Как найти напряжение на полюсах батареи

На этой странице вы найдете ответ на вопрос Как определить напряжение на батарее( источнике) ?. Вопрос
соответствует категории Физика и уровню подготовки учащихся 5 – 9 классов классов. Если ответ полностью не удовлетворяет критериям поиска, ниже можно
ознакомиться с вариантами ответов других посетителей страницы или обсудить с
ними интересующую тему. Здесь также можно воспользоваться «умным поиском»,
который покажет аналогичные вопросы в этой категории. Если ни один из
предложенных ответов не подходит, попробуйте самостоятельно сформулировать
вопрос иначе, нажав кнопку вверху страницы.

Мультиметр – удобный многофункциональный прибор, с помощью которого легко проверить работоспособность аккумулятора. Этот компактный прибор объединяет функции вольтметра, амперметра и омметра. Соответственно, он позволяет с высокой точностью измерить напряжение элементов питания. Кроме того, с его помощью можно определить уровень заряда аккумулятора, его емкость, внутреннее сопротивление и работоспособность в целом.

Измерение напряжения

Чтобы проверить работоспособность литий-ионного аккумулятора или накопителя энергии с другим химическим составом, нужно определить его напряжение. Для этого переводим мультиметр в режим DC. В зависимости от номинального напряжения АКБ, выбираем подходящий режим по вольтажу. Например, если номинальное значение в пределах 20 В, устанавливаем переключатель в позицию 20 В.

Затем:

• черный щуп мультиметра подсоединяем к «–» клемме, а красный – к «+»;
• отслеживаем на дисплее напряжение постоянного тока;
• сопоставляем измеренное значение с номинальным.

Каким должно быть напряжение конкретной модели АКБ, можно посмотреть в документации или рассчитать самостоятельно. Например, Li-ion аккумуляторы имеют номинальное напряжение 3,6 или 3,7 В и диапазон рабочих величин (от разряженного состояния до заряженного) – от 2,5 до 4,2 В. При последовательном соединении элементов их вольтаж суммируется.

В таблице представлены значения напряжения для разных вариантов Li-ion батарей, в зависимости от количества последовательно соединенных «банок»:

У аккумуляторов типа LiFePO4 номинальное напряжение составляет 3,2 В на ячейку, а диапазон рабочих величин – от 2,1 до 3,65 В. В таблице приведены значения вольтажа (минимум/номинал/максимум) для литий-железо-фосфатных АКБ в разных версиях сборки:

Определение уровня заряда АКБ

Рассмотрим, как проверить зарядку аккумулятора с помощью мультиметра. Определить уровень заряженности батареи можно по измеренной величине напряжения. Если измеренный вольтаж близок к максимальному значению для данной АКБ, она заряжена и готова к использованию. Если же он близок к минимальной границе, батарею необходимо зарядить. Если напряжение критически низкое, АКБ непригодна для эксплуатации, подлежит утилизации и замене.

В таблице приведены ориентировочные значения вольтажа АКБ разных типов (в вольтах) в зависимости от уровня заряда:

Измерение емкости

Мультиметр может служить тестером для определения емкости АКБ. Для этого производится контрольный разряд предварительно заряженной батареи. Вначале по максимуму заряжаем АКБ и измеряем ее напряжение. Затем подключаем к ней нагрузку известной мощности, к примеру, лампу на 24 Вт. Засекаем время и периодически замеряем вольтаж АКБ.

Для этого подключаем к полюсам батареи мультиметр в режиме DC и устанавливаем переключатель в позицию 20 В. Отслеживаем снижение напряжения под нагрузкой. Когда его значение достигнет допустимого минимума (для литий-ионных АКБ – 2,5 В на ячейку, для LiFePO4 – 2,1 В на ячейку), отключаем батарею от нагрузки.

Для расчета емкости батареи (в ампер-часах) умножаем мощность подключенной нагрузки (в ваттах) на время работы (в часах) и делим на номинальное напряжение (в вольтах). Например, если батарея номинальным вольтажом 18 В под нагрузкой 24 Вт разряжалась 2 часа получаем: (24 Вт х 2 ч)/18 В = 2,67 А·ч. По полученному значению емкости легко рассчитать время работы АКБ при ее подключении к нагрузке другой мощности.

О чем говорит емкость АКБ?

Если значение емкости, рассчитанное при контрольном цикле заряд-разряд, примерно соответствует номинальной величине, батарея исправна и работоспособна. В среднем Li-ion элементы форм-фактора 18650 имеют емкость от 1500 до 3600 мА·ч, а ячейки размера 21700 – от 3000 до 5000 мА·ч.

Если рассчитанная емкость намного ниже номинального значения, это говорит об износе, неисправности аккумуляторов и критическом падении их технических характеристик. В среднем емкость литиевых АКБ снижается на 20% после выработки 700–1000 циклов заряд-разряд, а у моделей технологии LiFePO4 – после 2000 циклов. Затем накапливаемый объем энергии постепенно снижается, и время автономной работы АКБ уменьшается. Но элементы питания могут выйти из строя до исчерпания циклического ресурса, например, если будут долго храниться в разряженном состоянии.

