Wat is de interne weerstand van de stroombron r? Gelijkstroom

De noodzaak om de term te introduceren kan worden geïllustreerd aan de hand van het volgende voorbeeld. Laten we twee chemische gelijkstroombronnen met dezelfde spanning vergelijken:

Auto-loodzuuraccu met een spanning van 12 volt en een capaciteit van 55 Ah
Acht AA-batterijen in serie geschakeld. De totale spanning van zo'n batterij is ook 12 volt, de capaciteit is veel kleiner: ongeveer 1 Ah

Ondanks dezelfde spanning verschillen deze bronnen aanzienlijk bij gebruik bij dezelfde belasting. Een auto-accu is dus in staat een grote stroom aan de belasting te leveren (de automotor start vanuit de accu, terwijl de starter een stroom van 250 ampère verbruikt), maar de starter draait helemaal niet vanuit een keten van accu's. De relatief kleine capaciteit van de accu's is niet de reden: één ampère-uur in de accu's zou voldoende zijn om de starter 14 seconden te laten draaien (bij een stroomsterkte van 250 ampère).

Voor netwerken met twee terminals die bronnen bevatten (dat wil zeggen spanningsgeneratoren en stroomgeneratoren), is het dus noodzakelijk om specifiek te praten over intern weerstand (of impedantie). Als het netwerk met twee terminals geen bronnen bevat, dan “ intern weerstand" betekent voor een dergelijk netwerk met twee terminals hetzelfde als Zojuist"weerstand".

Gerelateerde termen

Als het in enig systeem mogelijk is om een input en/of een output te onderscheiden, dan worden vaak de volgende termen gebruikt:

Fysieke principes

Ondanks het feit dat in het equivalente circuit de interne weerstand wordt gepresenteerd als één passief element (en actieve weerstand, dat wil zeggen dat er noodzakelijkerwijs een weerstand in aanwezig is), is de interne weerstand niet geconcentreerd in een enkel element. Netwerk met twee terminals alleen extern gedraagt zich alsof het een geconcentreerde interne impedantie en een spanningsgenerator heeft. In werkelijkheid is interne weerstand een externe manifestatie van een reeks fysieke effecten:

Als er in een netwerk met twee terminals slechts één is energiebron zonder enig elektrisch circuit (bijvoorbeeld een galvanische cel), dan is de interne weerstand vrijwel puur actief (tenzij we het hebben over zeer hoge frequenties). Dit is te wijten aan fysieke effecten die ervoor zorgen dat het vermogen dat door deze bron wordt geleverd aan de belasting om een bepaalde limiet te overschrijden. Het eenvoudigste voorbeeld van een dergelijk effect is de niet-nulweerstand van de geleiders van een elektrisch circuit. Maar in de regel komt de grootste bijdrage aan machtsbeperking voort uit de effecten niet-elektrisch natuur. Dus aan de macht kan het bijvoorbeeld worden beperkt door het contactoppervlak van de stoffen die aan de reactie deelnemen, in een generator van een waterkrachtcentrale - door een beperkte waterdruk, enz.
In het geval van een netwerk met twee terminals dat binnenin bevat elektrisch schema, de interne weerstand is "verspreid" in de circuitelementen (naast de mechanismen die hierboven in de bron zijn vermeld).

Dit impliceert ook enkele kenmerken van interne weerstand:

De invloed van interne weerstand op de eigenschappen van een tweeterminalnetwerk

Het effect van interne weerstand is een integrale eigenschap van elk actief netwerk met twee terminals. Het belangrijkste resultaat van de aanwezigheid van interne weerstand is het beperken van het elektrische vermogen dat kan worden verkregen in de belasting die wordt geleverd door dit tweeterminalnetwerk.

Stel dat er een netwerk met twee terminals is, dat kan worden beschreven door het bovenstaande equivalente circuit. Een netwerk met twee terminals heeft twee onbekende parameters die moeten worden gevonden:

EMF-spanningsgenerator U
Interne weerstand R

Om twee onbekenden te bepalen, is het over het algemeen noodzakelijk om twee metingen uit te voeren: meet de spanning aan de uitgang van het netwerk met twee aansluitingen (dat wil zeggen het potentiaalverschil U uit = φ 2 − φ 1) bij twee verschillende belastingsstromen. Vervolgens kunnen de onbekende parameters worden gevonden uit het stelsel vergelijkingen:

(Spanningen)

Waar U uit1 ik 1, Uuit2- uitgangsspanning bij stroom ik 2. Door het stelsel vergelijkingen op te lossen, vinden we de onbekende onbekenden:

