Как найти внутреннее сопротивление зная внешнее

Что означает внутреннее сопротивление?

Поскольку ток в цепи нигде не прерывается, то и внутри источника он течет. В такой ситуации можно сказать, что любой источник обладает некоторым внутренним сопротивлением, препятствующим току. Это внутреннее сопротивление характеризует источник тока и обозначается буквой r.

Внутреннее сопротивление источника тока .

Пусть имеется простая замкнутая цепь, состоящая из источника тока (например, гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора с сопротивлением R. Ток в замкну­той цепи не прерывается нигде, следовательно, oн существует и внутри источника тока. Любой источник представляет собой некоторое сопротивление дли тока. Оно называется внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой r.

В генераторе r — это сопротивление обмотки, в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.

Таким образом, источник тока характеризуется величинами ЭДС и внутреннего сопротивлении, которые определяют его качество. Например, электростатические машины имеют очень большую ЭДС (до десятков тысяч вольт), но при этом их внутреннее сопротивление огромно (до со­тни Мом). Поэтому они непригодны для получения сильных токов. У гальванических элементов ЭДС всего лишь приблизительно 1 В, но зато и внутреннее сопротивление мало (приблизительно 1 Ом и меньше). Это позволяет с их помощью получать токи, измеряемые амперами.

Внутреннее сопротивление источника ЭДС

Дело все в том, что в аккумуляторе «спрятано» сопротивление, которое условно говоря, цепляется последовательно с источником ЭДС аккумулятора. Называется оно внутренним сопротивлением или выходным сопротивлением. Обозначается маленькой буковкой «r «.

Выглядит все это в аккумуляторе примерно вот так:

Цепляем лампочку

Итак, что у нас получается в чистом виде?

Лампочка — это нагрузка, которая обладает сопротивлением. Значит, еще больше упрощаем схему и получаем:

Имеем идеальный источник ЭДС, внутреннее сопротивление r и сопротивление нагрузки R. Вспоминаем статью  делитель напряжения. Там говорится, что напряжение источника ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

На резисторе R падает напряжение UR , а на внутреннем резисторе r падает напряжение Ur .

Теперь вспоминаем статью делитель тока. Сила тока, протекающая  через последовательно соединенные сопротивления везде одинакова.

Вспоминаем алгебру за 5-ый класс и записываем все то, о чем мы с вами сейчас говорили. Из закона Ома для участка цепи получаем, что

Далее

Закон Ома для полной цепи

Итак, последнее выражение носит название «закон Ома для полной цепи»

где

Е — ЭДС источника питания, В

R — сопротивление всех внешних элементов в цепи, Ом

I — сила ток в цепи, А

r — внутреннее сопротивление источника питания, Ом

Как измеряется внутреннее сопротивление

Для определения значения рассматриваемой характеристики применяются измерения во время прямого замыкания клемм, которое называют коротким замыканием. Как известно, если закоротить клеммы источника, между ними протечёт значительный ток. Часто это является следствием неосторожности и приводит к обгоранию изоляции и расплавлению провода.

При коротком замыкании сопротивление цепи становится минимальным. Точно измерив силу тока в этой ситуации и зная величину напряжения на клеммах при отсутствии нагрузки, можно определить внутреннее сопротивление источника питания. Для этого понадобится следующая формула:

r = U / I(зам), где

• буквой r обозначено внутреннее сопротивление источника тока;
• U — разность потенциалов на клеммах батареи без подсоединения к электрической цепи;
• I(зам) — ток, который проходит при непосредственном замыкании клемм друг на друга.

Находить значение нагрузки таким образом не всегда возможно или целесообразно, поскольку короткое замыкание может стать причиной серьезной аварии.

Поэтому используются другие решения вопроса, как найти внутреннее сопротивление источника. Например, с помощью специальных измерительных приборов. Функцией измерения данного параметра снабжены оригинальные зарядные устройства iMax B6, ToolkinRC M8,  M6, M600.

