Mi a belső ellenállás

Tegyük fel, hogy van egy egyszerű elektromos zárt áramkör, amely áramforrást, például generátort, galvánelemet vagy akkumulátort és R ellenállású ellenállást tartalmaz. Mivel az áramkörben az áram sehol nem szakad meg, az áramforráson belül is folyik.

Ilyen helyzetben azt mondhatjuk, hogy minden forrásnak van valamilyen belső ellenállása, amely megakadályozza az áram áramlását. Ez a belső ellenállás jellemzi az áramforrást, és r betűvel jelöljük. Mert galvánelem vagy akkumulátor, a belső ellenállás az elektrolitoldat és az elektródák ellenállása, generátornál - az állórész tekercseinek ellenállása stb.

Így az áramforrást az EMF nagysága és saját belső ellenállásának értéke is jellemzi r - mindkét jellemző a forrás minőségét jelzi.

A nagyfeszültségű elektrosztatikus generátorok (például a Van de Graaf generátor vagy a Wimshurst generátor) például hatalmas EMF-et tartalmaznak, millió voltban mérve, míg belső ellenállásukat több száz megohmban mérik, így nem alkalmasak a mérésre. nagy áramok.

Éppen ellenkezőleg, a galvanikus cellák (például az akkumulátorok) EMF-je 1 voltos nagyságrendű, bár belső ellenállásuk töredékek vagy legfeljebb tíz ohm nagyságrendű, és így egységnyi és tíz amperes áram érhető el. galvánelemekből.

Ez a diagram egy valós forrást mutat csatlakoztatott terheléssel. Itt vannak meghatározva EMF forrás, belső ellenállása, valamint terhelési ellenállása. Alapján Ohm törvénye zárt áramkörre, az áramkör ebben az áramkörben egyenlő lesz:

Mivel a külső áramköri szakasz homogén, az Ohm-törvény alapján a terhelés feszültsége megtalálható:

Az első egyenletből a terhelés ellenállását kifejezve és értékét a második egyenletbe behelyettesítve megkapjuk a terhelésben lévő feszültség függését az áramtól egy zárt áramkörben:

Zárt hurokban az EMF egyenlő a külső áramköri elemek és magának a forrás belső ellenállásának feszültségesésének összegével. A terhelési feszültség függése a terhelési áramtól ideális esetben lineáris.

A grafikon ezt mutatja, de a valódi ellenállásra vonatkozó kísérleti adatok (a grafikon közelében lévő keresztek) mindig eltérnek az ideálistól:

Kísérletek és logika azt mutatják, hogy nulla terhelési áram mellett a külső áramköri feszültség egyenlő a forrás emf-vel, nulla terhelési feszültségnél pedig az áramkör rövidzárlati áram… A valós áramkörök ezen tulajdonsága segít kísérleti úton megtalálni a valódi források EMF-jét és belső ellenállását.

Belső ellenállás kísérleti kimutatása

Ezen jellemzők kísérleti meghatározásához a terhelés feszültségének az áram nagyságától való függésének grafikonját készítjük, majd extrapoláljuk a tengelyekkel való metszéspontig.

A grafikon és a feszültséggerinc metszéspontjában a forrás emf értéke, az áramtengely metszéspontjában pedig a zárlati áram értéke. Ennek eredményeként a belső ellenállást a következő képlet határozza meg:

A forrás által kifejlesztett hasznos teljesítmény eloszlik a terhelés között. Ennek a teljesítménynek a terhelési ellenállástól való függésének grafikonja az ábrán látható. Ez a görbe a koordinátatengelyek nullponti metszéspontjából indul ki, majd felemelkedik a maximális teljesítményértékre, majd a végtelennel egyenlő terhelési ellenállás mellett nullára esik.

Annak a maximális terhelési ellenállásnak a meghatározásához, amelynél az elméleti maximális teljesítményt egy adott forrással fejlesztik, a teljesítményképlet R-re vonatkozó deriváltját vesszük, és nullára állítjuk. A maximális teljesítmény akkor fejlődik, ha a külső áramkör ellenállása megegyezik a belső forrásellenállással:

Ez az R = r maximális teljesítményre vonatkozó rendelkezés lehetővé teszi a forrás belső ellenállásának kísérleti meghatározását a terhelésen felszabaduló teljesítmény és a terhelési ellenállás értékének ábrázolásával.A maximális teljesítményt biztosító tényleges, nem pedig elméleti terhelési ellenállás megtalálása határozza meg a tápegység tényleges belső ellenállását.

Az áramforrás hatásfoka a terhelésre elosztott maximális teljesítmény és a jelenleg fejlesztés alatt álló összteljesítmény arányát mutatja.

Nyilvánvaló, hogy ha a forrás akkora teljesítményt fejleszt ki, hogy a terhelésnél az adott forrás maximális lehetséges teljesítményét kapja, akkor a forrás hatásfoka 50% lesz.