Kad elektros grandine nuolat tekėtų srovė, reikalingas įrenginys, kuris palaikytų potencialų skirtumą (įtampą) grandinėje ir verstų krūvininkus kryptingai judėti. Tokie įrenginiai vadinami elektros srovės šaltiniais. Kiekvienas šaltinis turi tam tikras charakteristikas – elektrovarą (EVJ) ir vidinę varžą. Šiame straipsnyje išsiaiškinsime, kaip veikia srovės šaltiniai, ką reiškia šios charakteristikos, kaip Omo dėsnis taikomas visai uždarai grandinei, kas yra trumpasis jungimas ir kodėl svarbu atsakingai naudoti bei tvarkyti panaudotus srovės šaltinius (baterijas).
Srovės šaltiniai: kam jie reikalingi ir kaip veikia?
- Paskirtis: Srovės šaltinio pagrindinė paskirtis yra sukurti ir palaikyti elektrinį lauką grandinėje, kuris verstų laisvuosius krūvininkus kryptingai judėti. Šaltinis atlieka darbą atskirdamas teigiamus ir neigiamus krūvius į skirtingus polius (gnybtus) ir taip sukeldamas potencialų skirtumą tarp jų. Šį darbą šaltinyje atlieka pašalinės jėgos (ne elektrostatinės prigimties).
- Veikimo principas (energijos virsmai): Priklausomai nuo pašalinių jėgų prigimties, srovės šaltiniuose įvairios energijos rūšys paverčiamos elektros energija:
- Galvaniniai elementai ir akumuliatoriai: Cheminė energija virsta elektros energija (vyksta cheminės reakcijos). Akumuliatorius galima pakartotinai įkrauti (elektros energija virsta chemine).
- Generatoriai (elektromechaniniai): Mechaninė energija (pvz., turbinos sukama) virsta elektros energija (veikimo principas pagrįstas elektromagnetine indukcija).
- Termoelementai: Šiluminė energija virsta elektros energija (dėl temperatūrų skirtumo tarp dviejų skirtingų metalų sandūros atsiranda EVJ).
- Fotoelementai: Šviesos energija virsta elektros energija (dėl vidinio fotoefekto puslaidininkiuose).
Vaizdinė medžiaga: Įvairių srovės šaltinių (baterija, akumuliatorius, generatorius, saulės elementas) nuotraukos. Supaprastinta galvaninio elemento veikimo schema (elektrodai, elektrolitas, cheminės reakcijos).
Elektrovara (EVJ) ir vidinė varža: šaltinio charakteristikos
Kiekvieną srovės šaltinį apibūdina du pagrindiniai parametrai:
- Elektrovara ($\mathcal{E}$): Fizikinis dydis, lygus pašalinių jėgų darbui ($A_{paš}$), atliekamam perkeliant vienetinį teigiamąjį krūvį ($q$) šaltinio viduje (iš neigiamo poliaus į teigiamą). Ji rodo, kokį maksimalų potencialų skirtumą (įtampą) gali sukurti šaltinis atviroje grandinėje (kai srovė neteka). $$ \mathcal{E} = \frac{A_{paš}}{q} $$ SI vienetas – voltas (V) (kaip ir įtampos). Elektrovara yra svarbiausia šaltinio charakteristika, dažnai nurodoma ant pačių šaltinių (pvz., 1.5 V baterija, 12 V akumuliatorius).
- Vidinė varža ($r$): Kiekvienas realus srovės šaltinis turi tam tikrą vidinę varžą dėl medžiagų, iš kurių jis pagamintas (elektrodų, elektrolito ir kt.), pasipriešinimo tekančiai srovei. Dėl vidinės varžos dalis šaltinio EVJ „prarandama“ pačiame šaltinyje, kai juo teka srovė. Vidinė varža matuojama omais (Ω). Idealaus šaltinio vidinė varža lygi nuliui ($r=0$).
Vaizdinė medžiaga: Srovės šaltinio modelis schemoje: idealus EVJ šaltinis ($\mathcal{E}$), nuosekliai sujungtas su vidine varža ($r$).
Omo dėsnis uždarajai grandinei: pilnas srovės ratas
Omo dėsnis grandinės daliai ($I=U/R$) sieja srovę, įtampą ir varžą išorinėje grandinės dalyje (prijungtoje prie šaltinio gnybtų). Tačiau norint aprašyti srovę visoje uždaroje grandinėje (įskaitant ir patį šaltinį), reikia atsižvelgti į šaltinio elektrovarą ($\mathcal{E}$) ir vidinę varžą ($r$).
- Formuluotė: Srovės stipris ($I$) uždaroje grandinėje yra tiesiogiai proporcingas šaltinio elektrovarai ($\mathcal{E}$) ir atvirkščiai proporcingas pilnutinei grandinės varžai, kuri lygi išorinės grandinės varžos ($R$) ir šaltinio vidinės varžos ($r$) sumai. $$ I = \frac{\mathcal{E}}{R+r} $$
- Įtampos kritimas: Kai grandine teka srovė $I$:
- Įtampa išorinėje grandinės dalyje (tarp šaltinio gnybtų): $U_{iš} = IR$.
- Įtampos kritimas šaltinio viduje: $U_{vid} = Ir$.
- Pagal energijos tvermės dėsnį, pilnutinė šaltinio elektrovara yra lygi įtampų sumai išorinėje ir vidinėje dalyse: $$ \mathcal{E} = U_{iš} + U_{vid} = IR + Ir = I(R+r) $$ Iš čia ir gaunama Omo dėsnio uždarajai grandinei formulė.
- Matome, kad įtampa tarp šaltinio gnybtų ($U_{iš} = IR = \mathcal{E} - Ir$) yra mažesnė už elektrovarą $\mathcal{E}$, kai teka srovė ($I>0$). Ji lygi $\mathcal{E}$ tik tada, kai grandinė atvira ($I=0$, $R \to \infty$).
- Šaltinio NVK: Naudingas darbas yra atliekamas išorinėje grandinėje, o visas darbas – visoje grandinėje. Todėl šaltinio NVK: $$ \eta = \frac{P_{iš}}{P_{piln}} = \frac{I^2 R}{I^2 (R+r)} = \frac{R}{R+r} = \frac{U_{iš}}{\mathcal{E}} $$ NVK artėja prie 100%, kai išorinė varža $R$ yra daug didesnė už vidinę varžą $r$.
Vaizdinė medžiaga: Uždara grandinė su šaltiniu (EVJ $\mathcal{E}$, vidinė varža $r$) ir išorine varža $R$. Pažymėtos srovės, įtampos $U_{iš}$ ir $U_{vid}$.
Interaktyvūs elementai:
-
Virtualus tyrimas: Šaltinio elektrovaros ir vidinės varžos nustatymas. Matuojama įtampa tarp šaltinio gnybtų ($U_{iš}$) ir srovės stipris ($I$) prijungus skirtingas žinomas išorines varžas $R$. Pagal lygtį $U_{iš} = \mathcal{E} - Ir$ galima nubraižyti g...