Badanie wlasciwosci polaczen zrodel napiecia stalego.doc

Badanie właściwości połączeń źródeł napięcia stałego

1. Cel ćwiczenia

Sprawdzenie właściwości połączeń źródeł napięcia stałego.

2. Wstęp

Jednym z najczęściej używanych źródeł prądu stałego jest ogniwo galwaniczne. W ogniwie tym podczas poboru prądu, zachodzą reak­cje chemiczne między materiałami elektrod i elektrolitem - w wyniku zachodzących procesów następuje przemiana energii chemicznej w energię elektryczną. Ze względu na działanie wyróż­niamy ogniwa pierwotne i wtórne.

Ogniwa pierwotne (nieodwracalne) są to ogniwa, w których w czasie przekształcania energii chemicznej w energię elektryczną zuży­wane są materiały, tak że proces nie może być odwrócony.

Ogniwa wtórne (odwracalne) to takie, które po wyładowaniu można doprowadzić do stanu pierwotnego przepuszczając prąd z obcego źródła. Kierunek przepływu prądu musi być wtedy przeciwny temu, który występuje, gdy ogniwo oddaje energię elektryczną. Każde ogniwo charakteryzuje się siłą elektromotoryczną, pojemnością i rezystancją wewnętrzną. Siła elektromotoryczna ogniwa zależy od rodzaju materiału elek­trod, składu chemicznego i stężenia elektrolitu, ale nie zależy od rozmiarów geometrycznych elektrod i ich rozstawienia. Siła elektromotoryczna jest wielkością stałą, lecz podczas poboru prądu wobec zmian zachodzących w ogniwie może ulegać zmianom.

Pojemność ogniwa określa się wielkością ładunku elektrycznego, który ogniwo może oddać przy wyładowywaniu. Pojemność wyraża się w amperogodzinach / 1 Ah = 3600 As/ wzorem:

W miarę upływu czasu ogniwa tracą pojemność; wywoływane to jest wysychaniem elektrolitu, lub zachodzącymi zmianami chemicznymi wskutek zanieczyszczeń materiału elektrod i elektrolitu. Rezystancja ogniwa zależy od stężenia elektrolitu, stanu elektrod i temperatury. Rezystancja wewnętrzna ogniwa rośnie wraz z jego wyładowaniem na skutek wymienionych wyżej dwóch pierwszych czyn­ników. W celu uzyskania źródła napięcia o odpowiednich właściwo­ściach stosuje się łączenie ogniw w baterie.

3. Połączenie szeregowe źródeł napięcia.

Przy łączeniu szeregowym źródeł napięcia zawsze łączymy plus pierwszego ogniwa z minusem drugiego, plus drugiego ogniwa z mi­nusem trzeciego itd. tak, aby w obwodzie kierunki wszystkich sem. były takie same. Wypadkowa siła elektromotoryczna baterii jest równa sumie wszystkich sem. poszczególnych ogniw.

Rozpatrzmy obwód elektryczny, w którym połączonych zostało n ogniw o siłach elektromotorycznych E1,E2, …, En oraz o rezy­stancjach wewnętrznych RW1, RW2, …, RWn i rezystancji zewnę­trznej odbiornika Rz - rys.1.

Rys.1.

Zgodnie z II prawem Kirchoffa możemy zapisać:

E1 + E2 + … En = I / RW1 + RW2 + … +RWn + RZ

Jeśli sem. i rezystancje wewnętrzne wszystkich ogniw są sobie równe wówczas powyższe równanie możemy zapisać:

Z ostatniego wzoru wynika, że przy połączeniu szeregowym takich samych ogniw, siła elektromotoryczna baterii Eb  jest n razy większa od sem. jednego ogniwa Eb = nE, a rezystancja wewnętrzna baterii R , jest n razy większa od rezystancji wewnętrznej RW jednego ogniwa –

 RWb =  nRW.

