Электродвижущая сила.
Закон Ома для полной цепи.

Дополнительный конспект по физике в 8 классе «Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. КПД источника тока. Правила Кирхгофа. Нагревательные элементы. Использование электрической энергии в быту и технике.» к опорному конспекту № 19 и опорному конспекту № 20.
Вернуться к Списку конспектов по физике

Переходим от простых цепей (резисторы, лампочки) к реальным источникам тока и сложным разветвлённым цепям. В 8 классе эта тема часто воспринимается как сложная, но закон Ома для полной цепи и правила Кирхгофа — это логичное продолжение всего, что ранее изучали. А завершим обзором того, как всё это работает в реальных приборах — от утюга до лампы накаливания.

Электродвижущая сила (ЭДС) — Что «толкает» ток?

Когда мы говорили об источнике тока (батарейка, аккумулятор, генератор), мы подразумевали, что внутри него есть «сторонние силы», которые разделяют заряды и создают разность потенциалов.
📌 Электродвижущая сила (ЭДС, \( \mathcal{E} \)) — это физическая величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда внутри источника тока.
Формула:

\( \mathcal{E} = \frac{A_{стор}}{q} \)

• \( \mathcal{E} \) — ЭДС (Вольты, В)
• \( A_{стор} \) — работа сторонних сил (Дж)
• \( q \) — заряд (Кл)

Важно: ЭДС — это напряжение на клеммах источника при разомкнутой цепи (когда ток не течёт). Как только мы подключаем нагрузку, напряжение на клеммах становится меньше из-за внутреннего сопротивления источника.

Напряжение на клеммах источника (\( U \))

Это то напряжение, которое мы измеряем вольтметром на клеммах источника.

\( U = \mathcal{E} \mathbin{-} I \cdot r \)

При разомкнутой цепи (\( I = 0 \)): \( U = \mathcal{E} \) (напряжение равно ЭДС). При замкнутой цепи (\( I > 0 \)): напряжение меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении.

Закон Ома для полной цепи

Реальный источник тока имеет внутреннее сопротивление (\( r \)). Это сопротивление самого источника (электролита, проводников внутри батарейки).
📌 Закон Ома для полной цепи:
Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
Формула:

\( I = \frac{\mathcal{E}}{R + r} \)

• \( I \) — сила тока в цепи (А)
• \( \mathcal{E} \) — ЭДС источника (В)
• \( R \) — внешнее сопротивление цепи (нагрузка) (Ом)
• \( r \) — внутреннее сопротивление источника (Ом)

Что это означает на практике?
• Если \( r \) очень маленькое (как у хорошего аккумулятора), то \( I \approx \mathcal{E} / R \), и мы можем пользоваться простым законом Ома.
• Если \( r \) большое (как у старой «севшей» батарейки), то ток в цепи будет маленьким, даже если внешнее сопротивление \( R \) невелико.
• При коротком замыкании (\( R \to 0 \)): \( I = \mathcal{E} / r \). Если \( r \) маленькое, ток становится огромным (батарейка нагревается и может взорваться).

КПД источника тока

Источник тока совершает полную работу \( A_{полн} = \mathcal{E} \cdot I \cdot t \). Часть этой работы идет на нагрев внешней цепи (полезная работа), часть — на нагрев самого источника (потери).
КПД источника тока (\( \eta \)):

\( \eta = \frac{U}{ \mathcal{E}} \cdot 100\% = \frac{R}{R + r} \cdot 100\% \)

• Чем больше внешнее сопротивление \( R \) по сравнению с \( r \), тем выше КПД.
• При коротком замыкании (\( R = 0 \)): КПД = 0% (вся энергия уходит на нагрев источника).
• При согласованной нагрузке (\( R = r \)): КПД = 50% (это используется в некоторых схемах для максимальной передачи мощности).

Первое правило Кирхгофа (Для разветвлённых цепей)

Если в цепи есть узлы (точки соединения трёх и более проводов), то применяется это правило. Оно основано на законе сохранения заряда.
📌 Первое правило Кирхгофа (правило узлов):
Сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из узла.
Математически:

\( \sum I_{вх} = \sum I_{вых} \)

Пример: Если в узел входят токи 2 А и 3 А, а выходят токи \( I_1 \) и \( I_2 \), то \( 2 + 3 = I_1 + I_2 \).

Второе правило Кирхгофа (Для контуров)

Это правило является следствием закона сохранения энергии и применяется для замкнутых контуров в разветвлённых цепях. Оно гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех элементах замкнутого контура равна сумме ЭДС в этом контуре.
📌 Второе правило Кирхгофа (правило контуров):
В любом замкнутом контуре сумма падений напряжения равна сумме ЭДС.
Математически:

\( \sum I \cdot R = \sum \mathcal{E} \)

Как применять (ОГЭ-шпаргалка):
1. Выбрать направление обхода контура (по часовой стрелке или против).
2. Если ток на участке совпадает с направлением обхода, падение напряжения \( +IR \), если не совпадает — \( -IR \).
3. Если ЭДС совпадает с направлением обхода, она записывается со знаком \( + \), если не совпадает — со знаком \( \mathbin{-} \).

