Fislab
الرئيسية / التجارب / المقاومة الداخلية للبطارية

💡 المقاومة الداخلية للبطارية

The Internal Resistance of a Battery
⏱️ 25 دقيقة 📂 الكهرباء 🎯 مستوى متوسط

🎯 نواتج التعلم

🎯 Learning Outcomes

بعد هذه التجربة ستكون قادرًا على أن:

After this experiment you will be able to:

  1. تفرّق بين القوة المحركة الكهربائية \(E\) وجهد الطرفين \(V\).Distinguish the electromotive force \(E\) from the terminal voltage \(V\).
  2. تطبّق \(V=E-Ir\) و\(I=\dfrac{E}{R+r}\) وتحسب \(r\) من قياسين.Apply \(V=E-Ir\) and \(I=\dfrac{E}{R+r}\) and calculate \(r\) from two measurements.
  3. تجد \(E\) و\(r\) من الخط البياني \(V\) مع \(I\) (التقاطع والميل) وتحسب القدرة المفقودة والكفاءة.Find \(E\) and \(r\) from the \(V\)–\(I\) graph (intercept and slope) and calculate the lost power and the efficiency.

🎬 شاهد الفيديو

🎬 Watch the Video


🔋 القوة المحركة والمقاومة الداخلية

🔋 The EMF and the Internal Resistance

القوة المحركة الكهربائية \(E\) هي الجهد الكلي الذي توفره البطارية عند عدم مرور تيار (الدائرة مفتوحة)؛ وتمثل الطاقة التي تمنحها لكل كولوم من الشحنة. وللبطارية مقاومة داخلية \(r\) بسبب المواد الكيميائية داخلها، فإذا مرّ تيار \(I\) فُقد جزء من الجهد داخل البطارية نفسها بمقدار \(Ir\)، فيكون جهد الطرفين أقل من \(E\):

The electromotive force \(E\) is the total voltage the battery supplies when no current flows (open circuit); it represents the energy it gives to each coulomb of charge. A battery also has an internal resistance \(r\) due to the chemicals inside it, so when a current \(I\) flows part of the voltage is lost inside the battery itself by \(Ir\), and the terminal voltage is smaller than \(E\):

📘 قوانين البطارية الحقيقية

📘 The laws of a real battery

\[E=V_R+V_r=IR+Ir\ \Rightarrow\ V=E-Ir\]

\[I=\dfrac{E}{R+r}\qquad r=\dfrac{E-V}{I}\]

\[P_{total}=EI=I^2R+I^2r\qquad\eta=\dfrac{I^2R}{EI}=\dfrac{R}{R+r}\]

💡 شرح إضافي: كيف نقيس \(r\) وما معنى الخط البياني؟

💡 Extra explanation: how do we measure \(r\) and what does the graph mean?

بقياسين: الفولتميتر عبر البطارية والمفتاح مفتوح يقرأ \(E\) (لا تيار فلا هبوط داخلي)، وعند الإغلاق يقرأ \(V\) والتيار \(I=\dfrac{V}{R}\)، ومنهما \(r=\dfrac{E-V}{I}\). في الأداة الأصلية: \(E=6\ \mathrm{V}\) و\(V=5.8\ \mathrm{V}\) و\(R=10\ \Omega\) فيكون \(I=0.58\ \mathrm{A}\) و\(r=\dfrac{0.2}{0.58}\approx0.34\ \Omega\). بالخط البياني: نغيّر \(R\) ونسجّل أزواج \((I,V)\) فنحصل على خط مستقيم من \(V=E-rI\): يقطع محور \(V\) عند \(E\) وميله \(-r\)، وهذه الطريقة أدق لأنها تستعمل عدة قياسات. ولاحظ أن \(r\) تتغير مع عمر البطارية: كلما زادت قلّت كفاءتها وسخنت أكثر.

With two measurements: the voltmeter across the battery with the switch open reads \(E\) (no current so no internal drop), and when the switch is closed it reads \(V\) and the current is \(I=\dfrac{V}{R}\), from which \(r=\dfrac{E-V}{I}\). In the original applet: \(E=6\ \mathrm{V}\), \(V=5.8\ \mathrm{V}\) and \(R=10\ \Omega\) so \(I=0.58\ \mathrm{A}\) and \(r=\dfrac{0.2}{0.58}\approx0.34\ \Omega\). With the graph: we change \(R\) and record pairs \((I,V)\) and get a straight line from \(V=E-rI\): it cuts the \(V\) axis at \(E\) and its slope is \(-r\); this method is more accurate because it uses several measurements. Notice that \(r\) changes with the age of the battery: the larger it is the lower the efficiency and the more the battery heats.

