Как найти внутреннее сопротивление источника тока. Внутреннее сопротивление источника тока. Сопротивление - формула

25.09.2019Рубрика: Гинекология

Мы пришли к выводу, что для поддержания постоянного тока в замкнутой цепи, в нее необходимо включить источник тока. Подчеркнем, что задача источника заключается не в том, чтобы поставлять заряды в электрическую цепь (в проводниках этих зарядов достаточно), а в том, чтобы заставлять их двигаться, совершать работу по перемещению зарядов против сил электрического поля. Основной характеристики источника является электродвижущая сила 1 (ЭДС) − работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда

Единицей измерения ЭДС в системе единиц СИ является Вольт. ЭДС источника равна 1 вольт, если он совершает работу 1 Джоуль при перемещении заряда 1 Кулон

Для обозначения источников тока на электрических схемах используется специальное обозначение (рис. 397).

рис. 397
Электростатическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов − на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательный. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу».
В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.
Таким образом, электродвижущую силу источника можно считать алгебраической величиной, знак которой («плюс» или «минус») зависит от направления тока. В схеме, показанной на рис. 398,

рис. 398
вне источника (во внешней цепи) ток течет 2 от «плюса» источника к «минусу», в внутри источника от «минуса» к «плюсу». В этом случае, как сторонние силы источника, так и электростатические силы во внешней цепи совершают положительную работу.
Если на некотором участке электрической цепи помимо электростатических действуют и сторонние силы, то над перемещением зарядов «работают» как электростатические, так и сторонние силы. Суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда называется электрическим напряжением на участке цепи

В том случае, когда сторонние силы отсутствуют, электрическое напряжение совпадает с разностью потенциалов электрического поля.
Поясним определение напряжения и знака ЭДС на простом примере. Пусть на участке цепи, по которому протекает электрический ток, имеются источник сторонних сил и резистор (рис. 399).

рис. 399
Для определенности будем считать, что φ o > φ 1 , то есть электрический ток направлен от точки 0 к точке 1 . При подключении источника, как показано на рис. 399 а, Сторонние силы источника совершают положительную работу, поэтому соотношение (2) в этом случае может быть записано в виде

При обратном включении источника (рис. 399 б) внутри него заряды движутся против сторонних сил, поэтому работа последних отрицательна. Фактически силы внешнего электрического поля преодолевают сторонние силы. Следовательно, в этом случае рассматриваемое соотношение (2) имеет вид

Для протекания электрического тока по участку цепи, обладающему электрическим сопротивлением, необходимо совершать работу, по преодолению сил сопротивления. Для единичного положительного заряда эта работа, согласно закону Ома, равна произведению IR = U которое, естественно совпадает с напряжением на данном участке.
Заряженные частицы (как электроны, так и ионы) внутри источника движутся в некоторой окружающей среде, поэтому со стороны среду на них также действуют тормозящие силы, которые также необходимо преодолевать. Заряженные частицы преодолевают силы сопротивления благодаря действию сторонних сил (если ток в источнике направлен от «плюса» к «минусу») либо благодаря электростатическим силам (если ток направлен от «минуса» к «плюсу»). Очевидно, что работа по преодолению этих сил не зависит от направления движения, так как силы сопротивления всегда направлены в сторону, противоположную скорости движения частиц. Так как силы сопротивления пропорциональны средней скорости движения частиц, то работа по их преодолению пропорциональна скорости движения, следовательно, силе тока силе. Таким образом, мы можем ввести еще характеристику источника − его внутренне сопротивление r , аналогично обычному электрическому сопротивлению. Работа по преодолению сил сопротивления при перемещении единичного положительного заряда между полюсами источника равна A/q = Ir . Еще раз подчеркнем, эта работа не зависит от направления тока в источнике.

1 Название этой физической величины неудачно − так электродвижущая сила является работой, а не силой в обычном механическом понимании. Но этот термин настолько устоялся, что изменять его не «в наших силах». К слову, сила тока то же не является механической силой! Не говоря уж о таких понятиях «сила духа», «сила воли», «божественная сила» и т.д.
2 Напомним, за направление движения электрического тока принято направление движения положительных зарядов.

