Politechnika Śląska Ruda Śląska 2001-04-03

Instytut Transportu

Badanie zależności siły

Elektromotorycznej ogniwa od obciążenia.

Prawa Kirchhoffa prądu stałego

Grupa T11.

Sekcja nr II:

Górny Marcin

Konieczny Tomasz

Oczadło Zbigniew

Teoria.

Wśród źródeł siły elektromotorycznej wykorzystywanych do zasilania układów elektronicznych i elektrotechnicznych duże znaczenie mają ogniwa galwaniczne oraz znajdujące coraz liczniejsze zastosowania ogniwa fotowoltaiczne. Te ostatnie zwane są także fotoogniwami, a ich zestawy nazywane są bateriami słonecznymi.

Zależność siły elektromotorycznej fotoogniwa od obciążenia.

W wyniku istniejącego w obszarze złącza p-n zakrzywienia pasm: przewodnictwa i walencyjnego generowane światłem w tym obszarze elektrony i dziury zostają przestrzennie rozseparowane. Powoduje to powstanie różnicy potencjałów elektrycznych pomiędzy elektrodami przymocowanymi do obszarów, w których znalazły się owe tzw. Nadmiarowe swobodne elektrony i dziury. Napięci to jest proporcjonalne do liczby rozseparowanych par elektron - dziura. Liczba ta zależy między innymi od natężenia światła padającego na fotoogniwo oraz od czasu życia nadmiarowych nośników ładunku.

Ogniwa galwaniczne

Ogniwa galwaniczne dostarczają energii elektrycznej w wyniku procesów termodynamicznych zachodzących na granicy faz między przewodnikami jonowymi a przewodnikami elektronowymi. Źródłem energii w większości wykorzystywanych na skalę techniczną ogniw galwanicznych są przebiegające w nich reakcje elektrochemiczne, dlatego niekiedy mówimy o chemicznych źródłach prądu elektrycznego. Elektrolitem nazywamy wodny roztwór kwasu, zasady lub soli. Cząsteczki tych związków ulegają dysocjacji pod wpływem cząsteczek wodna jony. Metal zanurzony w elektrolicie wskazuje tzw. Elektrolityczną prężnością roztwórczą, jego jony dodatnie przechodzą do roztworu, a metal ładuje się ujemnie.

Baterie

Do najbardziej rozpowszechnionych ogniw pierwotnych należą: ogniwa Leclanchego, ogniw magnezowo - chlorosrebrowe.

We współczesnych ogniwach Leclanchego elektroda dodatnia składa się z dwutlenku manganu, z grafitu oraz sadzy acetylenowej. Elektroda ujemna wykonana jest z cynku, a elektrolitem jest wodny roztwór chlorku amonu, cynku, wapna i magnezu.

Akumulatory

Najbardziej znanymi akumulatorami są akumulatory ołowiane. Ich elektrody są wykonane z kratownic z ołowiu antymonowego, w który wyprasowany jest tlenek ołowiu PbO. Kratownice przedzielone przekładkami z tworzywa sztucznego łączone są w zespoły.

Prawa Kirchhoffa prądu stałego

I prawo rządzące przepływami prądów w obwodach prądu stałego:

Suma natężeń prądów dopływających do węzła sieci elektrycznej jest równa sumie natężeń prądów z niego wypływających.

II prawo:

Algebraiczna suma potencjałów oczka sieci jest równa zero.

Moc prądu wydzielana na oporze zewnętrznym

Moc prądu elektrycznego wydzielana na rezystancji w obwodzie wyliczana jest ze wzoru:

P=U I= I² R

Przebieg ćwiczenia:

1. Badanie zależności siły elektromotorycznej ogniwa fotowoltaicznego od obciążenia (pomiar siły elektromotorycznej E oraz napięcia i natężenia prądu przy dowolnej wartości rezystancji R);

2. Wyznaczanie rezystancji opornika metodami poprawnie mierzonego napięcia i prądu (zanotowanie zakresu pomiaru i klasy użytych mierników, pomiar natężenia prądu i napięcia obydwoma metodami);

Opracowanie wyników.

1) Parametry mierników oraz tabele pomiarowe:

• spadek napięcia na fotoogniwie - 0,35 V;

• zakresy amperomierza - 0,1*10^-3A;0,3*10^-3A;1*10^-3A;

• zakresy woltomierza - 10V

U=0,1 V R_w=2000Ω

U=0,3 V R_w=6000Ω

• spadki napięć na amperomierzu:

I=0,1*10^-3A U=0,06 V

I=0,3*10^-3A U=0,08 V

I=1*10^-3A U=0,087 V

Badanie zależności siły elektromotorycznej ogniwa od obciążenia:

Lp.	R [Ω]	U [V]	I [A]
1	100000	0,296	0,0015*10^-3
2	80000	0,287	0,0017*10^-3
3	60000	0,286	0,0021*10^-3
4	40000	0,285	0,0032*10^-3
5	20000	0,282	0,0065*10^-3
6	10000	0,268	0,022*10^-3
7	8000	0,265	0,025*10^-3
8	6000	0,262	0,04*10^-3
9	4000	0,254	0,05*10^-3
10	2000	0,229	0,08*10^-3
11	1000	0,146	0,11*10^-3
12	800	0,124	0,12*10^-3
13	600	0,102	0,12*10^-3

2) Wyznaczanie rezystancji opornika metodami poprawnie mierzonego napięcia i poprawnie mierzonego prądu:

• metoda poprawnie mierzonego napięcia

Lp.	R [Ω]	U [V]	I [A]
1	10000	1	0,11*10^-3
2	1000	0,9	0,99*10^-3

• metoda poprawnie mierzonego prądu

Lp.	R [Ω]	U [V]	I [A]
1	10000	1	0,09*10^-3
2	1000	0,9	0,98*10^-3

A Badanie zależności SEM ogniwa fotowoltaicznego od obciążenia.

