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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Isso complicou a lei de Ohm. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Radioamador iniciante Não há dúvida de que todos conhecem a lei de Ohm para a seção do circuito mostrada na Fig. 3,a: U = IR, onde U é a queda de tensão na seção; I - corrente no circuito; R é a resistência desta seção do circuito. É uma pena cometer um erro na lei de Ohm, mas se você ainda não memorizou esta fórmula, use a Fig. 3, b. Basta cobrir o valor desejado com o dedo para obter a resposta do que precisa ser multiplicado ou dividido por quê. Recomenda-se a utilização do sistema de unidades SI, onde a tensão é expressa em volts, a resistência em ohms e a corrente em amperes. No entanto, ao calcular circuitos de rádio, pode ser conveniente calcular a corrente em miliamperes e a resistência em quilo-ohms - então os fatores 10-3 e 103 serão reduzidos e a tensão ainda estará em volts.
Vamos expressar a corrente I = U/R. A dependência da corrente em relação à tensão é diretamente proporcional, no gráfico l(U) ela é exibida como uma linha reta (Fig. 3c). Essa relação costuma ser chamada de linear. Então, pegamos uma bateria de lanterna de 4,5 V e conectamos a ela um resistor de 1 Ohm conectado em série e um amperímetro (está sempre conectado em série com a carga). Em vez dos 4,5 A esperados, obtemos significativamente menos! Qual é o problema, a lei de Ohm não funciona? Você terá que investigar esse fenômeno e conectar um voltímetro em paralelo ao resistor. Ele mostrará uma tensão menor que 4,5 V e igual a U = I R. Onde cai o resto da tensão? Na resistência interna da bateria, que não levamos em consideração no cálculo anterior. Aqui você precisa usar a lei de Ohm para o circuito completo: I = E/(r + R), onde E é a força eletromotriz da bateria (EMF, está indicada na embalagem, e não a tensão); r - resistência interna. Esses dois parâmetros caracterizam totalmente a fonte de corrente. O projeto experimental e a ordem de ligação dos dispositivos são mostrados na Fig. 4.
Vamos ver como a corrente e a tensão na carga dependem de sua resistência R. Tensão na carga U = l R = ER/(r + R). Se a resistência da carga for aumentada até o infinito, a corrente tenderá a zero e a tensão tenderá a EMF. Descobrir o EMF é fácil, basta conectar um voltímetro (sem carga) aos terminais da bateria. Nesse caso, presume-se que o voltímetro seja “bom” - alta resistência, ou seja, consumindo corrente insignificantemente pequena. Caso contrário, então um voltímetro “ruim” mostrará uma tensão menor que a EMF pela quantidade Iv·r onde Iv é a corrente consumida pelo voltímetro. Vamos agora direcionar a resistência da carga para zero, então a corrente no circuito será igual à corrente de curto-circuito Isk = E/r. Agora o amperímetro mostrado na Fig. 4, deve ser “bom”, ou seja, ter uma resistência intrínseca ra extremamente baixa. Caso contrário, não será Icz que será medido, mas sim uma corrente menor igual a E/(r + rа). Você pode medir a corrente de curto-circuito com um amperímetro apenas para células e baterias de menor potência (então é pequena e um curto-circuito de muito curto prazo nos terminais não prejudica a bateria). Para muitas baterias, o Ikc pode atingir centenas e milhares de amperes - tal corrente derrete fios de cobre e pregos de ferro e certamente arruinará seu amperímetro. Felizmente, não é necessário realizar tal experimento e a resistência interna é fácil de encontrar por cálculo. Se você medir a fem com um voltímetro de alta resistência e, em seguida, a tensão U em uma carga conhecida R, então, a partir da lei de Ohm para uma seção do circuito, será fácil encontrar I = U/R. Você também pode medir a corrente, então nem precisa saber a resistência. Agora vamos transformar a fórmula da lei de Ohm para a cadeia completa: r = E/I - R. Substituindo I, temos r = R(E/U-1). O mesmo cálculo pode ser feito graficamente. Para o circuito completo mostrado na Fig. 4, vamos representar graficamente a dependência da corrente que passa pela carga e da tensão através dela, desde que a resistência varie de 0 ao infinito. Quando a resistência é 0, a corrente é máxima e igual a LK3, e a tensão é 0 - obtemos o ponto a. Vamos aumentar a resistência até o infinito (desligar) - a tensão aumentará para E - obtemos o ponto b. Dois pontos são suficientes para traçar uma linha reta ab através deles - isso é chamado de característica de carga (linha espessada). Tendo agora ligado alguma resistência R, medindo a tensão U através dela e calculando a corrente I, obtemos o ponto c. Também é fácil encontrá-lo graficamente construindo um gráfico l(U) para uma dada resistência R nas mesmas coordenadas, como na Fig. 3,c (linha fina na Fig. 5). A intersecção de duas retas dá o ponto c.
