Por que a medição de tensão deste circuito é diferente quando o interruptor está ligado?

Construí um circuito simples com duas lâmpadas e um interruptor deslizante alimentado por duas baterias de 1,5 V. Quando o interruptor deslizante está desligado, a tensão do circuito medida por um multímetro é de 3,15 V:

No entanto, quando o interruptor deslizante está ligado e as lâmpadas estão acesas, a tensão do circuito medida é de 2,99 V.

Não entendo por que a medição de tensão não é a mesma nos dois casos. Por que existe essa diferença?

Antes de tudo, bem feito para fazer o experimento prático. É bom ver pessoas tentando coisas e querendo saber a resposta.

Pode ser mais fácil visualizar isso com um circuito. Como foi apontado em uma resposta anterior, as baterias possuem resistência interna. Portanto, se você adicionar uma carga a ela, criará um divisor de tensão. À medida que a bateria se esgota, a resistência interna aumenta, o que impede a capacidade de alimentar a carga.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Veja o esquema acima. Todos nós conhecemos a Lei de Ohm, que é V = I * R. Se atribuirmos valores aos resistores, podemos calcular quanto será a queda quando você fechar o interruptor. Se dissermos que a resistência interna da bateria é de 0,5 Ohms e a carga é de 100 Ohms, podemos descobrir a corrente no circuito. Para fazer isso, reorganizamos a equação da Lei de Ohm para I: I = V / R = 9 / (100 + 0,5) = 0,0896 A ou 89,6mA. Usando a Lei de Ohm novamente (você descobrirá que essa é provavelmente a equação mais útil que você encontrará na eletrônica!), Podemos encontrar a queda de tensão sobre a resistência da bateria:

Lembre-se: V = I * R = 0,0896 * 0,5 = 0,0448V. Tire isso dos 9V da bateria fornecida pela primeira vez e você obterá a tensão que estará medindo quando o interruptor for fechado: 9-0.0448 = 8.95V.

Usando esse conhecimento, se você quiser aprofundar seus experimentos, por que não adquirir um resistor conhecido como carga e alimentá-lo usando baterias diferentes. Com seu multímetro, você pode medir a corrente e a tensão, o que fornecerá todos os números necessários para calcular as resistências internas de suas baterias.

Como Marcus Muller salienta, a temperatura também pode ter um efeito nisso; por que não fazer um teste antes e depois, calcule sua resistência interna antes e depois de colocá-los em uma geladeira / freezer e veja o quanto isso muda. Experimente também em alguns tipos diferentes de baterias ... Você pode fazer várias experiências interessantes que aumentarão sua compreensão do que está acontecendo e melhorarão suas habilidades na solução de circuitos.

Continue assim e boa sorte!

Esta é uma experiência extremamente agradável!

Tenho uma ideia para adicionar ao comentário de jonk :

É super bom que você esteja testando o que acontece assim! Como já foi fornecido, a resposta é que a bateria está sobrecarregada ao alimentar as luzes e a tensão "cai" um pouco sob essa carga. Quando uma bateria se aproxima do fim da vida útil, ela cai ainda mais.

Coloque as baterias na geladeira por mais ou menos uma hora, até que estejam frias (você também pode congelá-las, mas não desça abaixo de -20 ° C) e repita o experimento. Você verá que eles caem muito mais agora! Desligue e aguarde até que voltem à temperatura ambiente: devem começar a trabalhar como antes.

O que está acontecendo?

Em uma bateria, uma reação química leva os dois contatos da bateria a terem potenciais elétricos diferentes - há uma tensão entre eles!

Quando você conecta duas coisas, os contatos da bateria, com voltagens diferentes, a corrente começa a fluir. Isso é o que acende sua lâmpada!

Agora, imagine que há um pequeno resistor (tipo 2Ω) entre a bateria e a sonda positiva do multímetro. Na verdade, não está lá, mas você "sente" sua existência:

Um resistor mostra uma queda de tensão quando uma corrente flui através dele. No seu caso, algumas centenas de miliamperes fluem através da lâmpada, do interruptor e de volta à sua bateria - e isso leva a algumas centenas de milivolts de queda de tensão sobre o resistor "imaginado".

É o que chamamos de "resistência interna". É a imperfeição de uma fonte de tensão (como suas baterias) que leva a tensões mais baixas quanto mais corrente você consome.

A resistência interna pode ser muitas coisas - em primeiro lugar, as baterias reais são feitas de materiais reais e os materiais reais têm resistência. Mas para baterias, isso geralmente é apenas uma pequena parte da resistência interna. A maior parte é que, para gerar um fluxo de corrente, as reações químicas (e o íon vagando) no interior devem ocorrer com rapidez suficiente. Se houver mais consumo de corrente do que a reação química pode suportar, a tensão cai.

Agora, quando você esfria as baterias, reduz a velocidade de todas as reações químicas internas e, especialmente, da velocidade com que os átomos carregados podem vagar dentro da bateria. Essa é a razão pela qual temos geladeiras e freezers: com todas as reações químicas sendo reduzidas pela temperatura mais baixa, os alimentos não ficam ruins tão rapidamente, porque todas as coisas que fazem os alimentos ficarem ruins (ou seja, crescimento bacteriano e decomposição química das coisas) ) simplesmente acontecem em câmera lenta.

Com a reação química da bateria desacelerada, a bateria simplesmente não pode "acompanhar" tão bem o consumo atual, e a tensão cai ainda mais do que com uma bateria quente.

Baterias não são ideais. Eles têm resistência interna. Quando a corrente flui através dela, a tensão cai.

Lembre-se sempre de que, em um circuito em série, a corrente é constante e, em um circuito paralelo, a tensão é constante.

Simples é que você conectou uma carga resistiva em série com o switch. Portanto, quando o interruptor está fechado, haverá algumas quedas na carga. É por isso que você nunca terá a mesma tensão, assim como quando o interruptor está aberto. Você pode ver o diagrama de circuito também. Obrigado. Atenciosamente, #ENGE. Abdullah.