Āgenskalna Valsts ģimnāzija

Dažādu strāvas avotu efektivitātes salīdzināšana

Zinātniski pētnieciskais darbs

Autors: Klāvs VabulnieksDarba vadītājs: Jānis Krūmiņš

Rīga (2008)

SatursIevads...................................................................................................................................................11. Līdzstrāva........................................................................................................................................2

1.1. Elektriskā strāva........................................................................................................................21.2. Elektriskā ķēde..........................................................................................................................31.3. Oma likums ķēdes posmam.......................................................................................................41.4. Strāvas darbs, jauda un izdalītais siltuma daudzums................................................................51.5. Strāvas avotu raksturojums.......................................................................................................51.6. Strāvas avota elektrodzinējspēks (EDS)....................................................................................61.7 Oma likums noslēgtai ķēdei.......................................................................................................71.8.Galvaniskie elementi..................................................................................................................8

2. Mērījumi un Aprēķini..................................................................................................................102.1. Darba apraksts.........................................................................................................................102.3. Strāvas stipruma un sprieguma mainība strāvas avotos izlādes laikā.....................................112.4. Eksperimentāls uzdevums.......................................................................................................12

3.Secinājumi......................................................................................................................................15Darbā izmantotā literatūra..............................................................................................................16

1

IevadsTā kā mūsdienās sadzīvē tiek izmantotas daudz un dažādas elektroierīces, kuras tiek

darbinātas gan ar tīklā pieejamo strāvu (televizors, radio, virtuves kombains u.c. ), gan arī ar dažāda

veida un nomināla ķīmiskajiem barošanas elementiem – baterijām, kuru sastāvā visbiežāk

izmantotās vielas ir sārmi, skābes, kadmijs, dzīvsudrabs cinks un citas (modinātājpulkstenis,

tālvadības pultis, urbjmašīna u.c. ), radās mērķis noskaidrot kuras firmas, visbiežāk izmantotās,

ķīmiskās baterijas ir efektīvākas, respektīvi, kalpo ilgāk vai ir jaudīgākas, kā arī izprast to darbību,

noskaidrot strāvas avotus raksturojošus lielumus, to definīcijas un aprēķinu formulas.

Salīdzināšanai tika izraudzītas „Duracell”, „Sony” un „Energizer” firmu AA tipa baterijas.

Salīdzināšana notika sekojoši: strāvas avots(baterija) tika pievienota patērētājam, tika mērīts, kā

mainās spriegums uz strāvas avota spailēm un strāvas stiprums ķēdē, tādējādi tika testētas katras

firmas baterijas. Tā rezultātā tika iegūtas raksturlīknes, no kurām var secināt to, kuras baterijas ir

„spēcīgākas” un kuras iztur ilgāku laiku līdz izlādei. Mērījumu veikšanai tika izmantoti SmartQ

sensori strāvas stipruma un sprieguma mērīšanai.

Darbs sastāv no divām daļām. Pirmajā ir teorijas apskats par līdzstrāvu, elektriskajām

ķēdēm, strāvas avotiem un strāvas definīciju. Otrajā tiek iekļauti mērījumi un aprēķini, kā arī

secinājumi par to, kuras firmas baterijas un kādēļ ir izdevīgāk izmantot.

Darbā izvirzītā hipotēze: ķīmisko strāvas avotu efektivitāte var atšķirties atkarībā no to

ķīmiskā sastāva, elektrodzinējspēka un iekšējās pretestības.

Darba uzdevumi un mērķi: noskaidrot kuras no izvēlētajām baterijām ir efektīvākas,

noskaidrot to ķīmisko sastāvu, noskaidrot, kas ietekmē strāvas avotu efektivitāti.

2

1. Līdzstrāva

1.1. Elektriskā strāvaElektriskā strāva ir elektriski lādētu daļiņu virzīta kustība vidē. Visas dabā sastopamās

vielas var nosacīti dalīt trīs grupās: vadītāji (metāli, sāļu, sārmu un skābju šķīdumi ūdenī u. c.),

pusvadītāji (germānijs, silīcijs u. c.) un dielektriķi (plastmasas, gaiss, porcelāns u. c.). Vadītājos ir

ievērojama tāda lādētu daļiņu koncentrācija, kuras var pārvietoties vadītāja tilpumā lielos attālumos.

