Физика, полный курс для 10 класса

Урок: Закон Ома для полной цепи

— Ребята, сегодня мы разберём, как работает электрическая цепь в реальной жизни. Вы уже знаете закон Ома для участка цепи, но на практике всё немного сложнее. Давайте представим обычную батарейку. Почему, когда она «садится», фонарик светит тусклее? И почему, если замкнуть её контакты металлическим ключом, она может перегреться и испортиться? Всё это связано с полной цепью и внутренним сопротивлением.

1. ЭДС и внутреннее сопротивление

— Любой источник тока — будь то батарейка, аккумулятор или розетка — не идеален. Внутри него есть сопротивление, которое мешает току течь свободно. Это как если бы вы пытались пить сок через трубочку: чем уже и длиннее трубочка, тем сложнее сделать глоток. Так и в батарейке — её внутреннее сопротивление ($r$) «мешает» току.

Но откуда вообще берётся ток? В источнике действуют сторонние силы (химические в батарейке, электромагнитные в генераторе), которые «проталкивают» заряды. Их работа характеризуется ЭДС (ℰ) — электродвижущей силой.

Формула напряжения на клеммах:

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

— Если цепь разомкнута (например, вы выключили фонарик), ток не течёт ($I=0$), и вольтметр покажет чистую ЭДС. Но как только вы включаете нагрузку (лампочку), часть напряжения «теряется» внутри батарейки из-за её сопротивления.

2. Закон Ома для полной цепи

— Теперь представим, что у нас есть батарейка ($\mathcal{E}=1,5\text{В}$), провода и лампочка. Почему, если подключить две одинаковые лампочки параллельно, они горят тусклее, чем одна? Потому что ток распределяется, и каждая получает меньше энергии. Полная цепь учитывает и внешнее сопротивление ($R$), и внутреннее ($r$).

Формула закона Ома для полной цепи:

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

— Чем больше внешнее сопротивление (например, добавили ещё одну лампочку последовательно), тем меньше ток. А если сопротивление маленькое (толстый провод, мощный прибор), ток возрастает.

Пример:
У вас есть аккумулятор ($\mathcal{E}=12\text{В},r=0,5\text{Ом}$) и лампочка ($R=2\text{Ом}$). Какой ток в цепи?

$$I=\frac{12}{2+0,5}=4,8\text{А}$$

3. Короткое замыкание

— А теперь самое опасное — короткое замыкание. Что будет, если взять провод и напрямую соединить «+» и «-» батарейки? Сопротивление $R$ станет почти нулевым, и ток резко возрастёт:

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

— Например, у автомобильного аккумулятора ($\mathcal{E}=12\text{В},r=0,01\text{Ом}$) ток КЗ будет:

$$I_{\text{кз}}=\frac{12}{0,01}=1200\text{А}!$$

— Такой ток мгновенно нагревает провода, плавит изоляцию и может вызвать пожар. Именно поэтому в электропроводке стоят предохранители и автоматы — они разрывают цепь при перегрузке.

Заключение

— Итак, запомните:

1. ЭДС ($\mathcal{E}$) — это «напряжение идеального источника», но реальное напряжение на клеммах меньше из-за внутреннего сопротивления ($r$).

2. Закон Ома для полной цепи учитывает и $R$, и $r$.

3. Короткое замыкание — это опасно! Ток резко растёт, и без защиты может произойти авария.

— На следующем уроке мы потренируемся решать задачи на эту тему. А сейчас — вопросы!

До свидания, ребята! Будьте осторожны с электричеством.