Как найти работу через эдс

Определение

При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Ее принято называть работой тока.

Рассмотрим произвольный участок цепи. Это может быть однородный проводник, к примеру, обмотка электродвигателя или нить лампы накаливания. Пусть за время ∆t через поперечное сечение проводника проходит заряд ∆q. Тогда электрическое поле совершит работу:

A=ΔqU

Но сила тока равна:

I=ΔqΔt

Выразим заряд:

Δq=IΔt

Тогда работа тока равна:

A=IUΔt

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.

Выражая через закон Ома силу тока и напряжение, получим следующие формулы для вычисления работы тока:

A=I2RΔt=U2RΔt

Работа тока измеряется в Джоулях (Дж).

Пример №1. Определите работу тока, совершенную за 10 секунд на участке цепи напряжением 200В и силой тока 16 А.

A=IUΔt=16·220·10=35200 (Дж)=35,2 (кДж)

Закон Джоуля-Ленца

В случае, когда на участке цепи не совершается механическая работа, и ток не производит химических действий, происходит только нагревание проводника. Нагретый проводник отдает теплоту окружающим телам.

Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем (1818—1889) и русским Э.Х. Ленцем (1804—1865). Закон Джоуля—Ленца сформулирован следующим образом:

Закон Джоуля—Ленца

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

Q=I2RΔt

Количество теплоты измеряется в Джоулях (Дж).

Пример №2. Определить, какое количество теплоты было выделено за 2 минуты проводником при напряжении 12 В и сопротивлении 2 Ом.

Используем закон Ома и закон Джоуля—Ленца:

Q=I2RΔt=(UR)2Δt=U2RΔt=1222=72 (Дж)

Мощность тока

Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и пр.) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощности тока.

Определение

Мощность тока — это работа, производимая за 1 секунду. Обозначается как P. Единица измерения — Ватт (Вт).

Численно мощность тока равна отношению работы тока за время ∆t к этому интервалу времени:

P=AΔt

Это выражение для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах, если использовать закон Ома для участка цепи:

P=IU=I2R=U2R

Пример №3. При силе тока в электрической цепи 0,3 А сопротивление лампы равно 10 Ом. Определите мощность электрического тока, выделяющуюся на нити лампы.

P=I2R=0,32·10=0,9 (Вт)

Выразив силу тока через заряд, прошедший за единицу времени, получим:

P=qUt

Мощность тока равна мощности на внешней цепи. Ее также называют мощностью на нагрузке, полезной мощностью или тепловой мощностью. Ее можно выразить через ЭДС:

P=(εR+r)2R

Мощность тока на внешней цепи будет максимальная, если сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению: R = r.

Pmax=(εr+r)2r=ε24r

Мощность тока внутренней цепи:

Pвнутр=I2r=(εR+r)2r

Полная мощность:

Pполн=I2(R+r)=ε2R+r

Пример №4. ЭДС постоянного тока ε = 2 В, а его внутреннее сопротивление r = 1 Ом. Мощность тока в резисторе, подключенном к источнику, P₀ = 0,75 Вт. Чему равно минимальное значение силы тока в цепи?

Используем формулу для нахождения полезной мощности:

P=(εR+r)2R

Применим закон Ома для полной цепи:

I=εR+r

Выразим сопротивление внешней цепи:

R=εI−r

Отсюда:

P=(εεI−r+r)2(εI−r)=I2(εI−r)=Iε−rI2

Так как внутреннее сопротивление равно единице, получаем квадратное уравнение следующего вида:

rI2−Iε+P=0

I2−1I+0,75=0

Решив это уравнение, получим два корня: I = 0,5 и I = 1,5 А. Следовательно, наименьшая сила тока равна 0,5 А.

Подсказки к задачам

Объем проводника цилиндрической формы	V=Sl
Масса проводника цилиндрической формы	m=ρV=ρSl
Количество теплоты и изменение температуры	Q=cmΔT

Конденсатор в цепи постоянного тока

Постоянный ток через конденсатор не идет, но заряд на нем накапливается, и напряжение между обкладками поддерживается. Напряжение на конденсаторе такое же, как на параллельном ему участке цепи.

Ток не проходит через те резисторы, что соединены с конденсатором последовательно. При расчете электрической цепи их сопротивления не учитывают.

Подсказки к задачам

Электроемкость, заряд и напряжение	C=qU
Напряженность и напряжение	E=Ud
Энергия конденсатора	W=q22C=CU22
Количество теплоты	Q=ΔW

Пример №5. К источнику тока с ЭДС ε = 9 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом подключили параллельно соединенные резистор с сопротивлением R = 8 Ом и плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого d = 0,002 м. Какова напряженность электрического поля между пластинами конденсатора?

