Широкополосные плазмоны Тамма в чирпированных фотонных кристаллах для светоиндуцированного расщепления воды

1. Фудзисима А., Хонда К. Электрохимический фотолиз воды на полупроводниковом электроде. Природа. 1972; 238:37. doi: 10.1038/238037a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

2. Хамдани И.Р., Бхаскарвар А.Н. Недавний прогресс в выборе материалов и конструкции устройств для фотоэлектрохимического разделения воды. Продлить. Поддерживать. Energy Rev. 2021; 138:110503. doi: 10.1016/j.rser.2020.110503. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

3. Lan Y., Lu Y., Ren Z. Мини-обзор фотокатализа наночастиц диоксида титана и их применения в солнечной энергетике. Нано Энергия. 2013;2:1031. doi: 10.1016/j.nanoen.2013.04.002. [CrossRef] [Google Scholar]

4. Этуотер Х., Полман А. Плазмоника для усовершенствованных фотоэлектрических устройств. Природа Матер. 2010;9:205. doi: 10.1038/nmat2629. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

5. Миличко В.А., Шалин А. С., Мухин И.С., Ковров А.Е., Красилин А.А., Виноградов А.В., Белов П.А., Симовский С.Р. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции. физ. Успехи. 2016;59:727. doi: 10.3367/UFNe.2016.02.037703. [CrossRef] [Google Scholar]

6. Guo L.-J., Luo J.-W., He T., Wei S.-H., Li S.-S. Ограниченная фотокоррозией максимальная эффективность солнечного фотоэлектрохимического расщепления воды. физ. Преподобный заявл. 2018;10:064059. doi: 10.1103/PhysRevApplied.10.064059. [CrossRef] [Google Scholar]

7. Дорфи А.Е., Вест А.К., Эспозито Д.В. Количественная оценка потерь производительности фотоэлектрода из-за одиночных пузырьков водорода. Дж. Физ. хим. С. 2017; 121:26587. doi: 10.1021/acs.jpcc.7b06536. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

8. Маскаретти Л., Дутта А., Кмент Ш., Шалаев В.М., Болтассева А., Зборил Р., Налдони А. 2019 Плазмонно-усиленное фотоэлектрохимическое расщепление воды для эффективного хранения возобновляемой энергии. Доп. Матер. 2019;31:1805513. doi: 10.1002/adma.201805513. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

9. Xiang C., Weber A.Z., Ardo S., Berger A., ​​Chen Y., Coridan R., Fountaine K.T., Haussener S., Hu S., Liu R. ., и другие. Моделирование, симуляция и реализация устройств для разделения воды на солнечных батареях. Ангью. хим. Междунар. Эд. 2016;55:12974. doi: 10.1002/anie.201510463. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

10. Дутта А., Налдони А., Малара Ф., Говоров А.О., Шалаев В.М., Болтассева А. Гэп-плазмонное расщепление воды ультратонкими пленками гематита: роль плазмонного на основе захвата света и горячих электронов. Диск Фарадея. 2019;214:283. doi: 10.1039/C8FD00148K. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

11. Kim J.K., Shi X., Jeong M.J., Park J., Han H.S., Kim S.H., Guo Y., Heinz T.F., Fan S., Lee C.-L. ., и другие. Усиление расщепления солнечной воды Mo: BiVO4 с помощью структурированных наносфер Au за счет переноса энергии, индуцированного плазмонами. Доп. Энергия Матер. 2018;8:1701765. doi: 10.1002/aenm.201701765. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

12. Налдони А., Гулер У., Ван З., Марелли М., Малара Ф., Менг Х., Бестейро Л.В., Говоров А.О., Кильдышев А.В., Болтассева А. и др. Широкополосный сбор горячих электронов для расщепления солнечной воды плазмонным нитридом титана. Доп. Опц. Матер. 2017;5:1601031. doi: 10.1002/adom.201601031. [CrossRef] [Google Scholar]

13. Чой Ю.М., Ли Б.В., Юнг М.С., Хань Х.С., Ким С.Х., Чен К., Ким Д.Х., Хайнц Т.Ф., Фан С., Ли Дж. и др. Замедленная рекомбинация заряда-носителя в фотоэлектрохимических ячейках из-за плазмон-индуцированного резонансного переноса энергии. Доп. Энергия Матер. 2020;10:2000570. doi: 10.1002/aenm.202000570. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

