Закон Ома для замкнутого ланцюга. Джерела струму. Для отримання електричного ланцюга постійного струму на заряди повинні діяти будь-які сили, відмінні від (кулонівських) сил електростатичного поля. Такі сили одержали назву сторонніх сил. Характеристикою дії сторонніх сил є електрорушійна сила (ЕРС), яка чисельно дорівнює роботі сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного (пробного) заряду по замкнутому ланцюгу або, іншими словами, визначається роботою сторонніх сил по переміщенню заряду по замкнутому контуру, віднесеної до величини цього заряду, ЕРС вимірюється у вольтах. Ділянку ланцюга, де є ЕРС, називають неоднорідним ділянкою ланцюга. Усередині джерела заряди рухаються проти кулонівських сил під дією сторонніх сил, а у решті ланцюга їх приводять в рух електричне поле. Такими джерелами може бути гальванічні елементи, акумулятори, електричні генератори постійного струму. ЕРС джерела струму дорівнює електричному напрузі з його затискачах при розімкнутої ланцюга. З закону збереження енергії випливає, що робота сторонніх сил дорівнює кількості теплоти, що виділилася в ланцюзі Q = I2 ? R0? ?t де R0 = R + r - повний опір ланцюга, а R - опір зовнішнього ланцюга, r - внутрішній опір джерела. Тоді? ? I? ?t = I2? (R + r) Δt.
Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола.
Урок 10 клас
З'єднаємо провідником дві металеві кульки, що несуть заряди протилежних знаків.
Під впливом електричного поля цих зарядів у провіднику виникає електричний струм.
Але цей струм буде дуже короткочасним.
Заряди швидко нейтралізуються, потенціали кульок стануть однаковими, та електричне поле зникне.
Сторонні сили
Для того, щоб струм був постійним, треба підтримувати постійну напругу між кульками.
Для цього необхідний пристрій (джерело струму), який би переміщував заряди від однієї кульки до іншої в напрямку, протилежному напрямку сил, що діють на ці заряди з боку електричного поля кульок.
У такому пристрої заряди, крім електричних сил, повинні діяти сили неелектричного походження.
Лише електричне поле заряджених частинок (кулонівське поле) не здатне підтримувати постійний струм у ланцюгу.
Сторонні сили рухають заряджені частинки всередині всіх джерел струму: в генераторах на електростанціях,
в гальванічних елементах,
акумуляторах і т.д.
Генератор змінного струму, Росія
Акумулятор, Тюмень
Гальванічні елементи, СРСР
При замиканні ланцюга створюється електричне поле у всіх провідниках ланцюга.
Усередині джерела струму заряди рухаються під дією сторонніх сил проти кулонівських сил (електрони від позитивного зарядженого електрода до негативного), а у решті ланцюга їх приводить в рух електричне поле.
Природа сторонніх сил
Джерела струму
Стороння сила
Генератор електростанції
Сила, що діє з боку магнітного поля на електрони в провіднику, що рухається.
Гальванічний елемент
(Елемент Вольта)
Хімічні сили, що розчиняють цинк у розчині сірчаної кислоти
Електрорушійна сила
Дія сторонніх сил характеризується важливою фізичною величиною, яка називається електрорушійною силою (скорочено ЕРС).
Електрорушійна сила в замкнутому контурі є відношенням роботи сторонніх сил при переміщенні заряду вздовж контуру до заряду:
ЕРС виражають у вольтах: [Ɛ] = Дж / Кл = У
Розглянемо найпростіший повний (замкнутий) ланцюг, що складається з джерела струму та резистора опором R.
Ɛ - ЕРС джерела струму,
r - Внутрішній опір джерела струму,
R - Зовнішній опір ланцюга,
R+r - Повний опір ланцюга.
Закон Ома для замкнутого ланцюга пов'язує силу струму в ланцюгу, ЕРС та повний опір R+r ланцюги.
Встановимо цей зв'язок теоретично користуючись законами збереження енергії та Джоуля Ленца.
Нехай через поперечний переріз провідника пройде електричний заряд.