Напряжение на конденсаторе равно напряжению на резисторе, так как он подключен к нему последовательно. Чтобы найти это напряжение, сначала выразим силу тока на этом резисторе:

I=εR+r

Применим закон Ома:

I=UR

Приравняем правые части выражений и получим:

εR+r=UR

Отсюда напряжение на конденсаторе равно:

U=εRR+r

Напряженность электрического поля равна:

E=Ud=εRd(R+r)=9·80,002(8+1)=720,018=4000 (Вм)

Алиса Никитина | Просмотров: 8.3k

Обе части формулы RI=U выражают закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R, умноженным на IΔt. В итоге получим соотношение RI2Δt=UIΔt=ΔA, выражающее закон сохранения энергии для однородного участка цепи. Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике. ΔQ=ΔA=RI2Δt.

Закон Джоуля-Ленца

Дж. Джоуль и Э. Ленц установили закон преобразования работы тока в тепло.

По таблице СИ понятно, в чем измеряется мощность: в ваттах (ВТ), а работа в Джоулях (Дж).

Перейдем к рассмотрению полной цепи постоянного тока, которая состоит из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r на участке R. Запись основного закона Ома для полной цепи имеет вид (R + r)I=ε. При умножении обеих частей на Δq=IΔt получаем, что соотношение для выражения сохранения энергии полной цепи постоянного тока запишется: R I2Δt+r I2Δt=ε IΔt=ΔAст. Из левой части видно, что ΔQ=R I2Δt обозначает выделяющееся тепло на внешнем участке за промежуток времени Δt, а ΔQист=rI2Δt – внутри источника за тот же время.

εIΔt – это обозначение работы сторонних сил ΔAст, действующих внутри. Если имеется замкнутая цепь, тогда ΔAст переходит в тепло, которое выделяется во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист).

ΔQ+ΔQист=ΔAст=εIΔt.

Работа сторонних сил

Работа электрического поля не входит в данное соотношение, так как в замкнутой цепи работа не совершается, следовательно, тепло идет только от внутренних сторонних сил. В данном случае электрическое поле перераспределяет тепло по всем участкам цепи.

Внешняя цепь может иметь не только проводник с R сопротивлением, но и механизм, потребляющий мощность. Такой случай говорит о том, что R эквивалентно сопротивлению нагрузки. Энергия, которая выделяется по внешней цепи, преобразуется в тепло и другие виды энергии.

Рисунок 1.11.1 показывает зависимость Pист, полезной Р, выделяемой во внешней цепи, кпд η от тока I для источника с ЭДС, равной ε, и внутренним сопротивлением r. Изменение тока в цепи происходит в пределах от I=0( при R=∞) до I=Iкз=εr( при R=0).

Рисунок 1.11.1. Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи Р и КПД источника η от силы тока.

Приведенные графики показывают, что максимальная мощность во внешней цепи может быть достигнута при R=r и запишется Pmax=ε24r. Формула тока в цепи будет иметь вид Imax=12Iкз=ε2r, где КПД источника не превышает 50%. При I→0 может достигаться максимальное значение КПД, тогда сопротивление R→∞. При коротком замыкании значение мощности Р=0. Тогда она только выделяется внутри источника, что грозит перегревом, причем КПД обращается в ноль.

На этой странице вы узнаете

• Где самое большое сопротивление в теле человека?
• Какой ученый променял бильярд на физику?
• К чему может привести авария среди электронов?

Весь современный мир держится на электричестве. Наряду с глобальной интернет-сетью, наш мир «опутан» сетью электрических проводов. Что такого происходит в этих тоненьких проводах, что от них зависит жизнь целого города? Давайте поближе познакомимся с электрическим током и узнаем, откуда он появляется.

Мы с вами уже познакомились с электрическими схемами в теме «Законы постоянного тока», где  выяснили, какие приборы существуют и как используются в схемах. В этой статье мы поговорим о том, как в элементарных электрических цепях появляется ток. Начало положено, сопротивление бесполезно.  

Источник тока

Как мы уже выяснили, электрические схемы не могут работать просто так. Представим, что вы хотите поехать на машине, в которой нет бензина. Конечно, машина не заведется, так как ее нужно заправить. Электрические схемы работают по такому же принципу. Если их не подпитывать током, то они не будут работать.

Электрический ток — это направленное, упорядоченное движение электрических зарядов. Поэтому, чтобы поддерживать в цепи ток длительное время, в нем должен быть участок, на котором будет происходить перенос зарядов против сил электростатического поля (поля, создаваемого неподвижными зарядами). То есть, то место, где электроны будут принудительно приходить в движение. 

Источник тока — элемент электрической цепи, в котором на заряды действует сторонняя сила, задающая направление движения зарядов (тока). 

Перемещение зарядов на этом участке возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Эти силы приводят заряды в движение. Благодаря этому поддерживается ток в цепи. Действие сторонних сил характеризуется величиной, называемой электродвижущей силой источника тока (ЭДС), о которой поговорим чуть позднее.