14. Гусельникова О., Трелин А., Милютина Е., Елашников Р., Сайдл П., Постников П., Кольска З., Сворчик В., Лютаков О. Плазмон-индуцированное расщепление воды — через гибкую гибридную 2D-архитектуру до водорода из морской воды в ближнем ИК-диапазоне. Приложение ACS Матер. Междунар. 2020;12:28110. doi: 10.1021/acsami.0c04029. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

15. Воронин А.С., Немцев И.В., Молокеев М.С., Симунин М.М., Козлова Е.А., Марковская Д.В., Лебедев Д.В., Лопатин Д.С., Хартов С.В. Лазерно-индуцированное химическое жидкофазное осаждение плазмонных наночастиц золота на пористой пленке TiO2 с отличными фотоэлектрохимическими характеристиками. заявл. науч. 2022;12:30. дои: 10.3390/приложение12010030. [CrossRef] [Google Scholar]

16. Zheng Z., Zheng Y., Luo Y., Yi Z., Zhang J., Liu Z., Yang W., Yu Y., Wuf X., Wug P. Переключаемый терагерцовый прибор, сочетающий сверхширокополосное поглощение и сверхширокополосное полное отражение. физ. хим. хим. физ. 2022;24:2527. doi: 10.1039/D1CP04974G. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

17. Калитеевский М., Иорш И., Бранд С., Абрам Р.А., Чемберлен Ю.М., Кавокин А.В., Шелых И.А. Таммовские плазмон-поляритоны: Возможные электромагнитные состояния на границе раздела металла и диэлектрического брэгговского зеркала. физ. Ред. Б. 2007; 76:165415. doi: 10.1103/PhysRevB.76.165415. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

18. Линь З., Лю Х., Цяо Т., Хоу Г., Лю Х., Сюй Дж., Чжу Дж., Чжоу Л. Таммский плазмонный узкополосный тепловой излучатель для солнечной термофотогальваники. Сол. Энергия Матер. Сол. Клетки. 2022;238:111589. doi: 10.1016/j.solmat.2022.111589. [CrossRef] [Google Scholar]

19. Xu W.-H., Chou Y.-H., Yang Z.-Y., Liu Y.-Y., Yu M.-W., Huang C.- H., Chang C.-T., Huang C.-Y., Lu T.-C., Lin T.R., et al. Таммовские плазмон-поляритонные ультрафиолетовые лазеры. Доп. Фотоника рез. 2021;3:21001200. doi: 10.1002/adpr.202100120. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

20. Лойтольд Дж., Дородный А. Излучение по требованию из плазмонов Тамма. Нац. Матер. 2021; 20: 1595–1596. doi: 10.1038/s41563-021-01128-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

21. Xue CH, Wu F., Jiang HT, Li Y., Zhang YW, Chen H. Широкоугольный спектрально-селективный идеальный поглотитель с использованием бездисперсионных таммовских плазмонных поляритонов. науч. Отчет 2016; 6: 39418. doi: 10.1038/srep39418. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

22. Вьюнишев А.М., Бикбаев Р.Г., Свяховский С.Е., Тимофеев И.В., Панкин П.С., Евлашин С.А., Ветров С.Ю., Мысливец С.А., Архипкин В.Г. Широкополосный таммовский плазмон-поляритон. ХОСА Б. 2019;36:2299. doi: 10.1364/JOSAB.36.002299. [CrossRef] [Google Scholar]

23. Wang J., Zhu Y., Wang W., Li Y., Gao R., Yu P., Xu H., Wang Z. электронный фотодетектор. Наномасштаб. 2020;12:23945. doi: 10.1039/D0NR06294D. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

24. Майгите Л., Сталюнас К. Пространственная фильтрация с помощью фотонных кристаллов. заявл. физ. 2015; 2:011102. doi: 10.1063/1.4907345. [CrossRef] [Google Scholar]