Piemēram, metālos šīs daļiņas ir atoma ārējās čaulas (valences) elektroni, kas zaudējuši saikni ar

sava atoma kodolu un to koncentrācija visos metālos ir liela (koncentrācija varā ir n = 8 ∙ 1028 m-3).

Šos elektronus sauc par brīvajiem elektroniem. Pusvadītājos brīvo elektronu koncentrācija ir daudz

mazāka (1 cm3 pusvadītāja satur aptuveni 1013 brīvo elektronu), bet dielektriķos brīvo elektronu ir

ļoti maz.

Visās vielās daļiņas atrodas haotiskajā siltumkustībā. Ja uz brīvām lādētām daļiņām

darbojas nekompensēts spēks, tad tās piedalās ne tikai haotiskajā siltumkustībā, bet arī virzītā

kustībā, kuru izraisa šis spēks.

Lādētu daļiņu virzītu kustību sauc par elektrisko strāvu. Ja uz brīvo elektronu metālā

darbojas spēks F, tad elektrons pārvietojas no punkta 1 uz punktu 2 (1.1. att. a). Tā kā elektrons

atrodas arī haotiskajā siltumkustībā, tad elektrona rezultējošās kustības trajektorija nav viens

nogrieznis, kas savieno punktus 1 un 2, bet tā sastāv no daudziem dažādos virzienos vērstiem

nogriežņiem. Šī sarežģītā virzīšanās trajektorija ietver elektronu virzīto kustību (t.i. elektrona

virzīšanos no punkta 1 uz punktu 2) (1.1. att. b), kuru sauc par elektrisko strāvu. Parasti elektriskās

strāvas jēdzienu lieto, ja vienlaikus virzītā kustībā atrodas ļoti daudz lādētu daļiņu.

Lādētu daļiņu virzītu kustību var izraisīt elektriskais lauks. Ja vidē, kurā atrodas lādētas

daļiņas, tiek radīts elektriskais lauks, kura intensitāte ir , tad uz daļiņu, kuras lādiņš q, darbojas

spēks . Šis spēks var izraisīt lādētas daļiņas kustību.

(1.1.)

Lādēto

daļiņu virzīta

kustība vidē ar neapbruņotu aci nav novērojama., taču

pa r to var spriest pēc šo daļiņu radītās strāvas izpausmēm. Strāva var izraisīt magnētisku, ķīmisku

un siltumdarbību. Strāvas magnētiskā darbība izpaužas daudzveidīgi. Piemēram, ja pa vadu plūst

strāva,, tad tā tuvumā esošā magnētadata pagriežas; ja pa spoli plūst strāva, tad spolei pievelkas

3

dzelzs priekšmeti; ja pa vadu plūst strāva, tas pārvietojas attiecībā pret magnētu, kura tuvumā tas

novietots, utt.

Strāvas ķīmiskā darbība novērojama strāvai plūstot caur skābju, sāļu un bāzu sķīdumiem –

notiek ķīmiskās reakcijas, vielas šķīdumā sadalās un nogulsnējās uz elektrodiem.

Strāvas siltumdarbība izpaužas kvēlspuldžu kvēldiegos, sildķermeņu spirālēs u. c.

Fizikā par strāvas virzienu pieņem pozitīvi lādēto daļiņu kustības virzienu elektriskā lauka

iedarbībā.

Ja vidē, kurā lādētas daļiņas pārvietojas virzītā kustībā, izdalām kādu šķērsgriezuma

laukumu S, tad laika intervālā Δt caur šo laukumu iziet N daļiņas, pārnesot lādiņu q = Ne, kur e –

vienas daļiņas lādiņš. Tā kā dažādās vidēs var būt dažāda brīvo lādēto daļiņu koncentrācija, tad caur

vienu un to pašu šķērsgriezuma laukumu S vienā un tajā pašā laika intervālā Δt var tikt pārnests

dažāda lieluma lādiņš. Tādēļ strāvas raksturošanai lieto fizikālu lielumu – strāvas stiprumu I.

