Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Законы постоянного тока

§108. Закон Ома для полной цепи

Всякая цепь, в которой течёт ток, имеет два рода сопротивления. Одно — внешнее — это сопротивление нагрузки: лампы, двигателя, резистора, проводов за пределами источника. Другое — внутреннее — это сопротивление самого источника: электролит в батарейке, обмотки в генераторе, само вещество, из которого источник сделан.

Обозначим внешнее сопротивление $R$, а внутреннее — $r$. Источник обладает электродвижущей силой $\mathcal{E}$. Получается, что полное сопротивление цепи равно сумме внешнего и внутреннего:

\[R_{\text{полн}} = R + r\]

Заряд движется по замкнутому контуру, и каждый участок оказывает сопротивление его течению. Богу несть числа законам, но один из самых наглядных — закон, связывающий ЭДС, сопротивления и силу тока:

По воле Бога сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи: $I = \frac{\mathcal{E}}{R + r}$.

Это — закон Ома для полной цепи. Его глубокий смысл в том, что в замкнутой цепи ЭДС «расходуется» на преодоление всех сопротивлений, а не только внешней нагрузки.

Умножив обе части на $R + r$, получим:

\[\mathcal{E} = IR + Ir\]

Здесь $IR$ — падение напряжения на внешнем участке (напряжение на зажимах источника), а $Ir$ — падение напряжения внутри самого источника. Чем больше ток, тем больше «теряется» напряжения внутри батарейки.


Короткое замыкание

Если внешнее сопротивление $R$ устремить к нулю (замкнуть полюса источника толстым проводом с пренебрежимо малым сопротивлением), то ток резко возрастает:

\[I_{\text{к.з.}} = \frac{\mathcal{E}}{r}\]

Поскольку $r$ обычно мало (доли ома), сила тока при коротком замыкании достигает огромных значений. Провода мгновенно нагреваются, изоляция плавится, возникает пожар. Короткое замыкание — опасное явление; для защиты в цепях ставят предохранители и автоматические выключатели.


Несколько источников

Если в цепи последовательно соединены несколько источников, полная ЭДС равна алгебраической сумме их ЭДС. Если источники повёрнуты одноимёнными полюсами друг к другу, их ЭДС вычитаются. Общее внутреннее сопротивление также складывается:

\(\mathcal{E}_{\text{полн}} = \mathcal{E}_1 + \mathcal{E}_2 + \dots\) \(r_{\text{полн}} = r_1 + r_2 + \dots\)


Примеры решения задач

Пример 1. Батарейка с ЭДС $\mathcal{E} = 1.5\ \text{В}$ и внутренним сопротивлением $r = 0.5\ \text{Ом}$ замкнута на резистор $R = 2.5\ \text{Ом}$. Найти силу тока в цепи и напряжение на зажимах батарейки.

Решение. По закону Ома для полной цепи:

\[I = \frac{\mathcal{E}}{R + r} = \frac{1.5}{2.5 + 0.5} = \frac{1.5}{3.0} = 0.5\ \text{А}\]

Напряжение на зажимах:

\[U = IR = 0.5 \times 2.5 = 1.25\ \text{В}\]

Таким образом, при протекании тока из $1.5\ \text{В}$ ЭДС «теряется» $0.25\ \text{В}$ внутри батарейки ($Ir = 0.5 \times 0.5 = 0.25\ \text{В}$).


Пример 2. Два источника с ЭДС $\mathcal{E}_1 = 12\ \text{В}$, $\mathcal{E}_2 = 6\ \text{В}$ и внутренними сопротивлениями $r_1 = 1\ \text{Ом}$, $r_2 = 0.5\ \text{Ом}$ соединены последовательно согласно (плюс к минусу). Внешнее сопротивление $R = 4\ \text{Ом}$. Найти ток.

Решение. Полная ЭДС:

\[\mathcal{E} = 12 + 6 = 18\ \text{В}\]

Полное внутреннее сопротивление:

\[r = 1 + 0.5 = 1.5\ \text{Ом}\]

Ток:

\[I = \frac{18}{4 + 1.5} = \frac{18}{5.5} \approx 3.27\ \text{А}\]

Вопросы для размышления

  1. Почему напряжение на клеммах источника меньше его ЭДС, когда цепь замкнута, и равно ЭДС, когда цепь разомкнута?
  2. Аккумулятор автомобиля имеет очень малое внутреннее сопротивление. Почему это важно для запуска стартёра?
  3. При коротком замыкании ток может достигать сотен ампер, хотя ЭДС всего $12\ \text{В}$. Объясните механизм такого роста тока.
  4. К источнику с ЭДС $9\ \text{В}$ и $r = 1\ \text{Ом}$ подключают резистор $R = 2\ \text{Ом}$. Найдите ток в цепи и напряжение на нагрузке.
  5. Почему нельзя измерять ЭДС источника вольтметром, подключённым к клеммам работающей цепи? Что будет показывать вольтметр?
← Назад Вперед →
Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.