При виконанні цієї роботи на внутрішньому та зовнішньому ділянках ланцюга виділяється кількість теплоти, що дорівнює закону Джоуля – Ленца:
Q = I²∙R∙∆t + I²∙r∙∆t
Cила струму в повному ланцюзі дорівнює відношенню ЕРС ланцюга до її повного опору .
0. Для даного ланцюга: Ɛ = Ɛ₁ - Ɛ₂ + Ɛ₃ і Rп = R + r₁ + r₂ + r₃ Якщо ? " width="640"
Якщо ланцюг містить кілька послідовно з'єднаних елементів з ЕРС Ɛ₁, Ɛ₂, Ɛ₃ і т.д., то повна ЕРС ланцюга дорівнює сумі алгебри ЕРС окремих елементів.
Для визначення знака ЕРС виберемо позитивний напрямок обходу контуру.
Якщо при обході ланцюга переходять від "-" полюса до "+", то ЕРС Ɛ 0.
Для цього ланцюга: Ɛ = Ɛ₁ - Ɛ₂ + Ɛ₃ і Rп = R + r₁ + r₂ + r₃
Якщо Ɛ 0 , то I 0 →
напрям струму збігається з напрямом обходу контуру.
Вирішення задач
- Чому дорівнює напруга на клемах гальванічного елемента з ЕРС, що дорівнює Ε, якщо ланцюг розімкнений?
- Чому дорівнює сила струму при короткому замиканні акумулятора з ЕРС Ε = 12 В та внутрішнім опором r = 0,01 Ом?
- Батарейка для кишенькового ліхтаря замкнута на резистор змінного опору. При опорі резистора, що дорівнює 1,65 Ом, напруга на ньому дорівнює 3,30 В, а при опорі, що дорівнює 3,50 Ом, напруга дорівнює 3,50 В. Визначте ЕРС і внутрішній опір батареї.
- Джерела струму з ЕРС 4,50 В і 1,50 В та внутрішніми опорами 1,50 Ом та 0,50 Ом, з'єднані, як показано на малюнку (15.13), живлять лампу від кишенькового ліхтаря. Яку потужність споживає лампа, якщо відомо, що опір її нитки в нагрітому стані дорівнює 23 Ом?
Список літератури:
- Г.Я. Мякішев, Б.Б. Буховцев «Фізика» 10 клас, «ОСВІТА», Москва 2001р.
Опис презентації з окремих слайдів:
1 слайд
Опис слайду:
2 слайд
Опис слайду:
1. На кінці ланцюга подано напругу 10В. Визначте Силу струму в кожному резисторі якщо R1 = R2 = 2 Ом, R3 = 9 Ом. 2.В мережу з напругою 220В включений електрочайник потужністю 150Вт. Визначте силу струму в його спіралі, опір спіралі. Варіант 2 Провідник довжиною 200м і перетином 2 мм 2 включений у ланцюг з напругою 12 В. Яка сила струму в ланцюзі? Два резистори опором 10 і 50 Ом включені в ланцюг паралельно. У нерозгалуженій частині ланцюга струм становить 6 А. Визначте напругу на кожному резисторі і струм, що тече в кожному провіднику.
3 слайд
Опис слайду:
Джерело струму. Електричний струм може виникнути, якщо металевим дротом з'єднати різноіменно заряджені кулі або пластини конденсатора. Однак такий електричний струм виявляється короткочасним: так як недолік і надлишок електронів на пластинах компенсується електронами, що переміщаються, то електричне поле, що рухає заряди, слабшає до нуля.
4 слайд
Опис слайду:
Для додаткової підтримки струму у провідниках використовується пристрій, який називається джерелом струму. Усередині джерела струму відбувається перерозподіл позитивних та негативних зарядів, так що на двох клемах джерела струму виникає надлишок позитивних та негативних зарядів (клема «+» та клема «–»). Сили неелектростатичної природи, які здійснюють такий поділ зарядів, називаються сторонніми силами. При контакті металевого провідника з клем джерела струму на поверхні проводу дуже швидко встановлюється такий розподіл зарядів, що всередині провідника виникає постійне електричне поле напруженістю, спрямованої вздовж його осі. Сила струму у всьому провіднику стає постійною, заряди переміщаються по замкнутому ланцюгу.