Примером источника тока может служить обычная батарейка. Вы наверняка замечали, что на пальчиковых батарейках с одной стороны пишется «плюс», а с другой — «минус». Это означает, что электрический ток пойдет от положительной части батарейки к отрицательной. А почему ток выходит из одной части, но заходит в другую?

Для объяснения этого явления рассмотрим картинку ниже. Главным критерием рабочей электрической цепи является ее замкнутость, то есть вся цепь неразрывно связана. Подключим нашу батарейку (источник тока) к электрической цепи, которую также называют внешней электрической цепью.

Как мы видим на этом рисунке, на заряды внутри источника тока действует сторонняя сила ((F_{ст})), от плюса к плюсу) и сила электростатического поля ((F)), которая направлена от плюса к минусу. Без действия сторонних сил внутри источника положительный заряд будет двигаться от «+» к «-» (по направлению силы (F)). 

Мы действуем сторонними силами так, чтобы он стал двигаться к «+» (по направлению (F_{ст})), то есть против сил электростатического поля. Тогда заряды вылетают из источника тока и далее по внешней цепи, уже под действием обычного электростатического поля, движутся по стандартным законам от «+» к «-». Это и есть наш долгожданный электрический ток – движущиеся заряды. Если бы мы не действовали сторонними силами, все заряды бы просто сидели на месте («+» окружили бы «-», и наоборот). То есть, сама сторонняя сила задает направление движения заряда. 

После того как заряд выходит из источника тока, на него действует только одна сила F. Поэтому он обходит всю цепь и возвращается в этот же источник тока. Там на него вновь действует сторонняя сила, ну а дальше вы уже знаете.

Если бы в источнике тока не было сторонних сил, то все положительные заряды застряли бы у минуса.

Основные параметры источника тока

Как и любой другой элемент электрической цепи, источник тока обладает своими характеристиками, которые могут меняться в зависимости от условий использования. Главными характеристиками являются ЭДС источника тока (электродвижущая сила) и его внутреннее сопротивление. 

ЭДС источника тока (ε) — это физический параметр, который характеризует работу сторонних сил ((А_{ст})), затраченную на перемещение зарядов (q) внутри источника.

Внутреннее сопротивление определяет количество потерь энергии при прохождении тока через источник тока. 

Стоит понимать, что внутреннее сопротивление появляется из-за неидеальности реальных предметов. Только у идеальных источников тока отсутствует внутреннее сопротивление. 

Однако при расчете характеристик электрических схем никакой сложности не возникает, так как мы просто представляем, что в цепи появляется дополнительный резистор (на схемах обозначается прямоугольником и буквой R), сопротивление которого будет равняться внутреннему сопротивлению источника тока.

Раз уж мы затронули расчеты электрических схем, то пора вплотную к ним приблизиться.

Закон Ома для участка цепи

Дальше мы с вами поговорим о напряжении на элементах электрической цепи, и, в частности, на источнике тока. Поэтому вспомним, что такое напряжение из темы «Законы постоянного тока». Напряжение – физическая величина, которая показывает, какую работу сторонние силы должны приложить, чтобы перенести заряд от одной точки до другой.

Так как у источника тока имеется внутреннее сопротивление, значит, внутри него также будет и напряжение. Чтобы найти его, воспользуемся законом Ома — умножим внутреннее сопротивление источника тока r на сам ток I и получим:

U_r = Ir.

Также мы можем найти напряжение, которое будет выделяться на внешней цепи. Для этого снова умножим ток I на общее сопротивление цепи R:

U_R = IR.

Оказывается, что не вся энергия источника тока уходит в цепь. Как раз таки та часть энергии, которая уходит на преодоление внутреннего сопротивления, и будет характеризовать потери. Тогда мы можем записать еще одну формулу для нахождения ЭДС источника тока:

Теперь давайте подставим вместо напряжений полученные формулы через токи и сопротивления и выразим силу тока. Так мы получим закон Ома для полной цепи: 

Сила тока в цепи с заданным источником тока (при неизменной ЭДС и с постоянным внутренним сопротивлением) зависит только от сопротивления внешней цепи R.

Короткозамкнутая цепь

Рассмотрим частный случай электрической цепи, в котором источник тока будет подключен сам на себя. Иначе говоря, он будет короткозамкнутым.

В этом случае отсутствует сопротивление внешней цепи и закон Ома для цепи будет выглядеть так:

Короткое замыкание — это такой случай соединения проводов, при котором практически весь ток проходит по пустому проводу и возвращается в источник тока. 

Короткое замыкание приводит к сильному нагреву, расплавлению металлов, а иногда и к пожарам. 

Теперь, когда мы уже рассмотрели основные характеристики источника тока, можем перейти к мощности и КПД источника тока.

Мощность и КПД источника тока

Мы уже не раз говорили о том, что при протекании тока выделяется энергия. Источники тока не исключение. При подключении их к цепи на них выделяется энергия. При этом энергия выделяется и в самой цепи.

