ЕРС джерела струму.

Закон Ома для повного кола.

Мета.

Навчальна. Пригадати умови виникнення електричного струму, робота та потужність струму. Ввести поняття електрорушійної сили джерела струму, розглянути природу сил, діючих всередині джерела струму. Роз’яснити учням зміст закону Ома для повного кола. Вчитися розв’язувати розрахункові задачі на закон Ома для повного кола.

Розвиваюча. Розвивати логічне та алгоритмічне мислення.

Виховна. Виховувати культуру наукового мовлення та культуру оформлення розрахункових задач..

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Узагальнююча таблиця: “Електричний струм”
• Матеріал для повторення. Робота та потенціал електричного поля.

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Електрорушійна сила джерела струму. Закон Ома для повного кола.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Електрорушійна сила джерела струму. Закон Ома для повного кола.

Електрорушійна сила джерела струму. Для протікання електричним колом струму необхідно, щоб у колі були елементи, які переміщують електричні заряди, збільшуючи їхню енергію. Сили, які виконують цю функцію називаються сторонніми силами. За своєю природою сторонні сили можуть бути різноманітні: хімічні, як у електричних батареях і акумуляторах, термоелектричні, як у термопарах, чи зумовлені явищем електромагнітної індукції, як у генераторах електричного струму.

У результаті розділення всередині джерела позитивних і негативних зарядів джерело набуває запасу потенціальної енергії, яка витрачається на виконання роботи з переміщення зарядів по всьому колу. Тепер можна сказати: ту частину замкненого кола, в якій заряди рухаються під дією електростатичної різниці потенціалів називають зовнішньою, а ту, в якій носії заряду рухаються під дією сторонніх сил - внутрішньою. Полюси джерела струму розділяють внутрішню і зовнішню ділянки кола.

Сторонні сили забезпечують розділення різнойменно заряджених частинок в джерелі (у внутрішньому колі) і підтримують певну різницю, потенціалів на полюсах, тим самим зумовлюючи рух зарядів у зовнішньому колі. Отже, робота сторонніх сил дорівнює сумі робіт, що виконуються по переміщенню заряду на внутрішній і зовнішній ділянці кола:

Аст=Авн+Азовн.

Для характеристики здатності джерела струму створювати різницю потенціалів використовують поняття електрорушійної сили.

Електрорушійною силою джерела струму називають фізичну величину, яка характеризує здатність сторонніх сил створювати й підтримувати різницю потенціалів.

Електрорушійна сила ЕРС в замкненому контурі дорівнює відношенню роботи сторонніх сил під час переміщення заряду вздовж контуру до заряду.

.

Як і напругу чи потенціал у СІ ЕРС вимірюють у вольтах.

ЕРС джерела струму дорівнює виміряній вольтметром напрузі на джерелі в розімкнутому колі.

Закон Ома для повного кола. В повному колі окрім опору навантаження є ще джерело живлення, яке має свій власний внутрішній опір.

Закон Ома для повного кола: сила струму в повному колі пропорційна електрорушійній силі джерела і обернено пропорційна повному опору кола:

, (1)

де  — електрорушійна сила,  — опір навантаження, -внутрішній опір джерела струму.

        З формули (1) отримаємо , де  - напруга на зовнішній ділянці кола,  - напруга на внутрішньому опорі джерела струму. Звідси випливає, що  - напруга на зовнішньому колі не дорівнює ЕРС.

Якщо опір зовнішньої частини прямує до нуля (коротке замикання), то сила струму:

.

З’єднання провідників і джерел електричної енергії. Існує три типи з’єднання джерел струму: послідовне, паралельне і змішане.

При обчисленні загального опору будь-якого контуру, що складається з декількох провідників, необхідно встановити, які провідники з’єднані між собою послідовно, а які - паралельно. У випадку послідовного з’єднання провідників струм не повинен розгалужуватися, а у випадку паралельного - їх кінці мають бути з’єднаними. Якщо в електричній схемі можна знайти такі провідники, їх необхідно замінити одним еквівалентним опором, використавши формули визначення опору відповідно при послідовному чи паралельному з’єднанні, і отримати спрощену схему.

У схемах, в яких неможливо знайти хоча б два провідники, що з’єднані між собою послідовно чи паралельно, треба для їх розрахунку використовувати методи, що принципово відрізняються від традиційних: у будь-якому електричному колі точки з однаковим потенціалом можна з’єднати чи роз’єднати (режим струму від цього не змінюється, оскільки струм між такими точками не протікає).

Слід пам’ятати, що струм у гілці з конденсатором не тече. Тому у схемі (а) опором 2 нехтують (див. схему (б)).

 а) б)

Згідно з законами паралельного з’єднання напруга на конденсаторі рівна напрузі на опорі 1:  .

Так як струм у гілці з конденсатором не тече, то  загальний опір ділянки: .

Закон Ома для повного кола з батареєю послідовно з’єднаних однакових джерел струму буде мати вигляд:

.

Послідовне з’єднання джерел струму зручне тоді, коли опір навантаження великий порівняно з внутрішнім опором одного джерела струму.

Закон Ома для повного кола з батареєю паралельно з’єднаних однакових джерел струму буде мати вигляд:

.

Паралельне з’єднання зручне тоді, коли опір зовнішньої частини значно менший за внутрішній опір одного джерела струму (коли необхідно мати значну силу струму за невеликої напруги).

