Вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела струму

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.

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.

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.

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.

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:

1.

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

4.

ККД (коефіцієнт корисної дії) джерела струму:

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.

10.

Еквівалентна схема реального джерела струму.

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.

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.

5.

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