SEM, opór wewnętrzny i prąd w ośrodkach
Ogniwa elektryczne, elektrolity, półprzewodniki i dioda
Po tej lekcji będziesz umieć
Wyjaśniać fizyczne znaczenie siły elektromotorycznej
ε = praca sił nieelektrostatycznych / q
Analizować rzeczywiste źródło z oporem wewnętrznym
U = ε − Ir
Obliczać prąd, napięcie zaciskowe i moc
I = ε/(R+r)
Wyznaczać ε i r z wykresu U(I)
prosta malejąca
Określać warunek maksymalnej mocy
R = r, η = 50%
Rozróżniać przewodnictwo w elektrolicie i półprzewodniku
jony vs elektrony i dziury
Wyjaśniać działanie złącza p–n, LED-u i fotodiody
prąd↔światło
Po co Ci to na maturze?
W zadaniach CKE źródło napięcia często nie jest idealne. Trzeba uwzględnić jego opór wewnętrzny, obliczyć napięcie pod obciążeniem albo wyznaczyć ε i r z wykresu.
Najważniejsza idea
Najważniejsza idea: Pojawiają się także zadania o prawie Faradaya, nośnikach ładunku w elektrolitach i półprzewodnikach, polaryzacji diody oraz interpretacji charakterystyk prądowo-napięciowych.
Intuicja zjawiska
Rzeczywiste źródło nie przekazuje całej energii do odbiornika — część traci na własnym oporze wewnętrznym. Im większy prąd pobiera odbiornik, tym większy wewnętrzny spadek napięcia (Ir) i tym niższe napięcie pozostaje na zaciskach.
Opór wewnętrzny
Część energii źródła jest tracona wewnątrz — dlatego napięcie na zaciskach spada pod obciążeniem.
Metale
Ładunek przenoszą elektrony swobodne.
Elektrolit
Prąd jest wynikiem ruchu dodatnich i ujemnych jonów w przeciwnych kierunkach.
Półprzewodnik
Transport opisujemy elektronami i dziurami; silnie zależy od temperatury, domieszkowania i pola.
Wielkości i jednostki
Siła elektromotoryczna ε :: [V] :: energia sił nieelektrostatycznych na jednostkę ładunku Napięcie zaciskowe U :: [V] :: napięcie dostępne dla obwodu zewnętrznego Natężenie prądu I :: [A] :: ładunek w jednostce czasu Opór wewnętrzny r :: [Ω] :: modeluje str…
Modele i zasady
:rule Model rzeczywistego źródła Rzeczywiste źródło modelujemy jako idealną SEM ε połączoną szeregowo z oporem r. Podczas rozładowania U = ε − Ir; przy ładowaniu źródła (odpowiednia konwencja znaków) U = ε + Ir.
Mapa SEM, oporu wewnętrznego i prądu w ośrodkach
Przykład
Teoria: wzory i interpretacje
Pełny obwód i napięcie zaciskowe (rozładowanie): I = \frac{\varepsilon}{R+r}, \qquad U = IR = \varepsilon - Ir Moc odbiornika i moc strat: P R = UI = I^2 R = \frac{\varepsilon^2 R}{(R+r)^2}, \qquad P r = I^2 r Moc źródła i sprawność: P {\text{źr}} = \vareps…
Solver rzeczywistego źródła
:solver-sem
Doświadczenie: wyznaczanie SEM i oporu wewnętrznego
Cel: wyznaczyć ε i r rzeczywistego ogniwa z wykresu U(I). Przyrządy: ogniwo (lub akumulator) niskiego napięcia, zestaw rezystorów lub opornica suwakowa, amperomierz, woltomierz, wyłącznik, przewody.
Przykład
Przykład rozwiązany
Ogniwo: ε = 1,5 V, r = 0,5 Ω. Oblicz I, U \text{zaciskowe} oraz moce dla R = 2 Ω.
Mini-praktyka CKE — przeanalizuj sam
-praktyka Ogniwo ε = 9 V, r = 1 Ω, R = 8 Ω. Oblicz I i U \text{zaciskowe} .
Częste błędy
U \text{zaciskowe} = ε zawsze :: Tylko przy I ≈ 0 (bieg jałowy). Pod obciążeniem U = ε − Ir < ε — im większy prąd, tym niższe U.
Powtórka w 30 sekund
ε = praca sił nieelektrostatycznych / q :: siła elektromotoryczna rzeczywiste źródło ma r :: opór wewnętrzny U = ε − Ir :: podczas rozładowania I \text{zw} = ε/r :: prąd zwarcia (model liniowy) P {\max} dla R = r :: sprawność 50% elektrolit → jony, półprzew…
Kluczowe pojęcia
Siła elektromotoryczna :: praca sił nieelektrostatycznych przypadająca na jednostkę ładunku [V]; napięcie jałowe źródła Opór wewnętrzny :: parametr modelujący spadek napięcia i straty wewnątrz źródła; zależy od temperatury i stanu ogniwa Napięcie zaciskowe …
Sprawdź się i przećwicz
sub :: Rzeczywiste źródło ma opór wewnętrzny — sprawdź, czy pewnie liczysz napięcie zaciskowe i wyznaczasz ε oraz r z wykresu. sprawdzian :: SEM, opór wewnętrzny, elektrolity i półprzewodniki :: 15 min zbior :: Zadania maturalne z rozwiązaniami krok po kro…
Powtórka do matury
Ten temat na maturze
Źródła, format CKE i materiały ZPE
men :: Fizyka ZR, dział: Prąd elektryczny. Zakres: SEM i opór wewnętrzny, napięcie zaciskowe, prawa Faradaya, przewodnictwo elektrolitów i półprzewodników, złącze p–n.
W tej lekcji
ZJAWISKO I MODEL
DOŚWIADCZENIE