Закон Ома для полной цепи, определение которого касается значения электрического тока в реальных цепях, находится в зависимости от источника тока и от сопротивления нагрузки. Этот закон носит и другое название - закон Ома для замкнутых цепей. Принцип действия данного закона заключается в следующем.

В качестве самого простого примера, электрическая лампа, являющаяся потребителем электрического тока, совместно с источником тока есть не что иное, как замкнутая . Данная электрическая цепь наглядно показана на рисунке.

Электроток, проходя через лампочку, также проходит и через сам источник тока. Таким образом, во время прохождения по цепи, ток испытает сопротивление не только проводника, но и сопротивление, непосредственно, самого источника тока. В источнике сопротивление создается электролитом, находящимся между пластинами и пограничными слоями пластин и электролита. Отсюда следует, что в замкнутой цепи, ее общее сопротивление будет состоять из суммы сопротивлений лампочки и источника тока.

Внешнее и внутреннее сопротивление

Сопротивление нагрузки, в данном случае лампочки, соединенной с источником тока, носит название внешнего сопротивления. Непосредственное сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением. Для более наглядного изображения процесса, все значения необходимо условно обозначить. I - , R - внешнее сопротивление, r - внутреннее сопротивление. Когда по электрической цепи протекает ток, то для того, чтобы поддерживать его, между концами внешней цепи должна присутствовать разность потенциалов, которая имеет значение IхR. Однако, протекание тока наблюдается и во внутренней цепи. Значит, для того, чтобы поддержать электроток во внутренней цепи, также необходима разность потенциалов на концах сопротивления r. Значение этой разности потенциалов равно Iхr.

Электродвижущая сила аккумулятора

Аккумулятор должен иметь следующее значение электродвижущей силы, способной поддерживать необходимый ток в цепи: Е=IхR+Iхr . Из формулы видно, что электродвижущая сила аккумулятора составляет сумму внешнего и внутреннего . Значение тока нужно вынести за скобки: Е=I(r+R) . Иначе можно представить: I=Е/(r+R) . Двумя последними формулами выражается закон Ома для полной цепи, определение которого звучит следующим образом: в замкнутой цепи сила тока прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сумме сопротивлений этой цепи.

Цель работы: изучить метод измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока с помощью амперметра и вольтметра.

Оборудование: металлический планшет, источник тока, амперметр, вольтметр, резистор, ключ, зажимы, соединительные провода.

Для измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока собирают электрическую цепь, схема которой показана на рисунке 1.

К источнику тока подключают амперметр, сопротивление и ключ, соединенные последовательно. Кроме того, непосредственно к выходным гнездам источника подключают еще и вольтметр.

ЭДС измеряют по показанию вольтметра при разомкнутом ключе. Этот прием определения ЭДС основан на следствии из закона Ома для полной цепи, согласно которому при бесконечно большом сопротивлении внешней цепи напряжение на зажимах источника равно его ЭДС. (См. параграф "Закон Ома для полной цепи" учебника "Физика 10").

Для определения внутреннего сопротивления источника замыкают ключ К. При этом в цепи можно условно выделить два участка: внешний (тот, который подключен к источнику) и внутренний (тот, который находится внутри источника тока). Поскольку ЭДС источника равна сумме падения напряжений на внутреннем и внешнем участках цепи:

ε = U r +U R , то U r = ε -U R (1)

По закону Ома для участка цепи U r = I· r (2). Подставив равенство (2) в (1) получают:

I · r = ε - U r , откуда r = (ε - U R )/ J

Следовательно, чтобы узнать внутреннее сопротивление источника тока, необходимо предварительно определить его ЭДС, затем замкнуть ключ и измерить падение напряжения на внешнем сопротивлении, а также силу тока в нем.

Ход работы

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

ε ,в	U r , B	i,a	r , Ом

Начертите в тетради схему для измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника.

