Коефіцієнт корисної дії джерела струму
1-й семестр
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
2. Електричний струм
УРОК 7/18
Тема. Коефіцієнт корисної дії джерела струму
Мета уроку: ознайомити учнів з методикою розв’язання завдань на роботу й потужність електричного струму, розрахунок кількості теплоти, що виділилася в провіднику.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 4 хв. | 1. Робота електричного струму. 2. Закон Джоуля-Ленца. 3. Потужність електричного струму. |
Вивчення | 29 хв. | 1. У якому випадку на зовнішній частині кола виділяється максимальна потужність? 2. Коефіцієнт корисної дії джерела струму. 3. Розв’язування задач. |
Закріплення вивченого матеріалу | 12 хв. | 1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. У якому випадку на зовнішній частині кола виділяється максимальна потужність?
Для визначення залежності P(I) – потужності, споживаною зовнішньою частиною кола, – від сили струму розглянемо електричне коло, що складається із джерела
, замкнутого на зовнішнє навантаження з опором R.Помножимо обидві частини формули 
на значення сили струму I: 
– повна потужність, яку розвиває джерело струму; I2R = P – потужність, споживана зовнішньою частиною кола; I2r = Рв – потужність, споживана внутрішньою частиною кола. Отже, потужність, споживана зовнішньою частиною кола, дорівнює:
Графік залежності P(I) – парабола.
Аналіз отриманої залежності показує, що потужність, споживана зовнішньою частиною кола, за сил струму I1 = 0 й 
дорівнює нулю (Р = 0), а за сили струму 
має максимальне значення 
Після підстановки у формулу, що виражає закон Ома для повного кола, одержуємо: 
Звідси випливає, що максимальну потужність споживає зовнішнє навантаження у випадку, коли R = r.
2. Коефіцієнт корисної дії джерела струму
ККД джерела струму визначають як відношення потужності P, споживаної зовнішньою частиною кола (корисна потужність), до повної потужності Pn, яку розвиває джерело струму:
Після підстановки 
одержуємо:
Якщо в зовнішній частині кола вся енергія перетворюється тільки у внутрішню, то, підставивши U = IR й 
= I(R + r), одержуємо: 
Розділивши чисельник і знаменник на R, маємо:
Графік залежності?(R) при r = const зображений на рисунку:
Аналіз формули й графіка показує, що? 
1, коли r/R << 1. тобто для збільшення ккд джерела необхідно за можливості зменшувати його внутрішній опір.
У випадку короткого замикання (R 0) ? 0, тобто вся потужність споживається усередині джерела струму. Це може призвести не тільки до перегрівання внутрішніх частин джерела й виходу його з ладу, але й до пожежі. Тому короткі замикання недопустимі.
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. У мережу паралельно увімкнені дві лампи. Опір однієї з ламп більший від іншої. У якій з ламп виділиться більша кількість теплоти за однаковий час?
2. Як треба з’єднати обмотки двох нагрівачів, опущених у склянку з водою, щоб вода скоріше закипіла?
3. Чому електричні лампи накалювання частіше перегоряють під час вмикання й дуже рідко – за вимикання?
Розв’язання. Під час увімкнення, коли нитка лампи ще не нагрівся, її опір набагато менший від опору в робочому режимі. Тому сила струму дуже значна й ділянки нитки, товщина яких найменша, нагріваються до температури, що перевищує робочу: адже в цих ділянок більший електричний опір і менша площа поверхні.
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. У випадку підключення електромотора до джерела електричного струму з ЕРС 120 В напруга на клемах джерела дорівнює 96 В. Загальний опір підвідних проводів і джерела струму дорівнює 14 Ом. Яку корисну потужність розвиває електромотор, якщо його ККД становить 65 %? Втрату потужності на обмотках електромотора можна не враховувати.
Розв’язання. Повна потужність Pn, яку розвиває джерело струму, дорівнює сумі механічної потужності P й потужності PH, яка витрачається на нагрівання провідників: Pn = P + PH.
З урахуванням того, що 
одержуємо:
Оскільки ККД двигуна дорівнює 
де Pnoл – корисна потужність, яку розвиває електромотор, то
Із закону Ома маємо: 
Звідси: 
Після підстановки вираження для сили струму (1) з урахуванням (2) одержуємо: 
Визначаємо шукану величину:
2. Визначте ККД електричного двигуна, що за напруги 220 В і сили струму 2 А за 30 с піднімає вантаж масою 100 кг на висоту 10 м.
3. З якого матеріалу може бути виготовлена спіраль нагрівального елемента потужністю 480 Вт, якщо довжина проводу 15 м, площа його поперечного перерізу 0,21 мм2 , а напруга в мережі 120 В?
4. У нагрівальному приладі дві обмотки. Під час увімкнення тільки першої обмотки потужність приладу дорівнює 100 Вт, а в разі увімкнення тільки другої – 300 Вт. Якою буде потужність приладу у разі увімкнення двох обмоток: а) паралельно; б) послідовно?
Домашнє завдання
1. Підр-1: § 12 (п. 3, 4, 5); підр-2: § 6 (п. 3).
2. Зб.:
Рів1 № 5.13; 5.14; 5.16; 5.17.
Рів2 № 5.28; 5.29; 5.30; 5.31.
Рів3 № 5.32; 5.33; 5.62; 5.64.
3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 3.
ЗАВДАННЯ ІЗ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ № 3 “ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ”
Завдання 1 (1,5 бала)
На рисунку наведені графіки залежності сили струму від напруги для двох провідників.
А Опір провідника І більше від 8 Ом.
Б Опір провідника ІІ менше від 6 Ом.
В Опір провідника І менше, ніж опір провідника ІІ.
Г Опори обох провідників однакові.
Завдання 2 (2,5 бала)
На рисунку наведена схема електричного кола. Якщо ключ замкнено, показання амперметра дорівнюють 2 А.
А У разі замкнутого ключа показання вольтметра дорівнює 9 В.
Б У разі розімкнутого ключа показання вольтметра більше ЕРС джерела.
В Внутрішній опір джерела струму менше від 1 Ом.
Г У разі короткого замикання сила струму через джерело більша від 5 А.
Завдання 3 (3 бали)
Завдання 3 має на меті встановити відповідність (логічну пару). До кожного рядка, позначеного буквою, підберіть твердження, позначене цифрою.
А Робота струму.
Б Потужність струму.
В Закон Джоуля-Ленца.
Г Електрорушійна сила джерела.
1 Фізична величина, що дорівнює відношенню роботи струму до часу, протягом якого вона відбувалася.
2 Фізична величина, що дорівнює відношенню роботи сторонніх сил з переміщення заряду уздовж контуру до величини цього заряду.
3 Фізична величина, що дорівнює добутку сили струму, напруги й часу, протягом якого відбувалася робота.
4 Фізична величина, що дорівнює відношенню ЕРС джерела до повного опору кола.
5 Кількість тепла, що виділяється в провіднику під час проходження через нього електричного струму, пропорційна опору провідника, квадрату сили струму в колі й часу проходження струму.
Завдання 4 (5 балів)
ЕРС батарейки від кишенькового ліхтаря дорівнює 3,7 В, внутрішній опір – 1,5 Ом. Батарейка замкнута на опір 11,7 Ом. Яка напруга на затискачах батарейки?
