Как поступить
в Онлайн-школу №1 и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Источник тока. Электродвижущая сила. Замкнутая электрическая цепь. Закон Ома для полной цепи

Постоянный электрический ток

Источник тока. Электродвижущая сила. Замкнутая электрическая цепь. Закон Ома для полной цепи

План урока

  • Источник тока
  • Электродвижущая сила
  • Замкнутая электрическая цепь
  • Закон Ома для полной цепи

Цели урока

  • Знать, что такое источник тока и как он работает
  • Знать, что такое электродвижущая сила
  • Знать, из чего состоит простейшая замкнутая электрическая цепь
  • Уметь находить силу тока в замкнутой цепи, используя закон Ома для полной цепи

Разминка

  • Что необходимо для протекания электрического тока?
  • Как формулируется закон Ома для участка цепи?
  • Сформулируйте закон Джоуля – Ленца.

Источник тока

Рис. 1. Источник тока Рис. 1. Источник тока

Простейшая электрическая цепь состоит из источника тока, потребителя или нагрузки, соединительных проводов и ключа. Чтобы в цепи непрерывно протекал электрический ток, необходим непрерывный приток электрической энергии. Источниками электрической энергии могут быть гальванические батареи и аккумуляторы, превращающие химическую энергию в электрическую; генераторы, превращающие механическую энергию в электрическую, работающие за счет тепловой энергии. В источнике тока должны действовать силы, совершающие работу по переносу зарядов против сил электростатического поля.

Данные силы называют сторонними, так как в их роли не могут выступать электростатические силы. Эти силы не являются потенциальными, а их работа будет зависеть от траектории.


Поскольку во внешней цепи сторонняя сила отсутствует, то работа сторонней силы по перемещению заряда вокруг всей цепи сводится к работе по перемещению этого заряда только внутри источника тока.


Электродвижущая сила

 

Для характеристики работы сторонних сил используют специальную физическую величину – электродвижущую силу (ЭДС).


Электродвижущая сила (ЭДС) – это физическая величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению заряда внутри источника от его отрицательного полюса к положительному к самому этому заряду: 

 

ε=Aсторq.
 

Единица измерения ЭДС в СИ: [ε] = В (вольт).


Пример 1

 

Лампочка питается батарейкой с ЭДС 2 В, сила тока в цепи равна 0,18 А. Найдите работу сторонних сил в элементе за 5 мин?


Решение
 

1. Запишем исходные данные:

 

ε=2 ВI=0,18 Аt=5 мин=300 с.

 

2. Из определения силы тока выразим заряд:

 

I=qtq=I·t.

 

3. Выразим работу сторонних сил через ЭДС:

 

ε=Aсторq;

 

Aстор=ε·q=ε·I·t;

 

Aстор=2·0,18·300=108 Дж.

 

Ответ: Aстор=108 Дж.


Упражнение 1

 

1. Определите электродвижущую силу источника тока, если мощность, выделяемая источником, равна 200 Вт, а создаваемая сила тока равна 4 А?


Замкнутая электрическая цепь

Рис. 2. Замкнутая электрическая цепь Рис. 2. Замкнутая электрическая цепь

Любой источник электрической энергии характеризуется электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r. Простейшая замкнутая цепь состоит из источника тока и резистора R (см. рис. 2). Сопротивление R называют внешним сопротивлением замкнутой цепи или нагрузкой. Сопротивление участка цепи r, находящегося внутри источника тока, называют внутренним сопротивлением.

Рис. 3. Зависимости в замкнутой цепи от сопротивления: a) тока; b) напряжения Рис. 3. Зависимости в замкнутой цепи от сопротивления: a) тока; b) напряжения

Рассмотрим графики, изображенные на рисунке 3. При увеличение внешнего сопротивления сила тока в цепи уменьшается, а напряжение между полюсами источника увеличивается. Максимальное значение напряжения ограниченно значением ЭДС источника. При стремление внешнего сопротивления к нулю, ток в цепи становится максимальным, происходит короткое замыкание.