После проверки схемы соберите электрическую цепь. Ключ разомкните.

Измерьте величину ЭДС источника.

Замкните ключ и определите показания амперметра и вольтметра.

Вычислите внутреннее сопротивление источника.

Определение эдс и внутреннего сопротивления источника тока графическим методом

Цель работы: изучить измерения ЭДС, внутреннего сопротивления и тока короткого замыкания источника тока, основанный на анализе графика зависимости напряжения на выходе источника от силы тока в цепи.

Оборудование: гальванический элемент, амперметр, вольтметр, резистор R 1 , переменный резистор, ключ, зажимы, металлический планшет, соединительные провода.

Из закона Ома для полной цепи следует, что напряжение на выходе источника тока зависит прямо пропорционально от силы тока в цепи:

так как I =E/(R+r), то IR + Ir = Е, но IR = U, откуда U + Ir = Е или U = Е – Ir (1).

Если построить график зависимости U от I, то по его точкам пересечения с осями координат можно определить Е, I К.З. - силу тока короткого замыкания (ток, который потечет в цепи источника, когда внешнее сопротивление R станет равным нулю).

ЭДС определяют по точке пересечения графика с осью напряжений. Эта точка графика соответствует состоянию цепи, при котором ток в ней отсутствует и, следовательно, U = Е.

Силу тока короткого замыкания определяют по точке пересечения графика с осью токов. В этом случае внешнее сопротивление R = 0 и, следовательно, напряжение на выходе источника U = 0.

Внутреннее сопротивление источника находят по тангенсу угла наклона графика относительно оси токов. (Сравните формулу (1) с математической функцией вида У = АХ +В и вспомните смысл коэффициента при X).

Ход работы

Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:

После проверки схемы преподавателем соберите электрическую цепь. Ползунок переменного резистора установите в положение, при котором сопротивление цепи, подключенной к источнику тока, будет максимальным.

Определите значение силы тока в цепи и напряжение на зажимах источника при максимальной величине сопротивления переменного резистора. Данные измерений занесите в таблицу.

Повторите несколько раз измерения силы тока и напряжения, уменьшая всякий раз величину переменного сопротивления так, чтобы напряжение на зажимах источника уменьшалось на 0,1В. Измерения прекратите, когда сила тока в цепи достигнет значения в 1А.

Нанесите полученные в эксперименте точки на график. Напряжение откладывайте по вертикальной оси, а силу тока - по горизонтальной. Проведите по точкам прямую линию.

Продолжите график до пересечения с осями координат и определите величины Е и, I К.З.

Измерьте ЭДС источника, подключив вольтметр к его выводам при разомкнутой внешней цепи. Сопоставьте значения ЭДС, полученные двумя способами, и укажите причину возможного расхождения результатов.

Определите внутреннее сопротивление источника тока. Для этого вычислите тангенс угла наклона построенного графика к оси токов. Так как тангенс угла в прямоугольном треугольнике равен отношению противолежащего катета к прилежащему, то практически это можно сделать, найдя отношение Е / I К.З

Цель работы: Научиться экспериментальным путем определять ЭДС, и внутреннее сопротивление источника тока.

Приборы и оборудование: Источники электрической энергии, амперметр (до 2А с делением до 0,1А), вольтметр (постоянного до 3А с делением до 0,3В), магазин (сопротивления до 10 Ом) ключ, соединительные провода.

ТЕОРИЯ:

Для поддержания тока в проводнике необходимо, чтобы разность потенциалов (напряжение) на его концах была неизменной. Для этого используется источник тока. Разность потенциалов на его полюсах образуется вследствие разделения зарядов на положительные и отрицательные. Работу по разделению зарядов выполняют сторонние силы (не электрического происхождения).

Величина, измеряемая работой, совершенной сторонними силами при перемещении единичного положительного электрического заряда внутри источника тока, называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС) и выражается в вольтах.

