MERANIE ELEKTROMOTORICKÉHO NAPÄTIA A VNÚTORNÉHO ODPORU ZDROJA

Prepis

1 1. Cie práce : MERANIE ELEKTROMOTORICKÉHO NAPÄTIA A VNÚTORNÉHO ODPORU ZDROJA 1) Oboznámi sa s metódami merania elektromotorického a svorkového napätia zdroja, zmera elektromotorické napätie zdroja priamo a kompenzanou metódou. ) Zmera závislos svorkového napätia od prúdu pre uzavretý obvod, graficky zobrazi závislos U = f(i) a z grafu uri elektromotorické napätie zdroja a vnútorný odpor. 3) Pozorova elektrolýzu a vznik elektromotorického napätia vo Voltovom lánku.. Teoretický úvod Každý reálny zdroj napätia (batéria, akumulátor) môžeme považova za sériovú kombináciu ideálneho zdroja s elektromotorickým napätím a vnútorným odporom (obr. 1). Ak zaažíme zdroj vonkajším odporom R Z, napätie na tomto odpore, ktoré nazývame svorkové napätie U, je vždy menšie než elektromotorické napätie a závisí od vekosti vnútorného odporu zdoja. Zdroj, ktorý má malý vnútorný odpor (akumulátor, sie) sa nazýva tvrdý zdroj a jeho svorkové napätie sa blíži k elektromotorickému napätiu. Prúd v obvode teda uruje odpor spotrebia. Zdroj s vekým vnútorným odporom (napr. Obr. 1. vybitá batéria) sa nazýva mäkký zdroj. Ak pripojíme ku svorkám zdroja zaažovací odpor R Z, bude obvodom (obr. 1 ) preteka prúd I. Pretože zaažovací odpor R Z a vnútorný odpor sú zapojené sériovo, platí: I =. (.1) + R Z Svorkové napätie je rovné úbytku napätia na odpore R Z Po dosadení vzahu (.) do (.1) dostaneme: U = I. R Z. (.) = I. R + I. R = I. R U. (.3) i Z i + Elektromotorické napätie (EMN) zdroja môžeme uri viacerými spôsobmi: A) priamou metódou B) kompenzanou metódou

2 C) z merania závislosti U = f(i) A) priama metóda - EMN lánku, ktorý má malý, môžeme zmera priamo s použitím digitálneho multimetra s vekým vnútorným odporom. Chyba merania je daná presnosou použitého prístroja. Pracovné úlohy: Zmerajte EMN nezaaženého zdroja - plochej batérie digitálnym multimetrom, ktorý má veký vnútorný odpor. B) kompenzaná metóda Výhodou kompenzanej metódy je, že napätie meriame bez odberu prúdu z meraného elementu, t. j. pri meraní lánkov meriame skutoné EMN. Principiálna schéma kompenzaného obvodu je na obr., kde p je pomocný zdroj EMN, x je meraný zdroj a R je presný potenciometer. Toto zapojenie umožuje meni vekos odporu R x, zaradeného v meranom obvode AB x, pri zachovaní konštantného prúdu I týmto odporom. Zmenou polohy jazdca na potenciometri meníme vekos napätia, ktorým kompenzujeme merané elektromotorické napätie, až je prúd v obvode vyšetrovaného zdroja nulový. Obr. Pre obvod AB x platí Kirchhoffov zákon x = R x I - R g I g - x I g, (.4) kde R x je odpor asti AB R g je vnútorný odpor galvanometra x je vnútorný odpor zdroja x Po vykompenzovaní obvodom AB x neteie prúd, t.j. I g = 0 a teda x = R x I. (.5) Meranie prúdu v pomocnom obvode nahradzujeme alšou kompenzáciou elektromotorického napätia normálneho lánku, ktorý zapojíme namiesto x (Obr. 3). Ke prúd v obvode normálneho lánku je nulový, I g = 0 pri nastavení odporu R n (asti AB), platí n = R n I. (.6)

3 Vydelením vzahov (.5) a (.6) dostaneme: Rx x = n.. (.7) R n Pracovné úlohy: Obr Overte zapojenie odporov v obvode ako delia napätia.. Zmerajte EMN plochej batérie kompenzanou metódou pomocou delia napätia. Pracovný postup 1) Zapojíme na paneli prvky el. obvodu poda schémy na obr. 4: Obr. 4 Hodnota odporu R 1 je 47 kω (overíme digitálnym multimetrom), na zdroji napätia nastavíme hodnotu U 1 = 10 V. Premenný odpor R predstavuje odporová dekáda, na ktorej nastavujeme vhodné vekosti odporov. Z Ohmovho zákona uríme vekos napätia pre jednotlivé asti obvodu, z oho dostaneme výraz pre napätie na odpore R :

