Допустим, есть простейшая электрическая замкнутая цепь, включающая в себя источник тока, например генератор, гальванический элемент или аккумулятор, и резистор, обладающий сопротивлением R. Поскольку ток в цепи нигде не прерывается, то и внутри источника он течет.

В такой ситуации можно сказать, что любой источник обладает некоторым внутренним сопротивлением, препятствующим току. Это внутреннее сопротивление характеризует источник тока и обозначается буквой r. Для или аккумулятора внутреннее сопротивление - это сопротивление раствора электролита и электродов, для генератора - сопротивление обмоток статора и т. д.

Таким образом, источник тока характеризуется как величиной ЭДС, так и величиной собственного внутреннего сопротивления r – обе эти характеристики свидетельствуют о качестве источника.

Электростатические высоковольтные генераторы (как генератор Ван де Граафа или генератор Уимшурста), к примеру, отличаются огромной ЭДС измеряемой миллионами вольт, при этом их внутреннее сопротивление измеряется сотнями мегаом, потому они и непригодны для получения больших токов.


Гальванические элементы (такие как батарейка) - напротив - имеют ЭДС порядка 1 вольта, хотя внутреннее сопротивление у них порядка долей или максимум - десятка Ом, и от гальванических элементов поэтому можно получать токи в единицы и десятки ампер.

На данной схеме показан реальный источник с присоединенной нагрузкой. Здесь обозначены , его внутреннее сопротивление, а также сопротивление нагрузки. Согласно , ток в данной цепи будет равен:

Поскольку участок внешней цепи однороден, то из закона Ома можно найти напряжение на нагрузке:

Выразив из первого уравнения сопротивление нагрузки, и подставив его значение во второе уравнение, получим зависимость напряжения на нагрузке от тока в замкнутой цепи:

В замкнутом контуре ЭДС равна сумме падений напряжений на элементах внешней цепи и на внутреннем сопротивлении самого источника. Зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки в идеальном случае линейна.

График это показывает, но экспериментальные данные на реальном резисторе (крестики возле графика) всегда отличаются от идеала:


Эксперименты и логика показывают, что при нулевом токе нагрузки напряжение на внешней цепи равно ЭДС источника, а при нулевом напряжении на нагрузке ток в цепи равен . Это свойство реальных цепей помогает экспериментально находить ЭДС и внутреннее сопротивление реальных источников.

Экспериментальное нахождение внутреннего сопротивления

Чтобы экспериментально определить данные характеристики, строят график зависимости напряжения на нагрузке от величины тока, затем экстраполируют его до пересечения с осями.

В точке пересечения графика с остью напряжения находится значение ЭДС источника, а в точке пересечения с осью тока находится величина тока короткого замыкания. В итоге внутреннее сопротивление находится по формуле:

Развиваемая источником полезная мощность выделяется на нагрузке. График зависимости этой мощности от сопротивления нагрузки приведен на рисунке. Эта кривая начинается от пересечения осей координат в нулевой точке, затем возрастает до максимального значения мощности, после чего спадает до нуля при сопротивлении нагрузки равном бесконечности.


Чтобы найти максимальное сопротивление нагрузки, при котором теоретически разовьется максимальная мощность при данном источнике, берется производная от формулы мощности по R и приравнивается к нулю. Максимальная мощность разовьется при сопротивлении внешней цепи, равном внутреннему сопротивлению источника:

Это положение о максимальной мощности при R = r, позволяет экспериментально найти внутреннее сопротивление источника, построив зависимость мощности, выделяемой на нагрузке, от величины сопротивления нагрузки. Найдя реальное, а не теоретическое, сопротивление нагрузки, обеспечивающее максимальную мощность, определяют реальное внутреннее сопротивление источника питания.

КПД источника тока показывает отношение максимальной выделяемой на нагрузке мощности к полной мощности, которую в данный момент развивает

Мы пришли к выводу, что для поддержания постоянного тока в замкнутой цепи, в нее необходимо включить источник тока. Подчеркнем, что задача источника заключается не в том, чтобы поставлять заряды в электрическую цепь (в проводниках этих зарядов достаточно), а в том, чтобы заставлять их двигаться, совершать работу по перемещению зарядов против сил электрического поля. Основной характеристики источника является электродвижущая сила 1 (ЭДС) − работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда

Единицей измерения ЭДС в системе единиц СИ является Вольт. ЭДС источника равна 1 вольт, если он совершает работу 1 Джоуль при перемещении заряда 1 Кулон

 Для обозначения источников тока на электрических схемах используется специальное обозначение (рис. 397).