25. Берреман Д.В. Оптика в стратифицированных и анизотропных средах: матричная формулировка 4 × 4. Дж. опт. соц. Являюсь. 1972;62:502. doi: 10.1364/JOSA.62.000502. [CrossRef] [Google Scholar]

26. Палик Е.Д. Справочник по оптическим константам твердых тел. Академическая пресса; Кембридж, Массачусетс, США: 1998. [Google Scholar]

27. Госчиняк Дж., Атар Ф.Б., Корбетт Б., Расрас Р. КМОП-совместимый нитрид титана для встроенных плазмонных фотодетекторов Шоттки. АСУ Омега. 2019;4:17223. doi: 10.1021/acsomega.9b01705. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

28. Zhang X.L., Song J.F., Li X.B., Feng J., Sun H.B. Оптические состояния Тамма усиливают широкополосное поглощение органических солнечных элементов. заявл. физ. лат. 2012;101:243901. doi: 10.1063/1.4770316. [CrossRef] [Google Scholar]

29. Бикбаев Р.Г., Ветров С.Ю., Тимофеев И.В., Шабанов В.Ф. Фоточувствительность и отражательная способность активного слоя в органическом солнечном элементе на основе тамм-плазмон-поляритона. заявл. Опц. 2021;60:3338. doi: 10.1364/AO.421374. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

30. Бикбаев Р.Г., Ветров С.Ю., Тимофеев И.В., Шабанов В.Ф. Таммовские плазмонные поляритоны для улавливания света в органических солнечных элементах. Докл. физ. 2020; 65: 161–163. doi: 10.1134/S1028335820050079. [CrossRef] [Google Scholar]

31. Zhou F., Qin F., Yi Z., Yao W., Liu Z., Wud X., Wu P. Сверхширокополосный и широкоугольный идеальный поглотитель солнечной энергии на основе поверхностный плазмонный резонанс наноколец Ti. физ. хим. хим. физ. 2021;23:17041. doi: 10.1039/D1CP03036A. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

32. Ю Дж. М., Ли Дж., Ким Ю. С., Сонг Дж., О Дж., Ли С. М., Чон М., Ким Ю., Квак Дж. Х., Чо С., и другие. Высокоэффективная и стабильная фотоэлектрохимическая ячейка разделения воды с фотоанодом на основе органического фотоактивного слоя. Нац. коммун. 2020;11:5509. doi: 10.1038/s41467-020-19329-0. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

33. Gong T., Munday J.N. Независимая от угла генерация и сбор горячих носителей с использованием прозрачных проводящих оксидов. Нано Летт. 2015;15:147. doi: 10.1021/nl503246h. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

34. Бландре Э. , Джалас Д., Петров А.Ю., Эйх М. Предел эффективности генерации горячих электронов в металлах и их инжекция внутрь полупроводника с использованием полуклассического подхода. АСУ Фотоника. 2018;5:3613. doi: 10.1021/acsphotonics.8b00473. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

35. Спайсер В.Е. Фотоэмиссионные, фотопроводящие и оптические абсорбционные исследования щелочно-сурьмяных соединений. физ. 1958; 112:114. doi: 10.1103/PhysRev.112.114. [CrossRef] [Google Scholar]

36. Spicer W.E. Отрицательное сродство 3–5 фотокатодов: их физика и технология. заявл. физ. 1977; 12:115. doi: 10.1007/BF00896137. [CrossRef] [Google Scholar]

37. Фаулер Р.Х. Анализ кривых фотоэлектрической чувствительности чистых металлов при различных температурах. физ. Откр. 1931;38:45. doi: 10.1103/PhysRev.38.45. [CrossRef] [Google Scholar]

38. Li W., Valentine J. Фотодетектирование горячих электронов на основе идеального поглотителя метаматериала. Нано Летт. 2014;14:3510. дои: 10.1021/nl501090w. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

39. Shao W., Liu T. Планарные узкополосные фотодетекторы горячих электронов на основе плазмона Тамма с двойным распределенным брэгговским отражателем. Нано Экспресс. 2021;2:040009. doi: 10.1088/2632-959X/ac396b. [CrossRef] [Google Scholar]

40. Zhang C., Wu K., Giannini V., Li X. Планарное фотодетектирование горячих электронов с плазмонами Тамма. АКС Нано. 2017;11:1719–1727. doi: 10.1021/acsnano.6b07578. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

