úvod
Napätie v obvode dodáva zdroj. Zdroj energiu nevyrába, len ju mení z inej formy na elektrickú. Podľa toho, akú energiu mení, poznáme viac druhov zdrojov.
teória
Druhy zdrojov
- Galvanický článok mení chemickú energiu na elektrickú. Tužková batéria má 1,5 V. Keď sa chemické látky v nej minú, článok je vybitý.
- Akumulátor je článok, ktorý sa dá znova nabiť. Lítiový akumulátor v mobile má asi 3,7 V, olovený akumulátor v aute 12 V.
- Solárny článok mení svetlo na elektrickú energiu. Čím viac svetla naň dopadá, tým väčší prúd dá.
- Generátor v elektrárni a dynamo na bicykli menia pohyb na elektrickú energiu. Ako to robia, ukáže kapitola o magnetizme.
Na každom zdroji je napísané jeho napätie. Na akumulátoroch nájdeš aj kapacitu v miliampérhodinách (mAh): akumulátor 3 000 mAh dá prúd 3 A asi na hodinu alebo 0,3 A asi na desať hodín.
teória
Spájanie článkov
Keď spojíš články za sebou tak, že kladný pól jedného je pri zápornom póle druhého, ich napätia sa sčítajú. Plochá batéria 4,5 V má vo vnútri tri články po 1,5 V. Otočený článok by napätie naopak odčítal.
Rovnaké články vedľa seba dajú rovnaké napätie ako jeden článok, ale vydržia dlhšie, lebo sa o prúd podelia. Vedľa seba sa spájajú len rovnaké a rovnako nabité články.
súčiastky v stavebnici
Čo je čo
Hore značka, ktorou súčiastku kreslíš do schémy, pod ňou ako vyzerá naozaj. V stavebnici ich prepneš tlačidlom Schéma a Reálne.
- ČlánokZdroj napätia 1,5 V, napríklad tužková batéria. Má kladný pól + a záporný pól −. Na značke je kladný pól dlhšia tenká čiarka, záporný kratšia hrubá.Viac článkov za sebou dá väčšie napätie: dva 3 V, tri 4,5 V.
- BatériaZdroj, ktorému nastavíš napätie. Plochá batéria má 4,5 V, lebo sú v nej tri články za sebou.Dve batérie za sebou: kladný pól jednej k zápornému pólu druhej, napätia sa sčítajú. Otočená batéria napätie odčíta.
- Zdroj s vnútorným odporomSŠSkutočný zdroj má vnútorný odpor. Pri väčšom prúde klesá napätie na jeho svorkách, časť napätia sa minie vo vnútri zdroja.U = Uₑ − Rᵢ · I
- Solárny článokMení svetlo na elektrickú energiu. Čím viac svetla naň dopadá, tým väčší prúd dá. Posuvníkom nastavíš, ako veľmi svieti slnko.
V stavebnici postavíš podľa schémy svetlo s dvoma článkami za sebou. Na strednej škole zmeriaš vnútorný odpor batérie a nájdeš spotrebič, ktorý zo zdroja odoberie najväčší výkon.
vyskúšaj si
Stavebnica: články a vnútorný odpor
Stavebnica sa načíta v prehliadači.
Zapamätaj si: zdroj mení inú energiu na elektrickú. Články za sebou sčítajú napätia, rovnaké články vedľa seba vydržia dlhšie. Vybité batérie patria do zberu.
Elektromotorické napätie a vnútorný odpor
Zdroj, z ktorého neodoberáme prúd, má na svorkách elektromotorické napätie Uₑ (napätie naprázdno). Voltmeter s veľkým odporom ho zmeria skoro presne.
Prúd však musí prejsť aj vnútrom zdroja: elektrolytom článku alebo vinutím generátora. Ich odpor sa volá vnútorný odpor Rᵢ. Pri prúde I sa na ňom minie napätie Rᵢ · I, a tak na svorkách ostane svorkové napätie
U = Uₑ − Rᵢ · I
Čím väčší prúd odoberáme, tým menšie je svorkové napätie. Graf U(I) je klesajúca priamka, ktorá začína pri Uₑ a jej smernica je −Rᵢ.
Ohmov zákon pre uzavretý obvod
Spotrebič s odporom R a vnútorný odpor zdroja sú za sebou, a tak obvodom ide prúd
I = Uₑ : (R + Rᵢ)
Pri skrate je vonkajší odpor takmer nulový a ide skratový prúd Iₖ = Uₑ : Rᵢ. Tužkový článok má vnútorný odpor desatiny ohmu, autobatéria len stotiny. Jej skratový prúd preto dosahuje stovky ampérov a môže roztaviť kľúč, ktorý jej póly spojí.
