🔋

Lab 111 — แรงเคลื่อนไฟฟ้าและความต้านทานภายในของเซลล์ (3D)

EMF & Internal Resistance — ต่อเซลล์กับรีโอสแตต ลากปุ่มเลื่อนเปลี่ยนความต้านทานภายนอก · มัลติมิเตอร์ ① วัดกระแส ② วัดความต่างศักย์ที่ขั้วเซลล์ · กราฟ V–I เป็นเส้นตรง จุดตัดแกน V = แรงเคลื่อนไฟฟ้า ε และความชัน = −r · เทียบเซลล์ใหม่กับเซลล์เก่า แล้วหา ε และ r ของเซลล์ปริศนา X

3D · three.js KP Science simulation
🎯 สิ่งที่ต้องวัด: ความต่างศักย์ที่ขั้วเซลล์ V (มัลติมิเตอร์ ②) และกระแส I (มัลติมิเตอร์ ①) ที่ตำแหน่งต่าง ๆ ของรีโอสแตต — รายละเอียดวัตถุประสงค์อยู่ในแท็บ 📋 วิธีการทดลอง
🖐 ลากปุ่มเลื่อนบนรีโอสแตตเพื่อเปลี่ยนความต้านทานภายนอก · แตะเซลล์เพื่อเปลี่ยนก้อน · แตะสวิตช์เปิด/ปิดวงจร · แตะมัลติมิเตอร์เพื่อซูมอ่าน
🖱 ลากที่ว่าง = หมุนภาพ · ล้อ = ซูม · Shift+ลาก = เลื่อน
📱 1 นิ้ว = ลาก/หมุน · 2 นิ้ว = ซูม/เลื่อน
⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ — เปลี่ยนเป็นโหมด ⚡ อัตโนมัติ
📝 บันทึกผลการวัด — อ่านหน้าปัดตอนเข็มนิ่งแล้ว
โหมดการทดลอง
ตารางบันทึกผลและค่าปริศนาที่ซ่อนไว้ไม่เปลี่ยน
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
🔋 เซลล์ไฟฟ้า
เซลล์ A และ B เป็นถ่านไฟฉายที่รู้จักกันดี (แรงเคลื่อนไฟฟ้าเท่ากัน แต่ก้อนเก่ามีความต้านทานภายในสูงกว่ามาก) · เซลล์ X ไม่บอกทั้ง ε และ r
ตอนสวิตช์เปิด (ไม่มีกระแส) โวลต์มิเตอร์อ่านได้เท่ากับ ε พอดี — ใช้ตรวจคำตอบได้ แต่ควรหาจากกราฟด้วย
🔬 เครื่องมือวัด
ย่านวัดของมัลติมิเตอร์ ① (DCA)
📊 ผลที่บันทึกล่าสุด
ยังไม่มีการบันทึก
📋 ตารางบันทึกผล
V = ε − I r · ฟิตเส้นตรงของแต่ละเซลล์
📈 กราฟ V – I
🎯 ตรวจคำตอบ (เซลล์ ❓X)
แรงเคลื่อนไฟฟ้า ε = V
ความต้านทานภายใน r = Ω
ε ถือว่าถูกเมื่อคลาดไม่เกิน 3% · r ไม่เกิน 10% (ความชันอ่านยากกว่า) · โหมดวัดเองไม่แสดงค่าจริง

วัตถุประสงค์

เมื่อจบการทดลองนี้ นักเรียนสามารถ

  1. อธิบายว่าความต่างศักย์ที่ขั้วเซลล์ลดลงเมื่อจ่ายกระแสมากขึ้น เพราะมีความต้านทานภายใน r
  2. วัด V และ I หลายค่าโดยเปลี่ยนความต้านทานภายนอกด้วยรีโอสแตต แล้วเขียนกราฟ V–I
  3. หาแรงเคลื่อนไฟฟ้า ε จากจุดตัดแกน V และหา r จากความชันของกราฟ (ความชัน = −r)
  4. เปรียบเทียบเซลล์ใหม่กับเซลล์เก่า และหา ε กับ r ของเซลล์ปริศนา X

