Ćwiczenie 63

Ogniwo galwaniczne – ogniwo, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą, a elektrolitem. Dwie elektrody zanurzone w elektrolicie (półogniwa) tworzą ogniwo galwaniczne. Różnica potencjałów elektrod gdy przez ogniwo nie płynie prąd jest równa sile elektromotorycznej ogniwa (SEM).

Siła elektromotoryczna (SEM) to czynnik powodujący przepływ prądu w obwodzie elektrycznym równy energii elektrycznej uzyskanej przez jednostkowy ładunek przemieszczany w urządzeniu czyli źródle prądu elektrycznego w przeciwnym kierunku do sił pola elektrycznego oddziałującego na ten ładunek.
Siłę elektromotoryczną źródła definiujemy jako iloraz pracy wykonanej przez źródło do wartości przenoszonego ładunku
gdzie:
SEM - siła elektromotoryczna,
W - praca,
q - przepływający ładunek.
Jednostką siły elektromotorycznej jest wolt (dżul na kulomb).

Opór wewnętrzny ogniwa jest to występujący wewnątrz ogniwa chemicznego opór elektryczny. Im większy jest opór wewnętrzny ogniwa, tym mniej energii da się z tego ogniwa czerpać. Największa wartość energii wydzielanej na zewnątrz występuje dla sytuacji, w której opór zewnętrzny jest równy wartości oporu wewnętrznego ogniwa.

Opór wewnętrzny ma wpływ na napięcie na zaciskach ogniwa, gdy pobierany jest z niego prąd. Opór wewnętrzny można zapisać wzorem:

gdzie:
r_x – opór wewnętrzny badanego ogniwa
r – opór opornika podłączonego do badania ogniwa
l – długość odcinka zmierzona w stanie równowagi, wtedy gdy do ogniwa podłączono równolegle opornik r

Ogniwo Volty - płytki: cynkowa i miedziana, zanurzone w roztworze wodnym kwasu siarkowego. Obwód zamknięty: - Zn | H₂SO₄ | Cu +. Należy do jednych z najstarszych ogniw galwanicznych. Siła elektromotoryczna ogniwa wynosi około 1,1 V.

Prawo Ohma – mówi, że natężenie prądu elektrycznego płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do wartości napięcia elektrycznego na jego końcach i odwrotnie proporcjonalne d o rezystancji przewodnika. Wyraża się wzorem:

Napięcie użyteczne i moc użyteczna:

Rozpatrzmy układ przedstawiony na rysunku obok. 

Do źródła o sile elektromotorycznej (SEM) równej ε i oporze wewnętrznym r_W dołączono opornik suwakowy R.
Amperomierz mierzy natężenie prądu I w obwodzie, natomiast woltomierz mierzy napięcie na oporze zewnętrznym U = IR (między suwakiem S i punktem A) i zarazem napięcie na biegunach ogniwa, zwane napięciem użytecznym ogniwa U_UŻ. 
Napięcie użyteczne określa nam jakie podawane jest napięcie do obwodu zewnętrznego (odbiorcy) i jest zawsze mniejsze od ε o spadek napięcia na oporze wewnętrznym ogniwa: 

Zmieniając położenie suwaka S, zmieniamy opór zewnętrzny R. Przesuwając suwak np. w prawo zwiększamy opór R, skutkiem czego natężenie prądu I maleje. Natomiast wskazania woltomierza rosną.
Ponieważ natężenie I prądu płynącego w obwodzie zależy od oporu zewnętrznego Rpodłączonego do ogniwa, więc napięcie użyteczne pobierane z ogniwa bezpośrednio zależy od oporu R. 

Jeżeli do tego wzoru podstawimy wartość natężenia prądu I: 

...to otrzymamy: 

Gdy R = 0, następuje zwarcie ogniwa, natężenie prądu osiąga największą wartość równą: 

Natomiast wraz ze wzrostem oporu zewnętrznego R natężenie I maleje, zatem napięcie użyteczne rośnie, zbliżając się do wartości równej SEM ogniwa ε, gdy I dąży do zera.

W obwodzie elektrycznym natężenie prądu zależy od oporu zewnętrznego R: 

Moc wydzielana na oporze zewnętrznym R, zwana mocą użyteczną, wynosi: 

Największa moc wydziela się na oporze zewnętrznym równym co do wartości oporowi wewnętrznemu ogniwa R = r_W.