Номер 2, страница 76, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

2. Почему при коротком замыкании напряжение на клеммах источника близко к нулю, хотя сила тока в цепи максимальна?

2. Решение:

Данное явление объясняется на основе закона Ома для полной цепи и определения напряжения на клеммах источника тока.

1. Закон Ома для полной цепи. Сила тока $\text{I}$ в электрической цепи, состоящей из источника с электродвижущей силой (ЭДС) $\varepsilon$ и внутренним сопротивлением $\text{r}$, и внешней цепи с сопротивлением $\text{R}$, определяется по формуле:

$I = \frac{\varepsilon}{R + r}$

2. Короткое замыкание (КЗ). Это режим, при котором клеммы источника соединяются проводником с пренебрежимо малым сопротивлением. То есть, сопротивление внешней цепи $\text{R}$ стремится к нулю ($R \to 0$).

3. Максимальная сила тока. В режиме короткого замыкания общее сопротивление цепи $R + r$ становится минимальным и практически равным внутреннему сопротивлению источника $\text{r}$. Согласно формуле закона Ома, так как знаменатель дроби минимален, сила тока в цепи достигает своего максимального значения. Этот ток называется током короткого замыкания $I_{кз}$:

$I_{кз} = \frac{\varepsilon}{0 + r} = \frac{\varepsilon}{r}$

Поэтому при коротком замыкании сила тока в цепи максимальна.

4. Напряжение на клеммах источника. Напряжение на клеммах источника $\text{U}$ — это напряжение на внешней части цепи. Его можно определить двумя эквивалентными способами:

а) По закону Ома для участка цепи (внешней цепи): $U = I \cdot R$.

Поскольку при коротком замыкании $R \to 0$, то и напряжение на клеммах источника также стремится к нулю:

$U = I_{кз} \cdot R \approx I_{кз} \cdot 0 = 0$

б) Через ЭДС и падение напряжения на внутреннем сопротивлении: $U = \varepsilon - I \cdot r$.

Подставив в эту формулу значение тока короткого замыкания $I_{кз} = \varepsilon / r$, получим:

$U = \varepsilon - I_{кз} \cdot r = \varepsilon - \left(\frac{\varepsilon}{r}\right) \cdot r = \varepsilon - \varepsilon = 0$

Оба подхода показывают, что напряжение на клеммах источника в режиме КЗ становится равным нулю.

Ответ:

При коротком замыкании сопротивление внешней цепи $\text{R}$ близко к нулю. Напряжение на клеммах источника, которое равно напряжению на внешней цепи ($U = I \cdot R$), также становится близким к нулю. При этом ток в цепи, определяемый полным сопротивлением ($I = \frac{\varepsilon}{R+r}$), становится максимальным, так как его ограничивает только малое внутреннее сопротивление источника $\text{r}$. Практически вся ЭДС источника $\varepsilon$ расходуется на преодоление его собственного внутреннего сопротивления (происходит падение напряжения $I \cdot r$), поэтому на внешних клеммах напряжение отсутствует ($U = \varepsilon - I \cdot r \approx 0$).