рис. 397
 Электростатическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов − на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательный. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу».
В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.
Таким образом, электродвижущую силу источника можно считать алгебраической величиной, знак которой («плюс» или «минус») зависит от направления тока. В схеме, показанной на рис. 398,

рис. 398
вне источника (во внешней цепи) ток течет 2 от «плюса» источника к «минусу», в внутри источника от «минуса» к «плюсу». В этом случае, как сторонние силы источника, так и электростатические силы во внешней цепи совершают положительную работу.
 Если на некотором участке электрической цепи помимо электростатических действуют и сторонние силы, то над перемещением зарядов «работают» как электростатические, так и сторонние силы. Суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда называется электрическим напряжением на участке цепи

 В том случае, когда сторонние силы отсутствуют, электрическое напряжение совпадает с разностью потенциалов электрического поля.
 Поясним определение напряжения и знака ЭДС на простом примере. Пусть на участке цепи, по которому протекает электрический ток, имеются источник сторонних сил и резистор (рис. 399).

рис. 399
 Для определенности будем считать, что φ o > φ 1 , то есть электрический ток направлен от точки 0 к точке 1 . При подключении источника, как показано на рис. 399 а, Сторонние силы источника совершают положительную работу, поэтому соотношение (2) в этом случае может быть записано в виде

 При обратном включении источника (рис. 399 б) внутри него заряды движутся против сторонних сил, поэтому работа последних отрицательна. Фактически силы внешнего электрического поля преодолевают сторонние силы. Следовательно, в этом случае рассматриваемое соотношение (2) имеет вид

 Для протекания электрического тока по участку цепи, обладающему электрическим сопротивлением, необходимо совершать работу, по преодолению сил сопротивления. Для единичного положительного заряда эта работа, согласно закону Ома, равна произведению IR = U которое, естественно совпадает с напряжением на данном участке.
 Заряженные частицы (как электроны, так и ионы) внутри источника движутся в некоторой окружающей среде, поэтому со стороны среду на них также действуют тормозящие силы, которые также необходимо преодолевать. Заряженные частицы преодолевают силы сопротивления благодаря действию сторонних сил (если ток в источнике направлен от «плюса» к «минусу») либо благодаря электростатическим силам (если ток направлен от «минуса» к «плюсу»). Очевидно, что работа по преодолению этих сил не зависит от направления движения, так как силы сопротивления всегда направлены в сторону, противоположную скорости движения частиц. Так как силы сопротивления пропорциональны средней скорости движения частиц, то работа по их преодолению пропорциональна скорости движения, следовательно, силе тока силе. Таким образом, мы можем ввести еще характеристику источника − его внутренне сопротивление r , аналогично обычному электрическому сопротивлению. Работа по преодолению сил сопротивления при перемещении единичного положительного заряда между полюсами источника равна A/q = Ir . Еще раз подчеркнем, эта работа не зависит от направления тока в источнике.

1 Название этой физической величины неудачно − так электродвижущая сила является работой, а не силой в обычном механическом понимании. Но этот термин настолько устоялся, что изменять его не «в наших силах». К слову, сила тока то же не является механической силой! Не говоря уж о таких понятиях «сила духа», «сила воли», «божественная сила» и т.д.
2 Напомним, за направление движения электрического тока принято направление движения положительных зарядов.

Цель работы: изучить метод измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока с помощью амперметра и вольтметра.

Оборудование: металлический планшет, источник тока, амперметр, вольтметр, резистор, ключ, зажимы, соединительные провода.

Для измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока собирают электрическую цепь, схема которой показана на рисунке 1.

К источнику тока подключают амперметр, сопротивление и ключ, соединенные последовательно. Кроме того, непосредствен­но к выходным гнездам источника подключают еще и вольтметр.

ЭДС измеряют по показанию вольтметра при разомкнутом ключе. Этот прием определения ЭДС основан на следствии из за­кона Ома для полной цепи, согласно которому при бесконечно большом сопротивлении внешней цепи напряжение на зажимах источника равно его ЭДС. (См. параграф "Закон Ома для полной цепи" учебника "Физика 10").

