Закон Ома для полной цепи
Что такое ЭДС, мы с вами говорили еще в этой статье. Помню как-то на уроке физики в 8 классе препод спросил:
- Что написано на пальчиковой батарейке?
- Напряжение батарейки, - хором ответили мы.
- Побрейтесь! Это ЭДС!
- !?
- На батарейках указано именно ЭДС!
После этих гордых слов препод начал урок. Он ставил какие-то опыты, зажигал лампочки, писал что-то на доске... Но я все равно ничего не догнал, потому что весь урок играл с товарищем по парте в морской бой ;-). Только спустя годы, прочитав советский словарь радиолюбителя, наконец-то понял, что ничего сложного в этом нету. И если закон Ома для участка цепи знают почти все, то сложности возникают именно по закону Ома для полной цепи. Но оказывается, все до боли просто!
Итак, знакомьтесь, автомобильный аккумулятор! Не исключено, что вы когда-нибудь его видели вживую))
Для дальнейшего его использования, припаяем к нему два проводочка: красный на плюс, черный на минус
Наш акум готов к бою.
Теперь берем автомобильную лампочку-галогенку и тоже припаяем к ней два проводка с крокодилами. Я припаялся к клеммам на "ближний" свет.
Первым делом давайте замеряем напряжение на клеммах акума
12,09 Вольт. Вполне нормально, так как наш акум выдает именно 12 Вольт. Забегу чуток вперед и скажу, что сейчас мы замерили именно ЭДС нашего акума.
Подключаем галогенку к акуму и снова замерям напряжение:
Видели да? Напряжение на акуме просело до 11, 79 Вольт!
А давайте по приколу замеряем, сколько кушает наша лампа в Амперах. Для этого составляем вот такую схемку:
Желтый мультиметр у нас будет замерять напряжение, а красный мультиметр у нас будет замерять силу тока. Как замерять с помощью мультиметра силу тока и напряжение, можно прочитать в этой статье.
Смотрим на показания приборов:
Как мы видим, наша лампа потребляет 4,35 Ампер, напряжение просело до 11,79 Вольт.
Давайте вместо галогенки поставим простую лампочку накаливания от поворотника
Смотрим показания:
Лампочка потребляет силу тока в 0,69 Ампер. Напряжение просело до 12 Вольт ровно.
Какие выводы можно сделать? Чем больше нагрузка потребляет силу тока, тем больше просаживается напряжение на акуме. Вместо акума может быть простая батарейка полутора Вольт или какая-нибудь другая батарейка или аккумулятор. Суть от этого не меняется.
Ну а теперь немного нудной теории)).
Источник ЭДС на схеме выглядит вот так:
Давайте вспомним, что такое ЭДС. ЭДС - это что-то такое, что создает электрический ток, а точнее напряжение. Если к такому источнику напряжения подцепить любую нагрузку (хоть миллиард галогеновых ламп, включенных параллельно), то он все равно будет выдавать такое же напряжение, какое-бы он выдавал, если бы мы вообще не цепляли никакую нагрузку.
Или проще:
Короче говоря, какая бы сила тока не проходила через цепь резистора, напряжение на концах источника ЭДС будет всегда одно и тоже. Такой источник ЭДС называют идеальным источником ЭДС.
Но как вы знаете, в нашем мире нет ничего идеального. То есть если бы в нашем акуме был идеальный источник ЭДС, тогда бы напряжение на клеммах акума никогда бы не проседало. Но оно проседает и тем больше, чем больше силы тока жрет нагрузка. Что-то здесь не так. Но почему так происходит? Этот вопрос задавал себе и немецкий физик Георг Ом и все-таки наконец-то он нашел объяснение этому процессу.
Дело все в том, что в аккумуляторе "спрятано" сопротивление, которое условно говоря, цепляется последовательно с источником ЭДС акума. И оно называется внутренним сопротивлением или выходным сопротивлением. Обозначается маленькой буковкой "r". Выглядит все это в акуме примерно вот так:
Цепляем лампочку
Итак, что у нас получается в чистом виде?
Лампочка - это нагрузка, которая обладает сопротивлением. Значит, еще больше упрощаем схему и получаем:
Итак, что имеем? Идеальный источник ЭДС, внутреннее сопротивление r и сопротивление нагрузки R. Вспоминаем статью делитель напряжения. Там говорится, что напряжение источника ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом резисторе.
Это означает, что на каждом сопротивлении падает какое-то напряжение:
На резисторе R падает напряжение UR , а на внутреннем резисторе r падает напряжение Ur.
Теперь вспоминаем статью Делитель тока. Кто не помнит, напомню. Сила тока, протекающая через последовательно соединенные сопротивления везде одинакова.
Вспоминаем алгебру за 5-ый класс и записываем все то, о чем мы с вами сейчас говорили. Из закона Ома для участка цепи получаем, что
Далее
Последнее выражение носит название закона Ома для полной цепи. Из этого выражения мы можем найти внутреннее сопротивление акума r.
Давайте снова вернемся к этой фотографии
Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе Ur тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае ЭДС=12,09 Вольт.
Как только мы цепанули нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:
Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение UR=11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило Ur=E-UR=12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:
Внутреннее сопротивление бывает не только у различных химических источников напряжения. Внутренним сопротивлением также обладают и различные измерительные приборы. Это в основном вольтметры и осциллографы. Дело все в том, что если подключить нагрузку R, сопротивление у которой будет меньше или даже равно r