Зачем нужно знать внутреннее сопротивление

На первый взгляд может показаться, что наличие внутреннего сопротивления интересно только с теоретической точки зрения. На самом деле в некоторых ситуациях знать чему оно равно бывает жизненно важным.

Одна из таких ситуаций — определение работоспособности автомобильного аккумулятора. Его внутреннее сопротивление не является постоянным. Оно изменяется под воздействием различных факторов и влияет на напряжение на клеммах. Чтобы быть уверенным в работоспособности оборудования, нужно не только уметь найти его внутреннее сопротивление, но и знать, какая его величина соответствует норме.

На внутреннее сопротивление источника питания могут оказывать влияние такие факторы:

• Температурные условия. Чем холоднее, тем с меньшей скоростью в аккумуляторе протекают химические процессы. Это приводит к увеличению внутреннего сопротивления и постепенному уменьшению напряжения на клеммах.
• Срок службы аккумулятора. У новых устройств внутреннее сопротивление имеет минимальную величину. Постепенно оно начинает расти. Это связано с тем, что в аккумуляторе происходит необратимый химический процесс. В некоторых случаях он  относительно медленный, а в других может быть довольно заметным. Последнее, например, относится к свинцово-кислотным аккумуляторам.
• Емкость аккумулятора.
• Иногда на устройство может оказываться механическое воздействие, из-за которого появляются внутренние обрывы.
• Количество используемого электролита.
• Ток, который создаётся батареей, зависит от нагрузки цепи. В зависимости от него меняется сопротивление.

Влияние большого количества факторов приводит к тому, что в качестве нормального можно рассматривать различные значения внутреннего сопротивления. Однако его стандартным увеличением за год принято считать 5%. Если эта норма превышена, значит, на исправность аккумулятора нужно обратить особое внимание.

При анализе стоит принимать во внимание не только те значения, которые указаны в технической документации. Необходимо учитывать и то, насколько интенсивно происходят изменения сопротивления со временем. Это даст более точную информацию об исправности батареи и поможет понять, чего нужно добиваться, чтобы обеспечить работоспособность оборудования.

Один из наиболее простых способов измерения внутреннего сопротивления можно продемонстрировать на следующем примере. Его применение возможно при условии, что ЭДС аккумулятора известна.

ЭДС (ℰ, единица измерения — вольты, В) — это электродвижущая сила источника питания, равная отношению работы сторонних сил по перемещению заряда от отрицательного полюса источника к положительному к величине этого заряда: ℰ=A/q. Если к источнику питания не подключена нагрузка, то ЭДС по своему значению равно напряжению на его клеммах.

Будет рассмотрена ситуация, когда ЭДС равна 1.5 В. Составляется электрическая цепь, в которой выходы аккумулятора присоединяются к электрической лампочке. Измеряется падение напряжения на ней и ток, проходящий через цепь. Они, соответственно, равны 1.2 В и 0.3 А.

Цифры, которые здесь приводятся, являются условными. При измерении мастер может выбрать другой тип электрической нагрузки, если сочтёт это необходимым.

По закону Ома можно определить сопротивление лампочки:

R = U / I = 1.2 / 0.3 = 4 Ом.

В этой формуле буквой R обозначается полное сопротивление цепи. Его можно выразить, как сумму r + R, где r — внутреннее и R — обычное сопротивление.

Тогда: R + r = ℰ / I

Из этой формулы определяется r = ℰ / I − R = 1.5 / 0.3 − 4 = 1 Ом.

Важным условием нахождения значения r является знание величины электродвижущей силы. Эта характеристика имеет максимальное значение у новых и хорошо заряженных батарей. Те, что уже долго были в использовании, могут иметь значительно меньшую ЭДС вследствие разряда, износа, который часто связан с необратимыми химическими процессами в аккумуляторе.

Для определения ℰ необходимо отключить любую нагрузку от клемм источника питания и подключить вольтметр или мультиметр в режиме измерения напряжения. Прибор покажет значение ЭДС. Почему — это легко понять. По закону Ома для полной цепи:

I = ℰ / (R + r),

так как вольтметр имеет сопротивление R→∞, то ток I≈0. Следовательно напряжение на клеммах равно ЭДС:

U = I·R = ℰ – I·r = ℰ.

