☰ Содержание · Физика

Соединение источников и правила Кирхгофа

Уроки 38 · 1 урок · Н. Ш. Турдиев, К. А. Турсунметов, А. Г. Ганиев, К. Т. Суяров, Ж. Э. Усаров, А. К. Авлиёкулов. Физика, 10 класс, 1-е издание. Издательство «Niso Poligraf», Ташкент, 2017
38

Последовательное и параллельное соединение источников тока

Учебник: с. 141–144
ЦельРассчитывать ЭДС, внутреннее сопротивление и ток батарей, соединённых последовательно и параллельно; знать правила Кирхгофа.
Новые слова
узел · tugunконтур · konturправила Кирхгофа · Kirxgof qoidalariбатарея · batareya
Объяснение

ЭДС одного гальванического элемента мала (около 1–2 В), поэтому элементы соединяют в батареи. Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, входящих в узел и выходящих из него, равна нулю (сохранение заряда): ΣI = 0. Второе правило: в замкнутом контуре алгебраическая сумма падений напряжения (IR) равна алгебраической сумме ЭДС: ΣIR = Σℰ. Когда n одинаковых элементов (ℰ, r) соединены последовательно, батарея имеет ЭДС nℰ и внутреннее сопротивление nr, а I = nℰ/(R + nr); если R ≫ nr, то I ≈ nℰ/R, то есть в n раз больше тока одного элемента — это полезно при большом внешнем сопротивлении. Когда они соединены параллельно (одноимёнными выводами вместе), ЭДС равна ℰ, внутреннее сопротивление r/n, а I = ℰ/(R + r/n); если R ≪ r, ток примерно в n раз больше тока одного элемента — это полезно при малом внешнем сопротивлении. Если два источника включены навстречу друг другу одноимёнными выводами (ℰ₂ > ℰ₁), I = (ℰ₂ – ℰ₁)/(r₁ + r₂).

Примеры
4 элемента (ℰ = 1,5 В, r = 0,5 Ом) соединены последовательно с R = 10 Ом: ℰб = 6 В, rб = 2 Ом, I = 6/(10 + 2) = 0,5 А. При параллельном соединении: ℰб = 1,5 В, rб = 0,125 Ом, I = 1,5/10,125 ≈ 0,15 А.
Два источника включены навстречу: ℰ₁ = 3 В, r₁ = 0,5 Ом и ℰ₂ = 2 В, r₂ = 0,5 Ом (одноимённые полюса вместе). I = (3 – 2)/(0,5 + 0,5) = 1 А. Вольтметр, подключённый между a и b, показывает U = ℰ₁ – Ir₁ = 3 – 0,5 = 2,5 В.
Работа в классе

Только расчётом: составьте таблицу ЭДС и внутреннего сопротивления 3 одинаковых элементов при последовательном и параллельном соединении; расчётом определите, какое соединение даёт больший ток при R = 0,1 Ом и R = 30 Ом. Никогда не замыкайте накоротко батареи или аккумуляторы.

Упражнения
1
Сформулируйте оба правила Кирхгофа.
2
Пять элементов соединены последовательно, у каждого ℰ = 2 В, r = 0,2 Ом. Чему равна ЭДС батареи (В)?
3
Эта батарея подключена к R = 4 Ом. Чему равна сила тока (А)? (rб = 5·0,2 = 1 Ом)
4
Когда полезно соединять элементы параллельно?