41. Liang W., Xiao Z., Xu H., Deng H., Li H., Chen W., Liu Z., Long Y. Сверхузкополосный плоский горячий электронный фотодетектор на основе связанных двойных таммовских плазмонов. Опц. Выражать. 2020;28:31330. doi: 10.1364/OE.400258. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Электродвижущая сила. Учебники по электротехнике

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу раздела вы сможете:

• Опишите электродвижущую силу (ЭДС) и внутреннее сопротивление батареи.
• Объясните основные принципы работы батареи. Почему они не мигают внезапно, когда энергия батареи заканчивается? Их постепенное затемнение означает, что выходное напряжение батареи уменьшается по мере разрядки батареи. Причина снижения выходного напряжения у разряженных аккумуляторов заключается в том, что все источники напряжения имеют две основные части — источник электрической энергии и внутреннее сопротивление. В этом разделе мы исследуем источник энергии и внутреннее сопротивление.

  Введение в электродвижущую силу

  Напряжение имеет множество источников, некоторые из которых показаны на рис. 6.1.1. Все такие устройства создают разность потенциалов и могут подавать ток, если они подключены к цепи. Особый тип разности потенциалов известен как электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС вообще не является силой, но термин «электродвижущая сила» используется по историческим причинам. Он был придуман Алессандро Вольта в 1800-х годах, когда он изобрел первую батарею, также известную как 9. 0101 вольтова столб . Поскольку электродвижущая сила не является силой, эти источники принято называть просто источниками ЭДС (произносится буквами «э-э-э-э»), а не источниками электродвижущей силы.

  (рис. 6.1.1)

  
  Рисунок 6.1.1 Различные источники напряжения. а) ветряная электростанция Бразос в Флуванне, штат Техас; (б) Красноярская ГЭС в России; в) солнечная ферма; (d) группа никель-металлогидридных аккумуляторов. Выходное напряжение каждого устройства зависит от его конструкции и нагрузки. Выходное напряжение равно ЭДС только при отсутствии нагрузки. (кредит a: модификация работы «Leaflet»/Wikimedia Commons; кредит b: модификация работы Алекса Полежаева; кредит c: модификация работы Министерства энергетики США; кредит d: модификация работы Тиаа Монто)
  

  Если электродвижущая сила вовсе не сила, то что такое ЭДС и что является источником ЭДС? Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим простую схему лампы

  , подключенной к батарее

  , как показано на рис. 6.1.2. Батарея может быть смоделирована как устройство с двумя выводами, в котором один вывод имеет более высокий электрический потенциал, чем второй вывод. Более высокий электрический потенциал иногда называют положительной клеммой и обозначают знаком плюс. Клемму с более низким потенциалом иногда называют отрицательной клеммой и обозначают знаком минус. Это источник ЭДС.

  (рисунок 6.1.2)

  
  
  Рисунок 6.1.2 Источник ЭДС поддерживает на одной клемме более высокий электрический потенциал, чем на другой клемме, действуя как источник тока в цепи.
  
  

  Когда источник ЭДС не подсоединен к лампе, в источнике ЭДС нет чистого потока заряда. Как только батарея подключена к лампе, заряды текут от одной клеммы батареи через лампу (заставляя лампу загораться) и обратно к другой клемме батареи. Если мы рассмотрим положительный (обычный) ток, положительные заряды покидают положительную клемму, проходят через лампу и входят в отрицательную клемму.

  Положительный ток полезен для большинства анализов цепей в этой главе, но в металлических проводах и резисторах наибольший вклад в ток вносят электроны, протекающие в направлении, противоположном положительному току. Поэтому более реально рассмотреть движение электронов для анализа схемы на рис. 6.1.2. Электроны покидают отрицательную клемму, проходят через лампу и возвращаются к положительной клемме. Чтобы источник ЭДС поддерживал разность потенциалов между двумя выводами, отрицательные заряды (электроны) должны перемещаться от положительного вывода к отрицательному. Источник ЭДС действует как зарядовый насос, перемещая отрицательные заряды от положительного вывода к отрицательному, чтобы поддерживать разность потенциалов. Это увеличивает потенциальную энергию зарядов и, следовательно, электрический потенциал зарядов.

