Как найти эдс вольтметра

Обновлено: 28.05.2023

1)Самый простой способ измерения ЭДС, это измерение напряжения на клеммах источника тока вольтметром с большим сопротивлением, чем больше сопротивление вольтметра, тем точнее измерение ЭДС.

2)Это способ посложнее, но поточнее: включить в цепь источником тока резистор, измерить напряжение на нем и силу тока.

Поменять резистор, измерения повторить.

ЭДС=I1(R1+r) и ЭДС=I2(R2+r)

Т.е. ЭДС=U1+I1*r и ЭДС=U2+I2*r

Получили два уравнения с двумя неизвестными, решаем систему уравнений, и получаем искомый результат.

При подключении вольтметра к источнику питания ( батареи, выпрямителю ) при разомкнутой внешней цепи ( внешняя цепь отключена ) вольтметр показывает примерно Э Д С источника .

Исключительно электростатическим вольтметром.
Любой другой (даже цифровой) будет иметь слишком малое внутреннее сопротивление, то есть цепь будет замкнутой, что приведет к очень существенной погрешности.

Насчёт «очень существенной» погрешности знаток Без имени загнул. Ну и насчёт «только электростатическим вольтметром» — тоже ошибается.

Берёте закон Ома для полной цепи и измеряете ток при двух разных сопротивлениях нагрузки. Получаем два уравнения с двумя неизвестными (эдс и внутреннее сопротивление источника) . Не забудьте учесть внутреннее сопротивление измерительного прибора.

А, ну да, ток через нагрузку определяется по обычной формуле закона Ома, а вольтметром, естественно, измеряете напряжение на нагрузке.

Если кратко, то делаете 2 измерения: первое — просто вольтметром замеряете напряжение на источнике эдс (в этом случае нагрузка — внутреннее сопротивление вольтметра) ; второе — то же напряжение на источнике, но когда параллельно вольтметру подключена хорошая такая нагрузка (по порядку величины равная предполагаемому внутреннему сопротивлению источника) . Дальше всё вычисляется.

Источники тока – это устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую энергию. Химические источники тока вырабатывают электрический ток за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов (аккумуляторы, гальванические элементы). Физическими источниками тока называют устройства, преобразующие тепловую, механическую и электромагнитную энергию в электрическую энергию – электромашинные, термоэлектрические генераторы, солнечные батареи и др.

Источник постоянного тока имеет два вывода, между которыми создается определенная разность потенциалов – напряжение. При подключении к источнику внешней нагрузки, через нее начинает протекать электрический ток. В нагрузке, как правило, происходит преобразование получаемой от источника электрической энергии в другие ее виды: механическую (в электродвигателях), световую (в электролампах), тепловую (в электронагревателях) и т. д.

Напряжение на выводах источника тока всегда в той или иной степени зависит от мощности, отдаваемой в нагрузку.

Основными характеристиками источника тока являются электродвижущая сила Е и внутреннее сопротивление r.

Электродвижущая сила источника тока (ЭДС) есть работа сторонних (неэлектростатических) сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи:

Сторонние силы, перемещая заряд q₀ от отрицательного к положительному полюсу источника тока, совершают работу против электростатических сил. Поэтому ЭДС, в отличие от напряжения U, направлена от отрицательного полюса к положительному.

ЭДС измеряется в вольтах и численно равна напряжению на выводах источника при разомкнутой внешней цепи.

Внутреннее сопротивление источника тока обусловлено совокупностью физических эффектов, ограничивающих мощность, отдаваемую источником в нагрузку.

К таким эффектам относится, например: малая площадь контактирующих друг с другом химических реагентов в аккумуляторах; конечная скорость вращения лопастей турбогенераторов; ограниченное значение падающего потока световой энергии в солнечных батареях и др. Определенный вклад в ограничение отдаваемой мощности вносит и активное сопротивление отдельных конструктивных элементов источника тока.

