Przeczytaj
Warto przeczytać
Niezbędnym elementem każdego obwodu prądu elektrycznego jest źródło napięcia. To urządzenie, które zamienia jeden rodzaj energii na drugi, w tym wypadku na energię elektryczną. Energią wyjściową (zamienianą) zwykle jest energia chemiczna, świetlna lub mechaniczna.
W Tabeli 1. zebrano najczęściej spotykane rodzaje źródeł, istotę ich działania i przykłady. Ostatnia kolumna zawiera informacje dotyczące głównych przyczyn strat energii, związanych z przepływem prądu elektrycznego przez ogniwo.
Nazwa | Rodzaj wykorzystywanej energii | Wykorzystywane zjawisko fizyczne lub chemiczne | Przykłady | Główne przyczyny oporu wewnętrznego |
---|---|---|---|---|
Ogniwo galwaniczne | Chemiczna | Reakcje chemiczne miedzy elektrolitem a elektrodami | Bateria, akumulator | - Ograniczona szybkość reakcji chemicznych - Niekorzystne reakcje uboczne - Zderzenia jonów z cząsteczkami rozpuszczalnika |
Ogniwo słoneczne | Świetlna | Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzneZjawisko fotoelektryczne wewnętrzne | Bateria fotowoltaiczna | - Opór elektryczny (zderzenia nośników ładunków z atomami sieci krystalicznej) |
Prądnica | Mechaniczna | Indukcja elektromagnetycznaIndukcja elektromagnetyczna (ruch obrotowy przewodnika w polu magnetycznym) | Dynamo, alternator, wiatrak, generator w elektrowni (wodnej, atomowej, węglowej) | - Tarcie mechaniczne - Opór elektryczny elementów |
Tabela 1. Najważniejsze rodzaje źródeł napięcia i ich własności
Każda strata energii w obwodzie jest związana z pracą wykonaną przez prąd w jakimś elemencie, który posiada opór elektryczny, i ze spadkiem napięcia na końcach tego elementu. Dlatego postawmy hipotezę:
Straty energii elektrycznej występujące wewnątrz każdego rzeczywistego źródła napięcia można traktować jako spadek napięcia na oporniku znajdującym się wewnątrz źródła.
Postarajmy się zweryfikować naszą hipotezę. Będzie ona prawdziwa wtedy i tylko wtedy, gdy opór wewnętrzny źródła spełnia prawo Ohma. Zbadajmy zatem, czy spadek napięcia na oporze wewnętrznym i natężenie przepływającego przezeń prądu są do siebie proporcjonalne. Sposób wykonania takiego doświadczenia i jego wyniki przedstawiono w materiale „Charakterystyka napięciowo‑prądowa źródła napięcia”. Na Rys. 1. znajduje się fragment wykresu zależności napięcia na zaciskach źródła od natężenia prądu i umieszczony poniżej odpowiadający mu wykres spadku napięcia na oporze wewnętrznym, także w zależności od tego natężenia.
Dolny wykres, to wartość „ubytku napięcia” na zaciskach źródła, który jest związany z przepływem prądu. Jest to wykres liniowy, spełniający zależność opisaną prawem Ohma. Zatem straty energii wewnątrz źródła są równoważne ze spadkiem napięcia na oporze wewnętrznym źródła, co potwierdza słuszność postawionej przez nas hipotezy.
Rzeczywiste źródło napięcia można więc przedstawić tak, jak na Rys. 2., jako element złożony z siły elektromotorycznej () oraz oporu wewnętrznego ().
W konsekwencji, konstruując równanie bilansu napięć w obwodzie (II prawo KirchhoffaII prawo Kirchhoffa), możemy napisać, stosując oznaczenia z Rys. 2.:
Skoro opór wewnętrzny źródła ma takie same właściwości, jak każdy inny opornik, przy połączeniach wielu źródeł w baterie zasilające, można stosować takie same reguły jak do szeregowego i równoległego łączenia oporników.
Podobne zasady stosuje się do sił elektromotorycznychsił elektromotorycznych (SEM). Przy połączeniu szeregowym, jeśli źródła włączone są w tym samym kierunku, ich siły elektromotoryczne sumują się. Przy połączeniu równoległym takich samych źródeł, SEM baterii jest taka, jak pojedynczego źródła. Więcej na ten temat możesz przeczytać w materiale „Siła elektromotoryczna źródła energii elektrycznej”.
Opór wewnętrzny źródła jest jego cechą charakterystyczną i mieści się najczęściej w przedziale 0,1 omega – 10 omega. Może się on jednak zmieniać w zależności od niektórych warunków zewnętrznych (np. temperatura) lub wewnętrznych (stopień zużycia elektrolitu).
Wartości oporu wewnętrznego źródła nie można zmierzyć omomierzem. Trzeba więc wykonać charakterystykę napięciowo‑prądową ogniwa. Jeden ze sposobów posłużenia się takim wykresem przedstawiony jest na Rys. 3.
Ponieważ nie znamy wartości siły elektromotorycznejsiły elektromotorycznej źródła (), do obliczeń musimy wykorzystać dwa odczyty danych charakterystyki. Na podstawie Rys. 2. i wzoru (1) możemy napisać:
Odejmując stronami te równania otrzymujemy:
i stąd:
Tę zależność najczęściej wykorzystuje się do doświadczalnych pomiarów oporu wewnętrznego źródła.
Słowniczek
(ang.: Kirchhoff's second law) – prawo dotyczące bilansu napięć w obwodzie, wynikające z zasady zachowania energii: dla każdego obwodu zamkniętego, suma sił elektromotorycznych jest równa sumie spadków napięć na oporach elementów.
(ang.: electromagnetic induction) – zjawisko fizyczne polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego, w którym się on znajduje.
(ang.: electromotive force) – napięcie źródła powodujące przepływ prądu w obwodzie, liczbowo równe elektrycznej energii potencjalnej nadawanej ładunkowi jednostkowemu przez źródło (równe napięciu panującemu na zaciskach źródła, do którego nie podłączono obwodu zewnętrznego).
(ang.: internal photoelectric effect) – zjawisko występujące w ciałach stałych, polegające na przejściu elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa pod wpływem absorpcji kwantów promieniowania świetlnego.