  Сила электрического поля, действующая на отрицательный заряд, действует в направлении, противоположном электрическому полю, как показано на рис. 6.1.2. Чтобы отрицательные заряды переместились на отрицательный полюс, над отрицательными зарядами должна быть совершена работа. Для этого требуется энергия, которая возникает в результате химических реакций в аккумуляторе. Потенциал поддерживается высоким на положительной клемме и низким на отрицательной клемме, чтобы поддерживать разность потенциалов между двумя клеммами. ЭДС равна работе, совершаемой над зарядом на единицу заряда (

  ), когда ток не течет. Поскольку единицей работы является джоуль, а единицей заряда — кулон, единицей ЭДС является вольт (

  ).

  Напряжение на клеммах

  батареи — это напряжение, измеренное на клеммах батареи, когда к клемме не подключена нагрузка. Идеальная батарея представляет собой источник ЭДС, который поддерживает постоянное напряжение на клеммах, независимо от тока между двумя клеммами. Идеальная батарея не имеет внутреннего сопротивления, а напряжение на клеммах равно ЭДС батареи. В следующем разделе мы покажем, что реальная батарея имеет внутреннее сопротивление и напряжение на клеммах всегда меньше, чем ЭДС батареи.

  Происхождение потенциала батареи

  Комбинация химических веществ и состав клемм в батарее определяют ее ЭДС. Свинцово-кислотный аккумулятор , используемый в автомобилях и других транспортных средствах, представляет собой одну из наиболее распространенных комбинаций химических веществ. На рис. 6.1.3 показан один элемент (один из шести) этой батареи. Катодная (положительная) клемма элемента соединена с пластиной из оксида свинца, тогда как анодная (отрицательная) клемма подключена к свинцовой пластине. Обе пластины погружены в серную кислоту, электролит для системы.

  (рисунок 6.1.3)

  
  
  Рисунок 6.1.3 Химические реакции в свинцово-кислотном аккумуляторе разделяют заряд, направляя отрицательный заряд на анод, соединенный со свинцовыми пластинами. Пластины оксида свинца соединены с положительным или катодным выводом элемента. Серная кислота проводит заряд, а также участвует в химической реакции.
  
  

  Немного информации о том, как взаимодействуют химические вещества в свинцово-кислотном аккумуляторе, помогает понять потенциал, создаваемый аккумулятором. На рис. 6.1.4 показан результат одной химической реакции. Два электрона размещены на анод , делая его отрицательным, при условии, что катод поставляет два электрона. Это оставляет катод положительно заряженным, потому что он потерял два электрона. Короче говоря, разделение заряда было вызвано химической реакцией.

  Обратите внимание, что реакция не происходит, если нет полной цепи, позволяющей подавать два электрона на катод. Во многих случаях эти электроны исходят от анода, проходят через сопротивление и возвращаются к катоду. Заметим также, что, поскольку в химических реакциях участвуют вещества, обладающие сопротивлением, невозможно создать ЭДС без внутреннего сопротивления.

  (рисунок 6.1.4)

  
  
  Рисунок 6. 1.4 В свинцово-кислотном аккумуляторе два электрона направляются на анод элемента, а два электрона удаляются с катода элемента. Химическая реакция в свинцово-кислотном аккумуляторе помещает два электрона на анод и удаляет два электрона с катода. Для продолжения требуется замкнутая цепь, поскольку два электрона должны быть подведены к катоду.
  
  

  Внутреннее сопротивление и напряжение на клеммах

  Величина сопротивления потоку тока внутри источника напряжения называется внутренним сопротивлением . Внутреннее сопротивление

  батареи может вести себя сложным образом. Обычно он увеличивается по мере разрядки аккумулятора из-за окисления пластин или снижения кислотности электролита. Однако внутреннее сопротивление может также зависеть от величины и направления тока через источник напряжения, его температуры и даже его истории. Внутреннее сопротивление перезаряжаемых никель-кадмиевых элементов, например, зависит от того, сколько раз и насколько глубоко они разряжались. Простая модель батареи состоит из идеализированного источника ЭДС 9.0003

  и внутреннее сопротивление

  (рисунок 6.1.5).