Strāvas stiprumu I mēra ar pārnestā lādiņa Δq lielumu attiecībā pret laika intervālu Δt,

kādā lādiņ tiek pārnests caur vadītāja šķērsgriezuma laukumu.:

Strāvas stipruma SI vienība ir ampērs (A). Tā kā lādiņš q ir skalārs lielums, tad arī strāvas

stiprums I ir skalārs lielums.

Ja strāvas stiprums I laikā t nemainās, tad šādu strāvu sauc par līdzstrāvu, bet ja stiprums

mainās, tad strāvu sauc par mainīgu strāvu.

1.2. Elektriskā ķēdeElektriskais spriegums ir potenciālu starpība starp diviem elektriskās shēmas punktiem. Ja

viens no potenciāliem ir nulle, respektīvi, punkts ir sazemēts, tad sprieguma vērtība ir vienāda ar

otrā potenciāla vērtību.

Praksē bieži elektriskās strāvas enerģiju pārvērš cita veida enerģijā. To realizē izveidojot

elektriskās ķēdes(2.2. att.). Elektriskā ķēde sastāv piemēram, no strāvas avota B, elektriskās

enerģijas patērētājiem A1, A2, slēdža un vadiem, kas savieno minētos ķēdes posmus. Sarežģītākas

ķēdes var sastāvēt no vairākiem strāvas avotiem un slēdžiem. Turpmāk visus ķēdes elementus,

kuros plūst strāva sauksim par vadītājiem. Šajā ķēdē strāvas avots B uztur uz patērētāja galiem

spriegumu. Ja slēdzis S ir noslēgts, tad ķēdē plūst strāva un uz patērētāja A1 spailēm ir spriegums

U1, kur U1 = φ1 – φ2, bet uz patērētāja A2 spailēm ir spriegums U2 = φ2 – φ3.

Ja no visas ķēdes tiek aplūkota tikai ķēdes daļa, tad to sauc par ķēdes posmu.

4

(1.2.

att.)

1.3. Oma likums ķēdes posmam1827. gadā G.Oms eksperimentāli noskaidroja, ka strāvas stiprums I ķēdes posmā ir tieši

proporcionāls ķēdes posmam pieliktajam spriegumam U:

, kur ir proporcionalitātes koeficients.

Šo sakarību sauc par oma likumu ķēdes posmam, kurā nav ieslēgti strāvas avoti

(akumulatori, ģeneratori vai termoelementi). Ķēdes posma pretestība R ir atkarīga no tā vadītāja

īpašībām, kas veido ķēdes posmu. Pretestības SI vienība ir oms (Ω).Elektriskā pretestība piemīt

visām vielām, arī vadītājiem piemītoša īpašība. Vadītāja pretestība rodas brīvajiem elektroniem

izvietojoties uz kristālrežģa nehomogenitātēm

Elektriskā pretestība ir pretējs lielums elektriskajai vadītspējai.

Atšķirībā no materiāla īpatnējās pretestības, kas ir nemainīga katram materiālam, vadītāja

pretestība ir atšķirīga katram elementam. Vadītāja elektriskā pretestība ir atkarīga no vadītāja

formas(izmēriem) un materiāla, no kura tas izgatavots.

Taisna cilindra formas vada elektriskā pretestība aprēķināma pēc formulas:

, kur

q – materiāla īpatnējā pretestība l – vada garums S – šķērsgriezuma laukums.

5

1.4. Strāvas darbs, jauda un izdalītais siltuma daudzumsStrāvas darbs. Ja vadītāja elektriskais lauks iedarbojas uz lādētām daļiņām ar spēku F,

izraisot šo daļiņu virzītu kustību, tad elektriskais lauks pastrādā darbu. Elektriskā lauka pastrādātais

darbs lādiņa q pārvietošanai ir A = qU. Šeit U – spriegums starp ķēdes punktiem, caur kuriem

izplūst lādiņš. Pēc strāvas stipruma definīcijas I = q/t, tādēļ A = IUt. Strāvas veiktais darbs rāda, cik

daudz elektriskās enerģijas pārvēršas cita veida enerģijā: mehāniskajā, ķīmiskajā siltuma enerģijā

u.c.