Внутреннее сопротивление условно можно представить в виде резистора c сопротивлением r включенного последовательно с источником (рис. 1).

Рис. 1 – Графическое обозначение источника тока (а)

и его эквивалентная схема (б)

Однако, следует понимать, что внутреннее сопротивление не сосредоточено в каком-то одном элементе и является неотъемлемым конструктивным свойством источника тока как целого. Внутреннее сопротивление не может быть измерено непосредственно с помощью омметра и вычисляется по результатам косвенных измерений.

В большинстве случаев, внутреннее сопротивление можно считать постоянной, не зависящей от тока источника величиной.

Энергетическими характеристиками источника тока являются мощность и КПД:

где U – напряжение на источнике; I – ток источника.

Задание 1. Измерение ЭДС источника тока вольтметром

ЭДС равна разности потенциалов на выводах источника тока при разомкнутой внешней цепи. Идеальный вольтметр, имеющий бесконечное входное сопротивление, покажет точное значение ЭДС источника в пределах класса точности.

Любой реальный вольтметр потребляет от источника некоторую мощность, необходимую для работы измерительной цепи и имеет конечное значение входного сопротивления.

Рис. 2 – Измерение ЭДС вольтметром

Если к источнику тока подключить вольтметр (рис. 2), то в цепи потечет ток:

Этот ток создает на вольтметре падение напряжения:

Подставив первое уравнение во второе и проведя элементарные преобразования, получим

Показания вольтметра будут тем ближе к значению ЭДС, чем меньше отношение . Для измерений в пределах инженерной погрешности необходимо соблюдать условие . Влияние входного сопротивления вольтметра на результат измерения можно считать несущественным при .

Для измерений в данной лабораторной работе используется цифровой мультиметр, имеющий в режиме вольтметра входное сопротивление R_V = 1 МОм.

Стремись не к тому, чтобы добиться успеха, а к тому, чтобы твоя жизнь имела смысл.

Альберт Эйнштейн

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Учу детей тому, как надо учиться

Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.

Урок 31. Лабораторная работа № 08. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

Лабораторная работа № 8

Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;

2. Источник электрической энергии;

3. Соединительные провода,

4. Набор сопротивлений 2 Ом и 4 Ом;

5. Переключатель однополюсный; ключ.

Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами.

Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.

Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах [В].

Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи .

Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r.

Если цепь разомкнута, то работа сторонних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r , т.е. ε = IR + Ir .

Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то, согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение , где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir — напряжение на внутреннем участке цепи.

Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

ε и r можно определить опытным путем.

Часто источники электрической энергии соединяют между собой для питания цепи. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.

При последовательном соединении два соседних источника соединяются разноименными полюсами.

Т.е., для последовательного соединения аккумуляторов, к ″плюсу″ электрической схемы подключают положительную клемму первого аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к ″минусу″ электрической схемы.

Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε₁ + ε₂ + ε₃

2. Общее сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r_{батареи}= r₁ + r₂ + r₃

Если в батарею соединены n одинаковых источников, то ЭДС батареи ε= nε_1, а сопротивление r_{батареи}= nr₁

3. Сила тока в такой цепи по закону Ома

При параллельном соединении соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или n источников.

Т.е., при параллельном соединении, аккумуляторы соединяют так, чтобы положительные клеммы всех аккумуляторов были подключены к одной точке электрической схемы (″плюсу″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов были подключены к другой точке схемы (″минусу″).

Параллельно соединяют только источники с одинаковой ЭДС. Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.

1. ЭДС батареи одинаковых источников равна ЭДС одного источника. ε= ε₁= ε₂ = ε₃

2. Сопротивление батареи меньше, чем сопротивление одного источника r_{батареи}= r₁/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома

Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому т.к.при параллельном соединении емкость аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов, т.е увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.

Читайте также:

  

• Социологический проект о конта кратко

  

• План урока по охране труда по профессии повар кондитер

  

• Демаскировка что это кратко

  

• Шаблоны смешарики для детского сада где можно вставить текст

  

• Проект по физической культуре в доу долгосрочный

Потому
что вольтметр имеет хоть и большое, но
не бесконечное сопротивление, и оно в
любом случае будет влиять на результаты
измерений.