Чтобы найти мощность передачи энергии (P), выделяемой источником тока, необходимо умножить силу тока на ЭДС этого источника тока. Тогда получим:

При этом часть этой мощности уходит на элементы внешней цепи, а другая часть – на преодоление внутреннего сопротивления источника тока:

(εI = I^2R + I^2r).

Тогда мощность, выделяемая на внешней цепи:

(P_R=I^2R).

А мощность, которая теряется на внутреннее сопротивление источника тока:

(P_r=I^2r).

Теперь давайте рассмотрим коэффициент полезного действия (КПД, ) источника тока. Как мы уже говорили ранее, часть ЭДС источника тока уходит на внутреннее сопротивление, а часть – на внешнюю цепь. При этом вспомним, что КПД – это отношение полезной мощности к затраченной.

Запишем формулы для мощности:

(P_{ист}=εI=I^2(R+r)),
(P_R=IU =I^2R).

Тогда КПД:

Мы с вами выяснили, что источники тока – элементы электрической цепи, без которых самой цепи не существовало бы. Хотя, конечно, она бы существовала, но была бы бесполезной. Однако и они «не без греха», так как существует опасное внутреннее сопротивление, которое является головной болью для многих инженеров. А все потому, что оно снижает КПД источников тока. Дальше вы можете ознакомиться с полноценными электрическими схемами и посмотреть, как ток ведет себя за пределами источника тока.

Термины

Напряжение – произведение сопротивления элемента и протекающего через него тока.

Резистор (или резистивный элемент) – элемент электрической цепи, который может только потреблять энергию и не может ее создавать.

Сторонние силы — это все внешние силы, воздействующие на заряд.

Электростатическое поле — невидимое поле, создаваемое постоянными электрическими зарядами.

Фактчек

• ЭДС источника тока (ε) — это физический параметр, который характеризует работу, затраченную на перемещение зарядов внутри источника сторонними силами: (ε =frac{А_{cт}}{q}).
• Внутреннее сопротивление (r) — определяет количество потерь энергии при прохождении тока через источник тока.
• Закон Ома для полной цепи: Сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению: (I =frac{ε}{R + r}).
• Предельное значение силы тока для данного источника тока называется током короткого замыкания: (I_{кз} =frac{ε}{r}).
• Полная мощность цепи — это есть мощность источника тока: (P_ист=εI).

Проверь себя

Задание 1.
Как рассчитывается ЭДС источника тока?

1. (ε =frac{А_{ст}}{q})
2. (ε =frac{U}{q})
3. (ε =frac{А_{ст}}{I})
4. (ε =frac{А_{ст}}{qt})

Задание 2.
Короткое замыкание — это:

1. Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. 
2. Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень велико по сравнению с сопротивлением участка цепи. 
3. Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого не зависит от сопротивления участка цепи. 
4. Отсутствие электрического тока в цепи.

Задание 3.
Чему равно ЭДС источника тока?

1. (ε = U_R- U_r)
2. (ε = U_R+ U_r)
3. (ε = U_R U_r)
4. (ε = U_R)

Задание 4.
От чего зависит сила тока в цепи с заданным источником тока?

1. от внутреннего сопротивления цепи
2. от внутреннего сопротивления источника тока
3. от внешнего сопротивления цепи
4. не зависит ни от каких величин

Задание 5.
Где самое большое сопротивление в человеке?

1. в сердце
2. в пищеварительной системе
3. на коже
4. в голове

Ответы: 1. — 1; 2. — 1; 3. — 2; 4. — 3; 5. — 3.

Закон Ома для полной цепи:

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения па этом участке и промежутка времени, в течение которого совершалась работа:

Закон Джоуля — Ленца:

• количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени прохождения тока по проводнику:

Для однородного участка цепи количество выделившейся теплоты можно вычислить по любой из трех эквивалентных формул:

Мощность, идущая на нагревание проводника, равна работе, которая совершается током за единицу времени:

Единицей мощности электрического тока, так же как и механической мощности, является ватт (1 Вт):

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется отношением полезно использованной энергии  к полной энергии полученной системой:  и  является характеристикой эффективности работы системы.

Рассмотрим полную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС с внутренним сопротивлением r и подключенный к ним резистор сопротивлением R (рис. 121).

Из определения ЭДС источника тока следует, что совершаемая источником работа

Из закона сохранения энергии следует, что в такой цепи происходит превращение энергии, запасенной источником тока, только в теплоту. При этом работа сторонних сил за промежуток времени равна выделившемуся в цепи количеству теплоты:

По закону Джоуля — Ленца

Таким образом,

откуда

Полученное выражение представляет собой закон Ома для полной цепи:
сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
Заметим, что максимально возможный ток в цепи с данным источником тока возникает в том случае, если сопротивление внешней части цепи стремится к нулю.

