ЭДС источника и закон Ома для полной цепи

ЭДС источника и закон Ома для полной цепи

Чтобы ток шёл по цепи долго, нужен источник, который восстанавливает разность потенциалов. Внутри источника заряды перемещаются сторонними силами (химическими, магнитными), а не электростатическим полем. Работу этих сил характеризует электродвижущая сила (ЭДС).

Электродвижущая сила

ЭДС равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда к величине этого заряда: эпсилон = A_стор / q. Измеряется в вольтах (В). ЭДС численно равна напряжению на полюсах источника при разомкнутой цепи (когда ток равен нулю).

Внутреннее сопротивление и закон Ома для полной цепи

Любой источник обладает внутренним сопротивлением r. Для замкнутой цепи с внешним сопротивлением R закон Ома записывают так:

I = эпсилон / (R + r).

Напряжение на полюсах (на внешнем участке) меньше ЭДС на величину падения внутри источника: U = эпсилон - I·r = I·R.

Режим	Условие	Ток / напряжение
Разомкнутая цепь	R → бесконечность	I = 0, U = эпсилон
Рабочий режим	R конечно	U = эпсилон - I·r
Короткое замыкание	R = 0	I = эпсилон / r (максимум)

Сторонние силы и виды источников

Сторонние силы разделяют заряды разных знаков и поддерживают разность потенциалов. В гальваническом элементе и аккумуляторе это химические силы, в генераторе — силы со стороны магнитного поля, в фотоэлементе — действие света. Внутри источника ток течёт от «минуса» к «плюсу» именно благодаря этим силам.

Соединение источников

Несколько одинаковых источников можно соединить последовательно — тогда ЭДС и внутренние сопротивления складываются: эпсилон_общ = n·эпсилон, r_общ = n·r. Это применяют в батарейках, где элементы соединены в столбик для повышения общего напряжения.

Разобранный пример

Дано: эпсилон = 6 В, r = 0,5 Ом, R = 5,5 Ом. Сила тока: I = эпсилон / (R + r) = 6 / (5,5 + 0,5) = 6 / 6 = 1 А. Напряжение на нагрузке: U = I·R = 1·5,5 = 5,5 В. Падение внутри: I·r = 1·0,5 = 0,5 В. Проверка: 5,5 + 0,5 = 6 В = эпсилон. Ответ: I = 1 А, U = 5,5 В.

При коротком замыкании этого источника (R = 0) ток составит I = эпсилон / r = 6 / 0,5 = 12 А — в двенадцать раз больше рабочего, что опасно для источника.

Частые ошибки. ЭДС — это не сила в ньютонах, а энергетическая величина в вольтах. В законе Ома для полной цепи нельзя забывать про внутреннее сопротивление r. При коротком замыкании ток ограничивается только r и может быть опасно большим.

Кратко о главном

• ЭДС эпсилон = A_стор / q — работа сторонних сил на единицу заряда.
• Закон Ома для полной цепи: I = эпсилон / (R + r).
• Напряжение на полюсах: U = эпсилон - I·r.
• При коротком замыкании I = эпсилон / r.