GGL dan hambatan dalam

Kurikulum: A-level RP6, IB B.5, 1re (source réelle), Sek II

Buka versi lengkap ↗

Tujuan

Menentukan GGL dan hambatan dalam baterai dari ketergantungan tegangan pada rangkaian luar terhadap arus.

Rangkaian

Baterai 9 V (kotak); hambatan dalamnya tidak diketahui. Bebannya adalah reostat 50 Ω (kontak geser di tengah, 25 Ω) yang terhubung melalui sakelar (tertutup) dan amperemeter. Voltmeter dipasang pada seluruh rangkaian luar: dari masukan sakelar sampai kontak geser reostat.

Langkah kerja

1. Buka sakelar dan catat tegangan tanpa arus — inilah GGL.
2. Tutup sakelar; dengan menggeser kontak geser reostat, ambil 6–8 pasangan “arus–tegangan”.
3. Buat grafik \(U(I)\): titik potong dengan sumbu \(U\) memberikan GGL, besar kemiringannya memberikan hambatan dalam.
4. Cari posisi kontak geser saat daya pada rangkaian luar, \(P = U \cdot I\), paling besar.

Hasil yang diharapkan

Tanpa arus — 9,00 V. Pada 25 Ω: sekitar 337 mA dan 8,48 V. Titik-titik terletak pada garis lurus \(U = E - I \cdot r\) dengan kemiringan sekitar −1,55 Ω: 1,5 Ω di dalam baterai dan 0,04 Ω dari dua kabel antara baterai dan voltmeter. Daya pada rangkaian luar paling besar jika hambatannya sama dengan hambatan dalam: sekitar 2,9 A dan 4,5 V — setengah GGL, 13 W. Di ujung kiri reostat arus mencapai 5 A — baterai tidak memiliki proteksi, dan arus hanya dibatasi oleh hambatan dalamnya dan kabel. Pada rangkaian nyata hal ini tidak boleh dilakukan: baterai 9 V (kotak) dirancang untuk arus puluhan miliampere, pada arus beberapa ampere baterai memanas dan tegangannya bergeser, dan lilitan reostat menjadi terlalu panas. Pengukuran nyata dilakukan pada arus hingga 0,5 A, dan daya terbesar ditentukan dari grafik.

Pertanyaan

1. Mengapa tegangan jepit turun ketika arus bertambah?
2. Bagaimana arus hubungan pendek dapat ditentukan dari grafik?

Jawaban

1. Sebagian GGL terpakai untuk mengalirkan arus melalui baterai itu sendiri: hambatan dalamnya mengambil tegangan \(I \cdot r\) yang bertambah seiring arus, dan rangkaian luar mendapat sisanya, \(U = E - I \cdot r\). Pada 337 mA kehilangannya sekitar 0,337 A · 1,55 Ω ≈ 0,52 V, sehingga voltmeter menunjukkan 8,48 V, bukan 9,00 V.
2. Perpanjang garis lurus sampai sumbu \(I\), tempat \(U = 0\): titik potongnya adalah arus hubungan pendek \(I = E / r\) ≈ 9,00 V / 1,55 Ω ≈ 5,8 A, dengan \(r\) diambil dari kemiringan. Pada rangkaian ini arus berhenti di sekitar 5,2 A di ujung kiri reostat: shunt amperemeter dan kabel mempertahankan sekitar 0,2 Ω pada rangkaian luar, dan voltmeter masih menunjukkan sekitar 1 V.