Максимально возможный ток через источник называют также током короткого замыкания

Короткое замыкание представляет серьезную опасность для мощных источников тока, поскольку может вывести их из строя.

У гальванических элементов (батареек) сила тока короткого замыкания небольшая, поэтому оно для них не очень опасно.

Внутреннее сопротивление свинцовых аккумуляторов имеет значение от r = 0,1 Ом до r = 0,01 Ом, и сила тока короткого замыкания в них может быть от = 20 А до  = 200 А. А поскольку при этом возможно разрушение пластин аккумуляторов, то следует соблюдать меры безопасности при работе с ними.
В быту, в осветительных сетях, на распределительных станциях ЭДС имеет величины свыше 100 В, а внутреннее сопротивление цепи очень мало, и согласно закону Ома для замкнутой цепи сила тока короткого замыкания может доходить до 1000 А. Вследствие этого короткое замыкание может привести к пожару. Для зашиты от пожаров в электрические цепи включаются плавкие предохранители, которые плавятся при определенной силе тока и размыкают цепь.

Короткое замыкание может возникнуть из-за плохой изоляции, когда два токоведущих провода соединяются между собой (закорачиваются). Внешнее сопротивление цепи в этом случае стремится к нулю, и сила тока резко возрастает.

Короткое замыкание электропроводки в быту может стать причиной пожара, поэтому ни в коем случае не занимайтесь ремонтом электрических сетей самостоятельно!

Закон Ома для полной цепи можно записать в следующем виде:

Таким образом, ЭДС источника равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи.

Закон Ома для полной цепи наглядно можно показать с помощью рисунка 122, где в качестве источника тока взят гальванический элемент Вольта (Сu—Zn).
Потенциал клеммы у цинковой пластины условно принят за нуль. Длина перпендикуляра к проводнику АВС в данной точке цепи пропорциональна ее потенциалу.

Падение напряжения на внешнем участке цепи равно IR, внутри источника — Ir.
Скачки потенциалов на цинковой и медной пластинах соответственно обусловлены химическими процессами.
Для лучшего понимания процессов, происходящих в замкнутой электрической цепи рассмотрим аналогичную механическую модель (рис. 123).

Подобно тому как шарик скатывается по винтовой наклонной плоскости под действием силы тяжести из положения 2 в положение 3, так электроны движутся на внешнем участке цепи под действием сил электрического поля.
Для того чтобы поднять шарик в исходное положение 2, необходимо совершить работу против силы тяжести, которая в случае электрической цепи аналогична работе сторонних сил внутри источника тока.

В данном случае пружинное устройство 1, совершающее работу за счет энергии упругой деформации, является механическим аналогом источника ЭДС в замкнутой цепи.

Для работы различных устройств мы используем батарейки (гальванические элементы), которые включаем последовательно с соблюдением полярности.
При последовательном соединении n источников тока, когда «минус» первого источника соединяется с «плюсом» второго и т. д. (рис. 124), их ЭДС и внутренние сопротивления суммируются:

В частном случае, если  то

Параллельное соединение источников тока, когда «плюсы» всех источников соединяются в один узел, а «минусы» — в другой (рис. 125), используется значительно реже для повышения надежности электропитания. Можно показать, что при параллельном соединении п одинаковых источников тока суммарная ЭДС батареи равна ЭДС одного источника, а внутреннее сопротивление рассчитывается по законам параллельного соединения:

Работа по перемещению зарядов на неоднородном участке цепи равна сумме работ, совершаемых сторонними силами источника тока и силами электрического поля.

Поскольку напряжение на участке цепи равно отношению работы к перенесенному заряду то

Знак перед берется положительный, если ЭДС увеличивает потенциал в цепи в направлении прохождения тока, и отрицательный — если уменьшает.

С учетом того, что U = IR (R — полное сопротивление резисторов и источников ЭДС на участке цепи), находим силу тока на участке цепи:

Эта формула выражает закон Ома для неоднородного участка цепи: падение напряжения на неоднородном участке цепи — произведение силы тока I и сопротивления участка цепи R:

Отметим, что падение напряжения пропорционально суммарной работе всех сил, в то время как напряжение U пропорционально работе только электростатических сил.

Мощность, выделяемая на внешнем участке цепи, в которую включены тепловые потребители энергии, называется полезной мощностью. Для ее вычисления используются формулы:

Мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника тока, называется теряемой мощностью и вычисляется по формулам:

Сумма полезной и теряемой мощностей равна полной мощности источника тока, которая учитывает выделение энергии как на внешнем, так и на внутреннем участках цепи:

 

Коэффициент полезного действия источника тока, определяемый как отношение полезной мощности к полной, зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника тока:

Наибольшую полезную мощность от данного источника можно получить тогда, когда внешнее сопротивление равно внутреннему (R = r), и в этом случае максимальный КПД = 50 % (докажите это).