Meestal wordt een eenvoudiger techniek gebruikt om de interne weerstand te berekenen: de spanning in de nullastmodus en de stroom in de kortsluitmodus van het tweeterminalnetwerk worden gevonden. In dit geval wordt systeem () als volgt geschreven:

Waar U ok- uitgangsspanning in rustmodus (eng. open circuit), dat wil zeggen bij nullaststroom; ik sc- laadstroom in kortsluitmodus (eng. kortsluiting), dat wil zeggen onder een belasting zonder weerstand. Hierbij wordt er rekening mee gehouden dat de uitgangsstroom in nullastmodus en de uitgangsspanning in kortsluitmodus nul zijn. Uit de laatste vergelijkingen krijgen we onmiddellijk:

(Interne weerstand)

Meting

Concept meting van toepassing op het echte apparaat (maar niet op het circuit). Directe meting met een ohmmeter is onmogelijk, omdat het onmogelijk is om de sondes van het apparaat aan te sluiten op de interne weerstandsaansluitingen. Daarom is een indirecte meting nodig, die niet fundamenteel verschilt van berekening - er zijn ook spanningen over de belasting nodig bij twee verschillende stroomwaarden. Het is echter niet altijd mogelijk om de vereenvoudigde formule (2) te gebruiken, aangezien niet elk echt netwerk met twee terminals werking in kortsluitmodus toestaat.

Soms wordt de volgende eenvoudige meetmethode gebruikt, waarvoor geen berekeningen nodig zijn:

De nullastspanning wordt gemeten
Een variabele weerstand wordt als belasting aangesloten en de weerstand ervan wordt zo gekozen dat de spanning erover de helft is van de nullastspanning.

Na de beschreven procedures moet de weerstand van de belastingsweerstand worden gemeten met een ohmmeter - deze zal gelijk zijn aan de interne weerstand van het tweepolige netwerk.

Welke meetmethode er ook wordt gebruikt, men moet op zijn hoede zijn voor overbelasting van het tweeterminalnetwerk met overmatige stroom, dat wil zeggen dat de stroom de maximaal toegestane waarde voor een bepaald tweeterminalnetwerk niet mag overschrijden.

Reactieve interne weerstand

Als het equivalente circuit van een netwerk met twee aansluitingen reactieve elementen bevat - condensatoren en/of inductoren, dan berekening Reactieve interne weerstand wordt op dezelfde manier uitgevoerd als actieve weerstand, maar in plaats van weerstandsweerstanden worden de complexe impedanties van de elementen in het circuit genomen, en in plaats van spanningen en stromen worden hun complexe amplitudes genomen, dat wil zeggen de berekening wordt gemaakt door de complexe amplitudemethode.

Meting reactantie heeft een aantal speciale kenmerken omdat het een functie met complexe waarden is in plaats van een scalaire waarde:

U kunt zoeken naar verschillende parameters van een complexe waarde: modulus, argument, alleen het reële of imaginaire deel, maar ook het gehele complexe getal. Dienovereenkomstig zal de meettechniek afhangen van wat we willen verkrijgen.
Elk van de vermelde parameters is afhankelijk van de frequentie. Om door meting volledige informatie over de interne reactieve weerstand te verkrijgen, is het theoretisch noodzakelijk om deze te verwijderen verslaving op frequentie, dat wil zeggen metingen uitvoeren bij iedereen frequenties die de bron van een bepaald netwerk met twee terminals kan genereren.

Sollicitatie

In de meeste gevallen mogen we er niet over praten sollicitatie interne weerstand, en ongeveer boekhouding de negatieve impact ervan, aangezien interne weerstand eerder een negatief effect is. In sommige systemen is een nominale interne weerstand echter essentieel.

Vereenvoudiging van equivalente circuits

De weergave van een tweeterminalnetwerk als een combinatie van een spanningsgenerator en interne weerstand is het eenvoudigste en meest gebruikte equivalente circuit van een tweeterminalnetwerk.

Matching van bronbelasting

Het matchen van de bron en de belasting is de keuze van de verhouding tussen de belastingsweerstand en de interne weerstand van de bron om de gespecificeerde eigenschappen van het resulterende systeem te bereiken (in de regel proberen ze de maximale waarde van elke parameter voor een gegeven bron). De meest gebruikte vormen van matching zijn:

Er moet voorzichtig worden omgegaan met het afstemmen van stroom en vermogen, aangezien er een risico bestaat op overbelasting van de bron.

