Resistencia interna y FEM

Elige una fuente y una carga. La página calcula la corriente, lo que aparece realmente en los terminales, cómo se divide la potencia entre la carga y el interior de la fuente, y lo cerca que estás del máximo que esta podría entregar.

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Lección

La teoría — Resistencia interna y FEM

Una fuente real consiste en dos cosas en serie: una FEM E, que es la energía que da a cada culombio, y una resistencia interna r, que abarca todo lo de su interior que se opone a la corriente, como el electrolito, los electrodos o las conexiones a los terminales. Lo que puedes medir desde fuera es el voltaje en terminales, V = E − Ir, y solo iguala a la FEM cuando no fluye corriente. La corriente por el circuito es I = E/(R+r). La carga recibe I²R, la propia fuente disipa I²r y la fracción que llega a la carga es η = R/(R+r).

Qué significa cada símbolo

E
la FEM, en voltios. La energía por culombio que suministra la fuente y la lectura que obtienes sin nada conectado
r
la resistencia interna, en ohmios. No es un componente físico que puedas señalar; es la totalidad de la oposición a la corriente propia de la fuente, reunida en un solo número
R
la carga, en ohmios. La única magnitud de esta lista que es tuya, no de la fuente.
I
la corriente, en amperios. Es la misma en todo el circuito porque la fuente y la carga están en serie
η
la eficiencia, R/(R+r). La proporción de la energía suministrada que llega a la carga en lugar de calentar la fuente
Supone
Una FEM constante, una resistencia interna constante y corriente continua estable: el equivalente de Thévenin de la fuente. Resulta exacto para una fuente lineal y es una primera aproximación decente para una química. Una celda real incumple lentamente las dos primeras. Su r sube a medida que se descarga y trepa bruscamente con el frío, mientras que E cae según el estado de carga. Por eso un coche frío en una mañana de invierno arranca despacio por dos motivos a la vez en lugar de uno solo. Las cifras de cada fuente en la lista son representativas, no están medidas de una celda en particular.
Falla cuando
En cualquier fuente cuya característica no sea una línea recta, y la célula solar de la lista es la peor infractora de esta página. El voltaje en terminales de una célula fotovoltaica frente a la corriente forma una curva, por lo que una única r es solo un ajuste local y su punto de máxima potencia no queda nada cerca de R = r. Exactamente por esto los inversores solares incorporan un seguimiento del punto de máxima potencia en lugar de una carga adaptada fija. Una pila química real también se curva. Cae más rápido de lo que predice la línea cuando la corriente es tan grande que el electrolito no da abasto. Además, el resultado del 50 % trata sobre potencia constante, no sobre energía almacenada. Hacer funcionar una batería en su carga adaptada le extrae la máxima cantidad de vatios, pero menos de la mitad de su carga total. Por eso nunca se opera así nada que deba durar.

La mayor potencia que puedes conseguir llega al 50 % de eficiencia 🖖

Pulsa Carga adaptada. La pila alimenta 0,18 Ω, lo mismo que su propia resistencia interna, y la carga absorbe 3,3368 W. Es lo máximo que esta pila puede entregar en absoluto. Ahora lee la fila de abajo: la pila también está disipando 3,3368 W. Exactamente la mitad de todo lo que aporta la química se convierte en calor dentro de la batería. Esto no es exclusivo de esta pila; η = R/(R+r) vale un medio siempre que R = r, para cualquier fuente, a cualquier voltaje. El primer panel dibuja las dos potencias juntas. Una sube, la otra baja, y se cruzan en el pico máximo. Sacarle lo máximo a una fuente y desperdiciar lo mínimo son configuraciones distintas, y tienes que elegir una.

Nueve veces la carga, un noveno de la carga, los mismos vatios 🖖

Pulsa Nueve veces r, y luego Un noveno de r. Ambas entregan 1,2013 W a la carga, el 36,00% del pico. Lo que difiere es el precio. A 1,62 Ω la celda opera al 90,00% y se calienta en 0,1335 W. A 0,02 Ω opera al 10,00% y se calienta en 10,8113 W. Ochenta y una veces más calor para la misma potencia entregada. La tabla inferior despliega esa simetría: la columna de potencia se lee igual en ambas direcciones, y la de eficiencia no. De qué lado del pico te sitúes es la gran cuestión. Un receptor de radio se acopla porque la señal es lo único que hay; una central eléctrica jamás lo hace, porque lo que cuenta es el combustible.

Ambas baterías marcan bien en un multímetro 🖖

Un voltímetro conectado a una pila AA marca 1,55 V porque apenas extrae nada: R es enorme, I es casi cero, y en V = E − Ir no hay nada que restar. Conecta algo real y la lectura se convierte en una declaración sobre la carga. Tendrás 1,4961 V en una bombilla de linterna, o 0,7750 V en 0,18 Ω. Por eso un comprobador de baterías aplica una carga a la pila en lugar de limitarse a medirla. La misma aritmética predice lo que puede hacer una fuente. Un cortocircuito extrae E/r, lo que supone 8,611 A para esta pila y 2.520 A para una batería de coche. Hablamos de 293 veces la corriente a partir de 8 veces el voltaje, y la resistencia interna es la responsable de todo.

Problema resuelto al detalle

  1. Cómo hallar la resistencia interna de una batería sin abrirla 6 pasos

    Tienes una pila, un voltímetro, un amperímetro y dos resistencias, de 10 Ω y de 1 Ω. A través de la de 10 Ω mides 0,152259 A a 1,522593 V. A través de la de 1 Ω mides 1,313559 A a 1,313559 V. Halla la FEM y la resistencia interna. Luego indica qué haría la pila ante un cortocircuito, sin llegar a cortocircuitarla.

    Abre este problema en la herramienta

    1. Cada medición que puedas tomar recae sobre la misma línea recta, V = E − Ir. Dos puntos fijan una línea, así que dos resistencias son suficientes.

    2. Calcula la pendiente entre las dos lecturas. Da un resultado de −0,180000 V por amperio.

    3. Esa pendiente es −r, por lo que la resistencia interna es de 0,1800 Ω. No hubo que desmontar nada para conseguirla.

    4. La intersección vertical es la FEM. Vuelve a sumar los voltios que se estaba comiendo la resistencia interna en cualquiera de las lecturas.

    5. Compruébalo con el otro punto, que es el motivo fundamental para medir dos veces. 1,313559 + 1,313559 × 0,18 vuelve a dar 1,550000 V.

    6. Ahora se conocen ambos extremos de la línea, así como todo lo que hay entre ellos: el pico que la pila puede entregar, el punto en el que se encuentra y la corriente que exigiría un cortocircuito.

    Respuesta

    E = 1,550000 V y r = 0,1800 Ω, a partir de dos lecturas del voltímetro. La salida máxima de la pila es E²/4r = 3,3368 W en una carga de 0,1800 Ω, y un cortocircuito absorbería E/r = 8,611 A. Esta última cifra es el objetivo del método. Puedes declarar lo que hace una pila en la única condición en la que nunca debes ponerla, porque la línea llega hasta el eje la sigas o no. Así es también como un sistema de gestión de baterías sabe que un paquete está envejeciendo: r sube primero, mucho antes de que lo haga el voltaje de la etiqueta.

Ruta de aprendizaje

Lo que la ley de Ohm deja fuera

Referencias (2)