ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 10 класс · § 26
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 26. Закон Ома для полной цепи. КПД источника тока

Как внутреннее сопротивление меняет ток, напряжение и полезную мощность?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как внутреннее сопротивление меняет ток, напряжение и полезную мощность?

Наблюдаем и объясняем

Нагрузка, внутренние потери и мощность

Меняй внешнее сопротивление. Найди различие между максимумом мощности и большим КПД.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

12 В
2 Ом
4 Ом

Идеализированный источник постоянных ℰ и r > 0. R = 0 — только расчётный режим. Реальное короткое замыкание не требуется. График мощности строится для текущих ℰ и r.

01

Полная цепь: два сопротивления

Для источника с ЭДС ℰ и внутренним сопротивлением r, подключённого к внешней нагрузке R, I = ℰ/(R + r). Формула предполагает постоянные параметры и установившийся режим. Закон I = U/R для нагрузки остаётся верным, но U не всегда равно ℰ.

Часть напряжения приходится на внутреннюю часть: ℰ = IR + Ir. Поэтому U = IR = ℰ − Ir. При увеличении тока внутреннее падение Ir растёт, а напряжение на нагрузке уменьшается.

Ток полной цепи

I = ℰ/(R + r)

Напряжение нагрузки

U = IR = ℰ − Ir

Разомкнутая цепь

I = 0; U = ℰ в модели

Во внешнем законе Ома используют напряжение нагрузки, а не автоматически ЭДС.

Почему новая батарея может давать разное напряжение при разных нагрузках?

При разных токах различается внутреннее падение напряжения; реальный источник также имеет дополнительные зависимости параметров.

02

Пример: ток и распределение напряжения

При ℰ = 12 В, r = 2 Ом и R = 4 Ом ток I = 2 А. На нагрузке U = 8 В, внутри источника падение 4 В. Проверка: 8 + 4 = 12 В.

При коротком замыкании внешнее сопротивление близко к нулю, в модели Iкз = ℰ/r. Нулевое напряжение на идеальном внешнем замыкании не означает нулевого тока. Реальная батарея может сильно нагреваться; интерактив заменяет такой опыт расчётом.

Пример: ток и распределение напряжения: сравнение
РежимТокНапряжение на зажимах
Разрыв цепи0Близко к ℰ
Нагрузка R > 0ℰ/(R + r)ℰR/(R + r)
Идеальное замыкание R = 0ℰ/r при r > 00

Короткое замыкание означает малое внешнее сопротивление и большой ток, ограниченный внутренними параметрами.

Почему нельзя положить r = 0 и R = 0 в формулу?

Идеальная модель тогда не даёт конечного тока. Для реальной цепи нужны её сопротивления и динамика.

Резисторы — элементы электрической цепи

Сопротивление нагрузки определяет ток вместе с внутренним сопротивлением источника. Максимальная мощность и максимальный КПД достигаются при разных условиях.

Afrank99 · CC BY-SA 2.5 · Источник. Без изменений.

Химический элемент типоразмера AA

У реального элемента есть внутренние потери. Под нагрузкой напряжение на его выводах может быть меньше ЭДС.

Solomon203 · CC BY 3.0 · Источник. Без изменений.

03

Энергия: полезное и внутреннее

Полная мощность преобразования энергии источника Pист = ℰI. На нагрузке Pвнеш = I²R, внутри Pвнутр = I²r. Их сумма равна Pист. В рассматриваемой модели внутренние потери — тепловые.

КПД передачи энергии нагрузке η = Pвнеш/Pист = R/(R + r) при ненулевом токе. Для примера 12 В, 2 Ом, 4 Ом получаем 24 Вт всего, 16 Вт снаружи, 8 Вт внутри, КПД около 66,7 %.

Источник

Pист = ℰI

Нагрузка

Pвнеш = I²R

Внутреннее сопротивление

Pвнутр = I²r

КПД оценивают по полезной мощности, а не только по силе тока.

Что означает большой ток при малом R?

Он может сопровождаться большими внутренними потерями и малой долей энергии, доставляемой нагрузке.

04

Максимум мощности: не максимум КПД

При фиксированных ℰ и r > 0 полезная мощность Pвнеш = ℰ²R/(R + r)² достигает максимума при R = r. КПД тогда равен 50 %. Это математическое свойство модели постоянного источника, а не рекомендация для любого устройства.

При R намного больше r КПД приближается к 100 %, но ток и полезная мощность стремятся к нулю. При полном разрыве отношение нулевых мощностей не вычисляют; речь идёт о пределе. Модель показывает график мощности и численное значение КПД. При увеличении R после максимума мощность падает, хотя КПД продолжает расти.

Выбрать цель

Мощность или эффективность?

Сравнить R и r

Учитывать внутренние потери

Проверить режим

Разрыв, нагрузка, замыкание

Условия максимальной полезной мощности и максимального КПД различаются.

Почему нельзя назвать разомкнутую батарею полезным двигателем с КПД 100 %?

Она не отдаёт мощность нагрузке. Предельное отношение не заменяет наличие полезной работы.

Соберём главное

Шесть выводов

01Во внешнем законе Ома используют напряжение нагрузки, а не автоматически ЭДС.
02Короткое замыкание означает малое внешнее сопротивление и большой ток, ограниченный внутренними параметрами.
03КПД оценивают по полезной мощности, а не только по силе тока.
04Условия максимальной полезной мощности и максимального КПД различаются.
05Напряжение зажимов под нагрузкой зависит от тока.
06Формула полной цепи требует учитывать внутреннее сопротивление источника.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Как записывается закон Ома для полной цепи из источника и резистора?
2. При ℰ = 12 В, R = 4 Ом, r = 2 Ом найдите I.
3. В тех же условиях чему равно напряжение на нагрузке?
4. Чему равен ток короткого замыкания при R = 0 и r > 0?
5. Чему равна мощность в нагрузке?
6. При I = 2 А и R = 4 Ом какова мощность нагрузки?
7. Каков КПД передачи мощности от источника к резистивной нагрузке?
8. При каком R мощность нагрузки максимальна для фиксированных ℰ и r > 0?
9. Каков КПД при максимальной мощности нагрузки в этой модели?
10. Что происходит при очень большом R по сравнению с r?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 26. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 26. Закон Ома для полной электрической цепи.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…