Закон Ома для полной цепи

 

Рассмотрим простейшую замкнутую цепь (рис. 2). Пусть за промежуток времени t через поперечное сечение цепи проходит заряд q=I·t. Выразим работу сторонних сил из определения ЭДС: 

 

ε=AсторqAстор=ε·q=ε·I·t.
 

За этот же промежуток времени в цепи выделяется тепло на резисторах. Воспользуемся законом Джоуля – Ленца: 

 

Q=I2·R·t+I2·r·t.
 

Из закона сохранения энергии следует, что в отсутствие механической работы и химических превращений Aстор=Q

 

I2·R·t+I2·r·t=ε·I·t.
 

Получаем закон Ома для полной цепи: 

 

I=εR+r.


Закон Ома для полной цепи

Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе (ЭДС) источника тока и обратно пропорциональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи:

I=εR+r.


При последовательном соединении источников их общая ЭДС и общее внутреннее сопротивления могут быть найдены из соотношений: 

 

εобщ=ε1+ε2+...+εNrобщ=r1+r2+...+rN.
 

Перед расчетом суммарной ЭДС необходимо ввести условное положительное направление обхода цепи.

При параллельном соединении источников эти величины могут быть найдены из соотношений:

 

εrобщ=ε1r1+ε2r2+...+εNrN.


Пример 2

 

Рассчитайте общую ЭДС и общее внутреннее сопротивление в цепи, если ε1=ε2=5 Вε3=3 Вr1=r2=r3=4 Ом. Найдите силу тока в цепи, при внешнем сопротивление 20 Ом.


Решение
 

1. Запишем исходные данные:

 

ε1=ε2=5 Вε3=3 Вr1=r2=r3=4 ОмR=20 Ом.

 

2. Чтобы правильно рассчитать общее ЭДС, необходимо ввести условный обход контура:

Если направление тока источника совпадает с направлением обхода, то ЭДС этого источника будет положительной. В противном случае – отрицательной.

 

3. Рассчитаем суммарное ЭДС:

 

εобщ=ε1+ε2-ε3=5+5-3=7 В.

 

Рассчитаем суммарное внутреннее сопротивление:

 

rобщ=r1+r2+r3=4+4+4=12 Ом.

 

4. Теперь найдем силу тока в цепи, используя закон Ома для полной цепи:

 

I=εобщR+rобщ=720+120,22 А.

 

Поскольку ток в конечном результате оказался положительным, то его направление совпадает с направлением обхода контура.

 

Ответ: I=0,22 А.


Упражнение 2

 

1. К источнику ЭДС 9 В и внутренним сопротивлением 1,5 Ом подключен реостат, сопротивление которого равно 10 Ом. Найти силу тока в цепи и напряжение на зажимах источника.
 

2. При подключении резистора к батарейке с ЭДС 8 В вольтметр показал напряжение на резисторе 4,5 В, а амперметр – силу тока 0,7 А. Найдите внутреннее сопротивление батарейки.


Контрольные вопросы

 

1. Что такое источник тока? Перечислите известные вам источники тока.
2. Что называют замкнутой цепью?
3. Какая величина характеризует сторонние силы источника тока?
4. Сформулируйте закон Ома для полной цепи?
5. Как найти суммарное ЭДС в цепи при последовательном подключении источников тока?
6. Что такое ЭДС?


Ответы

 

Упражнение 1

 

1. 50 В.

 

Упражнение 2

 

1. 0,8 А; 7,8 В. 

 

2. 5 Ом.


Электрический ток в электролитах. Электролиз и его применение

Постоянный электрический ток
  • В поисках путей модернизации. Европа меняющаяся

    История

  • Повседневная жизнь и мировосприятие человека XIX века

    История

  • Экономическое развитие в XIX – начале ХХ века. Меняющееся общество

    История