Hoogspanningsreductie

Soms wordt kunstmatig een grote weerstand aan de bron toegevoegd (deze wordt toegevoegd aan de interne weerstand van de bron) om de ontvangen spanning aanzienlijk te verminderen. Het toevoegen van een weerstand als extra weerstand (de zogenaamde blusweerstand) leidt er echter toe dat er nutteloos vermogen aan wordt toegewezen. Om energieverspilling te voorkomen, gebruiken AC-systemen reactieve dempingsimpedanties, meestal condensatoren. Dit is hoe condensatorvoedingen worden gebouwd. Op dezelfde manier kunt u met behulp van een capacitieve aftakking van een hoogspanningslijn kleine spanningen verkrijgen om autonome apparaten van stroom te voorzien.

Minimaliseren van geluid

Bij het versterken van zwakke signalen ontstaat vaak de taak om de door de versterker in het signaal geïntroduceerde ruis te minimaliseren. Speciaal voor dit doel geluidsarme versterkers Ze zijn echter zo ontworpen dat het laagste ruisgetal alleen binnen een bepaald bereik van de uitgangsimpedantie van de signaalbron wordt bereikt. Een versterker met weinig ruis levert bijvoorbeeld slechts minimale ruis over het uitgangsimpedantiebereik van de bron van 1 kΩ tot 10 kΩ; als de signaalbron een lagere uitgangsimpedantie heeft (bijvoorbeeld een microfoon met een uitgangsimpedantie van 30 Ohm), dan moet er tussen de bron en de versterker een step-up transformator worden gebruikt, die de uitgangsimpedantie verhoogt (en ook de signaalspanning) naar de gewenste waarde.

Beperkingen

Het concept van interne weerstand wordt geïntroduceerd via een gelijkwaardig circuit, dus gelden dezelfde beperkingen als voor de toepasbaarheid van gelijkwaardige circuits.

Voorbeelden

Interne weerstandswaarden zijn relatief: wat bijvoorbeeld voor een galvanische cel als klein wordt beschouwd, is voor een krachtige batterij erg groot. Hieronder staan voorbeelden van netwerken met twee terminals en de waarden van hun interne weerstand R. Triviale gevallen van netwerken met twee terminals geen bronnen worden specifiek vermeld.

Lage interne weerstand

Hoge interne weerstand

Negatieve interne weerstand

Er zijn netwerken met twee terminals waarvan de interne weerstand bestaat negatief betekenis. Normaal actief weerstand, vindt energiedissipatie plaats reactief Bij weerstand wordt energie opgeslagen en vervolgens weer vrijgegeven aan de bron. De eigenaardigheid van negatieve weerstand is dat het zelf een energiebron is. Daarom komt negatieve weerstand niet in zijn pure vorm voor; deze kan alleen worden gesimuleerd door een elektronisch circuit, dat noodzakelijkerwijs een energiebron bevat. Negatieve interne weerstand kan in circuits worden bereikt door gebruik te maken van:

elementen met een negatieve differentiële weerstand, zoals tunneldiodes

Systemen met negatieve weerstand zijn potentieel onstabiel en kunnen daarom worden gebruikt om zelfoscillatoren te bouwen.

Zie ook

Koppelingen

Literatuur

Zernov N.V., Karpov V.G. Theorie van radiotechnische circuits. - M. - L.: Energie, 1965. - 892 p.
Jones M.H. Elektronica - praktische cursus. - M.: Technosphere, 2006. - 512 p. ISBN-5-94836-086-5

Opmerkingen

Stichting Wikimedia.

2010.

Polytechnisch terminologisch verklarend woordenboek

De wet van Ohm voor een compleet circuit, waarvan de definitie betrekking heeft op de waarde van elektrische stroom in echte circuits, hangt af van de stroombron en de belastingsweerstand. Deze wet heeft ook een andere naam: de wet van Ohm voor gesloten circuits. Het werkingsprincipe van deze wet is als volgt.

Een elektrische stroom die door een gloeilamp gaat, gaat ook door de stroombron zelf. Terwijl de stroom door het circuit gaat, zal hij dus niet alleen de weerstand ervaren van de geleider, maar ook rechtstreeks van de stroombron zelf. In de bron wordt weerstand gecreëerd door de elektrolyt die zich tussen de platen en de grenslagen van de platen en de elektrolyt bevindt. Hieruit volgt dat in een gesloten circuit de totale weerstand zal bestaan uit de som van de weerstanden van de gloeilamp en de stroombron.