• Заказать решение задач по физике

Закон Ома для полной цепи

Открытый Г. Омом закон для участка цени в общем случае справедлив и для полной цепи, если принимать во внимание как внешнюю, так и внутреннюю части цепи. Математическую запись закона Ома для этого случая можно получить на основании закона сохранения энергии, универсального для всех процессов в природе.

Пусть электрическая цепь состоит из источника тока, имеющего ЭДС и внутреннее сопротивление г, и проводника сопротивлением R (рис. 1.51).

Pиc. 151. Замкнутая электрическая цепь

Согласно закону сохранения энергии работа сторонних сил равна сумме работ электрического тока во внешней и внутренней частях цепи:

По определению

Отсюда

Если учесть, что по закону Ома для участка цепи U =IR, то получим формулу этого закона для полной цепи:

Таким образом, сила тока в полной цепи пропорциональна электроднижущей силе источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Сила тока в полной цепи пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

Пользуясь законом Ома для полной цепи, можно рассчитать два экстремальных случая н электрической цепи – короткое замыкание и разомкнутую цепь. Если сопротивление внешней цепи стремится к нулю (короткое замыкание), то сила тока в цепи

Это будет максимальное значение силы тока для данной цепи.
Если цепь разорвана (R→∞ ), то ток в цени прекращается при любых значениях ЭДС и внутреннего сопротивления. В последнем случае напряжение нм полюсах источника тока будет равно электродвижущей силе. Поэтому иногда дают упрощенное определение ЭДС: это величина, равная напряжению на клеммах источника при разомкнутой цепи.

Источники тока могут соединяться в батареи. Существуют несколько способов соединения источников тока.

Последовательным называют соединение, при котором соединяются друг с другом разноименные полюса источников: положительный предыдущего с отрицательным следующего и т. д. (рис. 1.52). Чаще всего соединяют источники с одинаковыми характеристиками, поэтому при последовательном соединении N источников ЭДС батареи будет в N раз больше, чем ЭДС одного источника:

Внутреннее сопротивление такой батареи будет также в N раз больше:

Рис. 152. Схема последовательного соединения источников тока

Для последовательного соединения источников тока закон Ома для полной цепи будет записываться:

Последовательное соединение источников τoιca удобно в том случае, когда сопротивление потребителя значительно больше внутреннего сопротивления одного источника тока.
Параллельным является соединение, при котором все одноименные полюса соединяется в один узел (рис. 1.53).

Pиc. 153. Схема параллельного соединения источников тока

Параллельное соединение применяют тогда, когда в цепи необходимо получить большое значение силы тока при небольшом напряжении.

Электродвижущая сила батареи параллельно соединенных одинаковых источников равна ЭДС одного источника:

Формула закона Ома для параллельного соединения источников имеет вид:

Параллельное соединения удобно тогда» когда сопротивление внешней части цепи значительно меньше внутреннего сопротивления одного источника.

При смешанном соединении батареи источников тока (параллельно или последовательно) в свою очередь соединяют последовательно или параллельно (рис. 1.54).

Pиc. 1.54. Смешанное соединение источников тoκa

На
участке цепи, не содержащей ЭДС, силы
электрического поля совершают работу
по перемещению электрического заряда

A₁₂=IU₁₂t=Irt=

которая выделяется
в проводнике в виде тепла.

Если
в цепи имеется ЭДС, то работа по перемещению
электрического заряда совершается
сторонними и электрическими силами,
численно равная энергии, выделяющейся
в этой цепи.

A=(U₁₂+E)It.

В
замкнутой цепи энергия, выделяющаяся
в проводнике численно равна работе

A=IU₁₂t+IEt=IEt,

или

A=I²(R+r)t.

Мощность-работа,
совершаемая в единицу времени:

На участке цепи,
в котором отсутствует ЭДС, мощность

При наличии ЭДС:

P=I×U+I×E.

В замкнутой цепи:

P=I×E=I²(R+r).

Мощность во внешней
цепи является полезной мощностью:

Отношение
полезной мощности (мощности во внешней
цепи) к мощности развиваемой источником
тока (полной мощности) называют
коэффициентом полезного действия (КПД):

Мощность
во внешней цепи максимальна в том случае,
когда сопротивление внешнего участка
цепи равно внутреннему сопротивлению
источника тока (R=r). При этом максимальное
значение мощности во внешней цепи
оказывается равным:

а КПД

Зависимость КПД
источника:

а) от тока во
внешней цепи:

б) от сопротивления
внешнего участка цепи:

1.4.1. Примеры решения задач

1.4.1.1.
Задача. Определить работу электрических
сил и количество теплоты, выделяемое
ежесекундно, в следующих случаях: 1) в
резисторе, по которому идет ток силой
I=1 А; разность потенциалов между концами
резистора j₁-j₂=2
В; 2) в аккумуляторе, который заряжается
током силой I=1 А; разность потенциалов
на его зажимах j₁-j₂=2
В, э.д.с. аккумулятора E=1,3 В; 3) в батарее
аккумуляторов, которая дает ток силой
I=1 А на внешнюю нагрузку; разность
потенциалов на зажимах батареи j₁-j₂=2
В, ее э.д.с.E=2,6 В.