Если
к источнику тока подключить вольтметр,
то измерительный ток создаст падение
напряжения на самом вольтметре и на
внутреннем сопротивлении источника
тока. По закону Ома для полной цепи:
ε=U+Ir(1)Отсюда показания вольтметра будет
равно: U=ε –Ir(2)Из формулы (2) видно, что
показание вольтметра отличается от
ЭДС на величину падения напряжения
внутри источника тока. Чем больше
измерительный ток, тем больше ошибка,
а без измерительного тока вольтметр
не работает.

14 Какие существуют потери мощности в катушке с магнитопроводом при питании постоянными и переменными токами?

На
постоянном токе — только омические — на
сопротивлении катушки. На переменном
— омические (никуда не деваются)
реактивные, на излучение и в сердечнике
на перемагничивание.

15. Какой из амперметров электродинамический или магнитоэлектрический имеет большую чувствительность и почему?

Магнитоэлектрические
амперметры по сравнению с электродинамическим
имеют большую чувствительность и
точность, т.е. в магнитоэлектрическом
амперметре более легкий и тонкий провод,
который пропускает меньший ток.

16. Что произойдёт если амперметр и вольтметр при измерении мощности случайно поменять местами?

стрелка
и амперметра и вольтметра отклоняются
на угол пропорциональный силе тока
текущему через них. у амперметра очень
маленькое собственное сопротивление,
поэтому он зашунтирует участок цепи
на котором подключен параллельно,
сопротивление цепи заметно уменьшится,
сила тока возрастет и он весь потечет
через амперметр, поэтому он зашкалит
или сгорит. у вольтметра, наоборот очень
большое собственное сопротивление и
он увеличит сопротивление цепи куда
он подключен последовательно. тогда
сила тока заметно уменьшится стрелка
вольтметра отклонится только чуть чуть
или вовсе останется неподвижной.

17. Можно ли с помощью вольтметра определить ток в цепи?

можно.
Но для этого его нужно превратить в
амперметр. Достаточно пропустить ток
через сопротивление, на нём возникнет
напряжение, которое и измерим вольтметром.
Сопротивление вольтметра должно быть
максимально большим (в идеале —
бесконечным). Чем больше сопротивления
вольтметра, тем меньше его подключение
меняет параметры измеряемой цепи
(вольтметр подключается параллельно).

Непосредственно
— нельзя. Но можно измерить падение
напряжения на резисторе с очень маленьким
сопротивлением (чем меньше сопротивление,
тем меньше влияние на измеряемый
параметр) и таким образом вычислить
ток. Так как измеряемое напряжение
прямо пропорционально силе тока, то
легко находим её по закону Ома. (I=U/R).

18.
Как получают суммарную характеристику
нелинейных элементов при их последовательном
и параллельном соединении
Нелинейным элементом электрической
цепи постоянного тока является такой,
у которого отсутствует линейная связь
между током и напряжением и поэтому он
определяется ВАХ, которая связывает
ток и напряжение данного элемента.
Нелинейной считается цепь, содержащая
хотя бы один нелинейный элемент.
НЭ:конденсаторы, индуктивности,
резисторы. Как и в случае линейных
электрических цепей, задача расчета
нелинейной резистивной цепи заключается
в общем случае в определении токов
ветвей и напряжений на элементах цепи
при заданных параметрах независимых
источников энергии. Для нелинейных
цепей справедливы законы Кирхгофа.
Особенность нелинейных цепей в
уравнениях, составленных по законам
Кирхгофа, отражается зависимостью
коэффициентов уравнений от воздействий
и реакций (напряжений и токов).
Следовательно, процессы в нелинейной
электрической цепи описываются
нелинейными уравнениями, т.е. уравнениями,
в которых хотя бы один из коэффициентов
зависит от переменной. При анализе
нелинейных цепей нельзя пользоваться
принципом суперпозиции.