No cálculo acima, de fato, encontramos os pontos b e c medindo a EMF e a tensão na carga. Desenhando uma linha reta através deles, encontramos o ponto a na intersecção com o eixo vertical (Ikz) e, portanto, o resistência interna R. Agora vamos tentar responder à pergunta: que potência P é liberada na carga? Como é sabido, P = U·I. Volts multiplicados por amperes são iguais a watts. Se a corrente for medida em miliamperes e a tensão em volts, a potência será medida em miliwatts. Usando esta fórmula é fácil encontrar a potência dissipada pelos resistores. Por exemplo, se uma tensão de 1,2 V for aplicada a um resistor com resistência de 12 kOhm, a corrente será de 10 mA e a dissipação de potência será de 120 mW. Graficamente, a potência é igual à área do retângulo construído nos eixos coordenados e tocando o ponto c com seu vértice (está sombreado na Fig. 5). A resistência da carga pode ser selecionada para estar em um ponto muito interessante d, onde U = E/2 e I = lK3/2. Nessas condições, a resistência da carga é igual à resistência interna da fonte, ou seja, R = r, e a área do retângulo correspondente à potência P dissipada na carga será máxima. Por diversão, tente provar essa posição algebricamente - encontrando o máximo de uma função ou provando um teorema geométrico. A condição R = r é chamada de condição de correspondência e a carga é chamada de casada. Ao mesmo tempo, o maior poder é liberado nele. Na verdade, com grandes resistências de carga, a corrente cai, no limite, para zero, e a tensão não pode exceder o EMF. Conseqüentemente, a potência na carga tende a zero. O outro caso extremo é menos óbvio, quando a resistência da carga tende a zero. Então a corrente aumenta para lK3, mas a tensão U tende a zero, o que significa que a potência na carga também cai. Deve-se notar que a potência neste caso ainda é dissipada, mas não onde deveria estar - na resistência interna da fonte. Tem sido repetidamente observado que uma célula galvânica em curto-circuito aquece, ao mesmo tempo que consome rapidamente a sua capacidade. A questão final para a discussão de hoje é qual é a eficiência do circuito mostrado na Fig. 4? Por definição, a eficiência é igual à razão entre a potência liberada na carga e a potência total consumida no circuito. Este último é igual a E·1, e eficiência = U·l/E·l = U/E. Isso mostra que a eficiência é próxima da unidade apenas em altas resistências de carga, ao trabalhar com correntes baixas, quando U é quase igual a E, e a queda de tensão na resistência interna da fonte é pequena. No casamento, eficiência = 0,5 (50%) e metade da potência total é gasta na fonte e a outra metade na carga. Em modos próximos a um curto-circuito, a eficiência é muito baixa. Esta é uma das razões pelas quais é mais rentável descarregar células galvânicas com baixa corrente. E agora mais um “dever de casa”. Você foi trazido para a ilha, a noite está caindo, o próximo voo de barco está atrasado e precisa receber um sinal luminoso. Entre os equipamentos da expedição você encontrou uma lanterna com bateria meio descarregada, um multímetro e três lâmpadas: 12 Vx0,1 A, 6 Vx0,2 A e 3 Vx0,4 A. As medições dos parâmetros da bateria mostraram sua fem de 12 V e uma corrente de curto-circuito de 0,4 A. Qual lâmpada devo escolher para tornar a luz o mais brilhante possível? (Observe que o diagrama da lanterna é como na Fig. 4, apenas o interruptor não é mostrado.) Autor: V.Polyakov, Moscou
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