Физика · 10 класс4 четвертьТема 1Лабораторная работаГОСО РК 2026Углубленный

Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

Сторонние силы. Источники постоянного тока. Электродвижущая сила (ЭДС, E). Внутреннее сопротивление источника (r). Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: I = E / (R + r). Напряжение на зажимах источника. Ток короткого замыкания: I_кз = E / r. КПД источника тока.

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ4 четвертьдескрипторы ГОСО

Для поддержания непрерывного электрического тока в проводнике необходимо непрерывно поддерживать разность потенциалов между его концами. Кулоновские электрические силы стремятся нейтрализовать заряды (перемещая положительные заряды от высокого потенциала к низкому) и не могут замкнуть ток по кругу.

Для движения зарядов по замкнутому контуру внутри источника тока должны действовать силы неэлектростатического происхождения — сторонние силы, которые перемещают заряды против кулоновских сил (от минуса к плюсу внутри источника).

Природа сторонних сил:

• В гальванических элементах и аккумуляторах — химические реакции окисления-восстановления на границе электродов и электролита;

• В электромеханических генераторах — вихревое электрическое поле и сила Лоренца при электромагнитной индукции;

• В солнечных батареях — фотоэлектрический эффект в полупроводниковом p-n переходе.

Электродвижущая сила (ЭДС, обозначается греческой буквой ε — «эпсилон») — скалярная физическая величина, численно равная отношению работы сторонних сил Aст по перемещению положительного заряда q по замкнутому контуру к величине этого заряда:

ε = Aст / q.

В Международной системе СИ ЭДС измеряется в Вольтах (В): 1 В = 1 Дж / 1 Кл.

СТОРОННИЕ СИЛЫ

Некулоновская природа

Силы, заставляющие электроны двигаться против поля внутри источника питания (химические, магнитные).
ЭДС ε (В)

Энергия источника

Работа сторонних сил по переносу единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи.
Формула электродвижущей силыЭДС — не сила!
ε=Aст/q;1В=1Дж/1Кл \varepsilon = A_{\text{ст}} / q;\quad 1 В = 1 Дж / 1 Кл
где ε — ЭДС источника (В), Aст — работа сторонних сил (Дж), q — перемещенный заряд (Кл).
ЭДС — не сила!
Несмотря на историческое название, ЭДС — это не механическая сила в Ньютонах, а энергетическая характеристика источника тока, измеряемая в Вольтах!

Полная (замкнутая) электрическая цепь состоит из двух частей:

1. Внешняя часть цепи — соединительные провода, выключатели и потребители (нагрузка) с общим сопротивлением R;

2. Внутренняя часть цепи — сам источник тока, обладающий собственным внутренним сопротивлением r (сопротивление электролита в батарейке, обмоток генератора).

Полное сопротивление электрической цепи равно сумме внешнего и внутреннего сопротивлений: Rполн = R + r.

Закон Ома для полной цепи (сформулирован Георгом Омом в 1826 г. на основе закона сохранения энергии):

Сила электрического тока в полной замкнутой цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника ε и обратно пропорциональна полному сопротивлению всей цепи (R + r):

I=ε/(R+r)I = \varepsilon / (R + r).

Энергетическое обоснование:

За время t по цепи протекает заряд q = I · t. Сторонние силы совершают работу: Aст = ε · q = ε · I · t.

По закону Джоуля — Ленца эта энергия полностью выделяется в виде количества теплоты на внешнем и внутреннем участках цепи:

Qполн = I² · R · t + I² · r · t.

Приравнивая Aст = Qполн: ε · I · t = I² · (R + r) · t → I = ε / (R + r).

Анимированная модель: Закон Ома для полной цепи

Анимированная модель
Электрическая цепь: Закон Ома I = U / R+-Источник UAАмперметрРезистор RЛампаТок — направленное движение электронов (закон Ома I = U / R)
Циркуляция заряда под действием сторонних сил источника с ЭДС ℰ и полным сопротивлением R + r: I = ℰ / (R + r).
ВНЕШНЯЯ НАГРУЗКА R

Полезное сопротивление

Лампы, моторы, резисторы, нагреватели, на которых совершается полезная работа цепи.
ВНУТРЕННЕЕ r

Паразитное сопротивление

Внутреннее сопротивление источника, приводящее к его нагреву при протекании тока.
Закон Ома для полной цепиПолное сопротивление
I=ε/(R+r);ε=I⋅R+I⋅r=U+I⋅rI = \varepsilon / (R + r);\quad \varepsilon = I \cdot R + I \cdot r = U + I \cdot r
где I — сила тока (А), ε — ЭДС источника (В), R — сопротивление внешней нагрузки (Ом), r — внутреннее сопротивление источника (Ом).
Полное сопротивление
В знаменателе закона Ома для полной цепи ВСЕГДА стоит сумма внешнего и внутреннего сопротивлений: R + r!