Также следует упомянуть, что нулевым внутренним сопротивлением «r» обладает только идеальный генератор напряжения. Также существуют элементы с большим внутренним сопротивлением — это разные датчики, источники сигналов, а r=∞ обладает только идеальный источник тока. Помимо этого, существуют двухполюсники с отрицательным значением r, его можно получить в схемах с обратной связью и в элементах с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Расчеты применимы не только для аккумулятора, но и для любого другого источника тока, например, гальванической батареи, двухполюсника, петли фаза-нуль. Использовать эти знания можно для согласования источника и нагрузки, понижения высоких напряжений и минимизации шума.

Расчет внутреннего сопротивления источника напряжения

Реальные источники напряжения обладают собственным электрическим сопротивлением, которое называется «внутреннее сопротивление». Присоединенная на выводы источника нагрузка обозначается под названием «внешнее сопротивление» – R.

Батарея аккумуляторов генерирует ЭДС:

ε = E/Q, где:

• Е – энергия (Дж);
• Q – заряд (Кл).

Суммарная ЭДС аккумуляторного элемента является напряжением его разомкнутой цепи при отсутствии нагрузки. Его можно проконтролировать с хорошей точностью цифровым мультиметром. Разность потенциалов, измеренная на выходных контактах батареи, когда она включена на нагрузочный резистор, составит меньшую величину, чем ее напряжение при незамкнутой цепи, по причине протекания тока через нагрузочное внешнее и через внутреннее сопротивление источника, это приводит к рассеиванию энергии в нем как теплового излучения.

Внутреннее сопротивление аккумулятора с химическим принципом действия находится между долей ома и несколькими омами и в основном связано с сопротивлением электролитических материалов, используемых при изготовлении батареи.

Если резистор сопротивлением R подсоединить к батарее, ток в цепи I = ε/(R + r).

Внутреннее сопротивление – не постоянная величина. На него влияет род батареи (щелочная, свинцово-кислотная и т. д.), оно изменяется в зависимости от нагрузочного значения, температуры и срока использования аккумулятора. К примеру, у разовых батареек внутреннее сопротивление возрастает во время использования, а напряжение в связи с этим падает до прихода в состояние, непригодное для дальнейшей эксплуатации.

Если ЭДС источника – заранее данная величина, внутреннее сопротивление источника определяется, измеряя ток, протекающий через нагрузочное сопротивление.

1. Так как внутреннее и внешнее сопротивление в приближённой схеме включены последовательно, можно использовать законы Ома и Кирхгофа для применения формулы:

1. Из этого выражения r = ε/I — R.

Пример.

Аккумулятор с известной ЭДС ε = 1.5 В и соединен последовательно с лампочкой. Падение напряжения на лампочке составляет 1,2 В. Следовательно, внутреннее сопротивление элемента создает падение напряжения: 1,5 — 1,2 = 0,3 В. Сопротивление проводов в цепи считается пренебрежимо малым, сопротивление лампы не известно. Измеренный ток, проходящий через цепь: I = 0,3 А. Нужно определить внутреннее сопротивление аккумулятора.

1. По закону Ома сопротивление лампочки R = U/I = 1,2/0,3 = 4 Ом;
2. Теперь по формуле для расчета внутреннего сопротивления r = ε/I — R = 1,5/0,3 — 4 = 1 Ом.

В случае короткого замыкания внешнее сопротивление падает почти до нуля. Ток может ограничивать свое значение только маленьким сопротивлением источника. Сила тока, возникающая в такой ситуации, настолько велика, что источник напряжения может быть поврежден тепловым воздействием тока, существует опасность возгорания. Риск пожара предотвращается установкой предохранителей, например, в цепях автомобильных аккумуляторов.

Внутреннее сопротивление источника напряжения – важный фактор, когда решается вопрос, как передать наиболее эффективную мощность подсоединенному электроприбору.