Externe en interne weerstand

De weerstand van de belasting, in dit geval een gloeilamp, aangesloten op een stroombron, wordt externe weerstand genoemd. De directe weerstand van de stroombron wordt interne weerstand genoemd. Voor een meer visuele weergave van het proces moeten alle waarden conventioneel worden aangegeven. I - , R - externe weerstand, r - interne weerstand. Wanneer er stroom door een elektrisch circuit vloeit, moet er, om dit in stand te houden, een potentiaalverschil bestaan tussen de uiteinden van het externe circuit, dat de waarde IxR heeft. Er wordt echter ook stroom waargenomen in het interne circuit. Dit betekent dat om de elektrische stroom in het interne circuit in stand te houden, er ook een potentiaalverschil aan de uiteinden van de weerstand r nodig is. De waarde van dit potentiaalverschil is gelijk aan Iхr.

Elektromotorische kracht van de batterij

De batterij moet de volgende waarde aan elektromotorische kracht hebben die in staat is de vereiste stroom in het circuit te handhaven: E=IxR+Ixr. Uit de formule wordt duidelijk dat de elektromotorische kracht van de batterij de som is van extern en intern. De huidige waarde moet tussen haakjes staan: E=I(r+R). Anders kun je je voorstellen: I=E/(r+R) . De laatste twee formules drukken de wet van Ohm uit voor een compleet circuit, waarvan de definitie als volgt is: in een gesloten circuit is de stroomsterkte direct evenredig met de elektromotorische kracht en omgekeerd evenredig met de som van de weerstanden van dit circuit.

Netwerk met twee terminals en het equivalente circuit ervan

De interne weerstand van een netwerk met twee aansluitingen is de impedantie in het equivalente circuit van een netwerk met twee aansluitingen, bestaande uit een spanningsgenerator en impedantie die in serie zijn geschakeld (zie afbeelding). Het concept wordt in de circuittheorie gebruikt bij het vervangen van een echte bron door ideale elementen, dat wil zeggen bij het overstappen naar een gelijkwaardig circuit.

Invoering

Laten we eens kijken naar een voorbeeld. In een personenauto zullen we het boordnetwerk niet van stroom voorzien via een standaard loodzuuraccu met een spanning van 12 volt en een capaciteit van 55 Ah, maar vanuit acht in serie geschakelde accu’s (bijvoorbeeld AA-formaat, met een capaciteit van ongeveer 1 Ah). Laten we proberen de motor te starten. De ervaring leert dat de startas bij aandrijving op batterijen geen enkele graad zal draaien. Bovendien zal zelfs het magneetrelais niet werken.

Het is intuïtief duidelijk dat de batterij “niet krachtig genoeg” is voor een dergelijke toepassing, maar een beschouwing van de aangegeven elektrische kenmerken – spanning en lading (capaciteit) – levert geen kwantitatieve beschrijving van dit fenomeen op. De spanning is in beide gevallen hetzelfde:

Batterij: 12 volt

Galvanische cellen: 8·1,5 volt = 12 volt

Ook de capaciteit is ruim voldoende: één ampère-uur in de accu zou voldoende moeten zijn om de starter 14 seconden te laten draaien (bij een stroomsterkte van 250 ampère).

Het lijkt erop dat, in overeenstemming met de wet van Ohm, de stroom in dezelfde belasting met elektrisch identieke bronnen ook hetzelfde zou moeten zijn. In werkelijkheid is dit echter niet helemaal waar. De bronnen zouden zich hetzelfde gedragen als ze ideale spanningsgeneratoren waren. Om de mate van verschil tussen echte bronnen en ideale generatoren te beschrijven, wordt het concept van interne weerstand gebruikt.

Weerstand en interne weerstand

Het belangrijkste kenmerk van een netwerk met twee aansluitingen is de weerstand (of impedantie). Het is echter niet altijd mogelijk om een netwerk met twee terminals alleen met weerstand te karakteriseren. Feit is dat de term weerstand alleen van toepassing is op puur passieve elementen, dat wil zeggen elementen die geen energiebronnen bevatten. Als een netwerk met twee terminals een energiebron bevat, is het concept van ‘weerstand’ er eenvoudigweg niet op van toepassing, aangezien niet aan de wet van Ohm in de formulering U=Ir wordt voldaan.

Voor netwerken met twee aansluitingen die bronnen bevatten (dat wil zeggen spanningsgeneratoren en stroomgeneratoren), is het dus noodzakelijk om specifiek over interne weerstand (of impedantie) te praten. Als een netwerk met twee terminals geen bronnen bevat, betekent ‘interne weerstand’ voor zo’n netwerk met twee terminals hetzelfde als eenvoudigweg ‘weerstand’.