Перепишем закон Ома для полной цепи в виде баланса напряжений:

ε = I · R + I · r.

Физический смысл составляющих:

1. Напряжение на зажимах источника (напряжение на внешней нагрузке):

U=I⋅R=ε−I⋅rU = I \cdot R = \varepsilon - I \cdot r.

Это напряжение показывает вольтметр, подключенный непосредственно к клеммам работающего источника под нагрузкой;

2. Падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника:

Uвнутр = I · r.

Это потеря напряжения внутри самого источника тока.

Зависимость напряжения на клеммах от тока нагрузки U(I):

• Чем больше сила тока I, потребляемая внешней нагрузкой, тем больше падение напряжения внутри источника (I · r) и тем ниже полезное напряжение на его клеммах U = ε - Ir;

• Если внешняя цепь разомкнута (ток I = 0), падение напряжения внутри источника равно нулю, и вольтметр показывает точное значение ЭДС: Uраз = ε;

• Поэтому идеальный вольтметр с бесконечным входным сопротивлением (Rв → ∞), подключенный к разомкнутой батарейке, измеряет ее истинную ЭДС ε.

ПАДЕНИЕ НА r

Uвнутр = I · r

Потери напряжения внутри источника, возрастающие при росте энергопотребления цепи.
КЛЕММНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

U = ε - I·r

Реальное рабочее напряжение, приложенное к потребителю электроэнергии.
Шаг 1
Найти полный ток цепи I
Вычислить I = ε / (R + r).
Шаг 2
Рассчитать напряжение на клеммах U
Умножить ток на сопротивление нагрузки: U = I · R или вычесть U = ε - I · r.
Шаг 3
Определить потери напряжения внутри источника
Вычислить Uвнутр = I · r.
Напряжение на клеммах источникаНапряжение под нагрузкой
U=ε−I⋅r;U=I⋅R;Uвнутр=I⋅rU = \varepsilon - I \cdot r;\quad U = I \cdot R;\quad U_{\text{внутр}} = I \cdot r
где U — напряжение на внешней нагрузке (В), ε — ЭДС (В), I — сила тока (А), r — внутреннее сопротивление (Ом).
Напряжение под нагрузкой
Напряжение на клеммах реального источника всегда МЕНЬШЕ его ЭДС при протекании тока: U = ε - Ir < ε!

В зависимости от соотношения сопротивлений R и r различают три характерных режима работы электрической цепи:

1. Режим холостого хода (цепь разомкнута, R → ∞):

Сила тока в цепи равна нулю: I = 0. Напряжение на клеммах источника максимально и в точности равно ЭДС: Uхх = ε.

2. Режим короткого замыкания (КЗ, R → 0):

Нагрузка замкнута накоротко проводником с ничтожным сопротивлением. Сила тока достигает предельного максимального значения:

Iкз = ε / r.

Поскольку внутреннее сопротивление источников обычно мало (r ~ 0.01–1 Ом), ток короткого замыкания превосходит рабочий ток в десятки и сотни раз! Это приводит к мгновенному оплавлению изоляции, разрушению источника и возникновению пожара. Для защиты цепей применяют автоматические выключатели и плавкие предохранители.

3. Коэффициент полезного действия (КПД) источника тока:

• Полезная мощность (выделяемая на нагрузке): Pпол = I · U = I² · R;

• Полная мощность источника: Pполн = I · ε = I² · (R + r);

• КПД источника (η):

η = Pпол / Pполн = (I · U) / (I · ε) = U / ε = R / (R + r).