Важно!

Максимальная передача мощности происходит, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки.

Однако при этом условии, помня формулу Р = I² x R, идентичное количество энергии отдается нагрузке и рассеивается в самом источнике, а его КПД составляет всего 50%.

Требования нагрузки должны быть тщательно рассмотрены для принятия решения о наилучшем использовании источника. Например, свинцово-кислотная автомобильная батарея должна обеспечивать высокие токи при сравнительно низком напряжении 12 В. Ее низкое внутреннее сопротивление позволяет ей это делать.

В некоторых случаях источники питания высокого напряжения должны иметь чрезвычайно большое внутреннее сопротивление, чтобы ограничить ток к. з.

Нахождение внутреннего сопротивления

Его можно находить двумя путями: рассчитать или измерить. Первым путём идут при работе с электрическими схемами, второй – выбирают, занимаясь с реальными устройствами.

Простой расчёт производится с использованием формулы Закона Ома для участка полной цепи:

Чтобы узнать силу тока, нужно напряжение ЭДС делить на сумму сопротивлений.

Выразив отсюда r, получают формулу для его вычисления:

где:

• r – внутреннее сопротивление источника;
• ε – ЭДС источника;
• I – сила тока в полной цепи;
• R – сопротивление в полной цепи.

Комплекс измерений этого параметра у настоящего устройства не подразумевает непосредственных замеров. Тестируются напряжения на нагрузочном сопротивлении в двух режимах тока: холостом и КЗ.

Так как не любой источник может выдержать даже кратковременный режим замыкания, берётся метод измерения без вычислений.

В схему включается внешнее сопротивление нагрузки в виде подстроечного резистора Rн. Выставляется такое значение, при котором падение напряжения на резисторе равнялось бы 1/2 U холостого хода. Тогда измеренное омметром Rн будет соответствовать внутреннему сопротивлению источника.

Таблица удельных сопротивлений различных материалов

Удельное сопротивление ρ, Ом*мм2/м	Удельное сопротивление ρ, Ом*мм2/м
Алюминий	0,028
Бронза	0,095 – 0,1
Висмут	1,2
Вольфрам	0,05
Железо	0,1
Золото	0,023
Иридий	0,0474
Константан ( сплав Ni-Cu + Mn)	0,5
Латунь	0,025 – 0,108
Магний	0,045
Манганин (сплав меди марганца и никеля – приборный)	0,43 – 0,51
Медь	0,0175
Молибден	0,059
Нейзильбер (сплав меди цинка и никеля)	0,2
Натрий	0,047
Никелин ( сплав меди и никеля)	0,42
Никель	0,087
Нихром ( сплав никеля хрома железы и марганца)	1,05 – 1,4
Олово	0,12
Платина	0.107
Ртуть	0,94
Свинец	0,22
Серебро	0,015
Сталь	0,103 – 0,137
Титан	0,6
Хромаль	1,3 – 1,5
Цинк	0,054
Чугун	0,5-1,0

Ответ: нить накаливания сделана из константана.

Когда «сопротивление бесполезно»

Электрический ток — умный и хитрый парень. Если у него есть возможность обойти резистор и пойти по идеальному проводнику без сопротивления, он это сделает. При этом с резисторами просто разных номиналов это не сработает: он не пойдет просто через меньшее сопротивление, а распределится согласно закону Ома — больше тока пойдет туда, где сопротивление меньше, и наоборот.

А вот на рисунке ниже сопротивление цепи равно нулю, потому что ток через резистор не пойдет.

Ток идет по пути наименьшего сопротивления.

Теперь давайте посмотрим на закон Ома для участка цепи еще раз.

Подставим сопротивление, равное 0. Получается, что знаменатель равен нулю, а на математике говорят, что на ноль делить нельзя. Но мы вам раскроем страшную тайну, только не говорите математикам: на ноль делить можно. Если совсем упрощать такое сложное вычисление (а именно потому что оно сложное, мы всегда говорим, что его нельзя производить), то получится бесконечность.

