Внутрішній опір джерела струму. Опір - формула

Електричний струм в провіднику виникає під впливом електричного поля, що змушує вільні заряджені частинки приходити в спрямований рух. Створення струму частинок - серйозна проблема. Спорудити такий пристрій, який буде підтримувати різницю потенціалів поля тривалий час в одному стані - завдання, вирішення якої виявилося під силу людству тільки до кінця XVIII століття.

Перші спроби

Перші спроби «накопичити електрику» для подальшого його дослідження і використання були зроблені в Голландії. Німець Евальд Юрген фон Клейст і голландець Пітер ван Мушенбрук, що проводили свої дослідження в містечку Лейден, створили перший у світі конденсатор, названий пізніше «лейденської банкою».

Накопичення електричного заряду вже проходило під дією механічного тертя. Використовувати розряд через провідник можна було протягом деякого, досить короткого, проміжку часу.

Перемога людського розуму над такою ефемерною субстанцією, як електрика, виявилася революційною.

На жаль, розряд (електричний струм, створюваний конденсатором) тривав настільки коротко, що створити постійний струм не міг. Крім того, напруга, що дається конденсатором, поступово знижується, що не залишає можливості отримувати тривалий струм.

Потрібно було шукати інший спосіб.

Перше джерело

Експерименти італійця Гальвані з дослідження «тваринної електрики» були оригінальною спробою знайти природне джерело струму в природі. Розвішуючи лапки препарованих жаб на металевих гачках залізної решітки, він звернув увагу на характерну реакцію нервових закінчень.

Однак висновки Гальвані спростував інший італієць - Алессандро Вольта. Зацікавившись можливістю отримання електрики з організмів тварин, він провів серію експериментів з жабами. Але висновок його виявився повною протилежністю попереднім гіпотезам.

Вольта звернув увагу, що живий організм є лише індикатором електричного розряду. При проходженні струму м`язи лапок скорочуються, вказуючи на різницю потенціалів. Джерелом електричного поля виявився контакт різнорідних металів. Чим далі один від одного вони знаходяться в ряду хімічних елементів, тим значніше ефект.

Пластини з різнорідних металів, прокладені паперовими дисками, просоченими розчином електроліту, створювали тривалий час необхідну різницю потенціалів. І нехай вона була невисока (1,1 В), але електричний струм можна було дослідити довгий час. Головне, що напруга зберігалося незмінним так само довго.

Що відбувається

Чому в джерелах, що одержали назву «гальванічних елементів», викликається такий ефект?

Два металеві електроди, поміщених в діелектрик, грають різні ролі. Один поставляє електрони, інший їх приймає. Процес окислювально-відновної реакції призводить до появи надлишку електронів на одному електроді, який називають негативним полюсом, і нестачі на другому, позначимо його як позитивний полюс джерела.

У найпростіших гальванічних елементах окислювальні реакції відбуваються на одному електроді, відновлювальні - на іншому. Електрони приходять на електроди із зовнішньої частини ланцюга. Електроліт є провідником струму іонів всередині джерела. Сила опору керує тривалістю процесу.

Мідно-цинковий елемент

Принцип дії гальванічних елементів цікаво розглянути на прикладі мідно-цинкового гальванічного елемента, дія якого йде в рахунок енергії цинку і сульфату міді. У цьому джерелі пластина з міді поміщена в розчин сульфату міді, а цинковий електрод занурений в розчин сульфату цинку. Розчини розділені пористою прокладкою щоб уникнути змішування, але обов`язково стикаються.

Якщо ланцюг замкнута, поверхневий шар цинку окислюється. У процесі взаємодії з рідиною атоми цинку, перетворившись на іони, з`являються в розчині. На електроді вивільняються електрони, які можуть брати участь в утворенні струму.

Потрапляючи на мідний електрод, електрони беруть участь в відновної реакції. З розчину на поверхневий шар надходять іони міді, в процесі відновлення вони перетворюються в атоми міді, осідаючи на мідній пластині.

Підсумовуємо відбувається: процес роботи гальванічного елемента супроводжується переходом електронів відновника до окислювача по зовнішній частині ланцюга. Реакції йдуть на обох електродах. Всередині джерела протікає іонний струм.

Складності використання

В принципі, будь-яка з можливих окислювально-відновних реакцій може бути використана в батареях. Але речовин, здатних працювати в цінних технічно елементах, не так вже й багато. Більш того, багато реакції вимагають витрат дорогих речовин.

Сучасні акумуляторні батареї мають більш просту будову. Два електроди, поміщені в один електроліт, заповнюють посудину - корпус батареї. Такі конструктивні особливості спрощують будова і здешевлюють акумулятори.

Будь гальванічний елемент здатний створювати постійний струм.

Опір струму не дозволяє всім іонів одночасно опинитися на електродах, тому елемент працює досить довго. Хімічні реакції утворення іонів рано чи пізно припиняються, елемент розряджається.

Внутрішній опір джерела струму має велике значення.

Трохи про опір

Використання електричного струму, безперечно, вивело науково-технічний прогрес на новий щабель, дало йому гігантський поштовх. Але сила опору протіканню струму стає на шляху такого розвитку.

З одного боку, електричний струм володіє безцінними властивостями, використовуваними в побуті і техніці, з іншого - є значна протидія. Фізика як наука про природу намагається встановити баланс, привести у відповідність ці обставини.

