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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Esto complicó la ley de Ohm. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Radioaficionado principiante No hay duda de que todo el mundo conoce la ley de Ohm para la sección del circuito que se muestra en la figura. 3,a: U = IR, donde U es la caída de tensión en la sección; I - corriente en el circuito; R es la resistencia de esta sección del circuito. Es una pena cometer un error en la ley de Ohm, pero si aún no has memorizado esta fórmula, utiliza la figura. 3, b. Basta con tapar el valor deseado con el dedo para obtener la respuesta de qué se debe multiplicar o dividir por qué. Se recomienda utilizar el sistema de unidades SI, donde el voltaje se expresa en voltios, la resistencia en ohmios y la corriente en amperios. Sin embargo, al calcular circuitos de radio, puede resultar conveniente tomar la corriente en miliamperios y la resistencia en kiloohmios; entonces los factores 10-3 y 103 se reducirán y el voltaje seguirá estando en voltios.
Expresemos la corriente I = U/R. La dependencia de la corriente del voltaje es directamente proporcional: en el gráfico l(U) se representa como una línea recta (Fig. 3c). Esta relación a menudo se llama lineal. Entonces, tomamos una batería de linterna de 4,5 V y le conectamos una resistencia de 1 ohmio conectada en serie y un amperímetro (siempre está conectado en serie con la carga). En lugar de los 4,5 A esperados, ¡obtenemos mucho menos! ¿Qué pasa? ¿No funciona la ley de Ohm? Tendrás que investigar este fenómeno y conectar un voltímetro en paralelo con la resistencia. Mostrará un voltaje inferior a 4,5 V e igual a U = I R. ¿Dónde cae el resto del voltaje? Sobre la resistencia interna de la batería, que no tuvimos en cuenta en el cálculo anterior. Aquí es necesario utilizar la ley de Ohm para todo el circuito: I = E/(r + R), donde E es la fuerza electromotriz de la batería (EMF, se indica en el embalaje, no el voltaje); r - resistencia interna. Estos dos parámetros caracterizan completamente la fuente actual. El diseño experimental y el orden de encendido de los dispositivos se muestran en la Fig. 4.
Veamos cómo la corriente y el voltaje a través de la carga dependen de su resistencia R. Voltaje a través de la carga U = l R = ER/(r + R). Si la resistencia de la carga aumenta hasta el infinito, la corriente tenderá a cero y el voltaje tenderá a la FEM. Es fácil descubrir el EMF, solo necesita conectar un voltímetro (sin carga) a los terminales de la batería. En este caso, se supone que el voltímetro es "bueno": alta resistencia, es decir, consume una corriente insignificante. De lo contrario, entonces un voltímetro "malo" mostrará un voltaje menor que la FEM en la cantidad Iv·r donde Iv es la corriente consumida por el voltímetro. Dirigamos ahora la resistencia de carga a cero, entonces la corriente en el circuito será igual a la corriente de cortocircuito Isk = E/r. Ahora el amperímetro que se muestra en la Fig. 4, debe ser "bueno", es decir, tener una resistencia intrínseca ra extremadamente baja. De lo contrario, no se medirá Icz, sino una corriente más pequeña, igual a E/(r + rа). Puede medir la corriente de cortocircuito con un amperímetro solo para las celdas y baterías de menor potencia (entonces es pequeña y un cortocircuito de muy corta duración en los terminales no daña la batería). Para muchas baterías, Ikc puede alcanzar cientos y miles de amperios; dicha corriente derrite cables de cobre y clavos de hierro y seguramente arruinará su amperímetro. Afortunadamente, no es necesario realizar tal experimento y la resistencia interna es fácil de encontrar mediante cálculo. Si mide la fem con un voltímetro de alta resistencia y luego el voltaje U en una carga conocida R, entonces, a partir de la ley de Ohm para una sección del circuito, es fácil encontrar I = U/R. También puedes medir la corriente, entonces ni siquiera necesitas saber la resistencia. Ahora transformemos la fórmula de la ley de Ohm para la cadena completa: r = E/I - R. Sustituyendo I, tenemos r = R(E/U-1). El mismo cálculo se puede hacer gráficamente. Para el circuito completo mostrado en la Fig. 4, tracemos la dependencia de la corriente a través de la carga del voltaje a través de ella, siempre que la resistencia varíe de 0 a infinito. Cuando la resistencia es 0, la corriente es máxima e igual a lK3 y el voltaje es 0; obtenemos el punto a. Aumentemos la resistencia hasta el infinito (apáguela): el voltaje aumentará a E; obtenemos el punto b. Dos puntos son suficientes para trazar una línea recta ab a través de ellos; esto se llama característica de carga (línea engrosada). Habiendo activado ahora alguna resistencia R, midiendo el voltaje U a través de ella y calculando la corriente I, obtenemos el punto c. También es fácil de encontrar gráficamente construyendo una gráfica l(U) para una resistencia dada R en las mismas coordenadas, igual que en la Fig. 3,c (línea delgada en la Fig. 5). La intersección de dos rectas da el punto c.
