Siła elektromotoryczna i rezystancja wewnętrzna.
autor: Artur Szulc
: Obwody elektryczne prądu stałego
Post comments:17 komentarzy
Siła elektromotoryczna i rezystancja wewnętrzna
Siła elektromotoryczna i rezystancja wewnętrzna toczą niekończącą się walkę we wnętrzu naszych źródeł napięcia. Co kryję się za tymi pojęciami? Jaka łączy je relacja i jakie są konsekwencje ich istnienia?

Pojęcia, o których będę dziś pisał wymagają znajomości pewnych podstaw. Wszystkie je postaram się dzisiaj skrótowo nakreślić, jeśli jednak chcesz dokładnie wiedzieć co i dlaczego się dzieje, to polecam na wstępie zapoznać się z pełnymi artykułami na temat potrzebnych nam dzisiaj podstaw:

Czym jest rezystancja? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Co to jest napięcie elektryczne? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Jak rozumieć spadek napięcia? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Siła elektromotoryczna
Siła elektromotoryczna brzmi jak określenie wyjęte prosto z encyklopedii. Jest surowe, kojarzy się z nudną fizyką i tak naprawdę nie wiadomo do czego służy i co oznacza. Posiada ona też jeden z najdłuższych. jedno-zdaniowych opisów na Wikipedii jaki widziałem:

Siła elektromotoryczna (SEM) – czynnik powodujący przepływ prądu w obwodzie elektrycznym równy energii elektrycznej uzyskanej przez jednostkowy ładunek przemieszczany w urządzeniu (źródle) prądu elektrycznego w stronę przeciwną do siły pola elektrycznego działającego na ten ładunek.

Wikipedia
Tak naprawdę jedynym co warto z tego opisu zapamiętać jest fakt, że siłę elektromotoryczną często nazywa się w skrócie SEM – tak jest zwyczajnie krócej i łatwiej. W angielskiej literaturze odpowiednikiem jest skrót EMF, który rozwija się do Electromotive Force.

Zacznijmy może od tego, że siła elektromotoryczna bardzo często mylona jest z napięciem, zapewne dlatego, że obie te wielkości wyraża się w woltach. Jeśli jednak spojrzymy na definicję napięcia, to gołym okiem widać, że jest ona kompletnie inna od opisu SEM i przy okazji znacznie krótsza:

Napięcie elektryczne – różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego.

Wikipedia
Czy w takim razie SEM to całkiem coś innego, niż napięcie i nie należy tych dwóch wielkości ze sobą mylić? Nie do końca… Tak naprawdę SEM i napięcie to dokładnie ta sama idea fizyczna. Obie te wielkości wyrażamy w woltach, obie wywołują przepływ prądu i obie mówią o energii jaką niesie ze sobą ładunek elektryczny. Co takiego je zatem wyróżnia?

Ujmę to tak: SEM jest tym, o czym marzymy, napięcie jest tym, co dostajemy. Brzmi to może jak wróżba z chińskiego ciasteczka, ale w gruncie rzeczy na tym to polega. Rozwińmy może temat na przykładzie uwielbianej przez elektrotechników instalacji wodnej. Siłę elektromotoryczną nazwałbym w tym wypadku ciśnieniem znamionowym pompy, którą przed chwilą przywiózł kurier i którą wyciągamy z pudełka. Znamionowym, znaczy takim, które pompa jest teoretycznie w stanie wygenerować. Inaczej mówiąc SEM opisuje ile ,,siły pchającej” jest nam w stanie dać źródło. Ale czy na pewno tyle tej siły dostaniemy?

Tutaj przechodzimy do napięcia, którego odpowiednikiem w instalacji wodnej jest faktyczne ciśnienie wody, jakie uzyskujemy po podłączeniu naszej pompy. Oczywiście wszelkie zatory w rurociągu, czy uszkodzenia instalacji skutecznie owo ciśnienie obniżają, tak samo jak rezystor powoduje spadek napięcia w obwodzie. Jeśli czytałeś mój artykuł na temat spadku napięcia to wiesz, że jest on rzeczą całkowicie naturalną. Nas jednak w tym momencie nie interesuje co dzieje się dalej w rurociągu. Chcemy wiedzieć, czy pompa jest w stanie pchnąć wodę z obiecaną przez producenta wydajnością i zwykle… nie jest w stanie. Na tej samej zasadzie jeśli mamy baterię o SEM 9 V, to po jej podłączeniu i zmierzeniu napięcia na jej końcach okazać się może, że napięcie to już tylko 8,5 V. Dlaczego? Powiedzmy na razie, że każde źródło napięcia ma swoje wady, których fizycznie nie jesteśmy w stanie przeskoczyć.


SEM jest zatem wielkością nieco iluzoryczną. Możemy określić ją mianem napięcia, które udałoby nam się uzyskać, gdyby bateria pozbawiona była wad, a jej wydajność wynosiła 100%. Elektronicy wymyślili nawet pojęcie idealnego źródła napięcia, które polega na tym, że w pewnych sytuacjach przymyka się oko na niedoskonałości źródła i przyjmuje się napięcie pracy równe SEM (U = SEM). W rzeczywistości jednak nie ma baterii, akumulatorów i generatorów idealnych, stąd wytwarzane napięcie w trakcie pracy jest zawsze niższe od wartości SEM.