То есть:

I = U/0 = ∞

Такой случай называют коротким замыканием — когда величина силы тока настолько велика, что можно устремить ее к бесконечности. В таких ситуациях мы видим искру, бурю, безумие — и все ломается.

Это происходит, потому что две точки цепи имеют между собой напряжение (то есть между ними есть разница). Это как если вдоль реки неожиданно появляется водопад. Из-за этой разницы возникает искра, которую можно избежать, поставив в цепь резистор.

Именно во избежание коротких замыканий нужно дополнительное сопротивление в цепи.

Измерение внутреннего сопротивления.

Существует несколько методик измерения внутреннего сопротивления. Две из них прописаны в ГОСТ Р МЭК 61960-2007. Перед замером любым из приведенных ниже методов аккумулятор должен быть полностью заряжен. Испытания проводятся при температуре 20±5ºC.

Измерение внутреннего сопротивления методом переменного тока (а.с.)

С помощью этого метода измеряется импеданс, который на частоте 1000 Гц приблизительно равен сопротивлению.

Электрический импеданс  (комплексное электрическое сопротивление) (англ. impedance от лат. impedio «препятствовать») — комплексное сопротивление между двумя узлами цепи или двухполюсника для гармонического сигнала.

Описание методики из ГОСТ

В течение одной – пяти секунд измеряем среднеквадратичное значение переменного напряжения Urms, возникающего при прохождении через аккумулятор переменного тока со среднеквадратичным значением Irms , следующего с частотой 1000 Гц. Внутреннее сопротивление Ra.c., Ом рассчитываем по формуле Ra.c.= Urms / Irms .

Irms (rms – Root Mean Square – среднеквадратичное значение).

Переменный ток должен иметь такое значение, чтобы пиковое напряжение не превышало 20 мВ.

Этот метод сложно воплотить в домашних условиях без специального оборудования. Популярный прибор YR1035 отлично справляется с измерениями с точностью 0,01 мОм. Зарядные устройства SKYRC MC3000 ,Opus BT-C3100V2.2, Liitokala Lii-500 также измеряют методом АС, но весьма с посредственной точностью.

Измерение внутреннего сопротивления методом постоянного тока (d.c.)

Этот метод возможно выполнить в домашних условиях с помощью обычных вольтметра и амперметра и пары подходящих нагрузочных сопротивлений. В качестве сопротивлений вполне можно использовать несколько автомобильных ламп накаливания или импровизированный резистор из нихромовой проволоки.

Описание метода из ГОСТ

• Разряжаем аккумулятор постоянным током I1= 0,2 Iн. На десятой секунде измеряем значение напряжения U1 на клеммах аккумулятора.
• Увеличиваем разрядный ток до значения I2=Iн. На следующей секунде измеряем значение напряжения U2 на клеммах аккумулятора.

Внутреннее сопротивление Rd.c., Ом рассчитываем по формуле Rd.c. = (U1-U2)/(I2-I1)

• Iн – номинальный ток разряда аккумулятора.

Схема для измерения внутреннего сопротивления по методике постоянного тока (d.c.)

Сопротивление R1 и R2 подбирается таким образом, чтобы протекали токи I1 и I2 нужной величины. Ориентироваться нужно на номинальный разрядный ток аккумулятора.

Вольтметр необходимо подключать непосредственно на полюса источника, чтобы исключить влияние от падения напряжения на проводах .

Идеальный источник тока

Идеальный источник тока представляет собой активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Предполагается, что внутреннее сопротивление идеального источника тока бесконечно велико , и поэтому параметры внешней электрической цепи, от которых зависит напряжение на зажимах источника, не влияют на ток источника. Условные обозначения идеального источника тока приведены на рис. 1

Стрелка в источнике тока или знаки «+» и «—» указывают положительное направление тока i(t)

или полярность источника, т. е. направление перемещения положительных зарядов.

Сейчас принято обозначать источники тока буквой J, и чаще всего применяется нижнее условно графическое изображение.

