Паралельне та послідовне з'єднання джерел напруги

Інформація для вчителів

Опис

Експериментальна установка

У повсякденному житті часто доводиться з'єднувати кілька монокристалічних елементів (моноелементів) разом, щоб сформувати батареї (акумулятори) для живлення мобільних електричних пристроїв. Приклади застосування таких батарей дуже різноманітні: дрилі, ліхтарі, радіоприймачі, дитячі іграшки та багато іншого.

Примітка:Спочатку термін "батарея" фактично використовувався для опису взаємозв'язку декількох моноелементів. Однак у розмовній мові окремі моноелементи часто називають "батарейкою".

Додаткова інформація для вчителів (1/3)

попередні знання

Учні вже повинні знати будову простого електричного кола з батарейкою. Вони також повинні засвоїти такі терміни, як сила струму та напруга, і вміти самостійно їх вимірювати за допомогою вимірювальних приладів.

Додаткова інформація для вчителів, ілюстрація 1 з 2

Принцип

Додаткова інформація для вчителів, ілюстрація 2 з 2

Правила Кірхгофа можна використовувати для розуміння електричних кіл. Перше правило (правило вузла) стверджує, що сума всіх струмів, що втікають у вузол, дорівнює сумі всіх струмів, які витікають із вузла. Друге правило (правило контуру) подане для замкненого контуру в такому вигляді: алгебраїчна сума ЕРС, що діють у замкненому контурі, дорівнює алгебраїчній сумі падінь напруги на всіх елементах цього контуру. Звідси випливає:

Послідовне з'єднання джерел напруги:

Паралельне з'єднання джерел напруги:

Додаткова інформація для вчителів (2/3)

Мета навчання

Учні повинні зрозуміти, в чому різниця між послідовним і паралельним з'єднанням двох батарейок.

Завдання

У цьому експерименті учні з'єднують дві батарейки в просте коло зі споживачем спочатку послідовно, а потім паралельно і досліджують, як це впливає на напругу і силу струму, що вимірюються в електричному колі.

Додаткова інформація для вчителів (3/3)

У цьому експерименті рекомендується використовувати лампу розжарювання 6 В/0,5 А, оскільки її опір відносно невеликий і тому під навантаженням слід очікувати вимірюваних падінь напруги.

Пояснення того факту, що робоча напруга (напруга під навантаженням) нижча, ніж напруга холостого ходу, має бути надано тільки тоді, коли вивчено вплив внутрішнього опору джерела напруги на його потужність навантаження.

Виміряні значення, які отримують учні, можуть сильно відрізнятися одне від одного, оскільки вони залежать від стану використовуваних моноелементів. Чим "новіші" (менш споживані) моноелементи, тим менше навантаження впливає на напругу. Залежно від типу моноелементи можуть також мати напругу холостого ходу вище 1,5 В. У такому разі, можливо, доведеться розширити використовувані діапазони вимірювання.

Інструкції з техніки безпеки

До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.

Інформація для учнів

Мотивація

Акумуляторні батарейки

Незважаючи на те, що в мобільних електричних пристроях все частіше встановлюються іонні акумулятори, батарейки все ще дуже часто використовуються. Це стосується, наприклад, ліхтариків, дитячих іграшок або таких пристроїв,як бездротові навушники або контролери. Ймовірно, Вам вже доводилося міняти батарейки. Як відомо, пальчикові батарейки слугують джерелом живлення. Ви можете з'єднати кілька батарейок по-різному: паралельне і послідовне з'єднання мають різноманітне застосування.

У цьому експерименті Ви дізнаєтесь про ці відмінності.

Завдання

Що можна отримати, з'єднавши джерела напруги послідовно і паралельно?

З'єднайте дві батарейки спочатку послідовно, а потім паралельно в просте коло зі споживачем і дослідіть, як це впливає на напругу і силу струму.