Замер внутреннего сопротивления

Для определения внутреннего сопротивления ячеек необходимо:

1. Подключить к батарее лампочку, электродвигатель, электроинструмент или другую нагрузку на 5–10 секунд.
2. Измерить мультиметром напряжение на клеммах. Записать его значение.
3. Отключить нагрузку.
4. Снова измерить напряжение на полюсах АКБ. Записать его значение.
5. От первого измеренного значения вольтажа вычесть второе. При токе нагрузки в 100 А допустимая потеря напряжения составляет 1 В, при токе 5 А – порядка 0,05 В. Больший разброс между измеренными значениями свидетельствует об износе АКБ.
6. Полученное число разделить на номинальный вольтаж батареи. Для перевода в проценты умножить на 100. При величине до 0,4% внутреннее сопротивление считается допустимым, а аккумуляторы – рабочими. При больших значениях использовать источники питания опасно.

На что влияет внутреннее сопротивление?

От этого параметра зависит склонность элементов питания к нагреву при токовых нагрузках. При высоких значениях внутреннего сопротивления прохождение тока затрудняется, происходит нагрев элементов и еще больше снижается токоотдача. При использовании в мощном оборудовании из-за перегрева срабатывает плата защиты и происходит отключение АКБ от нагрузки. Поэтому при выборе элементов питания необходимо сопоставлять их внутреннее сопротивление и мощность подключаемого электрооборудования.

Например, для использования в электронных сигаретах, шуруповертах и электротранспорте нужны АКБ с низким сопротивлением. Из-за хорошей токоотдачи их называют высокотоковыми. Например, у аккумуляторов 18650 Samsung с рабочими токами 15 А внутреннее сопротивление находится в диапазоне 12–15 мОм. Это низкие значения, характерные для высокотоковых элементов. Средними считаются показатели 35–42 мОм. Они рассчитаны на меньшие токовые нагрузки.

От чего зависит R_вн?

Внутреннее сопротивление элементов питания зависит от их химического состава, уровня заряженности, нагрузки, температуры и особенно увеличивается при использовании на морозе. В таких условиях химические процессы протекают медленнее, особенно у Li-ion и Li-Pol элементов. Модели типа LiFePO4 и LTO более адаптированы для работы при низких температурах, т.к. у них внутреннее сопротивление увеличивается незначительно.

Выводы

В вопросе, как правильно проверить аккумулятор мультиметром, все начинается с измерения напряжения. Если его значение не упало ниже допустимого минимума, это хорошо. Иначе аккумулятор негоден. По величине измеренного напряжения определяется ориентировочный уровень заряда АКБ.

Дальнейшая проверка «живого» аккумулятора производится после его полной зарядки. Засекается время, и АКБ разряжается под действием нагрузки известной мощности. Зная значения мощности нагрузки, времени разряда и номинального напряжения, можем рассчитать емкость аккумулятора. От нее зависит время автономной работы оборудования и, например, дальность пробега электротранспорта на 1 заряде.

Далее измеряем внутреннее сопротивление ячеек. На несколько секунд подключаем нагрузку и замеряем напряжение на клеммах АКБ. Следующий замер делаем после отключения нагрузки. Сопоставляем полученную разницу с допустимыми значениями. Если сопротивление в пределах 30 мОм, такие элементы питания подходят для использования при высоких токовых нагрузках.

Эти простые способы позволяют проверить работоспособность элементов питания и их технические характеристики.

Читайте в нашем блоге о выборе АКБ для газонокосилок и садовой техники.

При последовательном соединении проводников:

5 
Общее сопротивление:

     

     
 

6 
Сила тока:   

     
,   .

Постоянный ток

На карточке изображена схема  электрической цепи для
питания электрической лампы через реостат от батареи аккумуляторов.
Сопротивление реостата и лампы указаны в карточке. Используя эти данные и
показания приборов, выполните задания, ответьте на вопросы.

1 
Определите цену деления шкалы
амперметра и указываемую им силу тока.

2 
Определите цену деления шкалы
вольтметра.

3 
Каково напряжение на полюсах
батареи?

4 
Вычислите напряжение: а)  на лампе;
б) на реостате.

5 
Какова плотность тока: а) в
проводе реостата, если диаметр его проволоки 0,8мм; б) в нити лампы,
если площадь поперечного сечения нити 0,08мм²?

6 
Рассчитайте мощность тока: а) в
лампе; б) в реостате.

7 
Какое количество теплоты выделится
за t мин: а) в лампе; б) в реостате? (Время t указано в карточках).

8 
Какими станут напряжение,
сопротивление и сила тока, если лампу включить параллельно реостату? При этом
показания вольтметра уменьшатся на 30% (почему?).