Natężenie prądu pobieranego z takiej baterii nie może przekraczać prądu znamionowego jednego ogniwa. A więc pojemność baterii przy połączeniu szeregowym ogniw jest równa pojemności jednego ogniwa. Połączenie szeregowe ogniw jest korzystne wtedy, kiedy rezystancja zewnętrzna (odbiornika) jest duża w porównaniu z rezystancją wewnętrzną baterii, którą możemy w przybliżonych warunkach pominąć.

4. Połączenie równoległe źródeł napięcia

Przy połączeniu równoległym źródeł napięcia zaciski dodatnie wszystkich ogniw łączymy ze sobą; podobnie łączymy między sobą zaciski ujemne - rys. 2.

Rys.2.

Rozpatrzmy cztery równolegle osaczone jednakowe źródła napięcia, których siły elektromotoryczne i rezystancje wewnętrzne są równe.

RW1 = RW2 = RW3 = RWn,       E1 = E2 = E3 = E4

Na podstawie I prawa  Kirchoffa możemy zapisać

I1 + I2 + I3 + I4 = I

Ponieważ wszystkie prądy są jednakowe (gdyż sem. i rezystancje są wewnętrznie równe), zatem:

I1 = I2 = I3 = I4 =

Napięcie na poszczególnych gałęziach wyniesie:

U = E1 – I1RW1 = E2 – Rw2I2 = E3 – RW3I3 = E4 – RW4I4

Przy jednakowych źródłach napięcia otrzymamy:

U = E - RWI = E - jednakowych

Jeżeli zamiast czterech ogniw połączonych równolegle mamy m takich samych ogniw połączonych równolegle, to wzór ogólny na napięcie ma postać:

U = E – I 

Ponieważ napięcie między zaciskami źródeł napięcia jest równe napięciu zewnętrznemu na odbiorniku U = IRz, więc możemy zapisać

RzI = E - I

Stąd

I =

Rezystancja wewnętrzna tego zastępczego źródła jest m razy mniejsza od rezystancji pojedynczego ogniwa zostanie połączonych równolegle m jednakowych ogniw, to siła elektromotoryczna nie ulegnie zmianie, rezystancja wewnętrzna zmaleje m razy, a pojemność wzrośnie m razy. Baterie złożone z ogniw połączonych równolegle korzystnie stosuje się przy stosunkowo małej rezystancji obwodu zewnętrznego w porównaniu z rezystancją wewnętrzną pojedynczego ogniwa. Przy połączeniu równoległym źródeł napięcia w zasadzie należy łączyć źródła o równych sem. lub różniących się stosunkowo mało.

5. Połączenie szeregowo-równoległe źródeł napięcia

Źródła napięcia łączy się szeregowo-równoległe wtedy, gdy odbiornik trzeba zasilać wyższym napięciem i większym prądem od tego, jakie mogą dostarczać poszczególne źródła. Przy połączeniach mieszanych źródła napięcia tworzą gałęzie obwodu, w tych gałęziach źródła są ze sobą połączone szeregowo, a gałęzie łączy się równolegle. Jeżeli liczbę jednakowych źródeł napięcia połączonych w gałęzi szeregowo oznaczymy literą n, sem. jednego źródła przez E i rezystancję wewnętrzną przez RW , to siła elektromotoryczna jednej gałęzi wyniesie nE, a rezystancja wewnętrzna tej gałęzi jest równa nRW.

Jeżeli tych gałęzi połączonych równolegle będzie m, to rezystancja wewnętrzna baterii będzie m razy mniejsza i wyniesie:

I =

Napięcie między zaciskami baterii ogniw połączonych szeregowo-równolegle wynosi:

U = nE -

6. Pomiary laboratoryjne

6.1. Wyznaczenie sem. i rezystancji wewnętrznej ogniwa

Połączyć układ wg schematu na rys. poniżej

Rys.3.

E – sem. badanego ogniwa

...