Ответьте на вопросы, страница 146 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему внутреннее сопротивление источника тока стремятся уменьшить в сравнении с сопротивлением внешней цепи?

Решение

Чтобы развернуто ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть, как внутреннее сопротивление источника тока влияет на ключевые параметры электрической цепи, такие как сила тока, распределение мощности и коэффициент полезного действия (КПД).

Любой реальный источник тока (например, батарейка, аккумулятор или генератор) обладает не только электродвижущей силой (ЭДС), обозначаемой $ \mathcal{E} $, но и собственным внутренним сопротивлением $r$. Когда источник подключают к внешней цепи (нагрузке) с сопротивлением $R$, образуется полная электрическая цепь.

Согласно закону Ома для полной цепи, сила тока $I$ в ней определяется по формуле:

$I = \frac{\mathcal{E}}{R + r}$

где $(R + r)$ — полное сопротивление цепи.

Рассмотрим два основных аспекта, на которые влияет внутреннее сопротивление.

1. Эффективность передачи энергии (КПД)

Полная мощность $P_{полн}$, развиваемая источником, расходуется на выделение тепла как во внешней, так и во внутренней части цепи.

• Полезная мощность $P_{полезн}$, выделяемая на внешней нагрузке $R$: $P_{полезн} = I^2R$. Именно эта мощность совершает полезную работу.
• Мощность потерь $P_{потерь}$, бесполезно рассеиваемая в виде тепла внутри источника на его внутреннем сопротивлении $r$: $P_{потерь} = I^2r$.

Коэффициент полезного действия (КПД) источника $\eta$ — это отношение полезной мощности к полной мощности ($P_{полн} = P_{полезн} + P_{потерь}$):

$\eta = \frac{P_{полезн}}{P_{полн}} = \frac{I^2R}{I^2(R+r)} = \frac{R}{R+r}$

Анализ этой формулы показывает: чтобы КПД был высоким (близким к 1 или 100%), знаменатель $(R+r)$ должен быть как можно ближе к числителю $R$. Это достигается, когда внутреннее сопротивление $r$ значительно меньше сопротивления нагрузки $R$ ($r \ll R$). В этом случае большая часть энергии, производимой источником, будет передаваться полезной нагрузке, а не расходоваться на нагрев самого источника. Если же $r$ будет сопоставимо с $R$, значительная часть энергии будет теряться, а КПД будет низким.

2. Падение напряжения на клеммах источника

Напряжение $U$ на клеммах источника, которое приложено к внешней нагрузке $R$, не равно ЭДС. Оно меньше на величину падения напряжения внутри самого источника:

$U = IR = \mathcal{E} - Ir$

Величина $Ir$ — это "потеря" напряжения на внутреннем сопротивлении. Чтобы напряжение на выходе источника $U$ было максимально близко к его ЭДС $\mathcal{E}$ и оставалось стабильным при изменении тока в цепи (например, при подключении разных нагрузок), внутреннее сопротивление $r$ должно быть как можно меньше. Источник с малым $r$ является более "жестким" или стабильным, так как его выходное напряжение мало зависит от потребляемого тока.

Например, стартерный аккумулятор автомобиля должен иметь очень низкое внутреннее сопротивление, чтобы при запуске двигателя отдавать огромный ток (сотни ампер) без значительного падения напряжения.

Ответ:

Внутреннее сопротивление источника тока стремятся уменьшить для того, чтобы:
1. Повысить КПД источника. Чем меньше внутреннее сопротивление, тем меньшая доля энергии источника расходуется на его собственный бесполезный нагрев и, соответственно, большая часть энергии передается полезной нагрузке.
2. Уменьшить падение напряжения внутри источника. Это позволяет поддерживать на выходе источника напряжение, близкое к его ЭДС, и обеспечивать стабильность этого напряжения при изменении потребляемого тока.
3. Обеспечить способность источника отдавать большой ток. Для многих применений (например, запуск двигателя) требуется большой ток, что возможно только при очень малом внутреннем сопротивлении.