УСІ УРОКИ ФІЗИКИ
11 КЛАС

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

Електричне поле. Електричний струм

УРОК 7/7

Тема. ЕРС. Закон Ома для повного кола

Мета уроку: роз'яснити учням роль сторонніх сил в електричному колі, ознайомити їх із законом Ома для повного кола.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Сторонні сили

Усередині джерела струму відбувається розподіл зарядів, у результаті чого на позитивному полюсі джерела накопичується позитивний заряд, а на негативному — негативний. Внаслідок цього між полюсами виникає різниця потенціалів, а в зовнішній частині кола — електростатичне поле, під дією якого в зовнішньому колі тече струм.

Поза джерелом струму вільні заряди рухаються під дією сил електростатичного поля, але усередині джерела вони рухаються проти сил цього поля.

Наприклад, у хімічному джерелі струму позитивні іони рухаються до позитивного полюса, незважаючи на те, що електростатичне поле «тягне» їх до негативного полюса.

Отже, для того щоб у джерелі струму відбувався розподіл зарядів, усередині джерела струму на вільні заряди повинні діяти сили неелектростатичного походження. їх називають сторонніми силами.

Наприклад, у хімічних елементах струму сторонні сили мають хімічну природу; у генераторах електростанцій сторонні сили — це зазвичай сили, що діють на вільні електрони провідника з боку вихрового електричного поля, породжуваного змінним магнітним полем.

2. Електрорушійна сила

Сторонні сили своєю роботою замикають коло і забезпечують сталість струму. Кожне джерело струму характеризується роботою сторонніх сил з переміщення одиниці позитивного заряду, що діють у ньому, тобто певною електрорушійною силою (ЕРС).

Усередині джерела струму сторонні сили виконують роботу Астор, переміщаючи вільні заряди проти дії сил електростатичного поля. Ця робота пропорційна заряду, тому

Ø  відношення роботи сторонніх сил з переміщення заряду усередині джерела до заряду є характеристикою джерела струму й називається електрорушійною силою джерела:

У системі СІ

Будь-яке джерело струму по суті є перетворювачем енергії: у ньому якийсь один вид енергії перетворюється в електричну. Із цього погляду сторонні сили й виконують роботу з розподілу зарядів (фізична величина, вимірювана роботою сторонніх сил з роз’єднання одиниці кількості електрики).

3. Закон Ома для повного кола

Під час переміщення заряду q усередині джерела струму сторонні сили виконують роботу , де  — ЕРС джерела. Під час протікання струму у зовнішньому колі в ньому виділяється кількість теплоти  де R — опір зовнішнього кола. Джерело струму також має деякий опір, що позначають зазвичай r і називають внутрішнім опором джерела. Тому під час проходження струму усередині джерела в ньому виділяється кількість теплоти:

Із закону збереження енергії випливає, що Астор = Qзовн + Qвнyтp, звідки одержуємо

Суму опорів R + r називають повним опором кола, і отримане співвідношення формулюють як закон Ома для повного кола:

Ø  сила струму в замкнутому колі, що містить одне джерело, дорівнює відношенню ЕРС джерела до повного опору кола:

Якщо коло містить кілька послідовно увімкнених елементів з ЕРС  і т. ін., то повна ЕРС кола дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС окремих елементів. Загальний опір кола дорівнює сумі всіх опорів: Rзаг = R + r1 + r2 + r3.

У разі паралельного з’єднання елементів з однаковою ЕРС електрорушійна сила батареї дорівнює ЕРС одного елемента.

4. Наслідки із закону Ома для повного кола

Як випливає із закону Ома для повного кола, сила струму убуває відповідно до збільшення R. Найбільша сила струму відповідає випадку R = 0, тобто короткому замиканню. Під час короткого замикання сила струму  Із цієї формули видно, що якщо внутрішній опір джерела дуже малий, струм короткого замикання буде дуже значним, що може вивести джерело з ладу.

Розімкнутому колу відповідає нескінченно великий зовнішній опір R. При цьому, як випливає з формули закону Ома для всього кола, сила струму I = 0.

Відповідно до закону Ома для ділянки кола, напруга між кінцями провідника U = IR. Із закону Ома для повного кола, записаного у вигляді  одержуємо  Звідси випливає, що

Ø  у разі збільшення сили струму напруга між полюсами джерела струму зменшується.

Найбільше значення напруги між полюсами джерела дорівнює  при I = 0 (розімкнуте джерело струму), тобто напруга між розімкнутими полюсами джерела дорівнює ЕРС цього джерела:

Найменша ж напруга між полюсами дорівнює нулю — йому відповідає коротке замикання, за якого сила струму  (струм короткого замикання).

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. З яких ділянок складається замкнуте електричне коло?

2. За якої умови струм може протікати в замкнутому колі?

3. На яких ділянках кола вільні заряди рухаються проти сил електростатичного поля?

4. Якому опору зовнішнього кола відповідає струм короткого замикання?

5. Який зовнішній опір відповідає розімкнутому колу?

Другий рівень

1. Як слід розуміти, що ЕРС одного джерела більше за ЕРС іншого?

2. Від чого залежить знак ЕРС у законі Ома для повного кола?

3. Як пов’язана напруга на розімкнутих полюсах джерела з ЕРС джерела?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому не можна за допомогою вольтметра магнітоелектричної системи безпосередньо виміряти ЕРС елемента?

2. Чому за короткого замикання напруга на клемах джерела наближається до нуля, адже струм у колі має найбільше значення?

3. Як буде змінюватися напруга на затисках джерела, якщо поступово вмикати дедалі більший опір у зовнішньому колі? До якого граничного значення буде наближатися зазначена напруга в цьому випадку?

2). Навчаємося розв'язувати задачі

1. ЕРС батарейки кишенькового ліхтарика дорівнює 4,5 В. Чому ж у цьому ліхтарику використовують лампочку, розраховану на напругу 3,5 В?

2. Реостат підключено до джерела струму. Під час зміни опору реостата від R1 = 4,0 Ом до R2 = 9,5 Ом сила струму в колі змінюється від І1 = 8,0 А до І2 = 3,6 А. Знайдіть ЕРС  джерела струму і його внутрішній опір r.

Розв'язання

Із закону Ома для повного кола  випливає співвідношення  Із цього співвідношення одержуємо систему рівнянь:

Звідси:

Підставивши числові значення, одержуємо  = 36 В, r = 0,5 Ом.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

·       Відношення роботи сторонніх сил з переміщення заряду усередині джерела до заряду є характеристикою джерела струму й називається електрорушійною силою джерела:

·       Закон Ома для повного кола: сила струму в замкнутому колі, що містить одне джерело, дорівнює відношенню ЕРС джерела до повного опору кола:

·       Найбільша сила струму відповідає режиму короткого замикання:

·       Напруга на полюсах замкнутого джерела струму:

Домашнє завдання

1. Підр.: § 7.

2. 3б.:

Рів1 № 5.18; 5.19; 5.20; 5.23.

Рів2 № 5.35; 5.38; 5.39, 5.40.

Рів3 № 5.41, 5.42; 5.43; 5.54.

3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 3.