Для определения внутреннего сопротивления источника за­мыкают ключ К. При этом в цепи можно условно выделить два участка: внешний (тот, который подключен к источнику) и внутренний (тот, который находится внутри источника тока). Поскольку ЭДС источника равна сумме падения напряжений на внутрен­нем и внешнем участках цепи:

ε = U r +U R , то U r = ε -U R (1)

По закону Ома для участка цепи U r = I· r (2). Подставив равенство (2) в (1) получают:

I · r = ε - U r , откуда r = (ε - U R )/ J

Следовательно, чтобы узнать внутреннее сопротивление источника тока, необходимо пред­варительно определить его ЭДС, затем замкнуть ключ и измерить падение напряжения на внеш­нем сопротивлении, а также силу тока в нем.

Ход работы

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

ε ,в

U r , B

i,a

r , Ом

    Начертите в тетради схему для измерения ЭДС и внутреннего сопротивления источника.

    После проверки схемы соберите электрическую цепь. Ключ разомкните.

    Измерьте величину ЭДС источника.

    Замкните ключ и определите показания амперметра и вольтметра.

    Вычислите внутреннее сопротивление источника.

  1. Определение эдс и внутреннего сопротивления источника тока графическим методом

Цель работы: изучить измерения ЭДС, внутреннего сопротивления и тока короткого замы­кания источника тока, основанный на анализе графика зависимости напряже­ния на выходе источника от силы тока в цепи.

Оборудование: гальванический элемент, амперметр, вольтметр, резистор R 1 , переменный резистор, ключ, зажимы, металлический планшет, соединительные провода.

Из закона Ома для полной цепи следует, что напряжение на выходе источника тока зависит прямо пропорционально от силы тока в цепи:

так как I =E/(R+r), то IR + Ir = Е, но IR = U, откуда U + Ir = Е или U = Е – Ir (1).

Если построить график зависимости U от I, то по его точкам пересечения с осями координат можно определить Е, I К.З. - силу тока короткого замыкания (ток, который потечет в цепи источни­ка, когда внешнее сопротивление R станет равным нулю).

ЭДС определяют по точке пересечения графика с осью напряжений. Эта точка графика со­ответствует состоянию цепи, при котором ток в ней отсутствует и, следовательно, U = Е.

Силу тока короткого замыкания определяют по точке пересечения графика с осью токов. В этом случае внешнее сопротивление R = 0 и, следовательно, напряжение на выходе источника U = 0.

Внутреннее сопротивление источника находят по тангенсу угла наклона графика относи­тельно оси токов. (Сравните формулу (1) с математической функцией вида У = АХ +В и вспомни­те смысл коэффициента при X).

Ход работы

    Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:

  1. После проверки схемы преподавателем соберите электрическую цепь. Ползунок переменного резистора установите в положение, при котором сопротивление цепи, подключенной к источ­нику тока, будет максимальным.

    2. Определите значение силы тока в цепи и напряжение на зажимах источника при максимальной величине сопротивления переменного резистора. Данные измерений занесите в таблицу.

    Повторите несколько раз измерения силы тока и напряжения, уменьшая всякий раз величину переменного сопротивления так, чтобы напряжение на зажимах источника уменьшалось на 0,1В. Измерения прекратите, когда сила тока в цепи достигнет значения в 1А.

    Нанесите полученные в эксперименте точки на график. Напряжение откладывайте по верти­кальной оси, а силу тока - по горизонтальной. Проведите по точкам прямую линию.

    Продолжите график до пересечения с осями координат и определите величины Е и, I К.З.

    Измерьте ЭДС источника, подключив вольтметр к его выводам при разомкнутой внешней це­пи. Сопоставьте значения ЭДС, полученные двумя способами, и укажите причину возможного расхождения результатов.

    Определите внутреннее сопротивление источника тока. Для этого вычислите тангенс угла на­клона построенного графика к оси токов. Так как тангенс угла в прямоугольном треугольнике равен отношению противолежащего катета к прилежащему, то практически это можно сделать, найдя отношение Е / I К.З

Электрический ток в проводнике возникает под воздействием электрического поля, заставляющего свободные заряженные частицы приходить в направленное движение. Создание тока частиц - серьезная проблема. Соорудить такое устройство, которое будет поддерживать разность потенциалов поля длительное время в одном состоянии - задача, решение которой оказалось под силу человечеству только к концу XVIII века.

Первые попытки

Первые попытки «накопить электричество» для дальнейшего его исследования и использования были предприняты в Голландии. Немец Эвальд Юрген фон Клейст и голландец Питер ван Мушенбрук, проводившие свои исследования в городке Лейден, создали первый в мире конденсатор, названный позже «лейденской банкой».

