Przeczytaj
Warto przeczytać
Postawiono przed Tobą zadanie zbadania zależności napięcia źródła, panującego między jego zaciskami, od wartości podłączonego oporu zewnętrznego. Czy jest to łatwe zadanie?
Jeśli masz już za sobą lekturę dowolnego e‑materiału dotyczącego źródła napięcia lub obwodu elektrycznego, pewnie od razu wiesz, jak to zrobić. Jeśli nie – wystarczy, że przyjrzysz się schematowi obwodu, który przedstawia Rys. 1.
Przedstawiono na nim źródło napięcia, charakteryzujące się siłą elektromotorycznąsiłą elektromotoryczną i oporem wewnętrznym , zewnętrzny odbiornik, którego wartość oporu można zmieniać i woltomierz, który posłuży nam do zmierzenia napięcia panującego na zaciskach źródła (a więc także na odbiorniku). Zakładamy, że to woltomierz cyfrowy wysokiej klasy, a więc jego opór własny można uznać za nieskończony.
Zadanie zbadania szukanej zależności można wykonać na dwa sposoby: doświadczalny i teoretyczny. Pierwszy musisz zrobić samodzielnie, w pracowni fizycznej, ale pomożemy Ci wyobrazić sobie wyniki doświadczenia w symulacji interaktywnej, umieszczonej w tym e‑materiale. Drugi, prezentujemy poniżej.
Stosując prawo Ohma do oporu zewnętrznego, możemy napisać, że napięcie, którego szukamy jest równe
Bilans napięć (II prawo KirchhoffaII prawo Kirchhoffa) dla obwodu na Rys. 1. jest następujący:
Wyznaczając z równania (2) i wstawiając do (1) otrzymujemy szukane napięcie na zaciskach baterii, które wyrazimy jako funkcję oporu zewnętrznego, wiedząc, że pozostałe wielkości są stałe dla źródła:
Na Rys. 2. przedstawiono wykres tej funkcji.
Prezentowana zależność pokazuje, że dla małych wartości oporu odbiornika, wraz ze zmniejszaniem się jego wartości do zera, następuje szybki spadek napięcia źródła także do zera, a dla dużych wartości – wartość napięcia tylko nieznacznie rośnie ze wzrostem .
Kształt wykresu badanej przez nas zależności będzie różny dla różnych wartości stosunku . Pokazaliśmy to na Rys. 3.
Okazuje się, że im większy jest opór zewnętrzny w porównaniu do wewnętrznego, tym stabilniej działa źródło, to znaczy wahania wartości oporu zasilanego mniej wpływają na podawane napięcie.
Typowe źródła (baterie, akumulatory, zasilacze) mają najczęściej opór wewnętrzny mieszczący się w przedziale 0,1 omega – 10 omega. Warto znać (lub wyznaczyć doświadczalnie) opór wewnętrzny źródła, by wiedzieć, jakich parametrów zasilania obwodu można się spodziewać.
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. 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. efficiency) – efektywność wykorzystania energii przez urządzenie, stosunek energii wykorzystanej (wyjściowej) do dostarczonej (wejściowej).