1.При
последовательном соединении НЭ (рис.
1) характеристики складываются при
одинаковом токе: U(I) = U1(I)+U2(I). Так как
нелинейные элементы соединены
последовательно, то по ним протекает
один и тот же ток. Для решения сначала
находим суммарную ВАХ этих сопротивлений
методом выбранных значений токов далее
проектируем заданное напряжение до
пересечения с суммарной характеристикой
это точка даёт искомое решение.

2.При
параллельном соединении НЭ (рис. 2)
характеристики складываются при
одинаковом напряжении: I (U) = I1(U)+ I2(U). Так
как нелинейные элементы соединены
паралельно то к ним приложено одно и
тоже напряжение. Для решения сначала
находи суммарную ВАХ. Далее проектируем
заданное напряжение до пересечения с
суммарной характеристикой. Эта точка
даёт искомое решение.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Лабораторная работа № 8

   Тема: «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока».

   Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

   Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;

                             2. Источник электрической энергии;

                             3. Соединительные провода,

                             4. Набор сопротивлений 2 Ом и 4 Ом;

                             5. Переключатель однополюсный; ключ.

Теория.

   Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами.

   Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

   При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

   Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

   ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.

   Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах [В].

   Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи.

   Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r.

   Если цепь разомкнута, то работа сторонних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r , т.е. ε = IR + Ir.

   Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то,  согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение , где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir — напряжение на внутреннем участке цепи.

   Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

   Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

   ε и r можно определить опытным путем.

   Часто источники электрической энергии соединяют между собой для питания цепи. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.

   При последовательном соединении два соседних источника соединяются разноименными полюсами.

   Т.е., для последовательного соединения аккумуляторов, к ″плюсу″ электрической схемы подключают положительную клемму первого аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к ″минусу″ электрической схемы.

   Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

   1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε₁ + ε₂ + ε₃

   2. Общее сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r_{батареи}= r₁ + r₂ + r₃

Если в батарею соединены n одинаковых источников, то ЭДС батареи ε= nε_1, а сопротивление r_{батареи}= nr₁

   3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   При параллельном соединении соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или n источников.

   Т.е., при параллельном соединении, аккумуляторы соединяют так, чтобы положительные клеммы всех аккумуляторов были подключены к одной точке электрической схемы (″плюсу″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов были подключены к другой точке схемы (″минусу″).

   Параллельно соединяют только источники с одинаковой ЭДС. Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.

1. ЭДС батареи одинаковых источников равна ЭДС одного источника. ε= ε₁= ε₂ = ε₃

2. Сопротивление батареи меньше, чем сопротивление одного источника r_{батареи}= r₁/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.

   Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому т.к.при параллельном соединении емкость аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов, т.е увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.

Ход работы.

   1. Начертите таблицу:

   2. Рассмотрите  шкалу амперметра  и определите цену одного деления.
   3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 1. Переключатель поставить в среднее положение.

Рисунок 1.

   4. Замкнуть цепь, введя меньшее сопротивление R₁. Записать величину силы тока I₁. Разомкнуть цепь.

   5. Замкнуть цепь, введя большее сопротивление R₂. Записать величину силы тока I₂. Разомкнуть цепь.

   6. Вычислить значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.

   Закон Ома для полной цепи для каждого случая:     и    

   Отсюда получим формулы для вычисления ε и r:

   7. Результаты всех измерений и вычислений запишите в таблицу.

   8. Сделайте вывод.

   9. Ответьте на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

   1. Раскройте физический смысл понятия «электродвижущая сила источника тока».

   2. Определить сопротивление внешнего участка цепи, пользуясь результатами полученных измерений и законом Ома для полной цепи.

   3. Объяснить, почему внутреннее сопротивление возрастает при последовательном соединении аккумуляторов и уменьшается при параллельном в сравнении с сопротивлением r₀ одного аккумулятора.