Накопление электрического заряда уже проходило под действием механического трения. Использовать разряд через проводник можно было в течение некоторого, достаточно короткого, промежутка времени.

Победа человеческого разума над такой эфемерной субстанцией, как электричество, оказалась революционной.

К сожалению, разряд (электрический ток, создаваемый конденсатором) длился настолько коротко, что создать не мог. Кроме того, напряжение, даваемое конденсатором, постепенно понижается, что не оставляет возможности получать длительный ток.

Нужно было искать иной способ.

Первый источник

Эксперименты итальянца Гальвани по исследованию «животного электричества» были оригинальной попыткой найти естественный источник тока в природе. Развешивая лапки препарированных лягушек на металлических крючках железной решетки, он обратил внимание на характерную реакцию нервных окончаний.

Однако выводы Гальвани опроверг другой итальянец - Алессандро Вольта. Заинтересовавшись возможностью получения электричества из организмов животных, он провел серию экспериментов с лягушками. Но вывод его оказался полной противоположностью предыдущим гипотезам.

Вольта обратил внимание, что живой организм является лишь индикатором электрического разряда. При прохождении тока мышцы лапок сокращаются, указывая на разность потенциалов. Источником электрического поля оказался контакт разнородных металлов. Чем дальше друг от друга они находятся в ряду химических элементов, тем значительнее эффект.

Пластины из разнородных металлов, проложенные бумажными дисками, пропитанными раствором электролита, создавали длительное время необходимую разность потенциалов. И пусть она была невысока (1,1 В), но электрический ток можно было исследовать долгое время. Главное, что напряжение сохранялось неизменным так же долго.

Что происходит

Почему в источниках, получивших название «гальванических элементов», вызывается такой эффект?

Два металлических электрода, помещенных в диэлектрик, играют разные роли. Один поставляет электроны, другой их принимает. Процесс окислительно-восстановительной реакции приводит к появлению избытка электронов на одном электроде, который называют отрицательным полюсом, и недостатка на втором, обозначим его как положительный полюс источника.

В самых простых гальванических элементах окислительные реакции происходят на одном электроде, восстановительные - на другом. Электроны приходят на электроды из внешней части цепи. Электролит является проводником тока ионов внутри источника. Сила сопротивления руководит длительностью процесса.

Медно-цинковый элемент

Принцип действия гальванических элементов интересно рассмотреть на примере медно-цинкового гальванического элемента, действие которого идет в счет энергии цинка и сульфата меди. В этом источнике пластина из меди помещена в раствор а цинковый электрод погружен в раствор сульфата цинка. Растворы разделены пористой прокладкой во избежание смешивания, но обязательно соприкасаются.

Если цепь замкнута, поверхностный слой цинка окисляется. В процессе взаимодействия с жидкостью атомы цинка, превратившись в ионы, появляются в растворе. На электроде высвобождаются электроны, которые могут принимать участие в образовании тока.

Попадая на медный электрод, электроны принимают участие в восстановительной реакции. Из раствора на поверхностный слой поступают ионы меди, в процессе восстановления они превращаются в атомы меди, осаждаясь на медной пластине.

Суммируем происходящее: процесс работы гальванического элемента сопровождается переходом электронов восстановителя к окислителю по внешней части цепи. Реакции идут на обоих электродах. Внутри источника протекает ионный ток.

Сложности использования

В принципе, любая из возможных окислительно-восстановительных реакций может быть использована в батареях. Но веществ, способных работать в ценных технически элементах, не так уж и много. Более того, многие реакции требуют затрат дорогостоящих веществ.

Современные аккумуляторные батареи имеют более простое строение. Два электрода, помещенные в один электролит, заполняют сосуд - корпус батареи. Такие конструктивные особенности упрощают строение и удешевляют аккумуляторы.

Любой гальванический элемент способен создавать постоянный ток.

Сопротивление тока не позволяет всем ионам одновременно оказаться на электродах, поэтому элемент работает достаточно долго. Химические реакции образования ионов рано или поздно прекращаются, элемент разряжается.

Источника тока имеет большое значение.

Немного о сопротивлении

Использование электрического тока, бесспорно, вывело научно-технический прогресс на новую ступень, дало ему гигантский толчок. Но сила сопротивления протеканию тока становится на пути такого развития.