Применение правил Кирхгофа

Правила Кирхгофа позволяют рассчитать любую, сколь угодно сложную цепь (например, мостовые схемы, цепи с несколькими источниками).

Алгоритм решения:
1. Задать направления токов в каждой ветви (произвольно).
2. Записать первое правило Кирхгофа для всех узлов (кроме одного).
3. Записать второе правило Кирхгофа для всех независимых контуров.
4. Решить полученную систему линейных уравнений.

Нагревательные элементы (утюг, чайник, паяльник)

Мы уже касались этого в теме закона Джоуля-Ленца. Теперь конкретизируем конструкцию.

Почему нихром? У него высокое удельное сопротивление (\( \rho \approx 1,1 \cdot 10^{-6} \, \text{Ом} \cdot \text{м} \)), он не окисляется на воздухе и выдерживает высокие температуры.

Лампы накаливания (Устройство и работа)

Этот прибор — классика физики. У него наименьший КПД среди ламп (всего 5–10% энергии превращается в свет, остальное — в тепло).

Устройство:
1. Стеклянная колба — заполнена инертным газом (аргон, криптон) для защиты вольфрамовой нити от окисления и для замедления испарения вольфрама.
2. Вольфрамовая нить — спираль (или двойная спираль) с очень тонким сечением (0,01–0,03 мм) и большим сопротивлением.
3. Цоколь — для подключения к патрону.

Принцип: При прохождении тока нить нагревается до 2500–3000°C и начинает излучать свет (за счёт теплового излучения).

Почему лампы перегорают при включении? Потому что холодный вольфрам имеет меньшее сопротивление. В момент включения ток резко возрастает, происходит тепловой удар, и нить может порваться.

Решение типовых задач

ЗАДАЧА №1 (Закон Ома для полной цепи)
Условие: ЭДС батарейки 4,5 В, внутреннее сопротивление 0,5 Ом. К ней подключили резистор 4 Ом. Найдите ток в цепи и напряжение на клеммах батарейки.
Дано:
\( \mathcal{E} = 4,5 \, В \)
\( r = 0,5 \, Ом \)
\( R = 4 \, Ом \)
Решение:
1. \( I = \frac{\mathcal{E}}{R + r} = \frac{4,5}{4 + 0,5} = \frac{4,5}{4,5} = 1 \, А \).
2. \( U = \mathcal{E} \mathbin{-} I \cdot r = 4,5 \mathbin{-} 1 \cdot 0,5 = 4 \, В \).
Ответ: \( I = 1 \, А \), \( U = 4 \, В \).

ЗАДАЧА №2 (КПД источника)
Условие: Источник тока с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 1 Ом питает внешнюю цепь с сопротивлением 5 Ом. Найдите КПД источника.
Дано:
\( \mathcal{E} = 12 \, В \)
\( r = 1 \, Ом \)
\( R = 5 \, Ом \)
Решение:
\( \eta = \frac{R}{R + r} \cdot 100\% = \frac{5}{5 + 1} \cdot 100\% = \frac{5}{6} \cdot 100\% \approx 83,3\% \).
Ответ: \( \approx 83,3\% \).

ЗАДАЧА №3 (Первое правило Кирхгофа)
Условие: В узел электрической цепи входят токи 3 А и 5 А, а выходят токи 4 А и \( I \). Найдите \( I \).
Дано:
\( I_{вх1} = 3 \, А \)
\( I_{вх2} = 5 \, А \)
\( I_{вых1} = 4 \, А \)
Решение:
По первому правилу: \( I_{вх1} + I_{вх2} = I_{вых1} + I \).
\( 3 + 5 = 4 + I \Rightarrow 8 = 4 + I \Rightarrow I = 4 \, А \).
Ответ: \( I = 4 \, А \).

Шпаргалка – ЭДС, закон Ома, Кирхгоф

❓ Вопрос на подумать (К следующей теме — магнетизм): Мы разобрали электрические цепи, источники тока и КПД. Следующий шаг — понять, как электричество создаёт магнетизм. Почему катушка с током становится магнитом и как это используют в звонках и электродвигателях?

(Ответ: ток создаёт магнитное поле — это открыл Эрстед в 1820 году. Следующая тема — Магнитное поле тока).

Конспект урока по физике для 8 класса «Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. КПД источника тока. Правила Кирхгофа. Нагревательные элементы. Использование электрической энергии в быту и технике.». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по физике для 7-11 классов
• Найти конспект через Кодификатор ОГЭ по физике
• Найти конспект через Кодификатор ЕГЭ по физике