   4. В каком случае вольтметр, включенный на зажимы генератора, показывает ЭДС генератора и в каком случае напряжение на концах внешнего участка цепи? Можно ли это напряжение считать также и напряжением на концах внутреннего участка цепи?

Вариант выполнения измерений.

Опыт 1. Сопротивление R₁=2 Ом, сила тока I₁=1,3 А.

              Сопротивление R₂=4 Ом, сила тока I₂=0,7 А.

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электродвижущая сила, внутреннее сопротивление источника тока, закон Ома для полной электрической цепи.

До сих пор при изучении электрического тока мы рассматривали направленное движение свободных зарядов во внешней цепи, то есть в проводниках, подсоединённых к клеммам источника тока.

Как мы знаем, положительный заряд :

• уходит во внешнюю цепь с положительной клеммы источника;

• перемещается во внешней цепи под действием стационарного электрического поля, создаваемого другими движущимися зарядами;

• приходит на отрицательную клемму источника, завершая свой путь во внешней цепи.

Теперь нашему положительному заряду нужно замкнуть свою траекторию и вернуться на положительную клемму. Для этого ему требуется преодолеть заключительный отрезок пути — внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной. Но вдумайтесь: идти туда ему совсем не хочется! Отрицательная клемма притягивает его к себе, положительная клемма его от себя отталкивает, и в результате на наш заряд внутри источника действует электрическая сила , направленная против движения заряда (т.е. против направления тока).

к оглавлению ▴

Сторонняя сила

Тем не менее, ток по цепи идёт; стало быть, имеется сила, «протаскивающая» заряд сквозь источник вопреки противодействию электрического поля клемм (рис. 1).

Рис. 1. Сторонняя сила

Эта сила называется сторонней силой; именно благодаря ей и функционирует источник тока. Сторонняя сила не имеет отношения к стационарному электрическому полю — у неё, как говорят, неэлектрическое происхождение; в батарейках, например, она возникает благодаря протеканию соответствующих химических реакций.

Обозначим через работу сторонней силы по перемещению положительного заряда q внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной. Эта работа положительна, так как направление сторонней силы совпадает с направлением перемещения заряда. Работа сторонней силы называется также работой источника тока.

Во внешней цепи сторонняя сила отсутствует, так что работа сторонней силы по перемещению заряда во внешней цепи равна нулю. Поэтому работа сторонней силы по перемещению заряда вокруг всей цепи сводится к работе по перемещению этого заряда только лишь внутри источника тока. Таким образом, — это также работа сторонней силы по перемещению заряда по всей цепи.

Мы видим, что сторонняя сила является непотенциальной — её работа при перемещении заряда по замкнутому пути не равна нулю. Именно эта непотенциальность и обеспечивает циркулирование электрического тока; потенциальное электрическое поле, как мы уже говорили ранее, не может поддерживать постоянный ток.

Опыт показывает, что работа прямо пропорциональна перемещаемому заряду . Поэтому отношение уже не зависит от заряда и является количественной характеристикой источника тока. Это отношение обозначается :

(1)

Данная величина называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока. Как видим, ЭДС измеряется в вольтах (В), поэтому название «электродвижущая сила» является крайне неудачным. Но оно давно укоренилось, так что приходится смириться.

Когда вы видите надпись на батарейке: «1,5 В», то знайте, что это именно ЭДС. Равна ли эта величина напряжению, которое создаёт батарейка во внешней цепи? Оказывается, нет! Сейчас мы поймём, почему.

к оглавлению ▴

Закон Ома для полной цепи

Любой источник тока обладает своим сопротивлением , которое называется внутренним сопротивлением этого источника. Таким образом, источник тока имеет две важных характеристики: ЭДС и внутреннее сопротивление.

Пусть источник тока с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением подключён к резистору (который в данном случае называется внешним резистором, или внешней нагрузкой, или полезной нагрузкой). Всё это вместе называется полной цепью (рис. 2).