Strāvas jauda. Elektrisko ierīču raksturošanai lieto lielumu – strāvas jauda P.

Strāvas jauda ir vienāda ar laika intervālu t veiktā darba A attiecību pret šo laika intervālu:

. Tā kā A = IUt, tad P = IU.

Strāvas izdalītais siltuma daudzums. Aplūkosim metāla vadītāju sasilšanu. Strāvai pa vadu

plūstot elektriskajā laukā brīvie elektroni saduras ar joniem, kas atrodas metāla kristālrežģī, tādēļ

daļu elektronu kinētiskās enerģijas saņem joni. Saņemot šo papildu enerģiju, pieaug jonu svārstību

kustības vidējā kinētiskā enerģija un līdz ar to arī metāla iekšējā enerģija, ko raksturo temperatūras

paaugstināšanās. Paaugstinoties temperatūrai, vadītājs sāk to atdot apkārtējai videi, kamēr iestājas

līdzsvars. Tā rezultātā vadītājam ir augstāka temperatūra nekā apkārtējai videi. Šajā gadījumā

strāvas pastrādātais darbs ir vienāds ar izdalīto siltuma daudzumu: Q = A. Tā kā A = IUt, tad Q =

IUt. Pēc oma likuma ķēdes posmam U = IR, tādēļ Q = I2Rt.

Pēdējo sakarību sauc par Džoula – Lenca likumu. To formulē šādi. Vadītāja izdalītais

siltuma daudzums ir proporcionāls strāvas stipruma kvadrātam, vadītāja pretestībai un strāvas

plūšanas laikam. Šo likumu 1841. gadā eksperimentāli atklāja Dž. Džouls un 1842. gadā neatkarīgi

no viņa – E. Lencs.

1.5. Strāvas avotu raksturojums.Pieņemsim, ka ir divas plāksnes, viena cinka – uzlādēta negatīvi, otra – vara plāksne –

uzlādēta pozitīvi. Lai uzlādētas plāksnes varētu radīt savu elektrisko lauku, tās savieno tās ar metāla

stieplīti. Metāla stieplē cinka un vara plāksnes rada elektrisko lauku, kas iedarbojas ar spēku F uz

brīvajiem elektroniem, izraisot to virzes kustību, jeb elektrisko strāvu. Tā kā brīvie elektroni

pārvietojas no vara plāksnes uz cinka, tad elektriskais lādiņš uz plāksnēm samazinās. Tādēļ starp

stieples galiem samazinās arī potenciāls un strāva stieplē ātri izbeidzas. Lai ilgstoši uzturētu strāvu

stieplē, ir nepieciešams atjaunot pozitīvo lādiņu uz vara plāksnes un negatīvo lādiņu uz cinka

plāksnes, šim nolūkam ir nepieciešams strāvas avots – ierīce, kuru sauc par ģeneratoru. Vienkāršs

6

strāvas avots izveidojas ja vara un cinka plāksnītes ievieto sālsskābes šķīdumā. Šādā gadījumā

plāksnes sauc par elektrodiem. Šādu strāvas avotu 1799. gadā izveidoja itāļu fiziķis A. Volta, un to

sauc par Voltas elementu. Sērskābes šķīdumā daļa H2SO4 molekulu sadalās H+ un SO4-2 jonos. SO4

-2

jonu mijiedarbībā ar cinka elektrodu daļa pozitīvo cinka jonu pāriet šķīdumā, tādēļ cinka elektrods

uzlādējas negatīvi (φ1 = – 0,33V) attiecībā pret skābes šķīdumu. Varš piesaista daļu pozitīvo jonu

un uzlādējas pozitīvi (φ2 = 0,77 V) attiecībā pret šķīdumu. Tādēļ Voltas elementā cinka elektrodu

sauc par negatīvo polu, bet vara elektrodu par pozitīvo polu. Kad sasniegta šāda elektrizācijas

pakāpe, izveidojas līdzsvars starp Kulona spēkiem un ķīmiskajiem spēkiem, kas atdala sērskābes

šķīduma pozitīvos lādiņus no negatīvajiem lādiņiem.