1) Obliczanie niepewności uzyskanych wyników biorąc pod uwagę klasy dokładności użytych mierników.

k	z	Δ
1	1*10^-4 A	1*10^-6 A
1	3*10^-4 A	3*10^-6 A
1	2 V	0,02 V

2) Wykres zależności mierzonego napięcia U od natężenia prądu I (rys.1) funkcji U=f(I).

3) Obliczanie współczynników metodą najmniejszych kwadratów prostej aproksymującej funkcji U=A*I+B [U]=[V/A*A]=[V].

• ilość pomiarów n=13;

- współczynnik A [Ω];

A=1,98±0,38 [Ω]

- współczynnik B [V]

B=0,310±0,008 [V];

U=1,98*I+0,31 ≅ 2*I+0,3 [V]

4) Na podstawie odpowiedniej interpretacji współczynników kierunkowych można podać rezystancję wewnętrzną badanego fotoogniwa oraz jego siłę elektromotoryczną:

• R_wf= A = 1,98 Ω

• E = B = 0,31 V

5) Zaznaczenie na wspólnym wykresie zależności mocy czerpanej z fotoogniwa P=U*I oraz mocy P' wydzielonej na rezystancji wewnętrznej źródła P'=(E-U)*I od natężenia pobieranego prądu (rys2).

Lp.	P [W]	P' [W]
1	0,44*10^-6	0,081*10^-6
2	0,48*10^-6	0,039*10^-6
3	0,6*10^-6	0,05*10^-6
4	0,91*10^-6	0,08*10^-6
5	1,8*10^-6	0,18*10^-6
6	5,8*10^-6	0,92*10^-6
7	6,6*10^-6	1,12*10^-6
8	10,4*10^-6	1,92*10^-6
9	12,7*10^-6	2,8*10^-6
10	18,3*10^-6	6,48*10^-6
11	16*10^-6	18*10^-6
12	14,8*10^-6	22,3*10^-6
13	12,2*10^-6	24,9*10^-6

6) Obliczanie niepewności wyników metodą różniczki zupełnej

U=(2,40±0,18)*10^-1 V

I=(4,5±1,2)*10^-5 A

P=U*I [W]

P=(10,8±3,7)*10^-6 W

P'=(E-U)*I [W] P'=E*I-P [W] ΔE= S_b =0,008 V

P'=(32,1±7,7)*10^-6 W

B Wyznaczanie rezystancji opornika metodą poprawnie mierzonego napięcia i poprawnie mierzonego prądu.

1. Obliczanie niepewności wszystkich uzyskanych wyników biorąc pod uwagę klasy dokładności użytych mierników.

k	z	Δ
1	10 V	0,1 V
1	1*10^-3 A	1*10^-5 A

2. Korzystając ze wzoru
   oraz wartości znamionowymi rezystancji badanych oporników i zmierzonych wartości I oraz U obliczamy rezystancję wewnętrzną użytego woltomierza:

U_V=1V I_A= 0,11*10^-3 A R=10000 Ω

U_V=1 V I_A=0,11*10^-3 A R=10000 Ω

ΔU_V=0,1 V ΔI_A=10^-5 A ΔR=0,01 Ω

R_V=(100±21) *10³ Ω

3. Korzystając ze wzoru
   oraz wartości znamionowymi rezystancji badanych oporników i zmierzonych wartości I oraz U obliczamy rezystancję wewnętrzną użytego amperomierza:

U_V=1V I_A= 0,09*10^-3 A R=10000 Ω

U_V=1 V I_A=0,09*10^-3 A R=10000 Ω

ΔU_V=0,1 V ΔI_A=10^-5 A ΔR=0,01 Ω

R_A=(111±24)*10¹ Ω

Wnioski końcowe

Celem wykonywanego przez nas ćwiczenia było badanie zależności SEM ogniwa od obciążenia.

W pierwszej części badaliśmy zależność SEM ogniwa fotowoltaicznego od obciążenia. Natomiast w drugiej części wyznaczaliśmy rezystancję opornika metodami poprawnie mierzonego napięcia i prądu.

W pierwszej części wraz ze wzrostem prądu rośnie moc aż do 18*10^-6 W, spadek napięcia na mierniku spowodował, że mimo wyższych wartości prądu charakterystyka spadła. Natomiast moc P' wydzielona na rezystancji wewnętrznej źródła rośnie wraz ze wzrostem prądu.

Rezystancja fotoogniwa jest mała (2 Ω) natomiast obliczenia siły elektromotorycznej (0,31V) jest zbliżona do wartości zmierzonej 0,35V.

W drugiej części wartości rezystancji R_V i R_A odbiegają nieco od wartości teoretycznych, jest spowodowane niedokładnością przyrządów pomiarowych.

7

---