С одной стороны, электрический ток обладает бесценными свойствами, используемыми в быту и технике, с другой - имеется значительное противодействие. Физика как наука о природе пытается установить баланс, привести в соответствие эти обстоятельства.

Сопротивление тока возникает вследствие взаимодействия электрически заряженных частиц с веществом, по которому они движутся. Исключить этот процесс в нормальных температурных условиях невозможно.

Сопротивление

Источника тока и противодействие внешней части цепи имеют несколько различную природу, но одинаковым в этих процессах является совершение работы по перемещению заряда.

Сама работа зависит только от свойств источника и его наполнения: качеств электродов и электролита, так же как для внешних частей цепи, сопротивление которых зависит от геометрических параметров и химических характеристик материала. К примеру, сопротивление металлического провода возрастает с увеличением его длины и уменьшается при расширении площади сечения. При решении задачи, как уменьшить сопротивление, физика рекомендует использовать специализированные материалы.

Работа тока

В соответствии с законом Джоуля-Ленца в проводниках выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению. Если количество теплоты обозначить Q внут. , силу тока I, время его протекания t, то получим:

  • Q внут. = I 2 · r · t,

где r - внутреннее сопротивление источника тока.

Во всей цепи, включающей как внутреннюю, так и внешнюю ее части, выделится полное количество теплоты, формула которого имеет вид:

  • Q полное = I 2 · r · t + I 2 · R · t = I 2 · (r +R) ·t,

Известно, как обозначается сопротивление в физике: внешняя цепь (все элементы, кроме источника) имеет сопротивление R.

Закон Ома для полной цепи

Учтем, что основную работу совершают сторонние силы внутри источника тока. Ее величина равна произведению заряда, переносимого полем, и электродвижущей силы источника:

  • q · E = I 2 · (r + R) · t.

понимая, что заряд равен произведению силы тока на время его протекания, имеем:

  • E = I · (r + R).

В соответствии с причинно-следственными связями закон Ома имеет вид:

  • I = E: (r + R).

В замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна общему (полному) сопротивлению цепи.

Опираясь на эту закономерность, можно определить и внутреннее сопротивление источника тока.

Разрядная емкость источника

К основным характеристикам источников можно отнести и разрядную емкость. Максимальное количество электричества, получаемое при эксплуатации в определенных условиях, зависит от силы тока разряда.

В идеальном случае, когда выполняются определенные приближения, разрядную емкость можно считать постоянной.

К примеру, стандартная батарейка разности потенциалов 1,5 В обладает разрядной емкостью 0,5 А·ч. Если ток разрядки 100 мА, то работает в течение 5 часов.

Способы зарядки батарей

Эксплуатация батарей приводит к их разрядке. зарядка малогабаритных элементов осуществляется при помощи тока, значение силы которого не превышает одной десятой емкости источника.

Предлагаются следующие способы зарядки:

  • использование неизменного тока в течение заданного времени (порядка 16 часов током 0,1 емкости аккумулятора);
  • зарядка понижающим током до заданного значения разности потенциалов;
  • использование несимметричных токов;
  • последовательное применение кратких импульсов зарядки и разрядки, при которых время первой превышает время второй.

Практическая работа

Предлагается задание: определить внутреннее сопротивление источника тока и ЭДС.

Для его выполнения необходимо запастись источником тока, амперметром, вольтметром, ползунковым реостатом, ключом, набором проводников.

Использование позволит определить внутреннее сопротивление источника тока. Для этого необходимо знать его ЭДС, величину сопротивления реостата.

Расчетная формула сопротивления тока во внешней части цепи может быть определена из закона Ома для участка цепи:

  • I = U: R,

где I - сила тока во внешней части цепи, измеряется амперметром; U - напряжение на внешнем сопротивлении.

Для повышения точности измерения делаются не менее 5 раз. Для чего это нужно? Измеренные в ходе эксперимента напряжение, сопротивление, ток (вернее, сила тока) используются далее.

Чтобы определить ЭДС источника тока, воспользуемся тем, что напряжение на его клеммах при разомкнутом ключе практически равно ЭДС.

Соберем цепь из последовательно включенных батареи, реостата, амперметра, ключа. К клеммам источника тока подключаем вольтметр. Разомкнув ключ, снимаем его показания.

Внутреннее сопротивление, формула которого получена из закона Ома для полной цепи, определим математическими расчетами:

  • I = E: (r + R).
  • r = E: I - U: I.

