内部抵抗とは何ですか

たとえば、発電機、ガルバニ電池、バッテリーなどの電流源と、抵抗 R の抵抗器を含む単純な電気閉回路があるとします。回路内の電流はどこにも遮断されないため、電流源の内部にも流れます。

このような状況では、各ソースには電流の流れを妨げる何らかの内部抵抗があると言えます。この内部抵抗は電流源の特徴を表し、文字 r で表されます。ために ガルバニ電池 内部抵抗は、バッテリーの場合は電解液と電極の抵抗、発電機の場合は固定子巻線の抵抗などです。

したがって、電流源は、EMF の大きさとその内部抵抗 r の値の両方によって特徴付けられます。両方の特性は、電流源の品質を示します。

たとえば、高電圧静電発電機 (ヴァン デ グラーフ発電機やウィムズハースト発電機など) は、数百万ボルト単位で測定される巨大な EMF を特徴としますが、その内部抵抗は数百メガオーム単位で測定されるため、静電気の発生には適していません。大電流。

反対に、ガルバニ電池 (バッテリーなど) の EMF は 1 ボルト程度ですが、その内部抵抗は数分の一のオーダー、またはせいぜい 10 オームであるため、単位および数十アンペアの電流を得ることができます。ガルバニ電池から。

この図は、負荷が接続された実際の電源を示しています。それらはここで定義されています EMF源、内部抵抗と負荷抵抗。によると 閉回路のオームの法則とすると、この回路の電流は次のようになります。

外部回路部分は均一であるため、オームの法則から負荷の両端の電圧は次のように求められます。

最初の式から負荷の抵抗を表し、その値を 2 番目の式に代入すると、閉回路の電流に対する負荷の電圧の依存性が得られます。

閉ループでは、EMF は外部回路要素での電圧降下と電源自体の内部抵抗での電圧降下の合計に等しくなります。負荷電流に対する負荷電圧の依存性は、理想的には線形です。

グラフはこれを示していますが、実際の抵抗器の実験データ (グラフ付近の十字) は常に理想とは異なります。

実験と論理は、負荷電流がゼロの場合、外部回路の電圧は電源起電力に等しく、負荷電圧がゼロの場合、回路電流は 短絡電流… 実際の回路のこの特性は、実際の電源の EMF と内部抵抗を実験的に見つけるのに役立ちます。

内部抵抗の実験的検出

これらの特性を実験的に決定するには、電流の大きさに対する負荷の電圧の依存性のグラフを作成し、その後、それを軸との交点に外挿します。

グラフと電圧スパインの交点は電源起電力の値であり、電流軸との交点は短絡電流の値です。その結果、内部抵抗は次の式で求められます。

電源によって発生した有効電力は負荷全体に分配されます。この電力の負荷抵抗に対する依存性のグラフを図に示します。この曲線は、ゼロ点での座標軸の交点から始まり、最大電力値まで上昇し、無限大に等しい負荷抵抗でゼロまで下降します。

特定の電源で理論上の最大電力が発生する最大負荷抵抗を見つけるには、R に関する電力公式の導関数を取得し、ゼロに設定します。外部回路抵抗が内部電源抵抗と等しい場合、最大電力が発生します。

R = r での最大電力に対するこの規定により、負荷で放出される電力と負荷抵抗の値をプロットすることで電源の内部抵抗を実験的に求めることができます。最大電力を供給する理論上の負荷抵抗ではなく実際の負荷抵抗を見つけると、電源の実際の内部抵抗が決まります。

電流源の効率は、現在開発されている総電力に対する負荷に分配される最大電力の比率を示します。

特定の電源の可能な最大電力が負荷で得られるような電源が発生する場合、電源の効率は 50% に等しくなることは明らかです。