Сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Сопротивление r неоднородного участка цепи, приведенного на рис. 4.1. является внутренним сопротивлением источника тока. Если замкнуть точки а и в проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (R>r), то в цепи потечет ток короткого замыкания, величину которого можно определить из соотношения:

(4.13)

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить в цепи от данного источника с электродвижущей силой e и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением сила тока короткого замыкания может быть очень велика и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включают предохранители или специальные автоматы защиты сетей. В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику тока последовательно присоединяют некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r станет равным сумме внутреннего сопротивления источника и этого внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не оказывается чрезмерно большой.

Если внешняя цепь разомкнута, то , т.е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна её ЭДС.

Если внешнее «нагрузочное» сопротивление R включено и сила тока через батарею равна I, разность потенциалов на её полюсах становится равной .

Рис. 4.2. Схематическое изображение источника постоянного тока:

(1) – батарея разомкнута; (2) – батарея замкнута на внешнее сопротивление R;

(3) – короткое замыкание батареи

На рис. 4.2. дано схематическое изображение источника постоянного тока, с ЭДС равной e, и внутренним сопротивлением r   при трех режимах: «холостой ход» (1), работа на нагрузку (2), режим короткого замыкания (3). На рисунках показаны направления напряженности электрического поля внутри батареи (  и силы, действующие на положительные заряды: В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.

Для измерения напряжения и силы тока в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов на его клеммах. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым собственным (внутренним) сопротивлением R_V. Для того чтобы он не вызывал заметного перераспределения токов при подключении к измеряемому участку цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением этого участка. Из рисунка 4.3. следует, что R_V >> R _2. Т.е. сила тока   протекающего через вольтметр, много меньше силы тока  в тестируемом участке цепи. Если в условиях данной цепи сопротивление вольтметра R_V можно принять равным бесконечности, то такой прибор называют идеальным вольтметром. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Рис. 4.3. Включение амперметра (А) и вольтметра (В) в электрическую цепь

 

Схема подключения вольтметра для измерения разности потенциалов на участке цепи cd показан на рис. 4.3.

Амперметр  предназначен для измерения силы тока в цепи. Его включают

последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил противлением R _А. В отличие от вольтметра, его сопротивление должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением цепи. Для цепи, изображенной на рис. 4.3, сопротивление амперметра должно удовлетворять условию R _А <<(r + R ₁ + R ₂), чтобы при включении амперметра сила тока в цепи не изменялась.

Если параметры цепи позволяют считать сопротивление амперметра равным нулю, то такой прибор называют идеальным амперметром.

Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.

 

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте определение постоянного электрического тока.

2. Запишите единицу измерения силы тока в СИ.

3. Какие условия должны быть выполнены, для того чтобы в замкнутой цепи циркулировал постоянный электрический ток?

4. Какие устройства называются источниками постоянного тока?

5.Какие силы называются сторонними?

6. Сформулируйте определение ЭДС.

7. Запишите единицу измерения ЭДС в СИ.

8. Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи.

9. Сформулируйте закон Ома для неоднородного участка цепи.

10. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

11. Каким прибором измеряют силу постоянного тока в цепи?

12. Как включают в цепь амперметр для измерения?

13. Каким прибором измеряют напряжение на участке цепи?

12. Как включают в цепь вольтметр для измерения?

Тест для самоконтроля

1.   Как движутся свободные электроны в проводнике при наличии в нем электрического поля?

1. Участвуют в тепловом хаотическом движении и дрейфуют к точкам с большим потенциалом.

2. Участвуют в тепловом хаотическом движении и дрейфуют к точкам с меньшим потенциалом.

3. Участвуют только в упорядоченном движении под действием электрического поля.

4.  Участвуют только в тепловом хаотическом движении.

Ответ: 3.