Матеріал

Позиція	Матеріал	Пункт №.	Кількість
1	З'єднувальний, прямий, модуль SB	05601-01	4
2	З'єднувальний, кутовий, модуль SB	05601-02	1
3	З'єднувальний, Т-подібний, модуль SB	05601-03	2
4	З'єднувальний, розімкнутий, модуль SB	05601-04	2
5	З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB	05601-10	2
6	З'єднувальний, кутовий з роз'ємом, модуль SB	05601-12	2
7	Вимикач вкл./викл., модуль SB	05602-01	1
8	Патрон для лампи розжарювання Е 10, модуль SB	05604-00	1
9	Тримач для батарейок (тип С), модуль SB	05605-00	2
10	З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний	07361-01	2
11	З'єднувальний провідник, 500 мм, синій	07361-04	2
12	Батарейка 1.5 В (тип C) R14 (IEC-тип) (2 шт.)	07400-00	2
13	Лампи розжарювання 3,5 В/ 0,2 A, E10, 10 шт.	06152-03	1
14	Аналоговий мультиметр, 600 В AC/DC, 10A AC/DC, 2 МОм, захист від перевантаження	07021-11	2

Підготовка (1/3)

Спочатку зберіть електричну схему для експерименту, як показано на рисунку навпроти.
Вимикач має бути розімкнутий, а лампочка 12 В вкручена в патрон.

Підготовка (2/3)

Вставте батарейку в тримач і під'єднайте вольтметр (ліворуч) і амперметр (праворуч внизу) до електричного кола.
Використовуйте діапазони вимірювання 3 В і 300 мА-.

Підготовка (3/3)

Нижче Ви бачите експериментальну установку для другої частини експерименту. Тут необхідно підключити дві батарейки паралельно. Вольтметр підключається паралельно батареям (ліворуч), а амперметр підключається послідовно (праворуч).

Виконання роботи (1/3)

Виміряйте так звану напругу розімкнутого контуру при розімкнутому вимикачі і запишіть виміряне значення в протокол.
Замкніть вимикач і виміряйте силу струму , а також напругу під навантаженням . Слідкуйте за яскравістю лампочки. Запишіть виміряні значення.
Розімкніть вимикач і послідовно підключіть другу батарейку до першої, змінивши схему, як показано на рисунку. Позитивний полюс першої батарейки з'єднаний з негативним полюсом другої.

Виконання роботи (2/3)

Знову виміряйте напругу розімкнутого електричного кола .
Замкніть вимикач та визначте напругу і силу струму . Спостерігайте за яскравістю лампочки.
При розімкнутому вимикачі поверніть одну з двох батарей на 180º так, щоб були підключені або обидва позитивні полюси, або обидва негативні полюси.
Знову виміряйте напругу розімкнутого контуру і після замикання вимикача значення та під навантаженням. Спостерігайте за яскравістю лампочки.
Розімкніть вимикач.
Запишіть усі результати вимірювань у протокол.

Виконання роботи (3/3)

Тепер розглянемо паралельне з'єднання

Як і раніше, при розімкненому вимикачі виміряйте напругу розімкнутого кола , а потім, при замкненому вимикачі, виміряйте напругу і силу струму під навантаженням, спостерігаючи за лампочкою.
Розімкніть вимикач.
Знову запишіть виміряні значення в протокол.

Протокол

Таблиця 1

Введіть виміряні значення і спостереження для 1-ї частини експерименту (послідовне з'єднання)!

1 батарейка

2 батарейки (+ на -)

2 батарейки (+ на +)

без навантаження

під навантаженням

1 Акумулятор: холостий U_L [V]:

1 Акумулятор: під навантаженням U_B [V]:

1 Батарея: при навантаженні I [мА]:

1 Батарея: під навантаженням - яскравість лампи:

, , , Яскравість лампи

2 батареї (+ вкл. -): холостий U_L [V]:

2 батареї (+ вкл. -): під навантаженням U_B [V]:

2 батареї (+ вкл. -): з навантаженням I [мА]:

2 батареї (+ вкл. -): під навантаженням - яскравість лампи:

2 батареї (+ вкл. +): холостий U_L [V]:

2 батареї (+ вкл. +): під навантаженням U_B [V]:

2 батареї (+ вкл. +): з навантаженням I [мА]:

2 батареї (+вкл +): під навантаженням - яскравість лампи:

Таблиця 2

Введіть виміряні значення і спостереження для 2-ї частини експерименту (паралельне з'єднання)!

2 батарейки

без навантаження

під навантаженням

2 батареї: холостий U_L [V]:

2 батареї: під навантаженням U_B [V]:

2 батареї: з навантаженням I [мА]:

2 батарейки: під навантаженням - яскравість лампи: