电池的内阻

电器工程 电路分析
2022-01-21 10:20:09

我试图找出我在以下问题上出错的地方:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

两节电池相同,开路电压均为1.5V。该灯点亮时的电阻为 5\$\Omega\$。在开关闭合的情况下,灯两端的电压为 2.5V。每个电池的内阻是多少?

(Agarwal 和 Lang 的问题 2.1,模拟和数字电子电路的基础)。注意印在书后的答案: 0.5\$\Omega\$ 。

这是我的解决方案:

第1步

使用元素定律找到电流,\$ {i}_{1} \$,通过灯泡。$$ v=iR \rightarrow {i}_{1} = \frac{v}{{R}_{bulb}}=\frac{2.5V}{5\Omega}=\frac{1}{2}一种。$$

第2步

将每个电池的内阻建模为电阻器。说明两个串联电阻的等效电阻$$ {R}_{eq}={R}_{1}+{R}_{2}=2{R}_{n} $$

第 3 步

根据基尔霍夫电压定律,两个电池之间的电势差必须与灯上的电势差相等且相反。我以以下方式将元素定律与上述表达式结合起来: $$ v={i}_{2}{R}_{eq} \rightarrow {R}_{n}=\frac{1}{2} \frac{v}{{i}_{2}} (eqn. 1) $$

第四步

根据基尔霍夫电流定律,任何节点的电流总和为零。$$ {i}_{1}-{i}_{2}=0 \rightarrow {i}_{2}={i}_{1} (eqn.2) $$

第 5 步

结合方程。1&2求\${R}_{n}\$,单节电池的内阻。$$ {R}_{n}=\frac{1}{2}\frac{v}{{i}_{1}}=2.5\Omega $$

结论

在反思问题陈述后,尤其是开路电压部分,我知道我犯了一些逻辑谬误。但是,我自己看不到它。我哪里做错了?我不应该想象电池的内阻可以建模为电阻吗?能源/电力方法会更适合这个问题吗?

3个回答

你把它弄得太复杂了。如您所说,电池电流为0.5A。由于电池的组合串联电阻,0.5A 导致电池电压下降 0.5V。我们可以使用欧姆定律。Vdrop = Ibatt * Rbatt。

因此,Rbatt = 0.5V / 0.5A = 1 欧姆。但那是组合的串联电阻。因此,每个电池对总电量的贡献为 0.5 欧姆。

我认为您的误解发生在第 3 步:

根据基尔霍夫电压定律,两个电池之间的电势差必须与灯上的电势差相等且相反。我以下列方式将元素定律与上述表达式结合起来 [...]

这是不正确的,或者至少写得不够准确。也许您应该画出完整的电路以使其更易于理解:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

现在应用电压定律:

$$V(BAT1) + (-I\times R1) + V(BAT2) + (-I\times R2) + (-I\times R(LAMP1)) = 0$$ $$2 V_{bat} - I \times 5\ \Omega = 2 I\times X$$ $$\frac{V_{bat}}{I} - \frac{1}{2}\times 5\ \Omega = X$$ $$\frac {1,5\ V}{0,5\ A} - \frac{1}{2}\times 5\ \Omega = X$$ $$X = 0.5\ \Omega$$

我省略了通过电压表的电流(假设是理想的),因此无需应用电流定律,因为只有一个已知电流在回路中流动。

分析中的错误在等式 1 中。正确的等式是,

\$V_{Bat1}+V_{Bat2}-i_2R_{eq}=v\$

在旁注中,内阻是由于电解质的流动性、浓度、电极的表面积和电极之间的长度而产生的。电压是由于电极的氧化还原电位而产生的,并且存在浓度的能斯特方程。