Рис. 2. Полная цепь

Наша задача — найти силу тока в цепи и напряжение на резисторе .

За время по цепи проходит заряд . Согласно формуле (1) источник тока совершает при этом работу:

(2)

Так как сила тока постоянна, работа источника целиком превращается в теплоту, которая выделяется на сопротивлениях и . Данное количество теплоты определяется законом Джоуля–Ленца:

(3)

Итак, , и мы приравниваем правые части формул (2) и (3):

После сокращения на получаем:

Вот мы и нашли ток в цепи:

(4)

Формула (4) называется законом Ома для полной цепи.

Если соединить клеммы источника проводом пренебрежимо малого сопротивления , то получится короткое замыкание. Через источник при этом потечёт максимальный ток — ток короткого замыкания:

Из-за малости внутреннего сопротивления ток короткого замыкания может быть весьма большим. Например, пальчиковая батарейка разогревается при этом так, что обжигает руки.

Зная силу тока (формула (4)), мы можем найти напряжение на резисторе с помощью закона Ома для участка цепи:

(5)

Это напряжение является разностью потенциалов между точками и (рис. 2). Потенциал точки равен потенциалу положительной клеммы источника; потенциал точки равен потенциалу отрицательной клеммы. Поэтому напряжение (5) называется также напряжением на клеммах источника.

Мы видим из формулы (5), что в реальной цепи будет — ведь умножается на дробь, меньшую единицы. Но есть два случая, когда .

1. Идеальный источник тока. Так называется источник с нулевым внутренним сопротивлением. При формула (5) даёт .

2. Разомкнутая цепь. Рассмотрим источник тока сам по себе, вне электрической цепи. В этом случае можно считать, что внешнее сопротивление бесконечно велико: . Тогда величина неотличима от , и формула (5) снова даёт нам .

Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то вольтметр, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС.

к оглавлению ▴

КПД электрической цепи

Нетрудно понять, почему резистор называется полезной нагрузкой. Представьте себе, что это лампочка. Теплота, выделяющаяся на лампочке, является полезной, так как благодаря этой теплоте лампочка выполняет своё предназначение — даёт свет.

Количество теплоты, выделяющееся на полезной нагрузке за время , обозначим .

Если сила тока в цепи равна , то

Некоторое количество теплоты выделяется также на источнике тока:

Полное количество теплоты, которое выделяется в цепи, равно:

КПД электрической цепи — это отношение полезного тепла к полному:

КПД цепи равен единице лишь в том случае, если источник тока идеальный .

к оглавлению ▴

Закон Ома для неоднородного участка

Простой закон Ома справедлив для так называемого однородного участка цепи — то есть участка, на котором нет источников тока. Сейчас мы получим более общие соотношения, из которых следует как закон Ома для однородного участка, так и полученный выше закон Ома для полной цепи.

Участок цепи называется неоднородным, если на нём имеется источник тока. Иными словами, неоднородный участок — это участок с ЭДС.

На рис. 3  показан неоднородный участок, содержащий резистор и источник тока. ЭДС источника равна , его внутреннее сопротивление считаем равным нулю (если внутреннее сопротивление источника равно , можно просто заменить резистор на резистор ).

Рис. 3. ЭДС «помогает» току:

Сила тока на участке равна , ток течёт от точки к точке . Этот ток не обязательно вызван одним лишь источником . Рассматриваемый участок, как правило, входит в состав некоторой цепи (не изображённой на рисунке), а в этой цепи могут присутствовать и другие источники тока. Поэтому ток является результатом совокупного действия всех источников, имеющихся в цепи.

Пусть потенциалы точек и равны соответственно и . Подчеркнём ещё раз, что речь идёт о потенциале стационарного электрического поля, порождённого действием всех источников цепи — не только источника, принадлежащего данному участку, но и, возможно, имеющихся вне этого участка.