Измерения показывают, что внутреннее сопротивление бывает значительно меньше внешнего.

Практическая функция аккумуляторов и батарей находит широкое применение. Бесспорная экологическая безопасность электродвигателей не подлежит сомнению, но создать емкий, эргономичный аккумулятор - проблема современной физики. Ее решение приведет к новому витку развития автомобильной техники.

Малогабаритные, легкие, емкие аккумуляторные батареи также крайне необходимы в мобильных электронных устройствах. Запас энергии, применяемой в них, напрямую связан с работоспособностью устройств.

Лабораторная работа

«Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»

Дисциплина Физика

Преподаватель Виноградов А.Б.

Нижний Новгород

2014 г.

Цель работы: сформировать умение определения ЭДС и внут­реннего сопротивления источника тока с помощью амперметра и вольтметра.

Оборудование: выпрямитель ВУ-4М, амперметр, вольтметр, соединительные провода, элементы планшета №1: ключ, ре­зистор R 1 .

Теоретическое содержание работы .

Внутреннее сопротивление ис­точника тока.

При прохождении тока по замкнутой цепи, электрически заряженные ча­стицы перемещаются не только внутри проводников, соединяющих полюса источника тока, но и внутри самого источ­ника тока. Поэтому в замкнутой электрической цепи раз­личают внешний и внутренний участки цепи. Внешний уча­сток цепи составляет вся та совокупность проводников, которая подсоединяется к полюсам источника тока. Вну­тренний участок цепи - это сам источник тока. Источник тока, как и любой другой проводник, обладает сопротивле­нием. Таким образом, в электрической цепи, состоящей из источника то­ка и проводников с электриче­ским сопротивлением R , элек­трический ток совершает работу не только на внешнем, но и на внутреннем участке цепи. Напри­мер, при подключении лампы накаливания к гальванической батарее карманного фонаря элек­трическим током нагреваются не только спираль лампы и под­водящие провода, но и сама ба­тарея. Электрическое сопротивле­ние источника тока называется внутренним сопротивлением. В электромагнитном генераторе внутренним сопротивлением яв­ляется электрическое сопротивле­ние провода обмотки генератора. На внутреннем участке электри­ческой цепи выделяется коли­чество теплоты, равное

где r - внутреннее сопротивле­ние источника тока.

Полное количество теплоты, выделяющееся при протекании постоянного тока в замкнутой цепи, внешний и внутренний участки которой имеют сопротивления, соответственно равные R и r , равно

. (2)

Всякую замкнутую цепь можно представить как два последовательно соединенных резистора с эквивалентными сопротивлениями R и r . Поэтому сопротивление полной це­пи равно сумме внешнего и внутреннего сопротивлений:
. Поскольку при последовательном соединении сила тока на всех участках цепи одинакова, то через внеш­ний и внутренний участок цепи проходит одинаковый по величине ток. Тогда по закону Ома для участка цепи паде­ние напряжений на ее внешнем и внутреннем участках бу­дут соответственно равны:

и
(3)

Электродвижущая сила.

Пол­ная работа сил электростати­ческого поля при движении за­рядов по замкнутой цепи по­стоянного тока равна нулю. Сле­довательно, вся работа электри­ческого тока в замкнутой элек­трической цепи оказывается со­вершенной за счет действия сто­ронних сил, вызывающих разде­ление зарядов внутри источника и поддерживающих постоянное напряжение на выходе источника тока. Отношение работы
, совершаемой сторонними силами по перемещению заряда q вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей си­лой источника (ЭДС) :

, (4)

где
- переносимый заряд.

ЭДС вы­ражается в тех же единицах, что и напряжение или разность по­тенциалов, т. е. в вольтах:
.

Закон Ома для полной цепи.

Если в результате прохождения постоянного тока в замкнутой электрической цепи происходит только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии полная работа электрического то­ка в замкнутой цепи, равная работе сторонних сил источни­ка тока, равна количеству тепло­ты, выделившейся на внешнем и внутреннем участках цепи:

. (5)

Из выражений (2), (4) и (5) получаем:


. (6)

Так как
, то

, (7)

или

. (8)

Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источ­ника тока и обратно пропор­циональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внут­реннего участков цепи. Выраже­ние (8) называется законом Ома для полной цепи.

Таким образом, с точки зрения физики Закон Ома выражает закон сохранения энергии для замкнутой цепи постоянного тока.

Порядок выполнения работы .

