Meting van emf en interne weerstand van een stroombron. Interne weerstand van de stroombron

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 grootheid 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 het werk van krachten 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 van hen 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.

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 een 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 is 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 hydro-elektrische generator - 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 aansluitingen. 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).

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 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:

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 (1) als volgt geschreven:

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.

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, 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 hele complexe getal. Dienovereenkomstig zal de meettechniek afhangen van wat we willen verkrijgen.

Laten we zeggen dat er een eenvoudig elektrisch gesloten circuit is dat een stroombron omvat, bijvoorbeeld een generator, galvanische cel of batterij, en een weerstand met weerstand R. Omdat de stroom in het circuit nergens wordt onderbroken, stroomt deze binnen de bron.

In een dergelijke situatie kunnen we zeggen dat elke bron een interne weerstand heeft die de stroom verhindert. Deze interne weerstand kenmerkt de stroombron en wordt aangeduid met de letter r. Voor een batterij is de interne weerstand de weerstand van de elektrolytoplossing en de elektroden; het is de weerstand van de statorwikkelingen, enz.

De huidige bron wordt dus gekenmerkt door zowel de omvang van de EMF als de waarde van zijn eigen interne weerstand r - beide kenmerken geven de kwaliteit van de bron aan.

Elektrostatische hoogspanningsgeneratoren (zoals de Van de Graaff-generator of de Wimshurst-generator) onderscheiden zich bijvoorbeeld door een enorme EMF gemeten in miljoenen volt, terwijl hun interne weerstand wordt gemeten in honderden megaohms, en daarom zijn ze ongeschikt voor het opwekken van grote stromen.

Galvanische elementen (zoals een batterij) hebben daarentegen een EMF in de orde van 1 volt, hoewel hun interne weerstand in de orde van fracties of hoogstens tientallen ohms ligt, en dus stromen van eenheden en tientallen ohms. ampère kan worden verkregen uit galvanische elementen.

Dit diagram toont een echte bron met een aangesloten belasting. Hier worden zowel de interne weerstand als de belastingsweerstand aangegeven. Volgens zal de stroom in dit circuit gelijk zijn aan:

Omdat het gedeelte van het externe circuit homogeen is, kan de spanning over de belasting worden afgeleid uit de wet van Ohm:

Door de belastingsweerstand uit de eerste vergelijking uit te drukken en de waarde ervan in de tweede vergelijking te vervangen, verkrijgen we de afhankelijkheid van de belastingsspanning van de stroom in een gesloten circuit:

In een gesloten lus is de EMF gelijk aan de som van de spanningsdalingen over de elementen van het externe circuit en de interne weerstand van de bron zelf. De afhankelijkheid van de belastingsspanning en de belastingsstroom is idealiter lineair.

De grafiek laat dit zien, maar experimentele gegevens over een echte weerstand (kruisjes bij de grafiek) verschillen altijd van het ideaal:

Experimenten en logica laten zien dat bij nullaststroom de spanning op het externe circuit gelijk is aan de bron-emf, en bij nullastspanning is de stroom in het circuit gelijk aan . Deze eigenschap van echte circuits helpt bij het experimenteel vinden van de emf en interne weerstand van echte bronnen.

Experimentele bepaling van interne weerstand

Om deze kenmerken experimenteel te bepalen, moet u de afhankelijkheid van de spanning van de belasting op de stroomwaarde uitzetten en deze vervolgens extrapoleren naar het snijpunt met de assen.

Op het snijpunt van de grafiek met de spanningsas bevindt zich de waarde van de bron-emf, en op het snijpunt met de stroomas bevindt zich de waarde van de kortsluitstroom. Als resultaat wordt de interne weerstand gevonden met de formule:

Het door de bron ontwikkelde nuttige vermogen wordt vrijgegeven aan de belasting. De afhankelijkheid van dit vermogen van de belastingsweerstand wordt weergegeven in de figuur. Deze curve begint vanaf het snijpunt van de coördinaatassen op het nulpunt en neemt vervolgens toe tot de maximale vermogenswaarde, waarna deze naar nul daalt wanneer de belastingsweerstand gelijk is aan oneindig.

Om de maximale belastingsweerstand te vinden waarbij het maximale vermogen zich theoretisch bij een gegeven bron zal ontwikkelen, wordt de afgeleide van de vermogensformule met betrekking tot R genomen en gelijk gesteld aan nul. Het maximale vermogen zal zich ontwikkelen wanneer de weerstand van het externe circuit gelijk is aan de interne weerstand van de bron:

Deze bepaling over het maximale vermogen bij R = r stelt ons in staat experimenteel de interne weerstand van de bron te vinden door de afhankelijkheid van het vermogen dat vrijkomt bij de belasting uit te zetten en de waarde van de belastingsweerstand. Nadat de werkelijke, in plaats van de theoretische, belastingsweerstand is gevonden die maximaal vermogen levert, wordt de werkelijke interne weerstand van de voeding bepaald.

