Вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела струму

Мета: ознайомитися з поняттям ЕРС, внутрішнім опором джерела струму, перевірити закон Ома для повного кола.

Illustration

Дослід здійснено за допомогою набору для проведення лабораторних та демонстраційних робіт з курсу електрики та магнетизму EdPro AMPERIA

ПІДГОТОВКА ДО ПРАКТИЧНОГО ЗАНЯТТЯ

1.

Підготуйте необхідне для виконання експериментів обладнання та переконайтеся у його справності.Інформацію про комплектацію набору EdPro Amperia та інструкцію з його використання можна знайти за посиланням https://amperia.edpro.ua/instruction.

Power supply unit

джерело струму

Multimeter

мультиметр

Non-ideal source

блок
“неідеальне джерело”

Slide rheostat

реостат

wires

з’єднувальні провідники

Розряджена батарейка (не входить до набору EdPro Amperia).

2.

Роздрукуйте роздаткові матеріали для учнів відповідно до кількості робочих груп. Набір EdPro Amperia призначений для роботи групи з 4-х учнів.Роздаткові матеріали з лабораторної роботи можна завантажити, натиснувши на кнопку "МАТЕРІАЛИ ДЛЯ УЧНІВ".

3.

Перед початком практичної роботи нагадайте учням основні поняття та закони до цієї теми, а також ознайомте їх з технікою безпеки.

ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ

 У разі неправильного під’єднання провідників у колі може відбутися коротке замикання. Хоча джерело живлення EdPro Amperia має програмний захист від короткого замикання, все ж варто уникати такої ситуації. Якщо в колі протікатиме надто великий струм, то елементи кола можуть сильно нагрітися, спричинивши опіки та вийти з ладу. Повний текст рекомендацій з техніки безпеки під час роботи з набором EdPro Amperia доступний за посиланням https://amperia.edpro.ua/safety.

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТА ЗАКОНИ

Джерела струму та сторонні сили

Струм у провіднику виникає тоді, коли в провіднику є електричне поле.Для того, щоб у провіднику існувало електричне поле, потрібно на його кінцях створити різницю потенціалів. Прилад, який може тривалий час підтримувати цю різницю потенціалів називають джерелом живлення або джерелом струму.Щоб створити різницю потенціалів на своїх контактах, джерело струму розділяє заряди — створює надлишок електронів на одному із них та недостачу на іншому.Контакт джерела струму із надлишком електронів має від’ємний заряд та називається анодом. Контакт із нестачею електронів має додатній заряд та називається катодом.Контакти ж приладу, що споживає електричний струм, називаються навпаки: під’єднаний до контакту із нестачею електронів — анодом, а до контакту із надлишком — катодом.

Illustration

Щоб розділити заряди — їх потрібно переміщати, переборюючи кулонівські сили. Ці сили називаються сторонніми силами. Сторонні сили ні в якому випадку не можуть бути електростатичними (кулонівськими).В електричному генераторі сторонніми силами є сили Лоренца, створені змінним магнітним полем, що виникає завдяки механічним силам, які обертають вал генератора. В гальванічних елементах причиною виникнення сторонніх сил є хімічні процеси, в фотогальванічних елементах, з яких складаються сонячні батареї, наслідком взаємодії квантів світла з речовиною тощо.

Illustration

Електрорушійна сила (ЕРС)

Важливою характеристикою будь-якого джерела струму є електрорушійна сила. Зазвичай, цей термін скорочують до ЕРС.ЕРС — фізична величина, що кількісно характеризує здатність сторонніх сил підтримувати різницю потенціалів між анодом та катодом джерела.ЕРС дорівнює роботі, виконаній сторонніми силами під час переміщення заряду до величини цього заряду:

Illustration

Одиницею ЕРС в системі СІ є вольт.
Значення ЕРС не залежить від струму в колі.

Закон Ома для повного кола

У ділянках кола за межами джерел живлення роботу виконують лише електростатичні сили. У колі чи його ділянці із джерелами, роботу також виконуватимуть сторонні сили.Розглянемо таке коло:

Illustration

Робота з переміщення зарядів із точки 1 в точку 2 складається з двох частин: роботи електростатичних (кулонівських) A12(el) сил та роботи сторонніх сил A12(st).Нехай у нижній частині джерел немає. Тоді роботу там виконують лише електростатичні сили A(el).Із закону збереження енергії, повна робота електростатичних сил є рівною роботі сторонніх сил:

Illustration

Зауважте, що робота електростатичних сил в джерелі є від'ємною — вони заважають руху зарядів.Нехай в цьому колі є струм. За законом збереження заряду, кількість заряду, що пройшла через кожну ділянку кола без розгалужень, — одна й та сама.Позначимо заряд, що протікає через будь-яку ділянку кола за одиницю часу Q.Підставивши означення напруги:

Illustration

та ЕРС:

Illustration

отримуємо:

Illustration

Де U12 — спад напруги на ділянці між точками 1 і 2, що містить джерело, а U — спад у ділянці кола без джерела.Скориставшись законом Ома:

Illustration

отримуємо:

Illustration

Таким чином, закон Ома для повного кола буде мати вигляд:

Illustration

Еквівалентні схеми для реальних джерел

1.