Максимум полезной мощности (теорема о согласовании нагрузки):

Полезная мощность Pпол(R) достигает абсолютного максимума, когда внешнее сопротивление нагрузки в точности равно внутреннему сопротивлению источника: R = r. При этом КПД составляет ровно 50%, а максимальная мощность равна: Pmax = ε² / (4r).

КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ

Iкз = ε / r

Предельный режим нулевого внешнего сопротивления, сопровождающийся разрушительным разогревом.
СОГЛАСОВАНИЕ НАГРУЗКИ

R = r

Режим передачи максимальной полезной мощности от генератора к потребителю (в акустике, радиопередатчиках).
Ток КЗ и КПД цепиЗащита от КЗ
Iкз=ε/r;η=Pпол/Pполн=R/(R+r)=U/ε;Pmax=ε2/(4r)приR=rI_{\text{кз}} = \varepsilon / r;\quad \eta = P_{\text{пол}} / P_{\text{полн}} = R / (R + r) = U / \varepsilon ;\quad P_{max} = \varepsilon ^2 / (4r) при R = r
где Iкз — ток короткого замыкания (А), η — КПД (в долях или %), Pmax — предельная полезная мощность (Вт).
Защита от КЗ
Предохранитель рассчитывается на номинальный рабочий ток и мгновенно размыкает цепь при аварийном скачке тока КЗ.

Для получения необходимых значений тока и напряжения отдельные гальванические элементы объединяют в батареи источников.

1. Последовательное соединение n одинаковых источников:

Положительный полюс каждого источника соединяют с отрицательным полюсом последующего.

• Общая ЭДС батареи равна сумме ЭДС всех элементов: εобщ = n · ε₀;

• Полное внутреннее сопротивление суммируется: rобщ = n · r₀;

• Сила тока в цепи: I = (n · ε₀) / (R + n · r₀).

Последовательное соединение выгодно и эффективно применять, когда внешнее сопротивление цепи значительно превосходит внутреннее сопротивление батареи (R >> n·r₀), то есть для питания высокоомной нагрузки.

2. Параллельное соединение n одинаковых источников:

Все положительные полюсы соединяют в одну общую точку, а отрицательные — в другую.

• Общая ЭДС равна ЭДС одного источника: εобщ = ε₀;

• Полное внутреннее сопротивление батареи уменьшается в n раз: rобщ = r₀ / n;

• Сила тока в цепи: I = ε₀ / (R + r₀ / n).

Параллельное соединение выгодно использовать при низком внешнем сопротивлении (R << r₀), когда требуется обеспечить высокую силу тока без падения напряжения.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО

εобщ = n · ε₀

Увеличивает выходное напряжение пропорционально числу элементов (автомобильные аккумуляторы 12 В из 6 банок по 2 В).
ПАРАЛЛЕЛЬНО

rобщ = r₀ / n

Снижает внутреннее сопротивление и продлевает ресурс автономной работы батареи.
Батарея источников токаПравило выбора
Последовательно:εобщ=n⋅ε0,rобщ=n⋅r0;Параллельно:εобщ=ε0,rобщ=r0/nПоследовательно: \varepsilon _{\text{общ}} = n \cdot \varepsilon _0, r_{\text{общ}} = n \cdot r_0;\quad Параллельно: \varepsilon _{\text{общ}} = \varepsilon _0, r_{\text{общ}} = r_0 / n
где n — число одинаковых источников тока, ε₀ — ЭДС одного элемента, r₀ — внутреннее сопротивление одного элемента.
Правило выбора
При R >> r выгодно последовательное включение (рост напряжения); при R << r выгодно параллельное включение (рост силы тока).
Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул10 класс
Количество вещества:
ν=N/NA=m/M \nu = N / N_A = m / M[моль]
Основное уравнение МКТ газов:
p=1/3⋅n⋅m0⋅vкв2=2/3⋅n⋅Ekp = 1/3 \cdot n \cdot m_0 \cdot v_{\text{кв}}^2 = 2/3 \cdot n \cdot E_k[Па]
Связь температуры и кинетической энергии:
Ek=3/2⋅k⋅TE_k = 3/2 \cdot k \cdot T[Дж]
Давление идеального газа:
p=n⋅k⋅Tp = n \cdot k \cdot T[Па]
Следующая тема

Электрический ток в различных средах. Полупроводники и электролиз

Перейти к теме →