  (рисунок 6.1.5)

  
  
  Рисунок 6.1.5 Батарея может быть смоделирована как идеализированная ЭДС (
  ) с внутренним сопротивлением (

  ). Напряжение на клеммах аккумулятора равно
  .
  
  

  Предположим, что внешний резистор, известный как сопротивление нагрузки

  , подключен к источнику напряжения, такому как батарея, как показано на рис. 6.1.6. На рисунке представлена ​​модель аккумулятора с ЭДС

  , внутреннее сопротивление

  и нагрузочный резистор

  , подключенный к его клеммам. Используя обычный ток, положительные заряды покидают положительную клемму батареи, проходят через резистор и возвращаются к отрицательной клемме батареи. Напряжение на клеммах батареи зависит от ЭДС, внутреннего сопротивления и тока и равно

     (6.1.1)

  При заданных ЭДС и внутреннем сопротивлении напряжение на клеммах уменьшается по мере увеличения тока из-за падения потенциала

  внутреннего сопротивления.

  (рис. 6.1.6)

  
  
  Рисунок 6.1.6 Схема источника напряжения и его нагрузочного резистора R. Поскольку внутреннее сопротивление r включено последовательно с нагрузкой, оно может существенно влиять на напряжение на клеммах и ток, подаваемый на нагрузку.
  
  

  График разности потенциалов на каждом элементе цепи показан на рис. 6.1.7. По цепи протекает ток

  , а падение потенциала на внутреннем резисторе равно

  . Напряжение на клеммах равно

  , что равно падению потенциала на нагрузочном резисторе

  . Как и в случае с потенциальной энергией, важно изменение напряжения. Когда используется термин «напряжение», мы предполагаем, что на самом деле это изменение потенциала, или

  . Однако

  часто опускается для удобства.

  (рисунок 6.1.7)

  
  
  Рисунок 6.1.7 График зависимости напряжения в цепи аккумулятора от сопротивления нагрузки. Электрический потенциал увеличивает ЭДС батареи из-за химических реакций, совершающих работу над зарядами. В аккумуляторе происходит уменьшение электрического потенциала из-за внутреннего сопротивления. Потенциал уменьшается из-за внутреннего сопротивления (

  ), делая напряжение на клеммах батареи равным (

  ). Затем напряжение уменьшается на (

  ). Ток равен
  

  Ток через нагрузочный резистор

  . Из этого выражения мы видим, что чем меньше внутреннее сопротивление

  , тем больший ток источник напряжения отдает на свою нагрузку

  . По мере разрядки батарей

  увеличивается. Если

  становится значительной долей сопротивления нагрузки, то ток значительно снижается, как показано в следующем примере.

  ПРИМЕР 6.1.1

  Анализ цепи с аккумулятором и нагрузкой

  Данная батарея имеет ЭДС

  и внутреннее сопротивление

  Ом. (a) Рассчитайте напряжение на его клеммах при подключении к нагрузке

  . (b) Каково напряжение на клеммах при подключении к нагрузке

  ? в) Какую мощность рассеивает нагрузка

  ? (d) Если внутреннее сопротивление возрастает до

  Ом, найти ток, напряжение на клеммах и мощность, рассеиваемую нагрузкой

  Ом.

  Стратегия

  Приведенный выше анализ дал выражение для тока с учетом внутреннего сопротивления. Как только ток найден, напряжение на клеммах можно рассчитать, используя уравнение 9.0003

  . Как только ток найден, мы также можем найти мощность, рассеиваемую резистором.

  Раствор

  а. Ввод заданных значений ЭДС, сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления в приведенное выше выражение дает

  
  

  Введите известные значения в уравнение

  , чтобы получить напряжение на клеммах:

  
  

  Напряжение на клеммах здесь лишь немного ниже, чем ЭДС, что означает, что ток, потребляемый этой легкой нагрузкой, незначителен.

  б. Точно так же с

  текущий

  
  

  Напряжение на клеммах теперь

  
  

  Напряжение на клеммах демонстрирует более значительное снижение по сравнению с ЭДС, что означает, что

  является большой нагрузкой для этой батареи. «Большая нагрузка» означает большее потребление тока от источника, но не большее сопротивление.