Gerelateerde termen

Als het in enig systeem mogelijk is om een input en/of een output te onderscheiden, dan worden vaak de volgende termen gebruikt:

Ingangsweerstand is de interne weerstand van het tweeterminalnetwerk, dat de ingang van het systeem is.

Uitgangsweerstand is de interne weerstand van het tweeterminalnetwerk, dat de output van het systeem is.

Fysieke principes

Ondanks het feit dat in het equivalente circuit de interne weerstand wordt gepresenteerd als één passief element (en actieve weerstand, dat wil zeggen dat er noodzakelijkerwijs een weerstand in aanwezig is), is de interne weerstand niet geconcentreerd in een enkel element. Het tweeterminalnetwerk gedraagt zich alleen uiterlijk alsof het een geconcentreerde interne impedantie en een spanningsgenerator heeft. In werkelijkheid is interne weerstand een externe manifestatie van een reeks fysieke effecten:

Als er in een netwerk met twee terminals alleen een energiebron is zonder enig elektrisch circuit (bijvoorbeeld een galvanische cel), dan is de interne weerstand puur actief, deze wordt veroorzaakt door fysieke effecten die de stroom die door deze bron wordt geleverd niet toelaten dat de belasting een bepaalde limiet overschrijdt. Het eenvoudigste voorbeeld van een dergelijk effect is de niet-nulweerstand van de geleiders van een elektrisch circuit. Maar in de regel komt de grootste bijdrage aan de vermogensbeperking voort uit niet-elektrische effecten. In een chemische bron kan het vermogen dus bijvoorbeeld worden beperkt door het contactoppervlak van de stoffen die aan de reactie deelnemen, in een generator van een waterkrachtcentrale - door een beperkte waterdruk, enz.

In het geval van een netwerk met twee aansluitingen dat een elektrisch circuit bevat, wordt de interne weerstand "verspreid" in de circuitelementen (naast de mechanismen die hierboven in de bron zijn vermeld).

Dit impliceert ook enkele kenmerken van interne weerstand:

Interne weerstand kan niet worden verwijderd uit een netwerk met twee terminals

Interne weerstand is geen stabiele waarde: deze kan veranderen wanneer externe omstandigheden veranderen.

De invloed van interne weerstand op de eigenschappen van een tweeterminalnetwerk

Het effect van interne weerstand is een integrale eigenschap van elk netwerk met twee terminals. Het belangrijkste resultaat van de aanwezigheid van interne weerstand is het beperken van het elektrische vermogen dat kan worden verkregen in de belasting die wordt geleverd door dit tweeterminalnetwerk.

Als een belasting met weerstand R is aangesloten op een bron met een emf van een spanningsgenerator E en een actieve interne weerstand r, dan worden de stroom, spanning en vermogen in de belasting als volgt uitgedrukt.

Berekening

Het concept van berekening is van toepassing op een circuit (maar niet op een echt apparaat). De berekening wordt gegeven voor het geval van puur actieve interne weerstand (verschillen in reactantie worden hieronder besproken).

EMF-spanningsgenerator U

Interne weerstand r

Om twee onbekenden te bepalen, is het over het algemeen noodzakelijk om twee metingen uit te voeren: meet de spanning aan de uitgang van een netwerk met twee aansluitingen (dat wil zeggen het potentiaalverschil Uout = φ2 − φ1) bij twee verschillende belastingsstromen. Vervolgens kunnen de onbekende parameters worden gevonden uit het stelsel vergelijkingen:

waarbij Uout1 de uitgangsspanning is bij stroom I1, en Uout2 de uitgangsspanning bij stroom I2. Door het stelsel vergelijkingen op te lossen, vinden we de onbekende onbekenden:

waarbij Uoc de uitgangsspanning is in open circuitmodus, dat wil zeggen bij nullaststroom; Isc - laadstroom in kortsluitmodus, dat wil zeggen met een belasting zonder weerstand. Hierbij wordt er rekening mee gehouden dat de uitgangsstroom in nullastmodus en de uitgangsspanning in kortsluitmodus nul zijn. Uit de laatste vergelijkingen krijgen we onmiddellijk:

Meting

Het concept van meten is van toepassing op een echt apparaat (maar niet op een circuit). Directe meting met een ohmmeter is onmogelijk, omdat het onmogelijk is om de sondes van het apparaat aan te sluiten op de interne weerstandsaansluitingen. Daarom is een indirecte meting nodig, die niet fundamenteel verschilt van de berekening - er zijn ook spanningen over de belasting nodig bij twee verschillende stroomwaarden. Het is echter niet altijd mogelijk om de vereenvoudigde formule (2) te gebruiken, aangezien niet elk echt netwerk met twee terminals werking in kortsluitmodus toestaat.