5 слайд
Опис слайду:
Будь-яке джерело струму прийнято характеризувати роботою сторонніх сил Aст, яку вони здійснюють при такому переміщенні заряду q всередині джерела. Відношення називається електрорушійною силою (ЕРС) джерела струму. Виражається ЕРС у вольтах (1 В= 1 Дж/1 Кл), як і різницю потенціалів.
6 слайд
Опис слайду:
Таблиця "Види джерел струму та принцип їх дії" Електрофорна машина Механічне обертання непровідних дисків з нанесеними провідними ділянками, частина яких на одному з дисків електризується тертям, призводить до накопичення зарядів у спеціальному пристрої, що називається лейденською банкою. В даний час використовується в основному для демонстраційних дослідів, що вимагають контрольованого генерування великих (до десятків тисяч вольт) напруг Гальванічний елемент Два різні матеріали занурюються в розчин або інше провідне середовище. За рахунок незворотних хімічних реакцій, що йдуть на кордоні «розчин – тверде тіло», відбувається накопичення електронів або заряджених іонів на електродах. У гальванічних елементах відбувається незворотне перетворення енергії хімічних зв'язків, накопиченої при синтезі цих речовин, на енергію розділених зарядів
7 слайд
Опис слайду:
Сонячна батарея При освітленні деяких напівпровідникових матеріалів, що перебувають у контакті з металами, відбувається переміщення електронів із металу на напівпровідник. П'єзоелемент При механічній деформації деяких кристалів (наприклад, кварцу) відбувається переміщення електронів з однієї області кристала в іншу
8 слайд
Слайд 2
Посторонні сили Електрорушійна сила Зовнішня частина ланцюга Внутрішня частина ланцюга Джерело струму Поняття та величини:
Слайд 3
Закони: Ома для замкнутого ланцюга
Слайд 4
Струм короткого замикання Правила електробезпеки в різних приміщеннях Плавкі запобіжники Аспекти життєдіяльності людини:
Слайд 5
Електрорушійна сила. Закон Ома для замкнутого ланцюга. Джерела струму. Для отримання електричного ланцюга постійного струму на заряди повинні діяти будь-які сили, відмінні від (кулонівських) сил електростатичного поля. Такі сили одержали назву сторонніх сил. Характеристикою дії сторонніх сил є електрорушійна сила (ЕРС), яка чисельно дорівнює роботі сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного (пробного) заряду по замкнутому ланцюгу або, іншими словами, визначається роботою сторонніх сил по переміщенню заряду по замкнутому контуру, віднесеної до величини цього заряду, ЕРС вимірюється у вольтах. Ділянку ланцюга, де є ЕРС, називають неоднорідним ділянкою ланцюга. Усередині джерела заряди рухаються проти кулонівських сил під дією сторонніх сил, а у решті ланцюга їх приводять в рух електричне поле. Такими джерелами може бути гальванічні елементи, акумулятори, електричні генератори постійного струму. ЕРС джерела струму дорівнює електричному напрузі з його затискачах при розімкнутої ланцюга. З закону збереження енергії випливає, що робота сторонніх сил дорівнює кількості теплоти, що виділилася в ланцюзі Q = I2 ∙ R0 ∙ ∆t де R0 = R + r – повний опір ланцюга, а R – опір зовнішнього ланцюга, r – внутрішній опір джерела. Тоді ε ∙ I ∙ ∆t = I2 ∙ (R + r) ∆t
Слайд 6
Звідси отримуємо закон Ома для повного ланцюга: Сила струму в повному ланцюзі дорівнює електрорушійній силі джерела, поділеної на суму опорів зовнішньої та внутрішньої ділянок ланцюга. У тому випадку, коли опір зовнішнього ланцюга прагне нуля, в ланцюзі виникає струм короткого замикання - максимально можливий струм в даному джерелі Сила струму короткого замикання - максимальна сила струму, яку можна отримати від джерела з електрорушійною силою і внутрішнім опором r. У джерел з малим внутрішнім опором струм короткого замикання може бути дуже великий і викликати руйнування електричного ланцюга чи джерела. Наприклад, у свинцевих акумуляторів, що використовуються в автомобілях, сила струму короткого замикання може становити кілька сотень ампер. Особливо небезпечні короткі замикання в освітлювальних мережах, що живляться від підстанцій (тисячі амперів). Щоб уникнути руйнівної дії таких великих струмів, до ланцюга включаються запобіжники або спеціальні автомати захисту мереж. У гальванічних елементів сила струму короткого замикання невелика і тому він не дуже небезпечний.