Решение.
1. Так как рассматриваемый участок не
содержит ЭДС, то по закону Ома для участка
однородной цепи, имеем

j₁
-j₂=IR.

Из
этого следует, что формулы A=(j₁-j₂)IR
и Q=I²Rt
в данном случае совпадают. Значит, вся
работа электрических сил идет на
нагревание резистора:

A=Q=(j₁-j₂)IR=2
(Дж).

2.
При зарядке аккумулятора его зажимы
присоединяют к источнику, разность
потенциалов на полюсах которого
постоянна. При этом ток внутри аккумулятора
идет от его положительного полюса к
отрицательному, т.е. в направлении,
обратном току разряда.

Работу электрических
сил снова вычислим по формуле

A=(j₁-j₂)IR=2
(Дж).

Чтобы
по формуле Q=I²Rt
определить количество выделенной
теплоты, необходимо найти сопротивление
участка цепи, в котором находится
аккумулятор. Поскольку этот участок
содержит э.д.с., применим закон Ома для
участка неоднородной цепи. Учитывая
направления тока и э.д.с., запишем в
соответствии с правилом знаков

.
(1)

Тогда

(2)

Подставив значение
R из (2) в формулу закона Джоуля-Ленца,
получим

Q=I²Rt=(j₁
– j₂–
E)
It=0,7
(Дж).

В
данном случае лишь часть работы
электрических сил идет на нагревание
аккумулятора, остальная же часть (A-Q)
превращается в химическую энергию
заряжаемого аккумулятора.

3. Работу электрических
сил найдем по формуле

A=(j₁-j₂)
IR.

При
этом обратим внимание на отличие данного
случая от предыдущего. Если положительный
знак разности потенциалов (j₁
– j₂)
сохранился, то направление силы тока
на рассматриваемом участке изменилось
на противоположное. Следовательно,

A=(j₁-j₂)
(-I)t=-2 (Дж). (3)

Отрицательный
знак ответа выражает то обстоятельство,
что положительные заряды движутся
внутри каждого аккумулятора от его
низшего потенциала к высшему, т.е. против
электрических сил. При этом положительную
работу совершают сторонние силы,
перемещая заряды внутри аккумуляторов.

Количество теплоты,
выделенное в батарее, снова определим
по формуле закона Джоуля-Ленца в
интегральной форме

Q=I²Rt.

При этом сопротивление
r батареи, как и в предыдущем случае,
можно вычислить по закону Ома для
неоднородного участка цепи

.
(4)

Сопротивление
батареи можно найти также как разность
между сопротивлением всей цепи и
сопротивлением внешнего участка цепи

что
совпадает с формулой (4). Подставив
найденное значение r в формулу закона
Джоуля-Ленца, получим

Q=I²Rt=[E-(j₁-j₂)]It=0,6
(Дж). (5)

Этот
вариант задачи можно решить еще и
по-другому. По данным условиям найдем
работу электрических сил на внешнем
участке цепи:

A=(j₁-j₂)It=2
(Дж).

Однако
работа электрических, т.е. кулоновских
(но не сторонних), сил по перемещению
зарядов на замкнутом пути всегда равна
нулю

A_внутр+A_внеш=0,

откуда

A_внутр=-A_внеш=-2
(Дж),

что совпадает с
результатом (3).

Вся
энергия, расходуемая батареей, превращается
(посредством работы электрических сил)
в тепло Q_общ,
выделяющееся во всей цепи.

Эту энергию можно
вычислить по формуле

A_б=Q_общ=EIt=2,6
(Дж).

Так как на внешнем
участке выделяется количество теплоты

Q_внеш=A_внеш=2
(Дж),

то для батареи

Q=Q_общ-Q_внеш=0,6
(Дж),

что совпадает с
результатом (5).

1.4.1.2.
Задача. Э.д.с. батареи E=12 В. Наибольшая
сила тока, которую может дать батарея,
I_макс=5
А. Какая наибольшая мощность P_макс
может выделиться на подключенном к
батарее резисторе с переменным
сопротивлением.

Решение.
Мощность P тока измеряется работой,
совершенной электрическими силами в
единицу времени. Поскольку вся работа
на внешнем участке цепи идет на нагревание
резистора (A=Q), то в данном случае мощность
измеряется количеством теплоты,
выделяемым в резисторе в единицу времени.
Поэтому на основании формулы закона
Джоуля-Ленца в интегральной форме для
внешнего участка цепи Q==I²Rt,
а также закона Ома для замкнутой цепи,
получим

P=I²R=E²R/(R+r)²,
(1)

где
R, r-сопротивления внешнего и внутреннего
участков цепи соответственно.