Когда цепь замыкается, разделенные в источнике тока заряды образуют электрическое поле, которое перемещает заряды по внешней цепи; внутри же источника тока заряды движутся навстречу полю под действием сторонних сил. Таким образом, энергия, запасенная в источнике тока, расходуется на работу по перемещению заряда в цепи с внешним R и внутренним r сопротивлениями.

ХОД РАБОТЫ

1. Собрать электрическую цепь как показано на схеме.

2. Измерить ЭДС источника электрической энергии замкнув его на вольтметр (схема).

3. Измерить силу тока и падение напряжения на заданном сопротивлении.

№	Е	U	I	R	r	rcр
1.
2.
3.

4. Вычислить внутреннее сопротивление по закону Ома для всей цепи.

5. Произвести опыты с другими сопротивлениями и вычислить внутреннее сопротивление элемента.

6. Вычислить среднее значение внутреннего сопротивления элемента.

7. Результаты всех измерений и вычислений записать в таблицу.

8. Найти абсолютную и относительную погрешность.

9. Сделать вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Укажите условия существования электрического тока в проводнике.

2. Какова роль источника электрической энергии в электрической цепи?

3. От чего зависит напряжение на зажимах источника электрической энергии?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА МЕДИ.

Цель работы : научиться на практике рассчитывать электрохимический эквивалент меди.

Оборудование: Весы с разновесом, амперметр, часы., источник электрической энергии, реостат, ключ, медные пластины (электроды), соединительные провода, электролитическая ванна с раствором медного купороса.

Теория

Процесс, при котором молекулы солей, кислот и щелочей при растворении в воде или других растворителях распадаются на заряженные частицы (ионы), называется электролитической диссоциацией, получившийся при этом раствор с положительными и отрицательными ионами называется электролитом.

Если в сосуд с электролитом поместить пластины (электроды), соединенные с зажимами источника тока (создать в электролите электрическое поле), то положительные ионы будут двигаться к катоду, а отрицательные - к аноду. Следовательно, в растворах кислот, солей и щелочей электрический заряд будет перемещаться вместе с частицами вещества. У электродов при этом происходит окислительно-восстановительные реакции, при которых на них выделяется вещество. Процесс прохождения электрического тока через электролит, сопровождающийся химическими реакциями называется электролизом.

Для электролиза справедлив закон Фарадея: масса выделившегося вещества на электроде прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит:

где k-электрохимический эквивалент-количествовещества, выделенное при прохождении через электролит 1 Кл электричества. Измерив силу тока в цепи, время его прохождения и массу выделившегося на катоде вещества можно определить электрохимический эквивалент (1с выражается в кг/Кл).

где m-масса меди, выделившейся на катоде; I-сила тока в цепи; t- время пропускания тока в цепи.

Соберите электрическую цепь по схеме.

1. Одну из пластин, которая будет катодом, (если пластина мокрая, ее надо подсушить) тщательно взвесить с точностью до 10мг и записать результат в таблицу.

2. Вставить электрод в электролитическую ванну и составить электрическую цепь согласно схеме.

3. Отрегулировать реостатом ток, чтобы величина его не превышала 1А на 50см 2 погруженной части катодной пластины.

4. Замкнуть цепь на 15-20 минут.

5. Разомкнуть цепь, вынуть катодную пластинку, смыть с нее остатка раствора и высушить под рукосушителем.

6. Взвесить высушенную пластину с точностью до 10мг.

7. Значение тока, время опыта, увеличение в массе катодной пластину записать в таблицу и определить электрохимический эквивалент.

Оценка погрешностей.

Относительная погрешность:
.

, следовательно .

После этого дается результат в виде: .

Сравните полученный результат с табличным.

Контрольные вопросы.

1. Что такое электролитическая диссоциация, электролиз?

2. До каких пор будет происходить электролиз медного купороса, если оба электрода медные? Оба электрода угольные?

3. Быстрее или медленнее пойдет электролиз, если один из медных электродов заменить цинковым?