Vnútorný odpor zistíš z dvoch meraní: naprázdno zmeriaš Uₑ, potom pri prúde I svorkové napätie U. Platí Rᵢ = (Uₑ − U) : I.
Výkon a účinnosť zdroja
Výkon na spotrebiči je P = R · I² = R · Uₑ² : (R + Rᵢ)². Pri malom R je prúd veľký, ale na spotrebiči je malé napätie. Pri veľkom R je zas malý prúd. Najväčší výkon odoberie spotrebič, ktorého odpor sa rovná vnútornému odporu zdroja, R = Rᵢ. Vtedy je P = Uₑ² : (4 Rᵢ).
Účinnosť zdroja je podiel výkonu na spotrebiči a celkového výkonu zdroja: η = R : (R + Rᵢ). Pri najväčšom výkone je len 50 %, polovica energie sa mení na teplo vo vnútri zdroja. Elektrárne a nabíjačky preto pracujú pri R oveľa väčšom ako Rᵢ, keď je účinnosť vysoká.
Spájanie zdrojov
Pri spojení zdrojov za sebou sa sčítajú elektromotorické napätia aj vnútorné odpory. Pri spojení n rovnakých zdrojov vedľa seba ostane Uₑ rovnaké a vnútorný odpor klesne na Rᵢ : n, a tak zdroje spolu dajú väčší prúd.
skús doma Citrónová batéria
Potrebuješ: 3 alebo 4 citróny, rovnako veľa pozinkovaných klincov (sú lesklo sivé), rovnako veľa medených mincí (1, 2 alebo 5 centov) alebo kúskov medeného drôtu, červená LED, vodiče s krokosvorkami, ak máš, multimeter.
- Citróny pogúľaj po stole, aby pustili šťavu. Do každého zapichni klinec a kúsok od neho mincu. Nesmú sa dotýkať.
- Ak máš multimeter, zmeraj napätie jedného citróna. Vyjde asi 0,9 V. Minca je kladný pól, klinec záporný.
- Spoj citróny za sebou: mincu prvého s klincom druhého, mincu druhého s klincom tretieho.
- Na voľný klinec pripoj kratšiu nožičku LED, na voľnú mincu dlhšiu. V tme LED slabo svieti. Malá žiarovka z vreckovky sa nerozsvieti ani s ôsmimi citrónmi. Prečo?
Prečo? Zinok z klinca a meď z mince sú dva rôzne kovy v kyslej šťave, spolu tvoria galvanický článok. Jeden citrón má elektromotorické napätie asi 0,9 V, ale veľký vnútorný odpor, stovky ohmov. LED stačí malý prúd. Žiarovka potrebuje desiatky miliampérov a pri takom prúde by sa skoro celé napätie minulo vo vnútri citrónov.
Citróny po pokuse nejedz, rozpúšťa sa v nich zinok a meď. Vyhoď ich.
rozšírenie Prečo batéria v mraze slabne
V chlade prebiehajú chemické reakcie v článku pomalšie a ióny sa v elektrolyte pohybujú ťažšie. Vnútorný odpor článku narastie a pri rovnakom prúde sa v ňom minie väčšie napätie. Baterka preto v zime svieti slabšie a mobil sa na mraze môže vypnúť, hoci ukazoval ešte niekoľko percent. Keď sa batéria zohreje, časť napätia sa vráti. Preto je dobré nosiť mobil v zime vo vnútornom vrecku.
teória
Časté chyby
- „Batéria je zásobník elektrónov.“ Batéria uchováva chemickú energiu. Elektróny v obvode boli vo vodičoch aj predtým, zdroj ich len poháňa.
- „Články vedľa seba dajú väčšie napätie.“ Napätia sa sčítajú len pri zapojení za sebou.
- „Batéria má vždy rovnaké napätie.“ Pri veľkom odbere prúdu svorkové napätie klesne o napätie na vnútornom odpore.
- „Najväčší výkon znamená najlepšiu účinnosť.“ Pri najväčšom výkone je účinnosť len 50 %.
Koľko energie spotrebiče zo zdroja odoberú a koľko to stojí, ukazuje ďalšia lekcia Práca a výkon elektrického prúdu.