Obwody elektryczne Opór elektryczny Prawo Ohma

Siła elektromotoryczna, prawo Ohma dla obwodu zamkniętego

Aby w obwodzie elektrycznym utrzymać prąd, potrzebujemy źródła energii elektrycznej. Takimi źródłami są, np. baterie i generatory elektryczne. Nazywamy je źródłami siły elektromotorycznej SEM. W urządzeniach tych otrzymujemy energię elektryczną w wyniku przetwarzania innej energii, np. energii chemicznej w bateriach, a energii mechanicznej w generatorach.

Siła elektromotoryczna \( \epsilon \) określa energię elektryczną \( \Delta W \) przekazywaną jednostkowemu ładunkowi \( \Delta q \) w źródle SEM

(1)

\( {\epsilon =\frac{\mathit{\Delta W}}{\mathit{\Delta q}}} \)

Definicja 1: Definicja SEM

Miarą SEM jest różnica potencjałów (napięcie) na biegunach źródła prądu w warunkach, kiedy przez ogniwo nie płynie prąd (ogniwo otwarte).

Natomiast gdy czerpiemy prąd ze źródła, napięcie między jego elektrodami, nazywane teraz napięciem zasilania \( U_{z} \), maleje wraz ze wzrostem pobieranego z niego prądu. Dzieje się tak dlatego, że każde rzeczywiste źródło napięcia posiada opór wewnętrzny \( R_{w} \). Napięcie zasilania jest mniejsze od SEM właśnie o spadek potencjału na oporze wewnętrznym

(2)

\( {U_{{z}}=\epsilon -{IR}_{{w}}} \)

Z tej zależności wynika, że \( U_{z} = \epsilon \), gdy \( I = 0 \)

Typowe wartości oporu wewnętrznego różnych źródeł są zestawione w Tabela 1.

Tabela 1: Wartości oporu wewnętrznego dla wybranych źródeł SEM

Źródło prądu	Opór wewnętrzny
akumulator	kilka m \( \Omega \)
stabilizator sieciowy	1-50m \( \Omega \)
bateria typu R20	1-3 \( \Omega \)
mikrofon	ok. 600 \( \Omega \)
ogniwo słoneczne	5-100k \( \Omega \)

Rozpatrzmy teraz pokazany na Rys. 1 najprostszy obwód zamknięty. Linią przerywaną zaznaczono rzeczywiste źródło prądu, tj. źródło siły elektromotorycznej \( \epsilon \) oraz opór wewnętrzny \( R_{w} \). Opornik zewnętrzny \( R_{z} \) przedstawia odbiornik mocy nazywany obciążeniem (np. żarówka, głośnik), a \( U_{z} \) jest napięciem zasilania (na biegunach źródła).

Rysunek 1: Obwód zamknięty zawierający źródło SEM i odbiornik mocy

Posłużymy się teraz równaniem ( 1 ), aby znaleźć natężenie prądu w tym obwodzie zamkniętym. Przekształcając ten wzór otrzymujemy

(3)

\( {\epsilon =U_{{z}}+{IR}_{{w}}} \)

Zgodnie z prawem Ohma \( U_{z} = IR_{z} \) więc

Prawo 1: Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego

(4)

\( {\epsilon =I(R_{{w}}+R_{{z}})} \)

Wzór ( 4 ) wyraża prawo Ohma dla obwodu zamkniętego.

Symulacja 1: Siła elektromotoryczna baterii (SEM)

Pobierz symulację

Sprawdź jak działa bateria. Ustaw napięcie baterii, a zobaczysz ruch ładunków pomiędzy jej końcami. Napięcie na baterii możesz odczytać na woltomierzu.

Autor: PhET Interactive Simulations University of Colorado