9 
Вычислите внутреннее сопротивление
и э. д. с. батареи из сравнения показаний измерительных приборов при
последовательном и параллельном соединениях лампы и реостата.

10 
Что покажет амперметр, если между
ним и реостатом включить аккумулятор с э. д. с. 1,2В и внутренним
сопротивлением 0,2Ом: а) при направлении э. д. с., совпадающем с
направлением э. д. с. основного источника; б) при противоположном направлении.

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

Вариант 5

Вариант 6

Вариант 7

Вариант 8

Вариант 9

Вариант 10

Вариант 11

Вариант 12

Постоянный ток

Образец решения

Вариант 8

На карточках изображена схема электрической цепи для
питания электрической лампы через реостат от батареи аккумуляторов.
Сопротивление лампы и реостата указаны на схеме, а измерительные приборы
показывают силу тока в цепи и напряжение на полюсах батареи при замкнутом
ключе. (Размеры изображения измерительных приборов на схеме намеренно увеличены
для более свободного размещения делений и оцифровки шкал.)  

Пример решения для карточки

1 
Цена деления шкалы амперметра 
0,02А

Сила
тока в цепи:

2 
Цена деления шкалы вольтметра 
0,4В

3 
Напряжение на полюсах батареи  U=4,8В

4 
Напряжение  U=IR:

а) на лампе: U_л
= 0,12А 10 Ом = 1,2В

                       
б) на реостате: U_p = 0,12A 30 Ом = 3,6В

5 Плотность
тока j = I/S

                       
а) в нити лампы: S = 0,08 мм²

                   
        j_л = 0,12А/(8 10^{-8 м2}) = 50 10⁶  А/м²

                       
б) в проводе реостата:

                           
S = 3,14d²/4  ,  S =
3,14 (8 10^-4)²
/ 4 м² = 5010^{-8 м2}

                            
Jp = 0,12А/50 10^{-8 м2}
 = 0,24 10 А/м²

6 Мощность
тока P = I² R:

                 
а) в лампе: P_л = 0,12²
А²  10 Ом
= 0,144 Вт

                 
б) в реостате: P_л = 0,12²
А²  30 Ом =
0,432 Вт

7
Количество теплоты в джоулях: Q = J² Rt:

                 
а) в лампе: Q_л = 0,12²
А²  10 Ом  60 сек 8,6
Дж

                 
б) в реостате: Q_p = 0,12² A²  30 Ом  60 сек 29 Дж

Так,
для карточки №8 при последовательном соединение:

     
I_nc = 0,12 A, U_nc = 4,8 B, a R_nc = 10 Ом + 30 Ом = 40 Ом

8 При
параллельном соединении:

U_пр = 0,7 U_nc ,  U_пр = 0,7  4,8 В,   U_пр= 3,36 В,  
U_пр 3,4 В;

R_пр = R_л  R_p / (R_л + R_p) , R_пр = 10  30 / (10 +
30) Ом = 7,5 Ом

 I_пр = U_пр / (R_пр) , I_пр = 3,36
В / (7,5 Ом) = 0,448 А 0,45 А

9 Э.
Д. С. и внутреннее сопротивление батареи:

Условие задачи:

ЭДС батареи равна 1,55 В. При замыкании ее на нагрузку сопротивлением 3 Ом напряжение на полюсах батареи становится 0,95 В. Каково ее внутреннее сопротивление?

Задача №7.2.8 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(rm E=1,55) В, (R=3) Ом, (U=0,95) В, (r-?)

Решение задачи:

Напряжение на полюсах батареи (U) можно определить по такой формуле:

[U = IR;;;;(1)]

Здесь (I) – сила тока, протекающего через батарею, а (R) – внешнее сопротивление (сопротивление нагрузки).

Силу тока (I) определим, применив закон Ома для полной цепи:

[I = frac{{rm E}}{{R + r}}]

Учитывая (1), имеем:

[U = frac{{{rm E} cdot R}}{{R + r}}]

Из полученного равенства нам нужно выразить внутреннее сопротивление (r), чем мы сейчас и займемся:

[R + r = frac{{{rm E}R}}{U}]

[r = frac{{{rm E}R}}{U} – R]

[r = Rleft( {frac{{rm E}}{U} – 1} right)]

Задача решена, теперь посчитаем численный ответ:

[r = 3 cdot left( {frac{{1,55}}{{0,95}} – 1} right) = 1,9;Ом]

Ответ: 1,9 Ом.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

7.2.7 ЭДС аккумуляторной батареи равна 12 В, внутреннее сопротивление 0,06 Ом, а сопротивление
7.2.9 В цепи, состоящей из источника тока с ЭДС 3 В и резистора сопротивлением 20 Ом
7.2.10 ЭДС элемента 15 В. Ток короткого замыкания равен 20 А. Чему равно внутреннее сопротивление