En el cálculo anterior, de hecho, midiendo la FEM y el voltaje a través de la carga encontramos los puntos byc. Al trazar una línea recta a través de ellos, encontramos el punto a en la intersección con el eje vertical (Ikz), y por lo tanto el resistencia interna r. Ahora intentemos responder la pregunta: ¿qué potencia P se libera en la carga? Como se sabe, P = U·I. Voltios multiplicados por amperios equivalen a vatios. Si la corriente se mide en miliamperios y el voltaje en voltios, entonces la potencia se mide en milivatios. Usando esta fórmula es fácil encontrar la potencia disipada por las resistencias. Por ejemplo, si se aplica un voltaje de 1,2 V a una resistencia de 12 kOhm, entonces la corriente será de 10 mA y la disipación de potencia será de 120 mW. Gráficamente, la potencia es igual al área del rectángulo construido sobre los ejes de coordenadas y tocando el punto c con su vértice (está sombreado en la Fig. 5). Se puede seleccionar que la resistencia de carga esté en un punto d muy interesante, donde U = E/2 e I = lK3/2. En estas condiciones, la resistencia de la carga es igual a la resistencia interna de la fuente, es decir R = r, y el área del rectángulo correspondiente a la potencia P disipada en la carga será máxima. Por diversión, intenta demostrar esta posición tú mismo algebraicamente, encontrando el máximo de una función o demostrando un teorema geométrico. La condición R = r se llama condición coincidente y la carga se llama igualada. Al mismo tiempo, en él se libera el mayor poder. De hecho, con grandes resistencias de carga, la corriente cae, hasta el límite de cero, y el voltaje no puede exceder la EMF. En consecuencia, la potencia en la carga tiende a cero. El otro caso extremo es menos obvio, cuando la resistencia de la carga tiende a cero, entonces la corriente aumenta a lK3, pero el voltaje U tiende a cero, lo que significa que la potencia en la carga también cae. Cabe señalar que la potencia en este caso todavía se disipa, pero no donde debería estar: en la resistencia interna de la fuente. Se ha observado repetidamente que una celda galvánica en cortocircuito se calienta y al mismo tiempo consume rápidamente su capacidad. La última pregunta para la discusión de hoy es cuál es la eficiencia del circuito que se muestra en la figura. 4? Por definición, la eficiencia es igual a la relación entre la potencia liberada en la carga y la potencia total consumida en el circuito. Este último es igual a E·1, y eficiencia = U·l/E·l = U/E. Esto muestra que la eficiencia es cercana a la unidad solo con resistencias de carga altas, cuando se trabaja con corrientes bajas, cuando U es casi igual a E y la caída de voltaje a través de la resistencia interna de la fuente es pequeña. Al emparejar, la eficiencia = 0,5 (50%) y la mitad de la potencia total se gasta dentro de la fuente y la otra mitad en la carga. En modos cercanos a un cortocircuito, la eficiencia es muy baja. Ésta es una de las razones por las que resulta más rentable descargar células galvánicas con baja corriente. Y ahora otra “tarea”. Te han llevado a la isla, cae la noche, el próximo vuelo en barco se retrasa y es necesario darle una señal luminosa. Entre el equipo de expedición se encontró una linterna con una batería medio descargada, un multímetro y tres bombillas: 12 Vx0,1 A, 6 Vx0,2 A y 3 Vx0,4 A. Las mediciones de los parámetros de la batería mostraron su fem de 12 V y una corriente de cortocircuito de 0,4 A. ¿Qué bombilla debo elegir para que la luz sea lo más brillante posible? (Tenga en cuenta que el diagrama de la linterna es como en la Fig. 4, solo que no se muestra el interruptor). Autor: V.Polyakov, Moscú
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