🧪 تجربة 1: قِس القوة المحركة والمقاومة الداخلية لبطارية

🧪 Experiment 1: Measure the EMF and the internal resistance of a battery

كل بطارية قوتها المحركة \(E\) ومقاومتها الداخلية \(r\) على التوالي. في الدائرة المفتوحة (يسارًا) لا يمر تيار فيقرأ الفولتميتر \(E\). وفي الدائرة المغلقة (يمينًا) يمر \(I=\dfrac{E}{R+r}\) فيهبط جهد الطرفين \(V=E-Ir\) (الفرق \(Ir\) يضيع داخل البطارية). اجعل \(r\) مجهولة كما في الأداة الأصلية واحسبها \(r=\dfrac{E-V}{I}\)، ثم غيّر \(R\) وسجّل عدة نقاط \((I,V)\): تقع على خط مستقيم يقطع محور \(V\) عند \(E\) وميله \(-r\). (التجربة متحركة: تتحرك الشحنات بسرعة تتناسب مع التيار.)

Every battery has an emf \(E\) and an internal resistance \(r\) in series. In the open circuit (left) no current flows so the voltmeter reads \(E\). In the closed circuit (right) a current \(I=\dfrac{E}{R+r}\) flows and the terminal voltage drops to \(V=E-Ir\) (the difference \(Ir\) is lost inside the battery). Keep \(r\) unknown as in the original applet and find it from \(r=\dfrac{E-V}{I}\), then change \(R\) and record several points \((I,V)\): they lie on a straight line that cuts the \(V\) axis at \(E\) with slope \(-r\). (The experiment is animated: the charges move at a speed proportional to the current.)

6
10
جهد الطرفين \(V\) (V)Terminal voltage \(V\) (V)—
التيار \(I\) (A)Current \(I\) (A)—
الجهد المفقود \(Ir\) (V)Lost voltage \(Ir\) (V)—
كفاءة البطارية \(\eta=\dfrac{R}{R+r}\)Efficiency \(\eta=\dfrac{R}{R+r}\)—
\(E\) من الخط (V)\(E\) from the line (V)—
\(r\) من الميل (Ω)\(r\) from the slope (Ω)—

🛠️ تطبيقات عملية

🛠️ Practical applications


✍️ أمثلة محلولة

✍️ Worked Examples

❓ مثال 1Example 1

بطارية قوتها المحركة \(6\ \mathrm{V}\) قرأ فولتميتر عبرها \(5.8\ \mathrm{V}\) عند توصيلها بمقاومة \(10\ \Omega\) (قيم الأداة الأصلية). احسب التيار والمقاومة الداخلية.

A battery with an emf of \(6\ \mathrm{V}\) gives a voltmeter reading of \(5.8\ \mathrm{V}\) across it when connected to a \(10\ \Omega\) resistor (the values of the original applet). Calculate the current and the internal resistance.

الحل
\(I=\dfrac{V_R}{R}=\dfrac{5.8}{10}=0.58\ \mathrm{A}\)
\(E=V_R+Ir\ \Rightarrow\ 6=5.8+0.58\,r\)
\(r=\dfrac{6-5.8}{0.58}\approx0.34\ \Omega\)
✅ \(I=0.58\ \mathrm{A}\) ، \(r\approx0.34\ \Omega\)
Solution
\(I=\dfrac{V_R}{R}=\dfrac{5.8}{10}=0.58\ \mathrm{A}\)
\(E=V_R+Ir\ \Rightarrow\ 6=5.8+0.58\,r\)
\(r=\dfrac{6-5.8}{0.58}\approx0.34\ \Omega\)
✅ \(I=0.58\ \mathrm{A}\) , \(r\approx0.34\ \Omega\)
❓ مثال 2Example 2

بطارية \(E=12\ \mathrm{V}\) و\(r=0.5\ \Omega\) موصولة بمقاومة \(R=4\ \Omega\). احسب التيار وجهد الطرفين والكفاءة.

A battery \(E=12\ \mathrm{V}\) and \(r=0.5\ \Omega\) is connected to a resistor \(R=4\ \Omega\). Calculate the current, the terminal voltage and the efficiency.

الحل
\(I=\dfrac{E}{R+r}=\dfrac{12}{4.5}\approx2.67\ \mathrm{A}\)
\(V=E-Ir=12-2.67\times0.5\approx10.67\ \mathrm{V}\)
\(\eta=\dfrac{R}{R+r}=\dfrac{4}{4.5}\approx89\%\)
✅ \(I\approx2.67\ \mathrm{A}\) ، \(V\approx10.67\ \mathrm{V}\) ، \(\eta\approx89\%\)
Solution
\(I=\dfrac{E}{R+r}=\dfrac{12}{4.5}\approx2.67\ \mathrm{A}\)
\(V=E-Ir=12-2.67\times0.5\approx10.67\ \mathrm{V}\)
\(\eta=\dfrac{R}{R+r}=\dfrac{4}{4.5}\approx89\%\)
✅ \(I\approx2.67\ \mathrm{A}\) , \(V\approx10.67\ \mathrm{V}\) , \(\eta\approx89\%\)
❓ مثال 3Example 3

خط بياني لبطارية يمرّ بالنقطتين \((I,V)=(1\ \mathrm{A},\ 5.6\ \mathrm{V})\) و\((3\ \mathrm{A},\ 4.8\ \mathrm{V})\). احسب \(E\) و\(r\).