Vaak wordt de volgende eenvoudige meetmethode gebruikt, waarvoor geen berekeningen nodig zijn:

De nullastspanning wordt gemeten

Een variabele weerstand wordt als belasting aangesloten en de weerstand ervan wordt zo gekozen dat de spanning erover de helft is van de nullastspanning.

Na de beschreven procedures moet de weerstand van de belastingsweerstand worden gemeten met een ohmmeter - deze zal gelijk zijn aan de interne weerstand van het tweepolige netwerk.

Reactieve interne weerstand

Als het equivalente circuit van een netwerk met twee aansluitingen reactieve elementen bevat - condensatoren en/of inductoren, wordt de berekening van de reactieve interne weerstand op dezelfde manier uitgevoerd als de actieve, maar in plaats van de weerstanden van weerstanden, worden de complexe impedanties van de elementen in het circuit worden genomen, en in plaats van spanningen en stromen worden hun complexe amplitudes genomen, dat wil zeggen dat de berekening wordt uitgevoerd door de complexe amplitudemethode.

De interne reactantiemeting heeft enkele speciale kenmerken omdat het een functie met complexe waarden is en geen scalaire waarde:

U kunt zoeken naar verschillende parameters van een complexe waarde: modulus, argument, alleen het reële of imaginaire deel, maar ook het gehele complexe getal. Dienovereenkomstig zal de meettechniek afhangen van wat we willen verkrijgen.

In het tijdperk van de elektriciteit is er waarschijnlijk niet zo iemand die niet van het bestaan van elektrische stroom op de hoogte zou zijn. Maar weinig mensen herinneren zich meer van een natuurkundecursus op school dan de namen van grootheden: stroom, spanning, weerstand, de wet van Ohm. En slechts weinigen herinneren zich wat de betekenis van deze woorden is.

In dit artikel zullen we bespreken hoe elektrische stroom ontstaat, hoe deze door een circuit wordt overgedragen en hoe deze hoeveelheid in berekeningen kan worden gebruikt. Maar voordat we verder gaan met het hoofdgedeelte, laten we ons wenden tot de geschiedenis van de ontdekking van elektrische stroom en de bronnen ervan, evenals de definitie van wat elektromotorische kracht is.

Verhaal

Elektriciteit als energiebron is al sinds de oudheid bekend, omdat de natuur deze zelf in grote hoeveelheden opwekt. Een sprekend voorbeeld is bliksem of een elektrische oprit. Ondanks deze nauwe band met de mens was het pas in het midden van de zeventiende eeuw mogelijk deze energie te beteugelen: Otto von Guericke, burgemeester van Maagdenburg, creëerde een machine die het mogelijk maakt een elektrostatische lading op te wekken. Halverwege de achttiende eeuw creëerde Peter von Muschenbroek, een wetenschapper uit Nederland, 's werelds eerste elektrische condensator, genaamd de Leidse pot, ter ere van de universiteit waar hij werkte.

Misschien begint het tijdperk van echte ontdekkingen gewijd aan elektriciteit met het werk van Luigi Galvani en Alessandro Volta, die respectievelijk elektrische stromen in spieren en de opkomst van stroom in zogenaamde galvanische cellen bestudeerden. Verder onderzoek opende onze ogen voor het verband tussen elektriciteit en magnetisme, evenals voor verschillende zeer nuttige verschijnselen (zoals elektromagnetische inductie), zonder welke het onmogelijk is ons leven van vandaag voor te stellen.

Maar we zullen ons niet verdiepen in magnetische verschijnselen en ons alleen concentreren op elektrische verschijnselen. Laten we dus eens kijken hoe elektriciteit ontstaat in galvanische cellen en waar het allemaal om draait.

Wat is een galvanische cel?

We kunnen zeggen dat het elektriciteit produceert als gevolg van chemische reacties tussen de componenten. De eenvoudigste galvanische cel werd uitgevonden door Alessandro Volta en naar hem vernoemd als een voltaïsche kolom. Het bestaat uit verschillende lagen, afgewisseld met elkaar: een koperen plaat, een geleidende pakking (in de thuisversie van het ontwerp wordt watten gebruikt bevochtigd met zout water) en een zinkplaat.

Welke reacties vinden daarin plaats?