Якщо коло розімкнуте, напруга на контактах джерела живлення дорівнює ЕРС:

Illustration

2.

Якщо до джерела під’єднано навантаження, то напругу на його контактах можна знайти за допомогою співвідношення:

Illustration

3.

Якщо контакти джерела струму замкнути, створивши коротке замикання, то в такому колі буде протікати максимально можливий для цього джерела струм:

Illustration

4.

ККД (коефіцієнт корисної дії) джерела струму:

Illustration

5.

Якщо з’єднати джерела живлення послідовно, їх ЕРС буде дорівнювати сумі ЕРС джерел, але і внутрішній опір буде сумою внутрішніх опорів:

Illustration
Illustration
Illustration

6.

Паралельно з’єднувати джерела живлення можна, лише якщо їхні ЕРС та внутрішній опір — рівні. При цьому, ЕРС такої батареї буде рівна ЕРС одного джерела, а внутрішній опір:

Illustration
Illustration

Оскільки вимогу рівності ЕРС та внутрішніх опорів складно задовольнити, таке підключення не рекомендується — навіть при невеликій різниці, одні джерела будуть розряджатися через інші.На практиці, за потреби паралельно з’єднувати джерела, використовують складні електронні схеми зі зворотним зв'язком.

8.

Джерело живлення називається ідеальним джерелом струму, якщо напруга на його виводах не залежить від струму, що через нього протікає.

Illustration

9.

Джерело живлення називається ідеальним джерелом напруги, якщо напруга на його виводах не залежить від струму, що через нього протікає.

Illustration

10.

Еквівалентна схема реального джерела струму.

Illustration

11.

Еквівалентна схема реального джерела напруги.

Illustration

ХІД РОБОТИ З НАБОРОМ AMPERIA

Блок живлення EdPro Amperia є практично ідеальним джерелом напруги у робочому діапазоні (для постійного струму — до 1 А).Щоб змоделювати неідеальне джерело напруги, в комплект додано блок «Неідеальне джерело», який містить резистор опором близько 4 Ом між своїми контактами.У поточній роботі підключення блоку живлення потрібно здійснювати через блок «Неідеальне джерело». При такому під'єднанні, джерелом струму буде виступати не блок живлення, а саме блок «Неідеальне джерело».

1.

Illustration
Illustration

Під’єднуємо вольтметр до виводів джерела.За відсутності навантаження покази вольтметра будуть рівні ЕРС.

2.

Illustration
Illustration

Під’єднуємо вольтметр до виводів джерела.За відсутності навантаження покази вольтметра будуть рівні ЕРС.

3.

Illustration
Illustration

Під’єднуємо до виводів реостата вольтметр та вимірюємо напругу на реостаті.

4.

Illustration
Illustration

Під'єднуємо в коло амперметр та вимірюємо струм, що проходить через реостат, для отриманої у попередньому пункті напруги на ньому.

5.

Illustration
Illustration

За наявності двох вимірювальних приладів, в пунктах 2—4 варто скористатися схемою з цього пункту.

Зверніть увагу!Приклади зібраних електричних кіл з використанням компонентів EdPro Amperia та показники на приладах у цьому розділі надані лише в якості ілюстрації, а не як критерій правильності виконання експерименту. Може бути декілька правильних способів зібрати електричне коло за схемою (з перестановками елементів кола, різними варіантами підключення магнітних з'єднань провідників тощо).Рекомендуємо давати учням лише формальну постановку задачі та можливість знайти власний варіант її практичного розв'язку.

Illustration

Найпростіше електричне коло

Illustration

Провідники та діелектрики

Illustration

Залежність сили струму від напруги на ділянці кола та від опору цієї ділянки. Закон Ома для ділянки кола постійного струму

Illustration

Вимірювання опору провідника за допомогою вольтметра та амперметра

Illustration

Гальванічний елемент

Illustration

Послідовне з’єднання провідників

Illustration

Паралельне з'єднання провідників

Illustration

Залежність опору від матеріалу, довжини та площі перерізу провідника

Illustration

Взаємодія електромагніту з постійним магнітом

Illustration

Електромагнітна індукція

Illustration

Явище самоіндукції

Illustration

Вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела струму

Illustration

Дослід Ерстеда з магнітною стрілкою

Illustration

Принцип дії трансформатора

Illustration

Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода

Illustration

Конденсатор. Збереження електричної енергії, заряджання та розряджання конденсатора