Fizika · Elektr va magnetizm · 7-sinf

Tok manbalari, EYuK, ichki r

Nega akkumulyatorni qisqa tutashtirib bo‘lmaydi, limon esa lampani yoqa olmaydi?

Vaziyat

Qishning sovuq tongida haydovchi kalitni burasa, starter zo‘rg‘a aylanadi, faralar esa xiralashib qoladi. Akkumulyatorda «12 V» deb yozilgan, ammo starter undan yuzlab amper tok olganda qutblaridagi kuchlanish keskin tushadi. Maktab to‘garagida esa o‘quvchilar limonga rux va mis plastinka sanchib batareya yasashdi: voltmetr 0,9 V ko‘rsatdi, lekin kichkina chiroq yonmadi. Tok manbaining «ichida» nima bor — EYuK va ichki qarshilik zanjirdagi tok va quvvatni qanday belgilaydi?

Mavzu

Tok manbalari, EYuK va ichki qarshilik. Limon batareyasi, avtomobil akkumulyatori va qisqa tutashuv

Asosiy tushunchalar

To‘liq zanjir uchun Om qonuni
EYuK va ichki qarshilik
Manbaning FIK

Formulalar

ε = \frac{A_{tashqi}}{q}

EYuK — tashqi (elektrostatik bo‘lmagan) kuchlarning manba ichida 1 C musbat zaryadni ko‘chirishdagi ishi.

I = \frac{ε}{R + r}, I_{qt} = \frac{ε}{r}

To‘liq zanjir uchun Om qonuni va qisqa tutashuv toki ( $R = 0$ ).

U = ε - I r, I R_{12} = φ_{1} - φ_{2} + ε_{12}

Qutblardagi kuchlanish (zaryadlashda tok teskari: $U = ε + I r$ ) va bir jinsli bo‘lmagan zanjir qismi uchun Om qonuni.

P = \frac{ε^{2} R}{{(R + r)}^{2}}, η = \frac{R}{R + r}

Foydali quvvat $R = r$ da eng katta ( $ε^{2} / 4 r$ ), FIK esa shunda 50 %.

ε_{b} = n ε, r_{b} = \frac{n r}{m}

Har birida $n$ ta element ketma-ket, $m$ ta guruh parallel ulangan batareya.

Nazariya

Tok manbai va tashqi kuchlar

Elektrostatik maydon zaryadni berk yo‘l bo‘ylab aylantirib chiqqanda nol ish bajaradi — shuning uchun faqat elektrostatik kuchlar berk zanjirda tokni ushlab tura olmaydi. Manba ichida elektrostatik bo‘lmagan tashqi kuchlar ishlaydi: kimyoviy (galvanik element, akkumulyator), yorug‘lik (quyosh elementi), magnit (generator — «Elektromagnit induksiya» tajribasi), issiqlik (termoelement). Ular musbat zaryadni maydonga qarshi — manfiy qutbdan musbat qutbga, xuddi suvni nasos tepaga ko‘targandek — olib chiqadi. EYuK $ε = A_{tashqi} / q$ — har bir kulon zaryadga beriladigan energiya, birligi volt. «Energiya qayerdan» rejimida ion ustidagi ikki kuchni va nasos o‘xshatishini ko‘ring.

To‘liq zanjir uchun Om qonuni

Tok butun zanjir qarshiligi bilan belgilanadi: $I = ε / (R + r)$ . Tashqi (manbasiz) qismda $U = I R$ , manba qutblarida esa $U = ε - I r$ : tok ortgani sari kuchlanish tushadi — starter yuzlab amper olganda faralar xiralashadi. Kalit ochiq bo‘lsa ( $I = 0$ ) voltmetr EYuK ni ko‘rsatadi. $R \to 0$ da qisqa tutashuv toki $I_{qt} = ε / r$ : AA batareykada ≈ 7,5 A, akkumulyatorda mingdan ortiq amper (simlar qizib eriydi!), limonda esa atigi ≈ 1 mA. «Potensial diagrammasi» manba ichida potensial $ε$ ga ko‘tarilib, ichki qarshilikda $I r$ ga tushishini, tashqi zanjirda esa reostat bo‘ylab nolgacha tushishini ko‘rsatadi. Akkumulyatorni zaryadlashda tok manba ichida teskari oqadi va $U = ε + I r$ — bu bir jinsli bo‘lmagan qism uchun Om qonuni $I R_{12} = φ_{1} - φ_{2} + ε_{12}$ ning xususiy holi.

