Što je unutarnji otpor
Pretpostavimo da postoji jednostavan električni zatvoreni krug koji uključuje izvor struje, na primjer generator, galvanski članak ili bateriju, i otpornik otpora R. Budući da struja u krugu nije nigdje prekinuta, ona teče i unutar izvora.
U takvoj situaciji možemo reći da svaki izvor ima neki unutarnji otpor koji sprječava protok struje. Ovaj unutarnji otpor karakterizira izvor struje i označava se slovom r. Za galvanski članak ili baterija, unutarnji otpor je otpor otopine elektrolita i elektroda, za generator - otpor namota statora itd.
Dakle, izvor struje karakteriziraju i veličina EMF-a i vrijednost vlastitog unutarnjeg otpora r - obje karakteristike ukazuju na kvalitetu izvora.
Visokonaponski elektrostatički generatori (kao što su Van de Graafov generator ili Wimshurstov generator) na primjer imaju ogroman EMF koji se mjeri u milijunima volti, dok se njihov unutarnji otpor mjeri u stotinama megaoma, pa nisu prikladni za dobivanje visoke struje.
Naprotiv, galvanske ćelije (kao što je baterija) imaju EMF reda veličine 1 volta, iako je njihov unutarnji otpor reda frakcija ili najviše deset ohma, pa se stoga mogu dobiti struje od jedinica i desetaka ampera. od galvanskih članaka.
Ovaj dijagram prikazuje stvarni izvor s priključenim opterećenjem. Oni su definirani ovdje EMF izvor, njegov unutarnji otpor kao i otpor opterećenja. Prema Ohmov zakon za zatvoreni krug, struja u ovom krugu bit će jednaka:
Budući da je vanjski dio strujnog kruga homogen, tada se iz Ohmovog zakona može pronaći napon preko opterećenja:
Izražavajući otpor opterećenja iz prve jednadžbe i zamjenjujući njegovu vrijednost u drugu jednadžbu, dobivamo ovisnost napona u opterećenju o struji u zatvorenom krugu:
U zatvorenoj petlji, EMF je jednak zbroju pada napona na vanjskim elementima kruga i na unutarnjem otporu samog izvora. Ovisnost napona opterećenja o struji opterećenja idealno je linearna.
Grafikon to pokazuje, ali eksperimentalni podaci za pravi otpornik (križići u blizini grafikona) uvijek se razlikuju od idealnih:
Eksperimenti i logika pokazuju da je pri nultoj struji opterećenja vanjski napon kruga jednak emf izvora, a pri nultom naponu opterećenja struja kruga je struja kratkog spoja… Ovo svojstvo stvarnih krugova pomaže u eksperimentalnom pronalaženju EMF-a i unutarnjeg otpora stvarnih izvora.
Eksperimentalna detekcija unutarnjeg otpora
Da bi se eksperimentalno odredile ove karakteristike, gradi se grafikon ovisnosti napona u opterećenju o veličini struje, nakon čega se ekstrapolira do točke sjecišta s osi.
U točki presjeka grafa sa kralježnicom napona je vrijednost emf izvora, a u točki presjeka sa strujnom osi je vrijednost struje kratkog spoja. Kao rezultat, unutarnji otpor nalazi se formulom:
Korisna snaga koju razvija izvor raspoređuje se preko opterećenja. Grafikon ovisnosti ove snage o otporu opterećenja prikazan je na slici. Ova krivulja počinje od sjecišta koordinatnih osi u nultoj točki, zatim raste do maksimalne vrijednosti snage, zatim pada na nulu s otporom opterećenja jednakim beskonačnosti.
Da bi se pronašao maksimalni otpor opterećenja pri kojem će se razviti teoretska maksimalna snaga s danim izvorom, uzima se derivacija formule snage u odnosu na R i postavlja na nulu. Najveća snaga će se razviti kada je vanjski otpor kruga jednak unutarnjem otporu izvora:
Ova odredba za maksimalnu snagu pri R = r omogućuje vam eksperimentalno pronalaženje unutarnjeg otpora izvora crtanjem snage oslobođene pri opterećenju u odnosu na vrijednost otpora opterećenja.Pronalaženje stvarnog, a ne teorijskog otpora opterećenja koji osigurava maksimalnu snagu, određuje stvarni unutarnji otpor napajanja.
Učinkovitost izvora struje označava omjer maksimalne snage raspodijeljene na opterećenje i ukupne snage koja se trenutno razvija
Jasno je da ako izvor razvije takvu snagu da se dobije maksimalna moguća snaga za dati izvor pri opterećenju, tada će učinkovitost izvora biti jednaka 50%.