При розв’язуванні задач на використання закону Ома необхідно:

1. накреслити схему і вказати елементи електричного кола: джерело струму, опори і конденсатори;
2. якщо ж схема подається в готовому вигляді, то необхідно встановити, які елементи кола ввімкнені послідовно, а які паралельно;
3. позначити напрямки струмів на кожній ділянці кола і записати для кожної точки розгалуження (якщо вони існують), рівняння струмів і рівняння, які пов’язують напруги на ділянках кола;
4. використовуючи закон Ома для замкненого кола, встановити зв’язок між струмами, напругами і ЕРС джерел струму. Якщо в схемі необхідно провести будь-які переключення опорів, елементів схеми чи джерел струму, то рівняння треба складати для кожного випадку окремо.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 08.1. До джерела струму з ЕРС 3 В підключили провідник з опором 2 Ом. Вольтметр, підключений до провідника, показав 2 В. Знайдіть внутрішній опір джерела струму.

Задача 08.2. Ніхромовий провідник довжиною 50 см і діаметром 0,5 мм підключили до джерела струму з ЕРС 4,5 В і внутрішнім опором 3 Ом. Знайдіть напругу на кінцях провідника. Питомий опір ніхрому Ом*м. 

4. Запитання до уроку.

Запитання 08.1. Що таке електричний струм?

Запитання 08.2. Якими фізичними діями супроводжується струм?

Запитання 08.3. Умови виникнення електричного струму?

Запитання 08.4. Дайте визначення сили струму. Назвіть формулу та вкажіть одиниці вимірювання.

Запитання 08.5 Дайте визначення напруги. Назвіть формулу та вкажіть одиниці вимірювання.

Запитання 08.6. Назвіть формули для визначення опору провідника.

Запитання 08.7. Як розрахувати роботу та потужність електричного струму?

Запитання 08.8. Як розрахувати кількість теплоти, що виділяється провідником під час проходження електричного струму?

Запитання 08.9. Що таке ЕРС джерела струму?

Запитання 08.10. Сформулюйте закон Ома для ділянки кола та повного кола.

Запитання 08.11. Закон Ома для повного кола з батареєю послідовно з’єднаних однакових джерел струму.

Запитання 08.12. Закон Ома для повного кола з батареєю послідовно з’єднаних однакових джерел струму.

5. Домашнє завдання.

Підручник: §4.

Задача 08.3. У замкнутому колі, у якому є джерело струму з ЕРС 12 В, проходить струм 2 А. Напруга на затискачах джерела 10 В. Знайти внутрішній опір джерела і опір навантаження. (В. r=1 Ом, R=5 Ом)  

Задача 08.4. У колі, що містить джерело струму з ЕРС 6 В і провідник з опором 9 Ом, сила струму становить 0,6 А. Знайти внутрішній опір джерела і струм короткого замикання для нього.  (В. r=1 Ом, Ікз=6 А)  

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

Тестові завдання:

Запитання 08.1.Т. Укажіть назву величини, що характеризує швидкість перенесення електричного заряду через поперечний переріз провідника.

А. Робота струму;

Б. Електрорушійна сила;

В. Сила струму;

Г. Потужність струму.

Запитання 08.2.Т. Лампочка електричного ліхтарика працює від акумулятора. Всередині акумулятора…

        А. сторонні та кулонівські сили виконують додатну роботу над зарядженими частинками.

        Б. сторонні та кулонівські сили виконують від’ємну роботу над зарядженими частинками.

        В. сторонні сили виконують додатну роботу над зарядженими частинками, а кулонівські сили - від’ємну.

        Г. сторонні сили виконують від’ємну роботу над зарядженими частинками, а кулонівські сили - додатну.

Запитання 08.3.Т. Укажіть формулу, яка виражає математичний запис закону Ома для повного кола.

Запитання 08.4.Т. Укажіть назву величини, що характеризує швидкість перенесення електричного заряду через поперечний переріз провідника.

А. робота струму.

Б. електрорушійна сила.

В. сила струму.

Г. потужність струму.

Запитання 08.5.Т. У схемі електричного кола, зображеній на рисунку, лампочки 1 і 2 є однаковими. Під час замикання ключа K лампочка 2 загорається на 0,5 с пізніше, ніж лампочка 1, тому що

А. дріт, з якого виготовлено котушку, має досить великий опір.

Б. лампочка 2 знаходиться далі від джерела електрорушійної сили, ніж лампочка 1.

В. у котушці виникає електрорушійна сила самоіндукції, що перешкоджає зростанню струму в ній.

Г. електрони сповільнюються на ділянках кола, що вигинаються.

7. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Правила Кирхгофа. Правила Кирхгофа визначають метод розрахунку складних розгалужених електричних кіл. Методика розрахунку була вперше описана в 1845 році німецьким фізиком Густавом Кирхгофом.

Правила Кирхгофа є основоположними в електротехніці, а тому в рамках цієї дисципліни їх називають законами Кирхгофа.

Перше правило Кирхгофа.

Друге правило Кирхгофа.

Задачі підвищеної складності:

Задача 08.1.О. В електричному колі, схему якого зображено на рисунку, струму немає.. Між якими точками із числа запропонованих пар потрібно увімкнути додатковий опір R, щоб амперметр показав наявність струму в колі. (В. паралельно до ділянки 2-3)