Напряжение на нашем участке равно: . За время через участок проходит заряд , при этом стационарное электрическое поле совершает работу:

Кроме того, положительную работу совершает источник тока (ведь заряд прошёл сквозь него!):

Сила тока постоянна, поэтому суммарная работа по продвижению заряда , совершаемая на участке стационарным электрическим полем и сторонними силами источника, целиком превращается в тепло: .

Подставляем сюда выражения для , и закон Джоуля–Ленца:

Сокращая на , получаем закон Ома для неоднородного участка цепи:

(6)

или, что то же самое:

(7)

Обратите внимание: перед стоит знак «плюс». Причину этого мы уже указывали — источник тока в данном случае совершает положительную работу, «протаскивая» внутри себя заряд от отрицательной клеммы к положительной. Попросту говоря, источник «помогает» току протекать от точки к точке .

Отметим два следствия выведенных формул (6) и (7).

1. Если участок однородный, то . Тогда из формулы (6) получаем — закон Ома для однородного участка цепи.

2. Предположим, что источник тока обладает внутренним сопротивлением . Это, как мы уже упоминали, равносильно замене на :

Теперь замкнём наш участок, соединив точки и . Получим рассмотренную выше полную цепь. При этом окажется, что и предыдущая формула превратится в закон Ома для полной цепи:

Таким образом, закон Ома для однородного участка и закон Ома для полной цепи оба вытекают из закона Ома для неоднородного участка.

Может быть и другой случай подключения, когда источник «мешает» току идти по участку. Такая ситуация изображена на рис. 4. Здесь ток, идущий от к , направлен против действия сторонних сил источника.

Рис. 4. ЭДС «мешает» току:

Как такое возможно? Очень просто: другие источники, имеющиеся в цепи вне рассматриваемого участка, «пересиливают» источник на участке и вынуждают ток течь против . Именно так происходит, когда вы ставите телефон на зарядку: подключённый к розетке адаптер вызывает движение зарядов против действия сторонних сил аккумулятора телефона, и аккумулятор тем самым заряжается!

Что изменится теперь в выводе наших формул? Только одно — работа сторонних сил станет отрицательной:

Тогда закон Ома для неоднородного участка примет вид:

(8)

или:

где по-прежнему — напряжение на участке.

Давайте соберём вместе формулы (7) и (8) и запишем закон Ома для участка с ЭДС следующим образом:

Ток при этом течёт от точки к точке . Если направление тока совпадает с направлением сторонних сил, то перед ставится «плюс»; если же эти направления противоположны, то ставится «минус».

Повторим основные понятия и определения по теме «Закон Ома».

Напомним, что напряжение измеряется в вольтах.

Сила тока измеряется в амперах.

Сопротивление измеряется в омах. Эта единица измерения названа в честь Георга Симона Ома, открывшего взаимосвязь между напряжением, сопротивлением цепи и силой тока в этой цепи.

Основные определения, которые мы используем в решении задач:

Источник тока – это устройство, способное создавать необходимую для существования тока разность потенциалов.

Можно сказать, что источник тока действует, как насос. Он «качает» электроны по проводникам, как водяной насос воду по трубам. Эту аналогию можно продолжить. При этом источник тока совершает работу, за счёт химических реакций, происходящих внутри него.

Если эту работу разделить на переносимый источником заряд q (суммарный заряд всех проходящих через источник электронов), то мы получим величину, которую называют электродвижущей силой или сокращённо ЭДС.

Измеряется эта ЭДС, как и разность потенциалов, в вольтах и имеет примерно тот же смысл.

По определению, сила тока равна отношению суммарного заряда электронов, проходящих через сечение проводника, ко времени прохождения. Измеряется сила тока в амперах (А).

Свойство проводника препятствовать прохождению по нему тока характеризуется величиной, которую назвали электрическим сопротивлением – R. Проходя через проводник, электрический ток нагревает его.

Сопротивление измеряют в омах (Ом).

Сам источник тока тоже обладает сопротивлением. Такое сопротивление принято называть внутренним сопротивлением источника  r (Ом).