Laten we de processen die ons in staat stellen elektriciteit op te wekken met behulp van een galvanische cel eens nader bekijken. Er zijn slechts twee van dergelijke transformaties: oxidatie en reductie. Wanneer een element, het reductiemiddel, wordt geoxideerd, staat het elektronen af aan een ander element, het oxidatiemiddel. Het oxidatiemiddel wordt op zijn beurt gereduceerd door elektronen te accepteren. Op deze manier bewegen geladen deeltjes van de ene plaat naar de andere, en dit wordt, zoals bekend, elektrische stroom genoemd.

En laten we nu soepel naar het hoofdonderwerp van dit artikel gaan: de EMF van de huidige bron. En laten we eerst eens kijken naar wat deze elektromotorische kracht (EMF) is.

Wat is EMV?

Deze hoeveelheid kan worden weergegeven als het werk van krachten (namelijk ‘arbeid’) die worden uitgevoerd wanneer een lading langs een gesloten elektrisch circuit beweegt. Heel vaak maken ze ook duidelijk dat de lading noodzakelijkerwijs positief en eenheid moet zijn. En dit is een essentiële toevoeging, aangezien alleen onder deze omstandigheden de elektromotorische kracht als een nauwkeurig meetbare grootheid kan worden beschouwd. Overigens wordt het gemeten in dezelfde eenheden als spanning: volt (V).

EMF van huidige bron

Zoals je weet heeft elke accu of batterij zijn eigen weerstandswaarde die hij kan produceren. Deze waarde, de emf van de stroombron, laat zien hoeveel werk er wordt verricht door externe krachten om de lading te verplaatsen langs het circuit waarin de batterij of accu is aangesloten.

Het is ook de moeite waard om te verduidelijken welk type stroom de bron produceert: constant, afwisselend of gepulseerd. Galvanische cellen, inclusief accu's en batterijen, produceren altijd uitsluitend gelijkstroom. De EMF van de stroombron zal in dit geval gelijk zijn aan de uitgangsspanning aan de contacten van de bron.

Nu is het tijd om uit te zoeken waarom een dergelijke hoeveelheid als EMF in het algemeen nodig is, en hoe je deze kunt gebruiken bij het berekenen van andere hoeveelheden van een elektrisch circuit.

EMF-formule

We hebben al ontdekt dat de EMF van de huidige bron gelijk is aan het werk van externe krachten om de lading te verplaatsen. Voor meer duidelijkheid hebben we besloten de formule voor deze grootheid op te schrijven: E=A externe krachten /q, waarbij A werk is, en q de lading is waarop arbeid is verricht. Houd er rekening mee dat de totale kosten in rekening worden gebracht, en niet de eenheidskosten. Dit wordt gedaan omdat we rekening houden met de arbeid die krachten verrichten om alle ladingen in een geleider te verplaatsen. En deze verhouding tussen arbeid en lading zal voor een gegeven bron altijd constant zijn, want hoeveel geladen deeltjes je ook neemt, de specifieke hoeveelheid werk voor elk ervan zal hetzelfde zijn.

Zoals u kunt zien, is de formule voor elektromotorische kracht niet zo ingewikkeld en bestaat deze uit slechts twee grootheden. Het is tijd om verder te gaan met een van de belangrijkste vragen die uit dit artikel naar voren komen.

Waarom is EMF nodig?

Er is al gezegd dat EMF en spanning eigenlijk dezelfde grootheden zijn. Als we de waarden van de EMF en de interne weerstand van de huidige bron kennen, zal het niet moeilijk zijn om ze in de wet van Ohm te vervangen voor een compleet circuit, dat er als volgt uitziet: I=e/(R+r) , waarbij I de huidige sterkte is, e de EMF is, R de circuitweerstand is, r - interne weerstand van de huidige bron. Vanaf hier kunnen we twee kenmerken van het circuit vinden: I en R. Opgemerkt moet worden dat al deze argumenten en formules alleen geldig zijn voor een gelijkstroomcircuit. In het geval van een variabele zullen de formules compleet anders zijn, omdat deze aan zijn eigen oscillerende wetten gehoorzaamt.

Maar het blijft nog steeds onduidelijk welke toepassing de EMF van een huidige bron heeft. In een circuit zijn er in de regel veel elementen die hun functie vervullen. In elke telefoon zit een bord, dat ook niets meer is dan een elektrisch circuit. En elk van deze circuits heeft een stroombron nodig om te kunnen werken. En het is heel belangrijk dat de EMF overeenkomt met de parameters voor alle elementen van het circuit. Anders zal het circuit stoppen met werken of doorbranden vanwege de hoge spanning erin.