    Подготовка к выполнению работы.

Перед вами на столах находится минилаборатория по электродинамике. Её вид представлен в л. р. № 9 на рисунке 2.

Слева находятся миллиамперметр, выпрямитель ВУ-4М, вольтметр, амперметр. Справа закреплен планшет № 1 (см. рис. 3 в л. р. № 9). В задней секции корпуса размещаются соединительные провода цветные: красный провод использу­ют для подключения ВУ-4М к гнезду «+» планшета; белый провод - для подключения ВУ-4М к гнезду «-»; желтые провода - для подключения к элементам планшета измерительных приборов; синие - для соединения между собой элементов планшета. Секция закрыта откидной площадкой. В рабочем положении площадка располагается горизонтально и используется в качестве рабочей поверхности при сборке экспериментальных установок в опытах.

2. Ход работы.

В ходе работы вы освоите метод измерения основных характеристик источника тока, используя закон Ома для полной цепи, который связывает силу тока I в цепи, ЭДС источника тока , его внутреннее сопротивление r и сопротивление внешней цепи R соотношением:


. (9)

1 способ.

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.

Рис.1.

Внимательно изучите её. При разомкну­том ключе В источник замкнут на вольтметр, сопротивление которого много больше внутреннего сопротивления источника (r << R ). В этом случае ток в цепи настолько мал, что можно пренебречь значением падения на­пряжения на внутреннем сопротивлении источника
, и ЭДС источника с пренеб­режимо малой погрешностью равна напря­жения на его зажимах , которое измеряется вольтметром, т.е.

. (10)

Таким образом, ЭДС источника определяется по показаниям вольтметра при разомкнутом ключе В.

Если ключ В замкнуть, вольтметр покажет падение напряжения на резисторе R :

. (11)

Тогда на основании равенств (9), (10) и (11) можно утверждать, что

(12)

Из формулы (12) вид­но, что для определения внутреннего сопротивления источника тока необходимо, кроме его ЭДС, знать силу тока в цепи и напря­жение на резисторе R при замкнутом ключе.

Силу тока в цепи можно измерить при помощи амперметра. Проволочный резистор изготовлен из нихромовой проволоки и имеет сопротивление 5 Ом.

Соберите цепь по схеме, показанной на рисунке 3.

После того, как цепь будет собрана, необходимо поднять руку, позвать учителя, чтобы он проверил правильность сборки электрической цепи. И если цепь собрана правильно, то приступайте к выполнению работы.

При разомкну­том ключе В снимите показания вольтметра и занесите значение напряжения в таблицу 1. Затем замкните ключ В и опять снимите показания вольтметра, но уже и показания амперметра. Занесите значение напряжения и силы тока в таблицу 1.

Вычислите внутреннее сопротивление источника тока.

Таблица1.

, В

, В

I , А

, В

r , Ом

2 способ.

Сначала соберите экспериментальную установку, изображенную на рисунке 2.

Рис. 2.

Измерьте силу тока в цепи при помощи амперметра, результат запишите в тетрадь. Сопротивление резистора =5 Ом. Все данные заносятся в таблицу 2. , Ом

Контрольные вопросы :

    Внешний и внутренний участки цепи.

    Какое сопротивление называются внутренним? Обозначение.

    Чему равно полное сопротивление?

    Дайте определение электродвижущей силы (ЭДС). Обозначение. Единицы измерения.

    Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

    Если бы мы не знали значения сопротивлений проволочных резисторов, то можно ли было бы использовать второй способ и что для этого надо сделать (может нужно, например, включить в цепь какой-нибудь прибор)?

    Уметь собирать электрические цепи, используемые в работе.

Литература

    Кабардин О. Ф.. Справ. Материалы: Учеб. Пособие для учащихся.-3-е изд.-М.:Просвещение,1991.-с.:150-151.

    Справочник школьника. Физика/ Сост. Т. Фещенко, В. Вожегова.–М.: Филологическое об-щество «СЛОВО», ООО «Фирма» «Издательство АСТ», Центр гуманитарных наук при ф-те журна-листики МГУ им. М. В. Ломоносова, 1998. - с.: 124,500-501.

    Самойленко П. И.. Физика (для нетехнических специальностей): Учебн. для общеобразоват. учреждений сред. Проф. Образования/ П. И.Самойленко, А. В. Сергеев.-2-е изд., стер.-М.: Издательский центр «Академия», 2003-с.: 181-182.