Що таке ЕРС, ми з вами говорили ще в цій статті. Пам'ятаю якось на уроці фізики в 8 класі викладач запитав:
- Що написано на пальчикової батарейки?
- Напруга батарейки, - хором відповіли ми.
- Поголіться! Це ЕРС!
- На батарейках вказано саме ЕРС!
Після цих гордих слів препод почав урок. Він ставив якісь досліди, запалював лампочки, писав щось на дошці. Але я все одно нічого не наздогнав, тому що весь урок грав з товаришем по парті в морський бій ;-). Тільки через роки, прочитавши радянський словник радіоаматора, нарешті зрозумів, що нічого складного в цьому немає. І якщо закон Ома для ділянки кола знають майже всі, то складнощі виникають саме за законом Ома для повного кола. Але виявляється, все дуже просто!
Отже, знайомтеся, автомобільний акумулятор! Не виключено, що ви коли-небудь його бачили вживу))
Для подальшого його використання, припаяти до нього два проводочки: червоний на плюс, чорний на мінус
Наш акум готовий до бою.
Тепер беремо автомобільну лампочку-галогенку і теж припаяти до неї два проводка з крокодилами. Я припаявся до клем на "ближнє" світло.
Насамперед давайте заміряємо напруга на клемах акума
12,09 Вольт. Цілком нормально, так як наш акум видає саме 12 Вольт. Забіжу трохи вперед і скажу, що зараз ми заміряли саме ЕРС нашого акума.
Підключаємо галогенку до акуму і знову завмер напруга:
Бачили так? Напруга на акумом просіло до 11, 79 Вольт!
А давайте по приколу заміряємо, скільки їсть наша лампа в Амперах. Для цього складаємо ось таку схемку:
Жовтий мультиметр у нас буде заміряти напругу, а червоний мультиметр у нас буде заміряти силу струму. Як заміряти за допомогою мультиметра силу струму і напругу, можна прочитати в цій статті.
Дивимося на показання приладів:
Як ми бачимо, наша лампа споживає 4,35 Ампер, напруга просіло до 11,79 Вольт.
Давайте замість галогенки поставимо просту лампочку розжарювання від поворотника
Лампочка споживає силу струму в 0,69 Ампер. Напруга просіло до 12 Вольт рівно.
Які висновки можна зробити? Чим більше навантаження споживає силу струму, тим більше просаживается напруга на акум. Замість акума може бути проста батарейка півтора Вольт або якась інша батарейка або акумулятор. Суть від цього не змінюється.
Ну а тепер трохи нудною теорії)).
Джерело напруги на схемі виглядає ось так:
Давайте згадаємо, що таке ЕРС. ЕРС - це щось таке, що створює електричний струм, а точніше напруга. Якщо до такого джерела напруги підчепити будь-яке навантаження (хоч мільярд галогенових ламп, включених паралельно), то він все одно буде видавати таку ж напругу, якийсь би він видавав, якби ми взагалі не чіпляли ніяку навантаження.
Коротше кажучи, яка б сила струму не проходила через ланцюг резистора, напруга на кінцях джерела ЕРС буде завжди одне і теж. Таке джерело ЕРС називають ідеальним джерелом ЕРС.
Але як ви знаєте, в нашому світі немає нічого ідеального. Тобто якби в нашому акумом був ідеальний джерело ЕРС, тоді б напругу на клемах акума ніколи б не просідала. Але воно просідає і тим більше, чим більше сили струму жере навантаження. Щось тут не так. Але чому так відбувається? Це питання ставив собі і німецький фізик Георг Ом і все-таки нарешті він знайшов пояснення цьому процесу.
Справа вся в тому, що в акумуляторі "заховано" опір, яке умовно кажучи, чіпляється послідовно з джерелом ЕРС акума. І воно називається внутрішнім опором або вихідним опором. Позначається маленької буквою "r". Виглядає все це в акумом приблизно ось так:
Отже, що у нас виходить в чистому вигляді?
Лампочка - це навантаження, яка має опір. Значить, ще більше спрощуємо схему і отримуємо:
Отже, що маємо? Ідеальний джерело ЕРС, внутрішній опір r і опір навантаження R. Згадуємо статтю дільник напруги. Там говориться, що напруга джерела ЕРС дорівнює сумі падінь напруги на кожному резисторі.
Це означає, що на кожному опорі падає якась напруга:
На резисторі R падає напруга UR. а на внутрішньому резистори r падає напруга Ur.
Тепер згадуємо статтю Дільник струму. Хто не пам'ятає, нагадаю. Сила струму, що протікає через послідовно з'єднані опору скрізь однакова.
Згадуємо алгебру за 5-ий клас і записуємо все те, про що ми з вами зараз говорили. Із закону Ома для ділянки ланцюга отримуємо, що
Останній вираз носить назву закону Ома для повного кола. З цього виразу ми можемо знайти внутрішній опір акумаr.
Давайте знову повернемося до цієї фотографії
Так як у нас в цьому випадку ланцюг розімкнути (немає зовнішнього навантаження), отже сила струму в ланцюзі I дорівнює нулю. Значить, і падіння напруга на внутрішньому резистори Ur теж буде дорівнювати нулю. У підсумку, у нас залишається тільки джерело ЕРС, у якого ми і заміряємо напруга. У нашому випадку ЕРС = 12,09 Вольт.
Як тільки ми цепанулі навантаження, то у нас одразу ж впало напруга на внутрішньому резистори і на навантаженні, в даному випадку на лампочці:
Зараз на навантаженні (на галогенці) у нас впало напруга UR = 11,79 Вольт. отже, на внутрішньому резистори падіння напруги склало Ur = E-UR = 12,09-11,79 = 0,3 Вольта. Сила струму в ланцюзі дорівнює I = 4,35 Ампер. Як я вже сказав, ЕРС у нас дорівнює E = 12,09 Вольт. Отже, із закону Ома для повного кола вираховуємо, чому у нас буде дорівнювати внутрішній опір r.
Внутрішній опір буває не тільки у різних хімічних джерел напруги. Внутрішнім опором також володіють і різні вимірювальні прилади. Це в основному вольтметри і осцилографи. Справа вся в тому, що якщо підключити навантаження R. опір у якій буде менше або навіть дорівнює r. то у нас дуже жорстко просяде напруга. Це можна побачити, якщо замкнути клеми акума товстим мідним дротом і заміряти в цей час напруга на клемах)). Але я не рекомендую цього робити ні в якому разі! Тому, чим високоомних навантаження (ну тобто чим вище опір навантаження R), тим менший вплив надає це навантаження на джерело напруги. Вольтметр і осцилограф при вимірі напруги теж трохи просаджують напруга заміряти джерела напруги, тому як є навантаженням з великим опором. Саме тому найточніший вольтметр і осцілл мають ну дуже великий опір між своїми щупами.