Najprostsze ogniwo będące źródłem napięcia zbudowane jest z dwóch metalowych elektrod umieszczonych w elektrolicie, tj. cieczy przewodzącej prąd elektryczny. Elektrody wskutek reakcji chemicznych z elektrolitem uzyskują pewien ładunek – jedna z nich ujemny, a druga dodatni, co wiąże się z faktem, że elektrody te różnią się potencjałami elektrycznymi. To z kolei oznacza, że istnieje niezerowa różnica potencjałów między elektrodami (inaczej: biegunami) ogniwa, czyli występuje pomiędzy nimi pewne napięcie.

Napięcie pomiędzy biegunami otwartego ogniwa, czyli takiego, do którego nie jest podłączony żaden zewnętrzny opór, nazywamy siłą elektromotoryczną ogniwa – oznacza się ją najczęściej jako SEM lub wykorzystując symbol .

Gdy do ogniwa podłączymy jakiś opór zewnętrzny  (czyli zaczniemy zasilać naszym ogniwem jakieś urządzenie o oporze , może to być np. pilot do telewizora), to napięcie  jakie uzyskamy na tym oporze będzie nieco mniejsze niż SEM ogniwa. Dzieje się tak, ponieważ po podłączeniu zewnętrznego oporu, w tak zestawionym obwodzie zaczyna płynąć prąd elektryczny. Jak już wcześniej wspomnieliśmy płynie on nie tylko przez podłączony opór , ale również przez wnętrze ogniwa zasilającego, w którym to przepływ prądu wiąże się również z występowaniem pewnego oporu. Taki opór samego ogniwa nazywamy jego oporem wewnętrznym. Na oporze wewnętrznym występuje zatem pewien spadek napięcia, co sprawia, że napięcie na oporze  jest mniejsze o ten spadek napięcia w porównaniu do SEM ogniwa.

Jeśli chcemy przedstawić na schemacie elektrycznym rzeczywiste źródło napięcia wraz z jego oporem wewnętrznym, to należy to zrobić poprzez szeregowe połączenie samego „idealnego” źródła napięcia SEM () i jego oporu wewnętrznego (oznaczmy go jako ). Wówczas schemat, w którym takie źródło zasila wspomniany opór zewnętrzny  wygląda tak jak zostało to przedstawione na Rys. 1.

Rys. 1.

W związku z powyższymi rozważaniami możemy zatem zapisać następującą zależność między siłą elektromotoryczną ogniwa , napięciem na oporniku  równym , natężeniem prądu  płynącego w obwodzie i oporem wewnętrznym ogniwa :

Wykorzystując prawo Ohma, możemy ponadto zapisać, że napięcie  na oporniku jest iloczynem natężenia prądu płynącego  przez ów opornik oraz jego oporu , czyli . Wstawiając tę zależność do powyższego równania, możemy wyznaczyć natężenie prądu płynącego w obwodzie jako:

Wnioskujemy stąd, że im mniejszy opór  podłączymy do źródła napięcia, tym prąd o większym natężeniu popłynie w obwodzie.

Wiemy już, że ogniwa można łączyć ze sobą szeregowo, aby uzyskać źródła napięcia o większej sile elektromotorycznej. Takie połączone ze sobą szeregowo ogniwa nazywamy bateriami. Z uwagi na sposób w jaki działają, ogniwa czy też baterie wykorzystują energię chemiczną i zamieniają ją w energię elektryczną.

Przykład:

Rozpatrzmy akumulator (baterię, którą można powtórnie ładować) o oporze wewnętrznym  i SEM równej . Podłączamy do niego opornik . Oblicz natężenie prądu, który płynie w obwodzie, napięcie między biegunami akumulatora, napięcie na oporniku i moc wydzieloną na oporniku.

Rozwiązanie:

W pierwszej kolejności obliczamy natężenie prądu:

Następnie obliczamy napięcie pomiędzy biegunami akumulatora. Jest ono takie samo jak napięcie na oporniku:

Następnie obliczamy moc wydzielającą się na oporniku:

Zadania do zrobienia:

1. Rozważmy obwód, w skład którego wchodzą opornik o oporze  i ogniwo o sile elektromotorycznej  oraz oporze wewnętrznym . Od tego obwodu odłączono stary opornik i podłączono nowy o oporze . Oblicz różnicę napięcia między wskazaniami woltomierza mierzącego napięcie na oporniku (starym i nowym).

Odp.:

2. Do obwodu podłączono ogniwo o sile elektromotorycznej  i oporze wewnętrznym  oraz opornik o oporze . Oblicz natężenie prądu, który popłynie przez ten opornik.

Odp.:

3. Rozpatrzmy obwód przedstawiony na rysunku poniżej. Składa się on z ogniwa o sile elektromotorycznej  oraz oporze wewnętrznym  i dwóch oporników o oporach: ,  Oblicz moc wydzieloną na oporniku .

Odp.:

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-prad-elektryczny-staly-1