Из
(1) видно, что при постоянных значениях
E, r мощность P во внешней цепи является
функцией одной переменной R. Известно,
что эту функция имеет максимум при
условии r=R (в этом можно убедиться,
применив общий метод исследования
функций на экстремум с помощью
производной). Следовательно,

.
(2)

Таким
образом, задача сводится к отысканию
сопротивления r внутреннего участка
(батареи). Если учесть, что согласно
закону Ома для замкнутой цепи наибольшая
сила тока I_макс
будет при внешнем сопротивлении R=0 (ток
короткого замыкания), то

I_макс=E/r,

откуда

r=E
I_макс.

Подставив найденное
значение внутреннего сопротивления r
в формулу (2), получим

P_макс=EI_макс/4=15
(Вт).

1.4.1.3.
Задача. Обмотка электрического
кипятильника имеет две секции. Если
включена одна секция, вода закипает
через t₁=10
мин, если другая, то через t₂=20
мин. Через сколько минут закипит вода,
если обе секции включить: а) последовательно?
б) параллельно? Напряжение на зажимах
кипятильника и к.п.д. установки считать
во всех случаях одинаковыми.

Решение.
При различных включениях секций
кипятильника сопротивление цепи
различно. Очевидно, искомое время
нагревания воды есть некоторая функция
сопротивления цепи. Чтобы найти эту
функцию, воспользуемся законом
Джоуля-Ленца

Q=I²Rt.

Поскольку
речь идет об участке цепи, не содержащем
э.д.с., к которому применим закон Ома
I=(j₁-j₂)/R,
запишем в виде

Q=U²t/R.
(1)

Отсюда
легко определить вид функции t=f(R).

Во всех случаях
для нагревания воды требуется одно и
то же количество теплоты, определяемое
формулой

Q’=cmDt,

где
c, m-удельная теплоемкость и масса воды;

Dt-разность
температур.

В
силу постоянства к.п.д. установки h
одним и тем же будет также полное
количество теплоты выделенное током,
т.е.

Q=Q’/h.

Учитывая также
постоянство напряжения на зажимах цепи,
из формулы (1), получим

R=U²t/Q=kt,
(2)

где
k=U²/Q-постоянная
величина.

Таким
образом, зависимость времени от
сопротивления является пропорциональной.
Теперь легко найти ответы в обоих
случаях.

При
последовательном соединении секций
общее сопротивление

R_посл=R₁+R₂.

Подставив сюда
значения R по формуле (2), получим

kt_посл=kt₁+kt₂,

откуда

t_посл=t₁+t₂=15
(мин).

При
параллельном соединении секций
сопротивление соединения

R_пар=R₁R₂/(R₁+R₂).

Отсюда, применив
соотношение (2), найдем

t_пар=t₁t₂/(t₁+t₂)=7
(мин).

1.4.1.4.
Задача. Две медные проволоки одинаковой
длины ℓ=1 м и диаметрами d₁=0,1
мм и d₂=0,2
мм, подключенные (поочередно) к зажимам
гальванического элемента, нагреваются
до одинаковой температуры. Определить
внутреннее сопротивление гальванического
элемента. Считать отдачу теплоты
проволокой в окружающее пространство
при постоянной температуре пропорциональной
площади ее поверхности.

Решение.
При установившемся тепловом режиме,
когда температура проволоки перестает
повышаться, количество теплоты, выделенное
током в 1 с, согласно закону сохранения
энергии, должно быть равно количеству
теплоты, рассеянному за то же время
проволокой в окружающее пространство,
т.е. должно выполняться равенство

P_тока=P_расс.
(1)

Мощность
тока P_тока=I²R
выразим через внутреннее сопротивление
источника и диаметр проволоки,
воспользовавшись законом Ома для
замкнутой цепи и формулой сопротивления
проводника:

(2)

С другой стороны,
согласно условию задачи, имеем

P_расс=kS’=kpdℓ,
(3)

где
S’-площадь поверхности проволоки,
вычисленная как площадь боковой
поверхности цилиндра;

k-коэффициент
пропорциональности, зависящий от
температуры проволоки.

Подставив
в уравнение (1) значения P_тока
и P_расс по
формулам (2), (3) и произведя сокращения,
получим

(4)

Поскольку
при постоянной температуре все величины,
стоящие в правой части формулы (4),
постоянны, должно выполняться равенство

(5)

так
как диаметрам проволоки d₁,
d₂
соответствует по условию одинаковая
температура. Чтобы решить уравнение
(5) относительно неизвестного r, извлечем
из обеих частей уравнения квадратный
корень:

Все
слагаемые, стоящие в левой части этого
уравнения – заведомо положительные
величины, отрицательный знак перед
корнем отбрасываем. Решив уравнение
относительно r, найдем

Взяв
из таблиц значение удельного сопротивления
меди, выразив входящие в формулу величины
в единицах СИ, выполнив вычисление,
получим

r=0,3
(Ом).