Conclusie

Wij denken dat dit artikel voor velen nuttig was. In de moderne wereld is het inderdaad heel belangrijk om zoveel mogelijk te weten over wat ons omringt. Inclusief essentiële kennis over de aard van elektrische stroom en het gedrag ervan in circuits. En als je denkt dat zoiets als een elektrisch circuit alleen in laboratoria wordt gebruikt en je bent daar verre van, dan vergis je je heel erg: alle apparaten die elektriciteit verbruiken bestaan eigenlijk uit circuits. En elk van hen heeft zijn eigen stroombron, die een EMF creëert.

Aan de uiteinden van de geleider, en dus van de stroom, is de aanwezigheid van externe krachten van niet-elektrische aard noodzakelijk, met behulp waarvan de scheiding van elektrische ladingen plaatsvindt.

Door krachten van buitenaf zijn alle krachten die inwerken op elektrisch geladen deeltjes in een circuit, met uitzondering van elektrostatische krachten (dwz Coulomb).

Krachten van derden brengen geladen deeltjes in beweging in alle stroombronnen: in generatoren, elektriciteitscentrales, galvanische cellen, batterijen, enz.

Wanneer een circuit gesloten is, ontstaat er een elektrisch veld in alle geleiders van het circuit. Binnen de stroombron bewegen ladingen onder invloed van externe krachten tegen Coulomb-krachten in (elektronen bewegen van een positief geladen elektrode naar een negatieve), en in de rest van het circuit worden ze aangedreven door een elektrisch veld (zie figuur hierboven).

In huidige bronnen worden tijdens het scheiden van geladen deeltjes verschillende soorten energie omgezet in elektrische energie. Op basis van het type omgezette energie worden de volgende soorten elektromotorische krachten onderscheiden:

- elektrostatisch- in een elektroforemachine, waarin mechanische energie door wrijving wordt omgezet in elektrische energie;

- thermo-elektrisch- in een thermo-element - wordt de interne energie van de verwarmde verbinding van twee draden gemaakt van verschillende metalen omgezet in elektrische energie;

- fotovoltaïsch- in een fotocel. Hier vindt de omzetting van lichtenergie in elektrische energie plaats: wanneer bepaalde stoffen worden verlicht, bijvoorbeeld selenium, koper (I) oxide, silicium, wordt een verlies aan negatieve elektrische lading waargenomen;

- chemisch- in galvanische cellen, batterijen en andere bronnen waarin chemische energie wordt omgezet in elektrische energie.

Elektromotorische kracht (EMF)— kenmerken van huidige bronnen. Het concept van EMF werd in 1827 door G. Ohm geïntroduceerd voor gelijkstroomcircuits. In 1857 definieerde Kirchhoff EMF als het werk van externe krachten bij het overbrengen van een elektrische lading per eenheid langs een gesloten circuit:

ɛ = A st /q,

Waar ɛ — EMF van de huidige bron, Een st- werk van krachten van buitenaf, Q- bedrag van de overgedragen kosten.

Elektromotorische kracht wordt uitgedrukt in volt.

We kunnen op elk deel van het circuit over elektromotorische kracht praten. Dit is het specifieke werk van externe krachten (werk om een enkele lading te verplaatsen), niet over het hele circuit, maar alleen in een bepaald gebied.

Interne weerstand van de stroombron.

Laat er een eenvoudig gesloten circuit zijn, bestaande uit een stroombron (bijvoorbeeld een galvanische cel, batterij of generator) en een weerstand met een weerstand R. De stroom in een gesloten circuit wordt nergens onderbroken, daarom bestaat deze ook binnen de stroombron. Elke bron vertegenwoordigt enige weerstand tegen stroom. Het heet interne weerstand van de stroombron en wordt aangeduid met de letter R.

In de generator R- dit is de weerstand van de wikkeling, in een galvanische cel - de weerstand van de elektrolytoplossing en elektroden.

De stroombron wordt dus gekenmerkt door de waarden van EMF en interne weerstand, die de kwaliteit ervan bepalen. Elektrostatische machines hebben bijvoorbeeld een zeer hoge EMF (tot tienduizenden volt), maar tegelijkertijd is hun interne weerstand enorm (tot honderden megohms). Daarom zijn ze niet geschikt voor het genereren van hoge stromen. Galvanische cellen hebben een EMF van slechts ongeveer 1 V, maar de interne weerstand is ook laag (ongeveer 1 Ohm of minder). Hierdoor kunnen ze stromen verkrijgen, gemeten in ampère.