Именно немецкому учёному Георгу Ому удалось установить, от чего может зависеть электрическое сопротивление проводника. Проведя многочисленные эксперименты, Ом сделал следующие выводы:

1. Сопротивление проводника тем больше, чем больше его длина.
2. Сопротивление проводника тем больше, чем меньше его толщина или площадь поперечного сечения.

Кроме того, Ом выяснил, что каждый материал обладает своим электрическим сопротивлением. Величина, которая показывает, каким сопротивлением будет обладать проводник единичной длины и единичной площади сечения из данного материала, называется удельным электрическим сопротивлением:  (Ом*мм²/м). Эта величина справочная. Таким образом, получается, что электрическое сопротивление проводника равно:

Рассмотрим задачи ЕГЭ по теме «Закон Ома» для полной цепи.

Задача 1. На ри­сун­ке приведён гра­фик за­ви­си­мо­сти на­пря­же­ния на кон­цах же­лез­но­го про­во­да пло­ща­дью по­пе­реч­но­го се­че­ния 0,05 мм² от силы тока в нём. Чему равна длина провода? Ответ дайте в метрах. Удельное сопротивление железа 0,1 Ом*мм²/м.

Решение:

Из закона Ома для проводника или участка цепи без источника следует:

По графику: при 

Из формулы сопротивления выражаем и находим длину проводника:

Ответ: 10.

Задача 2. Через по­пе­реч­ное се­че­ние про­вод­ни­ков за 8 с про­шло 10²⁰ элек­тро­нов. Ка­ко­ва сила тока в про­вод­ни­ке? Ответ дайте в амперах.

Решение:

По определению силы тока:

Заряд всех электронов:  где е — модуль заряда электрона,  Кл.

Тогда 

Ответ: 2.

Задача 3. Иде­аль­ный ам­пер­метр и три ре­зи­сто­ра общим со­про­тив­ле­ни­ем 66 Ом вклю­че­ны по­сле­до­ва­тель­но в элек­три­че­скую цепь, со­дер­жа­щую ис­точ­ник с ЭДС рав­ной 5 В, и внут­рен­ним со­про­тив­ле­ни­ем r=4 Ом. Ка­ко­вы по­ка­за­ния ам­пер­мет­ра? (Ответ дайте в ам­пе­рах, округ­лив до сотых.)

Решение:

По закону Ома для полной цепи:

Тогда

Ответ: 0,07.

Задача 4. ЭДС источника тока равна 1,5 В. Определите сопротивление внешней цепи, при котором сила тока будет равна 0,6 А, если сила тока при коротком замыкании равна 2,5 А. Ответ дайте в Ом, округлив до десятых.

Решение:

Сила тока короткого замыкания определяется следующим образом:

Отсюда выражаем и находим внутреннее сопротивление источника:

При внешнем сопротивлении, не равном нулю, сила тока в цепи определяется законом Ома для полной цепи:

Отсюда выражаем сопротивление резистора и находим его:

Ответ: 1,9.

Задача 5. На ри­сун­ке изоб­ра­же­на схема элек­три­че­ской цепи, со­сто­я­щей из ис­точ­ни­ка по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния с ЭДС 5 В и пре­не­бре­жи­мо малым внут­рен­ним со­про­тив­ле­ни­ем, ключа, ре­зи­сто­ра с со­про­тив­ле­ни­ем 2 Ом и со­еди­ни­тель­ных про­во­дов. Ключ за­мы­ка­ют. Какой заряд про­те­чет через ре­зи­стор за 10 минут? Ответ дайте в ку­ло­нах.

Решение:

Выражаем время в секундах: t = 10 минут = 600 с.

Определяем силу тока по закону Ома для полной цепи:

Внутреннее сопротивление пренебрежимо мало, поэтому r = 0.

По определению силы тока:

Отсюда  Кл.

Ответ: 1500.

Если вам нравятся наши материалы — записывайтесь на курсы подготовки к ЕГЭ по физике онлайн