Закон Ома для полной цепи

Слайд 1. Закон Ома для полной цепи

Физика, 10 класс. Разбираемся, как работает электричество от батарейки до прибора

Слайд 2. Что такое полная цепь?

В отличие от участка цепи, полная (замкнутая) цепь включает в себя абсолютно все элементы, по которым течет ток. Главное отличие здесь — наличие источника тока (батарейки, аккумулятора или генератора). Чтобы ток продолжал течь, заряды должны пройти не только через лампочку или резистор, но и через сам источник «внутри» него.

Слайд 3. Составные части цепи

Внешний участок: потребители энергии (лампы, моторы, резисторы) и провода.

Внутренний участок: сам источник тока (химические элементы внутри батарейки).

Электродвижущая сила (ЭДС): характеристика источника.

Полное сопротивление: сумма внешнего и внутреннего сопротивлений.

Слайд 4. Источник тока и ЭДС

Электродвижущая сила $\mathcal{E}$ — это работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда. Внутри источника всегда есть сопротивление $r$, которое мешает движению зарядов так же, как и внешние приборы.

Слайд 5. Формулировка закона Ома

Слайд 6. Главная формула

Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи (сумме внешнего и внутреннего сопротивлений):

$$I=\frac{\mathcal{E}}{R+r}$$

Где:

$I$ — сила тока (А),

$\mathcal{E}$ — ЭДС источника (В),

$R$ — внешнее сопротивление (Ом),

$r$ — внутреннее сопротивление (Ом).

Слайд 7. Два вида сопротивления

Это сопротивление всего, что мы подключили к батарейке: лампочки, вольтметры, нагреватели. Мы можем менять его, включая или выключая приборы.

Зависит от конструкции источника: площади пластин, типа электролита, температуры. Обычно оно очень мало, но именно оно ограничивает максимальный ток.

Слайд 8. Зависимость тока от нагрузки

График показывает, как падает сила тока при увеличении внешнего сопротивления $R$ (при $\mathcal{E}=12$ В и $r=1$ Ом). Чем больше нагрузка, тем меньше ток в цепи.

Слайд 9. Схема полной электрической цепи

Слайд 10. Напряжение на зажимах источника

Если мы измерим напряжение на подключенной батарейке, оно будет меньше ЭДС:

$U=\mathcal{E}-I\cdot r$

Часть энергии «теряется» внутри источника на преодоление его собственного сопротивления.

При разомкнутой цепи ($I=0$) напряжение равно ЭДС: $U=\mathcal{E}$.

Чем больше ток, тем сильнее «проседает» напряжение на выходе.

Слайд 11. Короткое замыкание

Это режим, когда внешнее сопротивление $R$ практически равно нулю (например, полюса соединили толстым проводом). В этом случае ток ограничен только внутренним сопротивлением:

$$I_{\text{кз}}=\frac{\mathcal{E}}{r}$$

Это значение может быть огромным, что приводит к расплавлению проводов и взрыву аккумулятора.

Слайд 12. Примеры расчетов

Слайд 13. Где мы это видим на практике?

Старая батарейка имеет высокое $r$. Она показывает 1.5В без нагрузки, но ток в цепи почти не дает.

При запуске двигателя (высокий ток) фары тускнеют — это падение напряжения $I\cdot r$ на аккумуляторе.

Предохранители разрывают цепь при коротком замыкании, чтобы ток $I_{\text{кз}}$ не вызвал пожар.

Нагрев смартфона при быстрой зарядке связан с выделением тепла на внутреннем сопротивлении аккумулятора.

Слайд 14. Вопросы для обсуждения

Может ли напряжение на зажимах быть больше ЭДС? (Подсказка: подумайте о процессе зарядки).

Почему опасно проверять заряд батарейки, просто замыкая её контакты монетой?

Как изменится сила тока, если соединить два одинаковых источника последовательно?

Почему у мощных аккумуляторов (например, автомобильных) внутреннее сопротивление очень маленькое?

Слайд 15. Главные выводы

Полная цепь включает источник с ЭДС $\mathcal{E}$ и внутренним сопротивлением $r$.

Ток зависит от суммы всех сопротивлений в системе: $I=\mathcal{E}/(R+r)$.

Напряжение на нагрузке всегда меньше ЭДС из-за потерь внутри источника.

Короткое замыкание — экстремальный режим с максимально возможным током для данного источника.