Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Физика. 10 класс.
Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Физика. 10 класс.
Комментарии преподавателя
Электродвижущая сила
Сторонние силы
В одной из прошлых тем (условия существования электрического тока) уже затрагивался вопрос о необходимости источника питания для длительного поддержания существования электрического тока. Сам по себе ток, конечно же, можно получать и без таких источников питания. Например, разрядка конденсатора при вспышке фотоаппарата. Но такой ток будет слишком скоротечным (рис. 1).
Рис. 1. Кратковременный ток при взаимной разрядке двух разноименно заряженных электроскопов
Кулоновские силы всегда стремятся свести разноименные заряды, выровняв тем самым потенциалы по всей цепи. А, как известно, для наличия поля и тока необходима разность потенциалов. Поэтому никак нельзя обойтись без каких-либо других сил, разводящих заряды и поддерживающих разность потенциалов.
Определение. Сторонние силы – силы неэлектрического происхождения, направленные на разведение зарядов.
Эти силы могут быть разной природы в зависимости от типа источника. В батареях они химического происхождения, в электрогенераторах – магнитного. Они-то и обеспечивают существование тока, так как работа электрических сил по замкнутому контуру всегда равна нулю.
Вторая задача источников энергии, помимо поддержания разности потенциалов, – это восполнение потерь энергии на столкновении электронов с другими частицами, вследствие чего первые теряют кинетическую энергию, а внутренняя энергия проводника повышается.
Сторонние силы внутри источника выполняют работу против электрических сил, разводя заряды в стороны, противоположные их естественному ходу (как они движутся во внешней цепи) (рис. 2).
Рис. 2. Схема действия сторонних сил
Аналогом действия источника питания можно считать водяной насос, который пускает воду против ее естественного хода (снизу вверх, в квартиры). Обратно же вода естественным образом под действием силы тяжести спускается вниз, но для непрерывной работы водоснабжения квартиры необходима непрерывная работа насоса.
Электродвижущая сила
Определение. Электродвижущая сила – отношение работы сторонних сил по перемещению заряда к величине этого заряда. Обозначение – 
:
Единица измерения:
Вставка. ЭДС разомкнутой и замкнутой цепи
Рассмотрим следующую цепь (рис. 3):
Рис. 3.
При разомкнутом ключе и идеальном вольтметре (сопротивление бесконечно велико) никакого тока в цепи не будет, и внутри гальванического элемента будет совершаться только работа по разделению зарядов. В этом случае вольтметр покажет значение ЭДС.
При замыкании ключа по цепи пойдет ток, и вольтметр уже не будет показывать значение ЭДС, он будет показывать значение напряжения, такого же, как на концах резистора. При замкнутом контуре:
Здесь: 
– напряжение на внешней цепи (на нагрузке и подводящих проводах); 
– напряжение внутри гальванического элемента.
Закон Ома для полной цепи
Закон Ома для полной цепи
Из прошлых уроков нам уже знаком закон Ома для участка цепи. Теперь сделаем для этого закона обобщение.
Определение. Полная цепь – цепь, содержащая источник тока, или же цепь, содержащая ЭДС.
Для наглядного примера возьмем самый простой вариант – цепь с одним источником и одним потребителем (рис. 1):
Рис. 1. Пример полной цепи
Внешняя цепь (участок полной цепи без источника) характеризуется своим сопротивлением – R. Источник же характеризуется своей ЭДС, а также внутренним сопротивлением – r.
Как уже отмечалось на прошлом уроке, ЭДС равна сумме падений напряжения на внешней цепи и на самом источнике:
Здесь: 
– напряжение, подаваемое во внешнюю цепь; 
– падение напряжения на источнике.
Внешняя цепь, конечно же, является участком цепи, поэтому для нее справедлив закон Ома:
Через источник проходит точно такой же ток, поэтому:
Подставив последние два выражение в первое, получим:
Или же:
Это и называется законом Ома для полной цепи.
Получить закон Ома можно также, если начать рассматривать выполняемую работу. Ведь работа сторонних сил по перемещению заряда состоит из перемещения по внешней цепи плюс разделение зарядов внутри источника:
Если разделить это выражение на заряд, получим:
Или же, если вспомнить все определения:
Короткое замыкание
Определение. Короткое замыкание – явление, когда сопротивление во внешней цепи по каким-либо причинам стремится к нулю:
При этом, обращаясь к закону Ома для полной цепи:
Ток короткого замыкания из-за того, что внутреннее сопротивление источников очень мало по сравнению с сопротивлением внешним, как правило, чрезвычайно велик. Из-за этого выделяется очень большое количество теплоты, что может стать причиной обрывов цепи, пожаров и т. д. Для предотвращения подобного используются предохранители (рис. 2).
Рис. 2. Предохранители
Следующий урок будет посвящен решению задач
Правила Кирхгофа
Зачастую при решении задач приходится иметь дело с довольно разветвленными и сложными цепями. И для решения таких задач легко пользоваться так называемыми правилами Кирхгофа, названными в честь немецкого физика Альфреда Кирхгофа (рис. 3).
Рис. 3. Альфред Кирхгоф
Первое правило Кирхгофа, или правило узлов:
Узел – точка цепи, где сходится больше двух проводников. Первое правило звучит так: алгебраическая сумма токов, входящих и выходящих из узла, должна равняться нулю:
Рассмотрим пример (рис. 4):
Рис. 4.
Все токи, входящие в узел, будем считать со знаком «+», все выходящие – «–»:
Второе правило Кирхгофа:
В любом замкнутом контуре, содержащем ЭДС, алгебраическая сумма падений напряжения равна алгебраической сумме ЭДС:
Также при использовании правил Кирхгофа необходимо помнить три правила:
- Направление обхода контуров можно выбирать произвольным
- При наличии n узлов в цепи необходимо составить
уравнение - Каждый рассматриваемый контур должен отличаться хотя бы одним элементом от уже рассмотренных
К занятию прикреплен файл «Это интересно!». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.
Использованные источники:
- http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/10-klass/
- http://www.youtube.com/watch?v=I0VxmqzlM1E
- http://www.youtube.com/watch?v=ObqxOsep9Co