Урок 31. Лабораторная работа № 08. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.
Лаборатория №8
Тема: «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока».
Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.
Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;
2. Источник электрической энергии;
3 соединительных провода,
4. Набор резисторов 2 Ом и 4 Ом;
5. Однополюсный переключатель; ключ.
Теория.
Существование разности потенциалов на полюсах любого источника есть результат разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит за счет работы, совершаемой внешними силами.
Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда от источников тока, называются внешними силами.
При движении электрических зарядов по цепи постоянного тока внутри источников тока действуют внешние силы.
Физическая величина, равная отношению работы внешних сил Ast при движении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
ЭДС определяется работой, совершаемой внешними силами при перемещении одного положительного заряда.
Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах В.
Для измерения ЭДС источника необходимо присоединить к нему вольтметр с разомкнутой цепью.
Источник питания является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называется внутренним сопротивлением источника и обозначается r.
Если цепь разомкнута, работа внешних сил преобразуется в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия используется для работы движущихся зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r, т е. ε = IR + Ir.
Если цепь состоит из внешней части с сопротивлением R и внутреннего сопротивления r, то по закону сохранения энергии ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешней и внутренней частях цепи , так как при движении по замкнутому контуру заряд возвращается в исходное положение 
, где IR — напряжение на внешней части цепи, а Ir — напряжение на внутренней части цепи.
Для части цепи, содержащей ЭДС:
Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней и внутренней частей цепи.
ε и r можно определить эмпирически.
Часто источники электрической энергии соединяются вместе для питания цепи. Соединение источников в батарее может быть последовательным или параллельным.
При последовательном соединении два соседних источника соединяются противоположными полюсами.
То есть для последовательного соединения аккумуляторов положительный полюс первого аккумулятора соединяется с «плюсом» электрической цепи. Положительную клемму второй батареи соединяют с ее отрицательной клеммой и т д. Минусовую клемму последней батареи соединяют с «минусом» электрической цепи.
Аккумулятор, поступающий от последовательного соединения, имеет такую же емкость, как и одиночный аккумулятор, а напряжение такого аккумулятора равно сумме напряжений входящих в него аккумуляторов. Если батареи имеют одинаковое напряжение, напряжение батареи равно напряжению одной батареи, умноженному на количество батарей в батарее.
1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε1 + ε2 + ε3
2. Общее сопротивление батареи источника равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r батареи = r1 + r2 + r3
Если к аккумулятору подключено n одинаковых источников, то ЭДС аккумулятора ε= nε1, а сопротивление rbattery= nr1
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 
При параллельном соединении все положительные и все отрицательные полюса двух или n источников соединяются вместе.
То есть при параллельном соединении аккумуляторы соединяются так, что положительные выводы всех аккумуляторов подключаются к одной точке электрической цепи («плюс»), а отрицательные выводы всех аккумуляторов подключаются к другой точке в цепи. («минус″).
Параллельно соединяются только источники с одинаковой ЭДС. Аккумулятор, полученный в результате параллельного соединения, имеет то же напряжение, что и одиночный аккумулятор, а емкость такого аккумулятора равна сумме емкостей входящих в него аккумуляторов. Если батареи имеют одинаковую емкость, емкость батареи равна емкости одной батареи, умноженной на количество батарей в батарее.
1. ЭДС батареи с идентичными источниками равна ЭДС источника. ε= ε1= ε2 = ε3
2. Сопротивление батареи меньше сопротивления источника rбатарея = r1/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 
Электрическая энергия, запасенная в аккумуляторе, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, соединены ли аккумуляторы параллельно или последовательно.
Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной и той же технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому, так как при параллельном соединении емкость батареи равна сумме емкостей входящих в нее батарей, то есть по мере ее увеличения внутреннее сопротивление уменьшается.
Прогресс.
1. Нарисуйте таблицу:
| №
опыт |
Источник электрической энергии ВУП, В | 1 счет | 2 счета | ЭЦП
ε , В |
Внутреннее сопротивление,
р, Ом |
||
| Р1,
Ом |
Сила тока
И1, А |
Р2,
Ом |
Сила тока
И2, А |
||||
| один | один | один | 2 |
2. Рассмотрите шкалу амперметра и определите цену одного деления.
3. Создайте электрическую цепь по схеме, показанной на рис. 1. Установите переключатель в среднее положение.
Рисунок 1.
4. Замкнуть цепь, введя меньшее сопротивление R1. Запишите значение тока I1. Откройте цепь.