Идеальный источник тока

По мере неограниченного увеличения сопротивления внешней электрической цепи, присоединенной к идеальном

у источнику тока, напряжение на его зажимах и соответственно мощность, развиваемая им, неограниченно возрастают.Поэтому идеальный источник тока, так же как и идеальный источник напряжения, рассматривается как источник бесконечной мощности.

Источник тока конечной мощности изображается в виде идеального источника тока с параллельно подключенным к его зажимам пассивным элементом который характеризует внутренние параметры источника и

Представляя собой теоретическое понятие, источник тока применяется в ряде случаев для расчета электрических цепей.

Некоторым подобием источника тока может служить устройство, состоящее из аккумулятора, соединенного последовательно с дополнительным большим сопротивлением Другим примером источника тока может являться пяти электродная усилительная электронная лампа (пентод). Имея внутреннее сопротивление несоизмеримо большее, чем сопротивление внешней электрической цепи, эти устройства отдают ток, почти не зависящий от изменения внешней нагрузки в широких пределах, и именно в этом отношении они аналогичны источнику тока.

Чему равно внутреннее сопротивление источника тока?

Внутреннее сопротивление источника тока r будет определяться формулой: r = ЭДС / I — R. Подставим данные из условия задачи: r = 10 В / 2 А — 4 Ом = 1 Ом. Ответ: источник тока имеет внутреннее сопротивление r = 1 Ом.

Как правильно пользоваться мультиметром: инструкция для чайников

Рассмотрим, как измерить несколько электрических характеристик.

Потенциал

Алгоритм для определения напряжения:

1. Установить режим в позицию ACV или DCV в предполагаемом интервале.
2. Черный провод подключить к коннектору СОМ, красный — к разъему VΩmA.
3. Наконечники щупов соединить с контактами цепи. Например, ввести в отверстия розетки или на полюса батарейки.
4. Провести измерение.

Высветившееся на дисплее число — величина напряжения в вольтах. Знак «минус» говорит о том, что полярность была нарушена. Если мультиметр поддерживает функцию удержания, значение можно зафиксировать кнопкой HOLD. Это удобно для большой цепочки измерений.

Сила тока

Эта характеристика измеряется только при последовательном подключении тестера в цепь и включенном питании. Большинство приборов дают возможность определить силу тока до 10 А, поскольку в быту большие значения используются редко.
Для проведения измерений в цепи устраивается разрыв. Дальнейшие действия по следующей схеме:

1. Черный щуп — в гнездо СОМ.
2. Красный — в разъем до 200 мА или 10А.
3. Наконечниками осторожно прикоснуться к контактам.
4. Считать с дисплея значение напряжения.

При работе с оголенными проводами необходимо соблюдать технику безопасности, чтобы не допустить удара током.

Сопротивление

Эту характеристику можно измерить без подачи питания. Исследуемый элемент просто замыкается между двумя щупами. Если проводимости нет, на экране высвечивается единица.
Последовательность действий:

1. Установить режим Ω, выбрав максимальный диапазон.
2. Щупы вставить в соответствующие коннекторы.
3. Проверить состояние — замкнуть щупы друг на друга. Должен появиться 0 или небольшое число, которое нужно учитывать при измерении сопротивления цепи.
4. Концы проводников набросить на контакты исследуемого объекта.
5. На экране появится сопротивление элемента или участка цепи.

Для точных измерений рекомендуется провести 2-3 попытки.

Измерение транзисторов

Для проверки исправности pn-переходов и определения коэффициента усиления:

1. Установить режим
2. Вставить ножки транзистора в разъем в соответствии с цоколевкой, соблюдая зоны PNP и NPN.
3. Отображением на дисплее будет значение усиления сигнала.

Диоды и простейшие транзисторы также измеряются при установленном режиме «диод». К базе подключается красный щуп (плюс), на эмиттер или коллектор черный (минус). При правильной полярности на экране высветится коэффициент передачи.

Предыдущая

РазноеЧто такое фазное и линейное напряжение?

Следующая

РазноеБлуждающие токи и способы борьбы с ними