  в. Мощность, рассеиваемую нагрузкой

  , можно найти по формуле

  . Ввод известных значений дает

  
  

  Обратите внимание, что эту мощность также можно получить, используя выражение

  или

  , где

  — напряжение на клеммах (в данном случае

  ).

  д. Здесь внутреннее сопротивление увеличилось, возможно, из-за разрядки батареи, до точки, где оно равно сопротивлению нагрузки. Как и раньше, мы сначала находим ток, вводя известные значения в выражение, что дает

  
  

  Теперь напряжение на клеммах равно

  
  

  , а мощность, рассеиваемая нагрузкой, равна

  br>

  
  

  Мы видим, что повышенное внутреннее сопротивление значительно уменьшило напряжение на клеммах, ток и мощность, подаваемую на нагрузку.

  Значение

  Внутреннее сопротивление батареи может увеличиваться по многим причинам. Например, внутреннее сопротивление перезаряжаемой батареи увеличивается по мере увеличения количества перезарядок батареи. Повышенное внутреннее сопротивление может иметь два последствия для батареи. Во-первых, напряжение на клеммах уменьшится. Во-вторых, батарея может перегреться из-за увеличения мощности, рассеиваемой внутренним сопротивлением.

  ПРОВЕРЬТЕ ВАШЕ ПОНЯТИЕ 6.1

  Если вы подсоедините провод непосредственно к двум контактам батареи, эффективно закоротив клеммы, батарея начнет нагреваться. Как вы думаете, почему это происходит?

  Тестеры аккумуляторов

  Тестеры аккумуляторов , такие как те, что на рис. 6.1.8, используют небольшие нагрузочные резисторы для преднамеренного отбора тока, чтобы определить, падает ли потенциал на клеммах ниже допустимого уровня. Хотя измерить внутреннее сопротивление батареи сложно, тестеры батарей могут обеспечить измерение внутреннего сопротивления батареи. Если внутреннее сопротивление высокое, батарея слабая, о чем свидетельствует низкое напряжение на клеммах.

  (рисунок 6.1.8)

  
  
  Рисунок 6. 1.8 Тестер аккумуляторов измеряет напряжение на клеммах под нагрузкой, чтобы определить состояние аккумулятора. (a) Техник по электронике ВМС США использует тестер батарей для проверки больших батарей на борту авианосца USS Nimitz. Тестер батареи, который она использует, имеет небольшое сопротивление, которое может рассеивать большое количество энергии. (b) Показанное небольшое устройство используется на небольших батареях и имеет цифровой дисплей для индикации допустимого напряжения на клеммах. (кредит a: модификация работы Джейсона А. Джонстона; кредит b: модификация работы Кейта Уильямсона)
  
  

  Некоторые батареи можно заряжать, пропуская через них ток в направлении, противоположном току, который они подают в электроприбор. Это обычно делается в автомобилях и в батареях для небольших электроприборов и электронных устройств (рис. 6.1.9). Выходное напряжение зарядного устройства должно быть больше, чем ЭДС аккумулятора, чтобы ток через него изменился. Это приводит к тому, что напряжение на клеммах батареи больше, чем ЭДС, поскольку

  и

  теперь отрицательный.

  (рис. 6.1.9)

  
  
  Рисунок 6.1.9 Зарядное устройство автомобильного аккумулятора меняет нормальное направление тока через аккумулятор, обращая его химическую реакцию и восстанавливая его химический потенциал.
  
  

  Важно понимать последствия внутреннего сопротивления источников ЭДС, таких как батареи и солнечные элементы, но часто анализ цепей выполняется с напряжением на клеммах батареи, как мы делали в предыдущих разделах. Напряжение на клеммах обозначается просто как

  , опуская нижний индекс «терминал». Это связано с тем, что внутреннее сопротивление батареи трудно измерить напрямую, и оно может меняться со временем.

  Candela Citations

  Лицензионный контент CC, конкретное указание авторства

  • Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected]. Получено с : http://cnx.org/contents/7a0f9770-1c44-4acd-9920-1cd9a99f2a1e@8.