Līdzsvara gadījumā starp vara un cinka elektrodiem izveidojas potenciālu starpība

Δ φ = φ1 – φ2 = 0,77 – (– 0,33) = 1,1V

Spēkus, kas atdala pozitīvos lādiņus no negatīvajiem lādiņiem strāvas avota iekšienē, sauc

par ārējiem spēkiem. Voltas ārējie spēki ir ķīmiska rakstura spēki. Ārējo spēku darba rezultātā

strāvas avotā rodas iekšējā enerģija.

1.6. Strāvas avota elektrodzinējspēks (EDS)Ārējo spēku darbību strāvas avotā raksturo īpašs lielums, kuru sauc par elektrodzinējspēku

jeb saīsināti EDS. Ārējam spēkam strāvas avotā jāatdala pozitīvie lādiņi no negatīvajiem un

jāpārvieto tie no viena strāvas avota pola uz otru polu. Var pieņemt, ka A = A1 + A2, kur A – ārējo

spēku darbs, A1 – darbs, kuru ārējie spēki veic lai atdalītu pozitīvo lādiņu no negatīvā, A2 –darbs,

kuru veic ārējie spēki lai pārvietotu lādiņus strāvas avota iekšienē uz poliem.

Savukārt A1 = q(φ2 – φ1), kur q – lādiņš, kas tiek izdalīts uz avota poliem, bet φ2 – φ1 –

potenciālu starpība starp strāvas avota poliem, tādēļ A = q(φ2 – φ1) + A2. Darbu, kuru strāvas avotā

7

pastrādā ārējais spēks, lai izdalītu vienu vienību lādiņa uz strāvas avota poliem sauc par

elektrodzinējspēku E . Tādējādi E = A/q.

Tā kā A = q(φ2 – φ1) + A2, tad E = φ2 – φ1 + A2/q. Ja strāvas avotam nav pieslēgts

patērētājs, tad ārējam spēkam nav jāpārvieto lādiņi, bet tikai jāuztur potenciālu starpība starp avotu

poliem. Tādā gadījumā A = 0 un E = φ2 – φ1. Potenciālu starpību starp strāvas avotu poliem sauc

arī par spriegumu U starp strāvas avota poliem: U = φ2 – φ1.

Ja strāvas avotam pieslēgts patērētājs, tad, lai nodrošinātu nemainīgu strāvas stiprumu

ķēdē, ārējam spēkam ir jāpārvieto lādiņi arī strāvas avota iekšienē un jāizdala tie uz strāvas avota

poliem. Piemēram, Voltas elementā kā patērētājs izmantota metāla stieple, kas savieno abus polus.

Ārējam spēkam (ķīmiska rakstura) SO4-2 joni jāpārvieto līdz cinka elektrodam, bet H+ joni līdz vara

elektrodam, tādēļ A2 ≠ 0. Tā kā E = U + A2/q.

Tātad, ja strāvas avotam ir pieslēgts patērētājs, tad spriegums uz strāvas avota poliem ir

mazāks nekā elektrodzinējspēks E (U < E ). 1868. g. francūzis G. Leklanšē atklāja, ka šķidro

ūdens elektrolītu var aizstāt ar sausu elektrolītu un varu var aizstāt ar ogles stienīti.

1.7 Oma likums noslēgtai ķēdeiJa pie strāvas avota, kura EDS ir E ir pieslēgts patērētājs ar pretestību R, tad ķēdē plūst

strāva I (1.3. att.). Strāvas pretestību rada gan patērētājs, gan strāvas avots. Strāvas avota pretestību

apzīmē ar r. To parasti sauc par ķēdes iekšējo pretestību, bet patērētāja pretestību R – par ķēdes

ārējo pretestību. Summa (R + r)veido ķēdes pilno pretestību. Oma likums noslēgtai ķēdei rāda, kāda

sakarība pastāv starp strāvas stiprumu I, elektrodzinējspēku E un ķēdes pilno pretestību (R + r).