5. Замкнуть цепь, введя большее сопротивление R2. Запишите значение тока I2. Откройте цепь.
6. Рассчитайте значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.
Закон Ома для всей цепи для каждого случая: 
а также 
Отсюда получаем формулы для вычисления ε и r:
7. Запишите результаты всех измерений и расчетов в таблицу.
8. Сделайте вывод.
9. Ответьте на контрольные вопросы.
ПРОВЕРОЧНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Раскройте физический смысл термина «электродвижущая сила к источнику тока».
2. Определить сопротивление внешней части цепи по результатам полученных измерений и закону Ома для всей цепи.
3. Объясните, почему внутреннее сопротивление увеличивается при последовательном соединении батарей и уменьшается при параллельном соединении по сравнению с сопротивлением r0 одиночной батареи.
4. В каком случае вольтметр, подключенный к клеммам генератора, показывает ЭДС генератора, а в каком случае напряжение на концах внешней части цепи? Можно ли считать это напряжение также напряжением на концах внутренней части цепи?
Вариант измерения.
Опыт 1. Сопротивление R1=2 Ом, ток I1=1,3 А.
Сопротивление R2=4 Ом, ток I2=0,7 А.
Подробности просмотров: 116531
Вопросы к экзамену
дисциплина ФИЗИКА (см)
Для студентов всех групп технического профиля Новороссийского строительно-экономического колледжа (НКСЭ)
Список лекций по физике на 1,2 семестр
Просадка напряжения
Итак, знакомьтесь, автомобильный аккумулятор!
Для дальнейшего использования припаиваем к нему два провода: красный к плюсу, черный к минусу
Наш отдел к бою готов.
Теперь берем автомобильную галогенку и тоже припаиваем к ней два провода с крокодилами. Я припаял к клеммам «ближнего» света.
Читайте также: Как омметр подключается к цепи?
Первым делом измерим напряжение на клеммах аккумулятора
12,09 вольт. Это вполне нормально, так как наша батарея выдает именно 12 вольт. Я немного забегаю вперед и скажу, что теперь мы точно измерили ЭДС.
Подключаем галогеновую лампу к аккумулятору и снова измеряем напряжение:
Ты это видел? Напряжение на клеммах аккумулятора упало до 11,79 вольта!
И давайте измерим, какой ток потребляет наша лампа в амперах. Для этого подготавливаем следующую форму:
Желтый мультиметр будет измерять напряжение, а красный мультиметр будет измерять ток. Как измерить ток и напряжение мультиметром, вы можете прочитать в этой статье.
Посмотрим на показания прибора:
Как мы видим, наша лампа потребляет 4,35 ампера. Напряжение упало до 11,79 вольт.
Поставим вместо галогеновой лампы простую 12 вольтовую лампочку накаливания от мотоцикла
Смотрим показания:
Лампочка потребляет ток 0,69 ампер. Напряжение упало ровно до 12 вольт.
Какие выводы можно сделать? Чем больше нагрузка потребляет ток, тем больше падает напряжение батареи.
Внутреннее сопротивление источника ЭДС
Дело в том, что батарея имеет «скрытое» сопротивление, которое последовательно включено с источником ЭДС батареи. Его называют внутренним сопротивлением или выходным сопротивлением. Обозначается маленькой буквой «р «.
Вот так все выглядит в батарее:
Мы цепляемся за лампочку
Так что же мы получаем в чистом виде?
Лампочка — это нагрузка, которая имеет сопротивление. Так что еще больше упрощаем схему и получаем:
У нас есть идеальный источник ЭДС, внутреннее сопротивление r и сопротивление нагрузки R. Вспомните статью о делителе напряжения. В нем говорится, что напряжение источника ЭДС равно сумме падений напряжения на каждом резисторе.
Сопротивление R падает на напряжение UR, а внутреннее сопротивление r падает на Ur .
Теперь вспоминаем статью делитель мощности. Ток, протекающий через последовательно соединенные резисторы, везде одинаков.
Вспоминаем алгебру за 5 класс и записываем все, о чем только что говорили. Из закона Ома для участка цепи получаем, что
Дальше
Закон Ома для полной цепи
Итак, последнее выражение называется «закон Ома для полной цепи»
куда
E — ЭДС источника питания, В
R — сопротивление всех внешних элементов цепи, Ом
I — ток в цепи, А
r — внутреннее сопротивление источника питания, Ом