Цель: экспериментально вычислить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Оборудование: источник электрической энергии, амперметр, вольтметр, реостат (6 – 8 Ом), ключ, соединительные провода.

Величина, численно равная работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного заряда внутри источника тока, называется электродвижущей силой источника тока ε, из закона Ома:

где I – сила тока, U – напряжение.

В СИ ε выражается в вольтах (В).

Электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника тока можно определить экспериментально.

Порядок выполнения работы

1.Определить цену деления шкалы измерительных приборов.

2.Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 1

3.После проверки цепи преподавателем замкнуть ключ и, пользуясь реостатом, установить силу тока, соответствующую нескольким делениям шкалы амперметра снять показания вольтметра и амперметра.

4.Опыт повторить 2 раза, изменяя силу тока цепи при помощи реостата.

5.Полученные данные записать в таблицу 1.

Рисунок 4.10 – Экспериментальная схема

№	Напряжение на внешней части цепи U, В	Сила тока в цепи I,А	Внутреннее сопротивление r, Ом	Среднее значение внутреннего сопротивления r ср, Ом	ЭДС e, В	Среднее ЭДС e c р, В

Таблица 1 – Экспериментальные данные

1. Результаты измерений подставить в уравнение 1 и, решая системы уравнений:

определить внутреннее сопротивление источника по формулам:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3.Записать данные в таблицу 1.

5.Сделать вывод.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольные вопросы

1. Какова физическая суть электрического сопротивления?

2. Какова роль источника тока в электрической цепи?

3. Каков физический смысл ЭДС? Дать определение вольту.

4. От чего зависит напряжение на зажимах источника тока?

5. Пользуясь результатами произведенных измерений, определить сопротивление внешней цепи.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Отчет по лабораторной работе №__________

студента группы__________________

ФИО_______________________________________________________________

ТЕМА: ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ

Цель: освоить метод измерения мощности, потребляемой электроприбором, основанный на измерении силы тока и напряжения; исследовать зависимость мощности, потребляемой лампочкой от напряжения на её зажимах; исследовать зависимость сопротивления проводника от температуры.

Оборудование: электрическая лампа, источник постоянного напряжения и переменного, реостат ползунковый, амперметр; вольтметр, ключ, соединительные провода, миллиметровая бумага.

Краткие теоретические сведения

Величина, равная отношению работы тока А ко времени t, за которое она совершается, называется мощностью P:

Следовательно, (1)

Порядок выполнения работы

Эксперимент №1

1.Составить электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 1, для нулевого опыта соблюдая полярность приборов

Рисунок 1 – Схема подключения

2.Определить цену деления шкалы измерительных приборов

_____________________________________________________________________________

3.После проверки схемы преподавателем, снять показания напряжения U и силы тока I.

4.Данные приборов записать в таблицу 1.

Таблица 1 – Экспериментальные данные №1

Эксперимент №2.

1.Собрать схему по рис.2, где лампочка через реостат подключается к переменному току.

Рисунок 4.12 – Схема подключения

2.После проверки схемы преподавателем, снять показания амперметра и вольтметра, изменяя положение ползунка на реостате 10 – 11 раз.

3.Данные приборов записать в таблицу 2.

Таблица 2 – Экспериментальные данные №2

Обработка результатов измерения

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.Найти сопротивление R 0 , для нулевого опыта:

(5)

где ΔТ 0 К – изменение абсолютной температуры (в данном случае равна комнатной температуре по шкале Цельсия); α – коэффициент температурного сопротивления для вольфрама (Приложение Б).

3.Полученные данные занести в таблицу 1.

Эксперимент №2

1.Для каждого опыта определить мощность Р, потребляемую лампой по формуле:

Р= U max ·I max (6)

3.Найти температуру нити накала лампы для каждого опыта по формуле:

4.Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.

5.На миллиметровой бумаге построите графики: а) зависимость мощности Р, потребляемой лампой, от напряжения U, на ее зажимах; б) зависимость сопротивления R от температуры Т.

6.Сделайте вывод по результатам двум экспериментов.