Strāvas stiprums noslēgtā ķēdē ir tieši proporcionāls elektrodzinējspēkam un apgriezti proporcionāls

ķēdes pilnajai pretestībai:

I =

(1.3. att.)

No šīs izteiksmes seko, ka

8

E , r

RI

E

IR + Ir = Eun IR = U ir strāvas avota spaiļu spriegums. Tādējādi U = E – Ir .

Ja ķēde ir nenoslēgta, tad I = 0 un U = E . Ja noslēgtai ķēdei R = 0, tad tas ir īsslēgums, un

ķēdē plūst maksimālā strāva. Šāds režīms nav pieļaujams, jo bojā barošanas avotu.

1.8.Galvaniskie elementiGalvaniskais elements sastāv no diviem elektrodiem, starp kuriem atrodas elektrolīts.

Galvaniskā elementa darbības noskaidrošanai aplūkosim Daniela elementu. Tas sastāv no vara un

cinka elektrodiem, kas iegremdēti šo metālu sulfātu šķīdumos. Abus šķīdumus atdala daļēji

caurlaidīga, poraina starpsiena, kas spēj izlaist cauri tikai SO4 jonus (1.4. att.). Iegremdējot cinka

elektrodu ZnSO4 šķīdumā, starp cinku un šķīdumu sāk darboties trīs spēki, kuri uz vienu cinka un

cinka sulfāta šķīduma saskares laukuma vienību rada trīs spiedienus. Šķīšanas spiediens raksturo

cinka un cinka sulfāta ķīmisko mijiedarbību, kurā šķīdinātāja molekulas tiecas atraut no cinka

divvērtīgos pozitīvos jonus (Zn++). Pozitīviem cinka joniem pārejot šķīdumā , tas uzlādējas pozitīvi,

bet cinks negatīvi. Aplūkotais spiediens savukārt rada no šķīduma uz cinka elektrodu vērstu

elektrisku lauku un elektrostatisku spiedienu. Šī lauka intensitāte eksistē tikai dažu molekulu

diametru biezā elektriskā dubultslānī starp cinka elektrodu un šķīdumu. Cinka joni šķīdumā izturas

kā molekulas gāzē, tāpēc tie attīsta uz cinku arī osmotisko spiedienu. Pēc kāda brīža cinkam šķīstot,

iestājas dinamisks līdzsvars, kurā

Šķīšanas spiediens = elektrostatiskais spiediens + osmotiskais spiediens.

Līdzsvara stāvoklis ir atkarīgs no jonu koncentrācijas. Gadījumā, ja šķīdumā jonu

osmotiskais spiediens ir vienāds ar šķīšanas spiedienu, tad elektrostatiskais spiediens ir vienāds ar

nulli un metāla šķīšana elektrolītā vairs nenotiek. Līdzsvara stāvoklī starp elektrolītu un elektrodu

izveidojas noteikta potenciālu diference, kura tiek saukta par elektroķīmisko potenciālu starpību U

vai īsi – par elektroķīmisko potenciālu. Tā piemēram Zn – ZnSO4 šķīdumam UZn = – 0,50 V.

Kīmiskie spēki pārvietojot Zn++ jonus no cinka elektroda šķīdumā, pārvar elektriskos un osmotiskos

spēkus un pastrādā darbu, kura ķīmiskā enerģija pārvēršas elektriskajā.

Vara elektroda Cu++ jonu osmotiskais spiediens ir lielāks, nekā vara šķīšanas spiediens.

Tāpēc vara plates iegremdēšanas šķīdumā, uz tā no šķīduma nosēžas divvērtīgie pozitīvie vara joni.

Līdzsvara stāvoklī pie vara elektroda:

Šķīšanas spiediens + elektrolītiskais spiediens = osmotiskais spiediens.