Het rendement van een stroombron geeft de verhouding weer tussen het maximale vermogen dat aan de belasting wordt toegewezen en het totale vermogen dat momenteel wordt ontwikkeld

Onder invloed van een elektrisch veld ontstaat een elektrische stroom in een geleider, waardoor vrij geladen deeltjes in een bepaalde richting bewegen. Het genereren van deeltjesstroom is een serieus probleem. Het bouwen van zo'n apparaat dat het veldpotentiaalverschil gedurende lange tijd in één staat kan handhaven, is een taak die de mensheid pas tegen het einde van de 18e eeuw kon oplossen.

Eerste pogingen

De eerste pogingen om “elektriciteit op te slaan” voor verder onderzoek en gebruik werden in Nederland gedaan. De Duitser Ewald Jürgen von Kleist en de Nederlander Pieter van Musschenbroek, die hun onderzoek in Leiden uitvoerden, creëerden 's werelds eerste condensator, later de “Leidse pot” genoemd.

De accumulatie van elektrische lading vond al plaats onder invloed van mechanische wrijving. Het was mogelijk om gedurende een bepaalde, vrij korte tijd gebruik te maken van een ontlading via een geleider.

De overwinning van de menselijke geest op zo’n kortstondige substantie als elektriciteit bleek revolutionair te zijn.

Helaas duurde de ontlading (elektrische stroom gecreëerd door de condensator) zo kort dat deze niet kon worden gecreëerd. Bovendien neemt de door de condensator geleverde spanning geleidelijk af, waardoor er geen mogelijkheid meer is om langdurige stroom te ontvangen.

Het was noodzakelijk om naar een andere manier te zoeken.

Eerste bron

De experimenten van de Italiaan Galvani met "dierlijke elektriciteit" waren een originele poging om een natuurlijke stroombron in de natuur te vinden. Door de poten van ontlede kikkers aan de metalen haken van een ijzeren rooster te hangen, vestigde hij de aandacht op de karakteristieke reactie van de zenuwuiteinden.

De conclusies van Galvani werden echter weerlegd door een andere Italiaan, Alessandro Volta. Geïnteresseerd in de mogelijkheid om elektriciteit uit dierlijke organismen te verkrijgen, voerde hij een reeks experimenten met kikkers uit. Maar zijn conclusie bleek volkomen het tegenovergestelde van eerdere hypothesen.

Volta merkte op dat een levend organisme slechts een indicator is van een elektrische ontlading. Wanneer de stroom passeert, trekken de spieren van de poten samen, wat wijst op een potentiaalverschil. De bron van het elektrische veld bleek het contact van ongelijksoortige metalen te zijn. Hoe verder ze uit elkaar liggen in de reeks chemische elementen, hoe groter het effect.

Platen van ongelijksoortige metalen, bekleed met papieren schijven gedrenkt in een elektrolytoplossing, creëerden lange tijd het noodzakelijke potentiaalverschil. En ook al was deze laag (1,1 V), de elektrische stroom kon lange tijd worden bestudeerd. Het belangrijkste is dat de spanning net zo lang onveranderd bleef.

Wat is er gaande

Waarom treedt dit effect op in bronnen die “galvanische cellen” worden genoemd?

Twee metalen elektroden geplaatst in een diëlektricum spelen verschillende rollen. De één levert elektronen, de ander accepteert ze. Het proces van de redoxreactie leidt tot het verschijnen van een teveel aan elektronen op één elektrode, die de negatieve pool wordt genoemd, en een tekort op de tweede, die we zullen aanduiden als de positieve pool van de bron.

In de eenvoudigste galvanische cellen vinden oxidatiereacties plaats op de ene elektrode, en reductiereacties op de andere. Elektronen komen vanuit het buitenste deel van het circuit naar de elektroden. De elektrolyt is een geleider van de ionenstroom in de bron. De weerstandskracht bepaalt de duur van het proces.

Koper-zinkelement

Het is interessant om het werkingsprincipe van galvanische cellen te beschouwen aan de hand van het voorbeeld van een galvanische koper-zinkcel, waarvan de werking voortkomt uit de energie van zink en kopersulfaat. In deze bron wordt een koperen plaat in een oplossing geplaatst en wordt een zinkelektrode ondergedompeld in een zinksulfaatoplossing. De oplossingen worden gescheiden door een poreuze afstandhouder om vermenging te voorkomen, maar ze moeten wel met elkaar in contact komen.