Quvvat va foydali ish koeffitsiyenti

Tashqi kuchlarning quvvati $ε I$ ikki qismga bo‘linadi: yukdagi foydali quvvat $I^{2} R$ va manba ichida ajraladigan issiqlik $I^{2} r$ (Joul–Lens qonuni $Q = I^{2} R t$ ). $P (R)$ grafigi $R = r$ da maksimumga ega: $P_{\max} = ε^{2} / 4 r$ , lekin FIK $η = R / (R + r)$ shunda atigi 50 %. Yuqori FIK uchun $R ≫ r$ bo‘lishi kerak — shuning uchun manbalar ichki qarshiligi kichik qilib yasaladi. Quyosh panelida $U$ – $I$ bog‘lanish to‘g‘ri chiziq emas: undagi eng katta quvvat nuqtasini o‘lchab toping.

Elementlarni ulash va Kirxgof qoidalari

Ketma-ket ulashda EYuK lar va ichki qarshiliklar qo‘shiladi: $n ε$ , $n r$ . Bir xil elementlarni parallel ulashda EYuK o‘zgarmaydi, ichki qarshilik $m$ marta kamayadi. Aralash ulashda $ε_{b} = n ε$ , $r_{b} = n r / m$ ; berilgan elementlar sonida tok $n r / m \approx R$ bo‘lganda eng katta. Shoxlanish nuqtasida kiruvchi toklar yig‘indisi chiquvchilarnikiga teng (Kirxgofning 1-qoidasi: har bir guruhdan $I / m$ tok o‘tadi), berk kontur bo‘ylab $\sum ε = \sum I R$ (2-qoida). Tarmoqlangan zanjirlar — «Elektr zanjirlarini yig‘ish» tajribasida.

Kimyoviy va muqobil manbalar

Galvanik elementda rux eritmaga ion bo‘lib o‘tadi: $Zn \to {Zn}^{2 +} + 2 e^{-}$ , elektronlar ruxda qolib, uni manfiy qiladi. Misda vodorod ionlari elektronlarni olib, gaz pufakchalariga aylanadi: $2 H^{+} + 2 e^{-} \to H_{2}$ . Limonda ham xuddi shu jarayon — mis erimaydi, limon sharbati elektrolit vazifasini bajaradi. Eritma ichida tokni ionlar tashiydi (batafsil — «Elektroliz» tajribasida). Akkumulyatorda reaksiya qaytar: zaryadlashda tashqi manba uni teskari yo‘nalishda yuritadi; 12 V, 60 A·soat akkumulyator ≈ $12 \cdot 60 \cdot 3600 \approx 2,6$ MJ energiya saqlaydi. Muqobil manbalar: quyosh elementi (p–n o‘tishdagi fotoeffekt — «Yarimo‘tkazgichlar» tajribasi), shamol va suv generatorlari, termoelementlar.

EYuK va ichki qarshilikni o‘lchash; model

1) Ochiq zanjirda voltmetr EYuK ni ko‘rsatadi, agar uning qarshiligi $R_{V} ≫ r$ bo‘lsa. 2) ** $U$ – $I$ grafigi**: turli $R$ da nuqtalar yozing; to‘g‘ri chiziq $U = ε - r I$ ning $U$ o‘qi bilan kesishgan joyi — $ε$ , og‘maligi — $r$ . 3) Kompensatsiya usuli: bir jinsli simda kuchlanish uzunlikka proporsional; galvanometr nol ko‘rsatganda tekshirilayotgan elementdan tok o‘tmaydi, shuning uchun uning $r$ i ta’sir qilmaydi: $ε_{x} = ε_{n} L_{x} / L_{n}$ (Veston etaloni $ε_{n}$ = 1,0186 V). Model: ampermetr va voltmetr ideal (kompensatsiya rejimidagi solishtirishdan tashqari), $r$ o‘zgarmas, akkumulyator EYuK i zaryadlanish darajasiga chiziqli bog‘liq va jarayon 600 marta tezlashtirilgan, limon va Volta elementining $r$ i taxminiy, lampa qarshiligi o‘zgarmas.

Bilasizmi?

Birinchi kimyoviy tok manbaini — rux va mis disklari orasiga sho‘r suvga ho‘llangan karton qo‘yilgan «Volta ustuni»ni — italyan olimi Alessandro Volta 1800-yilda yaratgan; kuchlanish birligi volt uning sharafiga nomlangan.
Avtomobil akkumulyatori 6 ta ketma-ket ulangan qo‘rg‘oshin-kislotali elementdan iborat: to‘liq zaryadlangan har bir element taxminan 2,1 V beradi, jami ≈ 12,6 V.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Elektrlanish, Kulon qonuni — 7-sinf
Elektr zanjiri, Om qonuni — 7-sinf
O‘tkazgich, dielektrik, chaqmoq — 7-sinf
Elektr tokining ishi va quvvati — 8-sinf
Elektr dvigatel — 8-sinf
Qutb yog‘dusi va Lorens kuchi — 8-sinf
Elektr maydon va potensial — 8-sinf
Kondensator va elektr sig‘imi — 8-sinf
Sxemalar va Kirxgof qoidalari — 8-sinf
Metallarda elektr toki — 8-sinf