9

Cu – Cu SO4 šķīduma elektroķīmiskais potenciāls U Cu = 0,61 V. Tātad kopējais Daniela

elementa elektroķīmiskais potenciāls U Cu – Zn = U Cu – U Zn = 0,61 – (– 0,50) = 1,11 V. Šis

elektroķīmiskais potenciāls ir Daniela elementa elektrodzinējspēks. Zn un Cu plates savienojot pa

ārējo ķēdi, elektroni no Zn elektroda pāriet uz Cu elektrodu. Tā rezultātā samazinās elektrolītiskie

spiedieni, izjūk minēto triju spēku līdzsvars un sākas Zn elektroda šķīšana un vara nonēsāšanās uz

vara elektroda.

10

2. Mērījumi un Aprēķini.

2.1. Darba apraksts.Lai noskaidrotu, strāvas avotu efektivitāti, tika salīdzinātas Duracell, Sony un Energizer

firmu baterijas.

Katras firmas baterijas tika slēgtas elektriskajā ķēdē ar patērētājiem (spuldzi un rezistoru),

tika mērīts spriegums uz strāvas avotu spailēm un strāvas stiprums ķēdē (2.3. att.). Pēc oma likuma

noslēgtai ķēdei:

I = ,

E = ,

tā kā IR = U, tad

E – ,

r = (E – U) ∙ I,

(E – U1) ∙ I1 = (E – U2) ∙ I2,

E I1 – U1 I1 = E I2 – U2 I2,

U2 I2 – U1 I1 = E I2 –E I1,

U2 I2 – U1 I1 = E ∙ (I2 – I1),

E = .

Ievietojot šajā formulā datus no iegūtajiem mērījumiem iegūst, ka

Sony bateriju elektrodzinējspēks E = 1,5 V, bet pārveidojot Oma likuma formulu pilnai

ķēdei iegūst, ka r = ; Sony bateriju iekšējā pretestība r = 0,15Ω,

E

E

11

Analogi Duracell bateriju elektrodzinējspēks E = 1,43 V, iekšējā pretestība r = 0,19Ω, un

Energizer bateriju elektrodzinējspēks E = 1,37 V, iekšējā pretestība r = 0,26Ω

Tā kā

Pmax = ,

tad iegūst, ka Sony bateriju maksimālā lietderīgā jauda Pmax = 25 W, Duracel bateriju maksimālā

lietderīgā jauda Pmax = 12,8 W, Energizer bateriju maksimālā lietderīgā jauda Pmax = 6,9 W.

(2.3. att.)

2.3. Strāvas stipruma un sprieguma mainība strāvas avotos izlādes laikā

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

00:00:00 01:12:00 02:24:00 03:36:00 04:48:00 06:00:00 07:12:00

Sony, Spriegums (V)

Sony, Strāvas stiprums (A)

Duracell, Spriegums (V)

Duracell, Strāvas stiprums (A)

Energizer, strāvas stiprums (A)

Energizer, spriegums (V)

E 2

12

2.4. Eksperimentāls uzdevums Ir izraudzīti divi atšķirīgi barošanas avoti, ar katru no šiem avotiem eksperimentāli iegūst

slodzes līniju grafikus. Iegūtos grafikus iezīmē koordinātās U no I, tad iegūto grafiku dod analizēt

fizikas olimpiādes dalībniekiem, analīzes gaitā viņiem jānosaka izmantoto avotu EDS un iekšējā

pretestība r, kā arī maksimālā lietderīgā jauda, ko var iegūt no šiem barošanas avotiem.

Darba pirmajā daļā jāizmanto dotās raksturlīknes. No Oma likuma pilnai ķēdei iegūst, ka

E = IR + Ir,

Kur E – strāvas avota elektrodzinējspēks, r – strāvas avota iekšējā pretestība, R – slodzes

pretestība, kas ievērojami lielāka par pievadu pretestību. Tā kā spaiļu spriegums

U=IR,

tad U + Ir = E . Ir iegūta lineāra sakarība starp strāvas stiprumu I un avota spaiļu spriegumu U. Šīs

sakarības grafiks ir taisne. Tā kā attēlā (2.4. att.) ir divas taisnes, kas krustojas, tad jāsecina, ka

izmantoti divi atšķirīgi barošanas elementi.

(2.4. att.)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 0,2 0,4 0,6 0,8

I,A

U,V

13

Izmantojot grafiku var noteikt E un arī iekšējo pretestību r. Aplūkojam grafika līniju 1

un turpinām to līdz krustpunktiem ar koordinātu asīm(attēlā svītrlīnijas). Ja strāvas stiprums I = 0,

tad spaiļu spriegums U = E , no grafika iegūst, ka E 1 = 6V. Ja izraugās U = 0, tad

I1 = I1max. = ,

no kurienes iegūst informāciju par iekšējo pretestību r.

r1 = = = 24 Ω

Secinājums. Pirmā barošanas avota EDS ir E 1 = 6V un iekšējā pretestība r1= 24 Ω .

Analogi jārīkojas arī ar taisni 2, kuras turpinājumi krusto koordinātu asis punktos E 2 = 3V

un I2max. = 0,6A, līdz ar to r2 = 5 Ω.

Kad iegūta informācija par strāvas avotiem, jāpārbauda vai punkti, kas atbilst R = r

atrodas uz grafika līnijām, tādēļ jāveic sekojoši aprēķini.

= = = 0,12 A

= = = 0,3 A

No grafikiem redzams, ka šie punkti atrodas uz grafika līnijām. Darba tālākajā daļā

jānoskaidro kāda gadījumā elektriskajā ķēdē izdalās maksimālā jauda.

Pieņemsim, ka slodze ir sildspirāle, kuras pretestība praktiski nav atkarīga no

temperatūras. Izmantosim shēmu (2.5. att.)

(2.5. att.)

Pēc oma likuma noslēgtai ķēdei:

I =

un ārējā ķēdē izdalītā siltuma jauda:

P = I 2R ; P =

Šī jauda ir atšķirīga no slodzes pretestības R. Ja R = 0 (īsslēgums), tad P = 0 un, savukārt,

ja R → ∞, tad arī P = 0. Tas nozīmē, ka šai funkcijai ir maksimums. Tādā gadījumā

E 1

E 1 E 1

E 2 E 2

E , r

RI

E

E

E

14

, jeb E 2

Atrisinot šo vienādojumu iegūst, ka R = r un maksimālā lietderīgā jauda

Pmax = = .

Veicot aprēķinus iegūst, ka

P1max = 0,38W

P2max = 0,45W

E E 2

15

3.SecinājumiDarba nobeigumā secinu, ka izvirzītā hipotēze: „ķīmisko strāvas avotu efektivitāte var

atšķirties atkarībā no to ķīmiskā sastāva, elektrodzinējspēka un iekšējās pretestības”, ir

apstiprinājusies, kā arī secinu, ka Duracell firmas AA tipa baterijas ir mazāk efektīvas nekā Sony

AA baterijas, jo Duracell bateriju elektrodzinējspēks (1,43V) ir mazāks nekā Sony bateriju

elektrodzinējspēks (1,5V), bet no salīdzinātajām visneefektīvākās izrādījās Energizer firmas

baterijas. Secinu arī to, ka Sony baterijas ir ekoloģiski labākas, jo nesatur tādus smagos metālus, kā

dzīvsudrabu un kadmiju. Droši vien cilvēki ir ieinteresēti izvēlēties arī cenas ziņā izdevīgākās

baterijas savām elektroierīcēm, tādēļ var apgalvot, ka Sony baterijas ir izdevīgākas arī šajā ziņā, jo

divas Sony baterijas maksā aptuveni 0,86 Ls, kas ir par 40 santīmiem lētāk, nekā divas Duracell

firmas baterijas, kuras maksā aptuveni 1,26 Ls (divas).

16

Darbā izmantotā literatūra:1) A. Apinis, FIZIKA, Rīgā: Izdevniecība „Zvaigzne”, 1967., 353. – 356.lpp

2) J. Krūmiņš, V. Branka, P. Puķītis, E. Tiltiņš, FIZIKA 11. KLASEI, Rīga:

Apgāds „Zvaigzne ABC”, 1992., 179. – 202. lpp

17