Закон Ома для повного ланцюга
Вчитель фізики БОУ ЗОШ №37 станиці Старомишастовської Т.А. Пеліпенко
Повторимо основні поняття
Електричний струм
спрямований рух заряджених частинок
фізична величина, яка показує який заряд, проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу: 𝐼=𝑞/𝑡
Сила струму
Одиниця виміру сили струму – ампер
Площа фігури під графіком сили струму чисельно дорівнює заряду (q=It)
Повторимо основні поняття
Закон Ома для ділянки ланцюга
Електричний опір металевих провідників
Умови існування електричного струму
Наявність вільних зарядів у речовині
Наявність зовнішнього електричного поля (джерело струму)
Джерело струму - це пристрій, в якому відбувається перетворення будь-якого виду енергії на електричну енергію
Повторимо основні поняття
Існують різні види джерел струму:
Механічні джерела струму
Теплові джерела струму
Хімічні джерела струму
Світлові джерела струму
Розподіл зарядів усередині джерел постійного струму відбувається за рахунок сил неелектричного походження (електромагнітні, хімічні, механічні сили та ін.), які називаються сторонніми силами
У будь-якому джерелі струму відбувається робота з поділу позитивно та негативно заряджених частинок , що накопичуються на полюсах джерела
Сили неелектричного походження (механічні, хімічні, електромагнітні та ін.) змушують заряди всередині джерела струму перерозподіляться між його полюсами
Відношення роботи сторонніх сил щодо переміщення зарядів усередині джерела струму до величини переміщеного заряду називається електрорушійною силою (ЕРС) даного джерела струму
Одиниця виміру ЕРС у СІ – вольт
[ε] = 1В
При розімкнутому ланцюгу вольтметр показує ЕРС
Будь-яке джерело постійного струму
має певне внутрішнє
опір
r – внутрішній опір джерела струму
[r] = 1 Ом
Закон Ома для повного ланцюга
I - Сила струму в ланцюгу
R - Опір зовнішньої ділянки ланцюга
r - Внутрішній опір джерела струму
– ЕРС джерела струму
Короткий замикання
Перетворивши закон Ома
для повного ланцюга,
отримаємо такий вираз
Різниця потенціалів усередині
джерела струму
ε = IR + Ir
Напруга на зовнішньому
ділянці ланцюга
Завдання 1
ЕРС акумулятора дорівнює 2 В. При силі струму в ланцюгу 2 А напруга на затискачах акумулятора дорівнює 1,8 В. Знайдіть внутрішній опір акумулятора та опір зовнішнього ланцюга
Перевіримо розв'язання задачі
Відповідь: R = 0,9 Ом; r = 0,1 Ом.
Відповідь: R = 0,9 Ом; r = 0,1 Ом.
ε= U+Ir, r =
r = = 0,1 Ом
Перевіримо розв'язання задачі
Дано:
R = 20 Ом
Рішення
Ɛ = 5 В
Оскільки джерела струму з'єднані послідовно,
Відповідь: U = 4 ст.
r = 2.5 Ом
Ɛ = U + 2 Ir
U = Ɛ - 2 Ir
U = 5 В - 2 0,2 А 2,5 Ом = 4 В
Домашнє завдання:
§ 107, § 108, упр. 19 (завдання 6, 7, 8)
Дякую