Czy jest się w ogóle czym przejmować? Czy strata ta jest duża? Aby sprawdzić jak to jest z tym SEM w rzeczywistości najprościej będzie wziąć do ręki zwykła baterię typu AA lub AAA. Kiedy tak na nią popatrzysz, to na pewno rzuci ci się w oczy widoczne na jej etykiecie 1,5 V. Wartość ta nazywana jest przez producentów napięciem nominalnym. My, zwykli użytkownicy mówimy na nią po prostu ,,napięcie baterii”. Jak myślisz, czym ona jest? SEM, czy napięciem pracy?


Aby zmierzyć SEM baterii musimy zaopatrzyć się w woltomierz – im droższy tym pomiar zwykle dokładniejszy. Ważne, żeby mierzona bateria była nowa – chcemy zobaczyć pełnie mocy w jaką wyposażył ją producent, a nie jakieś resztki napięcia pozostałe w zużytej baterii. Baterię oczywiście mierzymy ,,w powietrzu” – wiemy, że w trakcie pracy napięcie jest niższe niż SEM, stąd nie wkładamy jej do żadnego urządzenia. Wyciągamy ją z opakowania i przykładamy do niej sondy miernika.


Pomiar SEM baterii
Postanowiłem zmierzyć w ten sposób kilka baterii różnych producentów i każda z nich dała inny wynik. Raz było to 1,60 V, innym razem 1,65 V, a jeszcze innym 1,57 V. Pytanie numer jeden. Dlaczego na etykiecie każdej z tych baterii widnieje wartość 1,5 V, skoro ich SEM jest wyższe? A może 1,5 V to napięcie ich pracy? Sprawdziłem to. Obciążyłem każdą z nich małym rezystorem i wynik zawsze oscylował między 1,55 V, a 1,62 V, czyli wciąż więcej, niż przewidział producent. O co tutaj chodzi?

Jeśli spojrzymy do książek, ale nie takich ogólnych o elektrotechnice, tylko takich dotyczących stricte baterii, to tam znaleźć możemy definicję nawet 10 różnych rodzajów napięć! Aby to wszystko jakoś uporządkować i określić co jest czym, przedstawiam poniżej kilka przykładów:

Napięcie teoretyczne (ang. theoretical voltage) – wartość wynikająca z użytych do budowy baterii materiałów. Na przykład wykorzystanie w roli elektrod cynku i miedzi wytworzy napięcie równe 1,1 V, z kolei najnowocześniejsze ,,mieszanki” baterii litowych osiągają nawet 3,5 V.
Napięcie jałowe (ang. open-circuit voltage) – możemy opisać je jako ,,napięcie baterii wyjętej z pudełka” lub po prostu SEM. Wartość ta jest często nieco niższa od napięcia teoretycznego, bowiem konstrukcja baterii niesie ze sobą pewne ograniczenia. Część ogniw jest też delikatnie rozładowywana, nim trafi do pudełek, by zminimalizować ryzyko korozji.

Napięcie pracy (ang. closed-circuit voltage) – tak jak pisałem wcześniej, baterie będące pod obciążeniem gubią nieco swojej SEM i nie da się tego faktu przeskoczyć. To jak duży jest to spadek zależy od kilku rzeczy, o czym opowiem nieco później.

Napięcie nominalne – (ang. nominal voltage) – SEM każdej baterii (węglowej, alkalicznej czy litowej) może być inne – niekiedy jest to 1,55 V, innym razem na przykład 1,62 V. Dlaczego zatem na każdej z nich napisane jest 1,5 V? Powodem jest standaryzacja. Aby uniknąć zamieszania i nie zmuszać konsumenta do zastanawiania się jakie dokładnie napięcie będzie w danym wypadku najlepsze, wprowadzono kilka napięć standardowych, takich jak 1,5 V, 3 V i 9 V, do których przypisywane są ogniwa. We wszystkich przypadkach jakie spotkałem SEM była nieco wyższa od napięcia nominalnego, a więc jest to ,,oszustwo” na naszą korzyść.

Napięcie odcięcia (ang. cut-off voltage) – rozładowując się, bateria traci energię, a co za tym idzie spada wartość jej SEM jak i napięcia pracy. Po pewnym czasie nadejdzie moment, w którym napięcie będzie zbyt niskie do dalszego zasilania urządzenia i baterię uznamy za ,,wyczerpaną”. Granica ta jest jednak dość płynna i zależy od obciążenia. Rozładowana bateria może nie być w stanie zasilać latarki, ale jeśli przełożymy ją do zegarka, to może ona napędzać go jeszcze kilka dobrych dni.

Tak naprawdę nie ma sensu tego wszystkiego zapamiętywać, bo w rzeczywistości najistotniejsze jest jedno tylko jedno – napięcie w trakcie pracy. W końcu do tego służą baterie – do zasilania urządzeń, czyż nie? Tym bardziej szkoda, że z jakiegoś dziwnego powodu tracą one pod obciążeniem część swojej SEM. Co ciekawe fakt ten dotyczy nie tylko baterii, a wszystkich źródeł napięcia. Spróbuj na przykład zmierzyć napięcie w gniazdku swojego domu o różnych porach dnia. Szybko zauważysz, że praktycznie nigdy nie wynosi ono dokładnie 230 V. Czasami jest 227 V, innym razem 232 V. Skąd bierze się ta rozbieżność? Odpowiedź na to pytanie wymaga poruszenia zupełnie nowego wątku rezystancji wewnętrznej.