Als het circuit gesloten is, wordt de oppervlaktelaag van zink geoxideerd. Tijdens het interactieproces met de vloeistof verschijnen zinkatomen, die in ionen veranderen, in de oplossing. Bij de elektrode komen elektronen vrij, die kunnen deelnemen aan de stroomvorming.

Eenmaal op de koperelektrode nemen elektronen deel aan de reductiereactie. Koperionen komen uit de oplossing naar de oppervlaktelaag; tijdens het reductieproces veranderen ze in koperatomen en zetten ze zich af op de koperplaat.

Laten we samenvatten wat er gebeurt: het werkingsproces van een galvanische cel gaat gepaard met de overgang van elektronen van het reductiemiddel naar het oxidatiemiddel langs het externe deel van het circuit. Reacties vinden plaats op beide elektroden. Er stroomt een ionenstroom in de bron.

Moeilijkheidsgraad van gebruik

In principe kan elk van de mogelijke redoxreacties in batterijen worden gebruikt. Maar er zijn niet zoveel stoffen die in technisch waardevolle elementen kunnen werken. Bovendien vereisen veel reacties dure stoffen.

Moderne batterijen hebben een eenvoudiger structuur. Twee elektroden geplaatst in één elektrolyt vullen het vat - het batterijlichaam. Dergelijke ontwerpkenmerken vereenvoudigen de structuur en verlagen de kosten van batterijen.

Elke galvanische cel kan gelijkstroom produceren.

Door de huidige weerstand kunnen niet alle ionen tegelijkertijd op de elektroden verschijnen, waardoor het element lang blijft werken. De chemische reacties van ionenvorming stoppen vroeg of laat en het element wordt ontladen.

De huidige bron is van groot belang.

Iets over weerstand

Het gebruik van elektrische stroom heeft de wetenschappelijke en technologische vooruitgang ongetwijfeld naar een nieuw niveau getild en een gigantische impuls gegeven. Maar de kracht van weerstand tegen de stroom staat een dergelijke ontwikkeling in de weg.

Aan de ene kant heeft elektrische stroom eigenschappen van onschatbare waarde die worden gebruikt in het dagelijks leven en de technologie, aan de andere kant is er aanzienlijke weerstand. De natuurkunde probeert als natuurwetenschap een evenwicht tot stand te brengen en deze omstandigheden op één lijn te brengen.

Stroomweerstand ontstaat door de interactie van elektrisch geladen deeltjes met de substantie waardoor ze bewegen. Het is onmogelijk om dit proces uit te sluiten onder normale temperatuuromstandigheden.

Weerstand

De stroombron en de weerstand van het externe deel van het circuit hebben een iets andere aard, maar hetzelfde bij deze processen is het werk dat wordt gedaan om de lading te verplaatsen.

Het werk zelf hangt alleen af van de eigenschappen van de bron en de vulling ervan: de kwaliteiten van de elektroden en elektrolyt, evenals van de externe delen van het circuit, waarvan de weerstand afhangt van de geometrische parameters en chemische eigenschappen van het materiaal. De weerstand van een metaaldraad neemt bijvoorbeeld toe met de lengte en neemt af met een groter dwarsdoorsnedeoppervlak. Bij het oplossen van het probleem van het verminderen van de weerstand raadt de natuurkunde aan om gespecialiseerde materialen te gebruiken.

Huidige werk

Volgens de wet van Joule-Lenz komt er in de geleiders een hoeveelheid warmte vrij die evenredig is met de weerstand. Als de hoeveelheid warmte wordt aangegeven met Q int. , huidige sterkte I, de stroomtijd t, dan krijgen we:

Q intern = ik 2 r t,

waarbij r de interne weerstand van de huidige bron is.

In de hele keten, inclusief zowel de interne als de externe delen, zal de totale hoeveelheid warmte vrijkomen, waarvan de formule is:

Q totaal = I 2 r t + I 2 R t = I 2 (r +R) t,

Het is bekend hoe weerstand in de natuurkunde wordt aangeduid: het externe circuit (alle elementen behalve de bron) heeft een weerstand R.

De wet van Ohm voor een compleet circuit

Laten we er rekening mee houden dat het hoofdwerk wordt uitgevoerd door externe krachten binnen de huidige bron. De waarde ervan is gelijk aan het product van de lading die door het veld wordt overgedragen en de elektromotorische kracht van de bron:

q · E = I 2 · (r + R) · t.

