curentă. Deoarece tangenta unui unghi dintr-un triunghi dreptunghic este egală cu raportul dintre latura opusă și latura adiacentă, acest lucru se poate face practic prin găsirea raportului E / I K.Z

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 un rezistor este în mod necesar prezent 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:

(tensiuni)

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:

(Rezistență internă)

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 aveți grijă de 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 loc de rezistențe de rezistență, sunt luate impedanțe complexe ale elementelor incluse în circuit și, în loc de tensiuni și curenți, sunt luate amplitudini complexe ale acestora, adică calculul se face 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 supraîncărcării sursei.

Reducere de înaltă tensiune

Uneori, la sursă se adaugă artificial o rezistență mare (se adaugă la rezistența internă 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 ar trebui 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 diodele 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
•