Опір струму виникає внаслідок взаємодії електрично заряджених частинок з речовиною, за яким вони рухаються. Виключити цей процес в нормальних температурних умовах неможливо.

Опір

Внутрішній опір джерела струму і протидія зовнішньої частини ланцюга мають кілька різну природу, але однаковим в цих процесах є вчинення роботи з переміщення заряду.

Сама робота залежить тільки від властивостей джерела і його наповнення: якостей електродів і електроліту, так само як для зовнішніх частин ланцюга, опір яких залежить від геометричних параметрів і хімічних характеристик матеріалу. Приміром, опір металевого дроту зростає із збільшенням його довжини і зменшується при розширенні площі перетину. При вирішенні задачі, як зменшити опір, фізика рекомендує використовувати спеціалізовані матеріали.

Робота струму

Відповідно до закону Джоуля-Ленца в провідниках виділяється кількість теплоти, пропорційну опору. Якщо кількість теплоти позначити Q_внут., силу струму I, час його протікання t, то отримаємо:

• Q_внут. = I^{2 middot-} r middot- t,

де r - внутрішній опір джерела струму.

У всій ланцюга, що включає як внутрішню, так і зовнішню її частини, виділиться повна кількість теплоти, формула якого має вигляд:

• Q_повне = I^{2 middot-} r middot- t + I^{2 middot-} R middot- t = I^{2 middot-} (R + R) middot-t,

Відомо, як позначається опір у фізиці: зовнішня ланцюг (всі елементи, крім джерела) має опір R.

Закон Ома для повного кола

Врахуємо, що основну роботу здійснюють сторонні сили всередині джерела струму. Її величина дорівнює добутку заряду, що переноситься полем, і електрорушійної сили джерела:

• q middot- E = I² middot- (R + R) middot- t.

розуміючи, що заряд дорівнює добутку сили струму на час його протікання, маємо:

• E = I middot- (r + R).

Відповідно до причинно-наслідковими зв`язками закон Ома має вигляд:

• I = E: (r + R).

Сила струму в замкнутому ланцюзі прямо пропорційна ЕРС джерела струму і обернено пропорційна загальному (повного) опору ланцюга.

Спираючись на цю закономірність, можна визначити і внутрішній опір джерела струму.

Розрядна ємність джерела

До основних характеристик джерел можна віднести і розрядну ємність. Максимальна кількість електрики, що отримується при експлуатації в певних умовах, залежить від сили струму розряду.

В ідеальному випадку, коли виконуються певні наближення, розрядну ємність можна вважати постійною.

Наприклад, стандартна батарейка різниці потенціалів 1,5 В має розрядної ємністю 0,5 Аmiddot-ч. Якщо струм розрядки 100 мА, то працює протягом 5 годин.

Способи зарядки батарей

Експлуатація батарей призводить до їх розрядки. Відновлення акумуляторів, зарядка малогабаритних елементів здійснюється за допомогою струму, значення сили якого не перевищує однієї десятої ємності джерела.

Пропонуються наступні способи зарядки:

• використання постійного струму протягом заданого часу (близько 16 годин струмом 0,1 ємності акумулятора) ;
• зарядка знижуючим струмом до заданого значення різниці потенціалов;
• використання несиметричних токов;
• послідовне застосування коротких імпульсів зарядки і розрядки, при яких час першої перевищує час другої.

Практична робота

Пропонується завдання: визначити внутрішній опір джерела струму і ЕРС.

Для його виконання необхідно запастися джерелом струму, амперметром, вольтметром, повзунковим реостатом, ключем, набором провідників.

Використання закону Ома для замкнутої ланцюга дозволить визначити внутрішній опір джерела струму. Для цього необхідно знати його ЕРС, величину опору реостата.

Розрахункова формула опору струму в зовнішній частині ланцюга може бути визначена із закону Ома для ділянки кола:

• I = U: R,

де I - сила струму в зовнішній частині ланцюга, вимірюється амперметром- U - напруга на зовнішньому опорі.

Для підвищення точності вимірювання робляться не менше 5 разів. Для чого це потрібно? Виміряні в ході експерименту напруга, опір, струм (вірніше, сила струму) використовуються далі.

Щоб визначити ЕРС джерела струму, скористаємося тим, що напруга на його клемах при розімкнутому ключі практично дорівнює ЕРС.

Зберемо ланцюг з послідовно включених батареї, реостата, амперметра, ключа. До клем джерела струму підключаємо вольтметр. Розімкнувши ключ, знімаємо його свідчення.

Внутрішній опір, формула якого отримана із закону Ома для повного кола, визначимо математичними розрахунками:

• I = E: (r + R).
• r = E: I - U: I.

Вимірювання показують, що внутрішній опір буває значно менше зовнішнього.

Практична функція акумуляторів і батарей знаходить широке застосування. Безперечна екологічна безпека електродвигунів не підлягає сумніву, але створити ємний, ергономічний акумулятор - проблема сучасної фізики. Її рішення призведе до нового витка розвитку автомобільної техніки.

Малогабаритні, легкі, ємні акумуляторні батареї також вкрай необхідні в мобільних електронних пристроях. Запас енергії, застосовуваної в них, безпосередньо пов`язаний з працездатністю пристроїв.