Als we begrijpen dat de lading gelijk is aan het product van de huidige sterkte en de tijd die deze vloeit, hebben we:

E = ik (r + R).

In overeenstemming met oorzaak-en-gevolgrelaties heeft de wet van Ohm de vorm:

ik = E: (r + R).

In een gesloten circuit is de EMF van de stroombron direct proportioneel en omgekeerd evenredig met de totale (stoot)weerstand van het circuit.

Op basis van dit patroon is het mogelijk om de interne weerstand van de stroombron te bepalen.

Bronafvoercapaciteit

De belangrijkste kenmerken van bronnen zijn de afvoercapaciteit. De maximale hoeveelheid elektriciteit die tijdens bedrijf onder bepaalde omstandigheden wordt verkregen, hangt af van de sterkte van de ontlaadstroom.

In het ideale geval, wanneer bepaalde benaderingen worden gemaakt, kan de ontladingscapaciteit als constant worden beschouwd.

Een standaard accu met een potentiaalverschil van 1,5 V heeft bijvoorbeeld een ontladingscapaciteit van 0,5 Ah. Als de ontlaadstroom 100 mA is, werkt deze 5 uur.

Methoden voor het opladen van batterijen

Het gebruik van batterijen zal ervoor zorgen dat ze ontladen. het opladen van kleine elementen wordt uitgevoerd met behulp van een stroom waarvan de sterkte niet groter is dan een tiende van de broncapaciteit.

De volgende oplaadmethoden zijn beschikbaar:

gebruik van constante stroom gedurende een bepaalde tijd (ongeveer 16 uur met een stroomsterkte van 0,1 batterijcapaciteit);
opladen met afnemende stroom tot een bepaald potentiaalverschil;
gebruik van asymmetrische stromen;
opeenvolgende toepassing van korte pulsen van opladen en ontladen, waarbij de tijd van de eerste de tijd van de tweede overschrijdt.

Praktisch werk

Er wordt een taak voorgesteld: bepaal de interne weerstand van de huidige bron en de emf.

Om dit uit te voeren, moet u een stroombron, een ampèremeter, een voltmeter, een schuifweerstand, een sleutel en een set geleiders in voorraad hebben.

Hiermee kunt u de interne weerstand van de stroombron bepalen. Om dit te doen, moet u de EMF en de waarde van de reostaatweerstand kennen.

De berekeningsformule voor de stroomweerstand in het externe deel van het circuit kan worden bepaald aan de hand van de wet van Ohm voor het circuitgedeelte:

ik=U:R,

waarbij I de stroomsterkte in het externe deel van het circuit is, gemeten met een ampèremeter; U is de spanning over de externe weerstand.

Om de nauwkeurigheid te vergroten, worden de metingen minimaal 5 keer uitgevoerd. Waar is het voor? De tijdens het experiment gemeten spanning, weerstand, stroom (of liever gezegd stroomsterkte) worden verder gebruikt.

Om de EMF van de stroombron te bepalen, profiteren we van het feit dat de spanning op de aansluitingen ervan wanneer de schakelaar open is, vrijwel gelijk is aan de EMF.

Laten we een circuit samenstellen van een batterij, een reostaat, een ampèremeter en een sleutel die in serie zijn aangesloten. We sluiten een voltmeter aan op de klemmen van de stroombron. Nadat we de sleutel hebben geopend, nemen we de metingen.

De interne weerstand, waarvan de formule wordt verkregen uit de wet van Ohm voor een compleet circuit, wordt bepaald door wiskundige berekeningen:

ik = E: (r + R).
r = E: ik - U: ik.

Uit metingen blijkt dat de interne weerstand aanzienlijk minder is dan de externe.

De praktische functie van accu's en batterijen wordt veel gebruikt. De onbetwistbare milieuveiligheid van elektromotoren staat buiten kijf, maar het creëren van een ruime, ergonomische batterij is een probleem van de moderne natuurkunde. De oplossing ervan zal leiden tot een nieuwe ontwikkelingsronde van de autotechnologie.

Kleine, lichtgewicht oplaadbare batterijen met hoge capaciteit zijn ook essentieel in mobiele elektronische apparaten. De hoeveelheid energie die daarin wordt gebruikt, houdt rechtstreeks verband met de prestaties van de apparaten.

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.

Als eenvoudigste voorbeeld is een elektrische lamp, die elektrische stroom verbruikt, samen met de stroombron niets meer dan een gesloten circuit. Dit elektrische circuit is duidelijk weergegeven in de figuur.

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.