4 R U R + = U1 (.8) R1 R Presnos delia napätia overíme porovnaním vypoítanej a nameranej hodnoty napätia U R pre šes hodnôt R. ) K panelu pripojíme ampérmeter a batériu, zostavíme obvod poda schémy na obr. 5. Obr. 5 (Pozor batériu pripájame do obvodu vždy iba krátky as poas merania). Pri kompenzácii postupujeme nasledovne : - vypneme pomocný zdroj v obvode O 1 - na odporovej dekáde nastavime hodnotu R = 50 kω - zapojíme obvod O, kde zdrojom je batéria, obvodom teie prúd (približne 0,16 ma) - zapneme obvod O 1, zmení sa hodnota aj znamienko prúdu, ktorý ukazuje ampérmeter - pomocou zmeny hodnoty odporu na odporovej dekáde vykompenzujeme prúd v obvode O na hodnotu 0 A. - hodnotu elektromotorického napätia zdroja uríme pomocou vzahu (.8), priom vypoítaná hodnota U R je rovná elektromotorickému napätiu batérie, R je hodnota odporu na odporovej dekáde v prípade, ke ampérmetrom neteie prúd. C) urenie vnútorného odporu zdroja z merania závislosti U = f(i) Pre uzavretý elektrický obvod platí vzah (.1) I =, + R Z teda prúd prechádzajúci uzavretým elektrickým obvodom sa rovná podielu elektromotorického napätia zdroja a sútu odporov vonkajšej a vnútornej asti obvodu. Vzah možno vyjadri aj v tvare alebo aj v tvare = I. R + I. R = I. R U (.3) i Z i + U = I.,

5 kde U je svorkové napätie, je EMN zdroja, I je prúd v obvode so záažou a je vnútorný odpor zdroja. Pracovná úloha: Zistite vnútorný odpor a EMN zdroja (plochej batérie) využitím grafickej závislosti U = f(i). Pracovný postup: Zostavíme elektrický obvod poda obr. 6, pomocou ktorého možno demonštrova závislos svorkového napätia U od prúdu I. Vykonáme sériu meraní dvojíc (I,U) pre šes rôznych hodnôt odporu R e v obvode namerane hodnoty linearny fit 4.3 U [V] I [A] Obr. 6 Obr. 7 Spracovanie merania: Body so súradnicami (I, U), zostrojené v sústave súradníc s osami I, U, môžeme aproximova priamkou (pozri napríklad obr. 7). Grafickou extrapoláciou pre pre I = 0 uríme hodnotu elektromotorického napätia. Vnútorný odpor zdroja uríme grafickou metódou a výpotom poda vzahu U I 1 =. (.9) U I 1 3. Pozorovanie elektrolýzy a vznik elektromotorického napätia vo Voltovom lánku Teoretický úvod: Kvapaliny, ktoré neobsahujú voné astice s elektrickým nábojom, nevedú elektrický prúd. Preto je napríklad destilovaná voda izolantom. Ak však vo vode rozpustíme látku, ktorej molekuly majú schopnos disociova rozpada sa na ióny,

6 získame vodivý roztok elektrolyt. Elektrolytmi môžu by napríklad vodné roztoky niektorých kyselín, zásad alebo solí. Elektrolýzou nazývame dej, pri ktorom dochádza k látkovým zmenám v elektrolyte alebo na elektródach, ak elektrolytom prechádza elektrický prúd. Galvanický lánok je zdroj jednosmerného napätia. Skladá sa z elektrolytu a z dvoch elektród. Pri ponorení elektród do elektrolytu prebieha na rozhraní elektródy a elektrolytu chemický dej. V dôsledku tohto deja vzniká tzv. elektrická dvojvrstva, ktorej prislúcha urité napätie. Vekos napätia medzi elektródou a elektrolytom je pre rôzne kovy a rôzne elektrolyty rôzna. Preto ak ponoríme do elektrolytu dve elektródy, ktoré sú navzájom chemicky odlišné, je medzi nimi napätie, ktoré sa nazýva elektromotorické napätie. Pracovný postup Zostavíme schému poda obr. 8. Do kadiky na elektrolýzu ponoríme zinkovú a medenú elektródu a nalejeme roztok kyseliny sírovej. Po uzatvorení obvodu pozorujeme výchylku voltmetra - elektromotorické napätie, ktoré je približne 1 V. Takýto lánok je však nestály, jeho napätie s asom klesá. Ióny H + z kyseliny prijímajú z medenej elektródy elektróny a vzniká plynný H, ktorý sa vyluuje na elektróde. Medená elektróda sa nabije kladne. Zinok z elektródy sa rozpúša a tvorí ióny Zn +, priom sa uvoujú do obvodu elektróny. Zinková elektróda je preto záporne nabitá. V priebehu chemickej reakcie elektrické napätie Voltovho lánku rýchle klesá, elektródy sa polarizujú a H SO 4 sa mení na síran zinonatý. Obr. 8 Pomôcky : - sada meraných odporov (rádove rôzne), regulovatený zdroj jedosmerného napätia, analógové a digitálne meracie prístroje, odporová dekáda - pracovný panel, vodie, pájkovaka, cín, pinzeta Literatúra: [1] Belluš, M. a kol : Fyzikálne praktikum II, Elektrina a magnetizmus, UK Bratislava, 1990 [] imanec, P: Elektrina a magnetizmus, Alfa, Bratislava, 1980 [3] Tirpák, A.: Elektromagnetizmus, Polygrafia SAV, Bratislava 1999 [4] Pavlík, J: Fyzikálne praktikum II (Návody na praktické cvienia z elektriny a magnetizmu, UK Bratislava, 001, v tlai) [5] Horák, Z.: Praktická fyzika, SNTL, Praha, 1958 [6] Brož, J. a kol.: Základy fysikálních meení, SPN, Praha, 1967