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

ขั้นตอน

  1. เลือกเซลล์ A · เปิดสวิตช์ (ยังไม่มีกระแส) อ่าน V — ค่านี้คือ ε โดยประมาณ เพราะไม่มีกระแสจึงไม่เสียความต่างศักย์ในเซลล์
  2. ปิดสวิตช์ · ลากปุ่มรีโอสแตตไปตำแหน่งที่ให้กระแสน้อย อ่าน V และ I แล้วบันทึก
  3. เลื่อนรีโอสแตตให้ความต้านทานลดลงทีละขั้น (กระแสมากขึ้น) บันทึกอย่างน้อย 5 จุดกระจายทั้งช่วง · อย่าลืมเปลี่ยนย่านวัดของมิเตอร์ ① เมื่อกระแสเกิน
  4. เปลี่ยนเป็นเซลล์ B แล้วทำซ้ำ · เทียบความชันของสองเส้น (เซลล์เก่าชันกว่าเพราะ r สูงกว่า)
  5. เปลี่ยนเป็นเซลล์ ❓X ทำซ้ำ แล้วอ่าน ε จากจุดตัดแกน V และ r จากความชัน
⚠️ อ่านค่าจากหน้าปัดเอง — โหมดวัดค่าเองไม่บอกตัวเลข · กระแสสูงทำให้ค่าที่อ่านเปลี่ยนเร็ว ให้รอจนนิ่งก่อนบันทึก · ห้ามตั้งรีโอสแตตต่ำสุดค้างไว้นาน ๆ ในของจริงเพราะเซลล์จะร้อน

คำถามท้ายการทดลอง

  1. ทำไม V ที่ขั้วเซลล์จึงน้อยกว่า ε เสมอเมื่อมีกระแสไหล
  2. ถ้าลัดวงจรเซลล์ (R ภายนอก = 0) กระแสจะเป็นเท่าใด และเขียนในรูป ε กับ r อย่างไร
  3. เซลล์เก่ากับเซลล์ใหม่ต่างกันที่ ε หรือที่ r และสังเกตจากกราฟอย่างไร
  4. เพราะเหตุใดไฟหน้ารถจึงหรี่ลงชั่วขณะตอนสตาร์ทเครื่อง

1. แรงเคลื่อนไฟฟ้ากับความต้านทานภายใน

เซลล์ไฟฟ้าเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ ε จูลต่อประจุ 1 คูลอมบ์ แต่ภายในเซลล์เองก็มีความต้านทาน r ทำให้เสียความต่างศักย์ไปส่วนหนึ่งเมื่อมีกระแสไหล

V = ε − I r · I = ε / (R + r)
กราฟ V–I เป็นเส้นตรง: จุดตัดแกน V คือ ε และ ความชัน = −r

2. กำลังและการสูญเสียในเซลล์

กำลังที่เซลล์ผลิต Pรวม = εI · กำลังที่จ่ายให้วงจรภายนอก P = VI · สูญเสียในเซลล์ I²r
กำลังภายนอกสูงสุดเมื่อ R = r (การถ่ายโอนกำลังสูงสุด)

3. ทำไมเซลล์เก่าจึงจ่ายกระแสได้น้อย

เมื่อใช้ไปนาน ปฏิกิริยาเคมีและสารภายในเปลี่ยนไป ทำให้ r สูงขึ้นมาก แม้ ε แทบไม่เปลี่ยน วัดด้วยโวลต์มิเตอร์ตอนไม่มีโหลดจึงยังเห็นเกือบ 1.5 V แต่พอต่อโหลด V ตกลงทันที

💡 แบบจำลอง: รีโอสแตตปรับได้ต่อเนื่อง · แอมมิเตอร์มีความต้านทาน 0.05 Ω (รวมอยู่ในวงจรแล้ว) · โวลต์มิเตอร์ 1 MΩ คร่อมขั้วเซลล์ · ค่า ε และ r ของเซลล์ X สุ่มต่อการเปิดหน้า · เข็ม/ตัวเลขมีความหน่วงเล็กน้อยเหมือนของจริง