EdPro Amperia

Вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела струму

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

Обладнання та матеріали
Джерело струму
Мультиметр
Реостат
З’єднувальні провідники
Блок “неідеальне джерело”
Розряджена батарейка *

Не входить до набору EdPro Amperia. 

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.
Мультиметр
З’єднувальні
провідники
Джерело струму
Блок
“неідеальне джерело”
Реостат

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.
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.
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:
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:
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:
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:
та ЕРС:
, отримуємо:
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:
, отримуємо:
Таким чином, закон Ома для повного кола буде мати вигляд:
Еквівалентні схеми для реальних джерел
1
Якщо коло розімкнуте, напруга на контактах джерела живлення дорівнює ЕРС:
2
Якщо до джерела під’єднано навантаження, то напругу на його контактах можна знайти за допомогою співвідношення:
3
Якщо контакти джерела струму замкнути, створивши коротке замикання, то в такому колі буде протікати максимально можливий для цього джерела струм:
4
ККД (коефіцієнт корисної дії) джерела струму:
5
Якщо з’єднати джерела живлення послідовно, їх ЕРС буде дорівнювати сумі ЕРС джерел, але і внутрішній опір буде сумою внутрішніх опорів:
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:
8
Джерело живлення називається ідеальним джерелом струму, якщо напруга на його виводах не залежить від струму, що через нього протікає.
10
Джерело живлення називається ідеальним джерелом напруги, якщо напруга на його виводах не залежить від струму, що через нього протікає.
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 зворотнім зв’язком.
9
Еквівалентна схема реального джерела струму.
11
Еквівалентна схема реального джерела напруги.

ХІД РОБОТИ З НАБОРОМ AMPERIA

Блок живлення EdPro Amperia є практично ідеальним джерелом напруги у робочому діапазоні (для постійного струму - до 1А).
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
Під’єднуємо вольтметр до виводів джерела.
За відсутності навантаження покази вольтметра будуть рівні ЕРС.

2
Під’єднуємо вольтметр до виводів джерела.
За відсутності навантаження покази вольтметра будуть рівні ЕРС.

3
Під’єднуємо до виводів реостата вольтметр та вимірюємо напругу на реостаті.

4
Під'єднуємо в коло амперметр та вимірюємо струм, що проходить через реостат, для отриманої у попередньому пункті напруги на ньому.

5
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.
Лабораторні роботи для учнів

Для перегляду учнівської частини лабораторних робіт потрібно бути залогованим у систему.

Натисніть на кнопку "Реєстрація" нижче та пройдіть процедуру реєстрації.


У випадку, якщо ви уже реєструвалися на нашому сайті - натисніть кнопку "Вхід" та увійдіть у систему, використовуючи ваші логін та пароль.