The graph of a battery passes through the points \((I,V)=(1\ \mathrm{A},\ 5.6\ \mathrm{V})\) and \((3\ \mathrm{A},\ 4.8\ \mathrm{V})\). Calculate \(E\) and \(r\).

الحل
\(r=-\)الميل\(=-\dfrac{4.8-5.6}{3-1}=0.4\ \Omega\)
\(E=V+Ir=5.6+1\times0.4=6.0\ \mathrm{V}\)
✅ \(E=6\ \mathrm{V}\) ، \(r=0.4\ \Omega\)
Solution
\(r=-\text{slope}=-\dfrac{4.8-5.6}{3-1}=0.4\ \Omega\)
\(E=V+Ir=5.6+1\times0.4=6.0\ \mathrm{V}\)
✅ \(E=6\ \mathrm{V}\) , \(r=0.4\ \Omega\)
❓ مثال 4Example 4

ما أكبر تيار تعطيه بطارية \(E=6\ \mathrm{V}\) و\(r=0.4\ \Omega\) عند وصلها بسلك مقاومته مهملة (دائرة قصر)؟ ولماذا هو خطر؟

What is the largest current that a battery \(E=6\ \mathrm{V}\) and \(r=0.4\ \Omega\) gives when its terminals are joined by a wire of negligible resistance (a short circuit)? Why is it dangerous?

الحل
\(I_{max}=\dfrac{E}{r}=\dfrac{6}{0.4}=15\ \mathrm{A}\)
\(P_r=I^2r=225\times0.4=90\ \mathrm{W}\)
كل الطاقة تضيع حرارةً داخل البطارية فتسخن بشدة وقد تتلف.
✅ \(I_{max}=15\ \mathrm{A}\)
Solution
\(I_{max}=\dfrac{E}{r}=\dfrac{6}{0.4}=15\ \mathrm{A}\)
\(P_r=I^2r=225\times0.4=90\ \mathrm{W}\)
All the energy is lost as heat inside the battery so it heats strongly and may be damaged.
✅ \(I_{max}=15\ \mathrm{A}\)
⭐ 1

عند فتح الدائرة يقرأ الفولتميتر عبر البطارية:

When the circuit is open the voltmeter across the battery reads:

Aصفرًاzero
Bالقوة المحركة \(E\)the emf \(E\)
C\(E-Ir\)\(E-Ir\)
D\(Ir\)\(Ir\)
الحل
\(I=0\ \Rightarrow\ V=E\)
✅ \(E\).
Solution
\(I=0\ \Rightarrow\ V=E\)
✅ \(E\).
⭐ 2

عند إغلاق الدائرة يكون جهد الطرفين \(V\) مقارنة بـ \(E\):

When the circuit is closed the terminal voltage \(V\) compared with \(E\) is:

Aأكبرlarger
Bمساويًاequal
Cلا يمكن التحديدcannot be decided
Dأقلsmaller
الحل
\(V=E-Ir\lt E\)
✅ أقل.
Solution
\(V=E-Ir\lt E\)
✅ smaller.
⭐ 3

إذا زادت المقاومة الخارجية \(R\) (مع ثبات \(E\) و\(r\)) فإن جهد الطرفين:

If the external resistance \(R\) increases (with \(E\) and \(r\) fixed) the terminal voltage:

Aيزداد ويقترب من \(E\)increases and approaches \(E\)
Bيقلdecreases
Cلا يتغيرdoes not change
Dينعدمvanishes
الحل
\(I=\dfrac{E}{R+r}\downarrow\ \Rightarrow\ Ir\downarrow\)
✅ يزداد.
Solution
\(I=\dfrac{E}{R+r}\downarrow\ \Rightarrow\ Ir\downarrow\)
✅ increases.
⭐ 4

ميل الخط البياني بين \(V\) (رأسي) و\(I\) (أفقي) لبطارية يساوي:

The slope of the graph of \(V\) (vertical) against \(I\) (horizontal) for a battery equals:

A\(E\)\(E\)
B\(r\)\(r\)
C\(-r\)\(-r\)
D\(-E\)\(-E\)
الحل
\(V=E-rI\)
✅ \(-r\).
Solution
\(V=E-rI\)
✅ \(-r\).

📚 ملخص

📚 Summary

المفهومConceptالقانونLaw
جهد الطرفينTerminal voltage\(V=E-Ir\)\(V=E-Ir\)
التيارCurrent\(I=\dfrac{E}{R+r}\)\(I=\dfrac{E}{R+r}\)
المقاومة الداخليةInternal resistance\(r=\dfrac{E-V}{I}\ ,\ \text{slope}=-r\)\(r=\dfrac{E-V}{I}\ ,\ \text{slope}=-r\)
الكفاءةEfficiency\(\eta=\dfrac{R}{R+r}\)\(\eta=\dfrac{R}{R+r}\)

⚠️ أخطاء شائعة

⚠️ Common mistakes