mozok.click » Фізика » Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола
Інформація про новину
  • Переглядів: 10
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 19:07
12-02-2018, 19:07

Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола

Категорія: Фізика

Енергетична характеристика джерела струму. Як ми уже з'ясували, для тривалого існування електричного струму в колі потрібне джерело, в якому постійно відбувається розділення електричних зарядів, у результаті чого підтримується стала різниця потенціалів. Будь-яке джерело постійного струму має два полюси: полюс із високим потенціалом - позитивний - і з найнижчим потенціалом - негативний.

Під’єднаємо до полюсів джерела провідник (мал. 34). Під дією сил електричного поля позитивно заряджені частинки рухаються у напрямку від позитивного полюса джерела до негативного. Але замкнути коло, перемістивши електричні заряди із точки В у точку А, сили електричного поля не

можуть, оскільки діють на них у протилежний бік. Тому всередині джерела крім електричних сил діють ще й сторонні сили, що переміщують позитивні заряди від негативного полюса батареї до позитивного і протидіють електричним силам, які прагнуть вирівняти потенціали на полюсах. Завдяки цьому заряди циркулюють по замкненому колу, створюючи струм.

На переміщення зарядів із точки В у точку А затрачається відповідна робота А,.т, яку виконують сторонні сили. Чим більший заряд переміщується, тим більша затрачається робота. Іншими словами, Аст - q або, переходячи до знака рівності,

постійний коефіцієнт пропорційності, що характеризує відповідне джерело і називається електрорушійною силою джерела1 (скорочено ЕРС).

Електрорушійна сила в - це фізична величина, що характеризує енергію сторонніх сил джерела струму й вимірюється роботою сторонніх сил (тобто сил неелектростатичного походження), виконаною при переміщенні

одиничного позитивного електричного заряду,

Одиниця електрорушійної сили - вольт,



У результаті розділення всередині джерела позитивних і негативних зарядів джерело набуває запасу потенціальної енергії, яка витрачається на виконання роботи з переміщення зарядів по всьому колу. Тепер можемо сказати: ту частину замкненого кола, в якій заряди рухаються під дією електростатичної різниці потенціалів називають зовнішньоюу а ту, в якій носії заряду рухаються під дією сторонніх сил, - внутрішньою. Полюси джерела струму розділяють внутрішню і зовнішню ділянки кола.

Сторонні сили забезпечують розділення різнойменно заряджених частинок в джерелі (у внутрішньому колі) і підтримують певну різницю, потенціалів на полюсах, тим самим зумовлюючи рух зарядів у зовнішньому колі. Отже, робота сторонніх сил дорівнює сумі робіт, що виконуються по переміщенню заряду на внутрішній і зовнішній ділянках кола, АСГВВ + Азовн.

Роботу, виконувану сторонніми силами по переміщенню заряду на зовнішній ділянці кола (так само, як і енергію, що виділяється в провіднику у вигляді тепла під час проходження струму), обчислюють за формулою Аювп = QUзови* Де ^зовн “ спад напруги на зовнішній ділянці кола.

Відповідно робота сторонніх сил по переміщенню заряду на внутрішній ділянці кола Авн = qUBny де Uan - спад напруги на внутрішній ділянці кола.

Таким чином,

Закон Ома для повного кола. Джерело струму, як і будь-який провідник, має певний опір, котрий називають внутрішнім опором джерела і позначають г на відміну від опору зовнішнього кола R. Як відомо з курсу 9 класу, згідно із законом Ома для ділянки кола сила струму І у ділянці кола, прямо пропорційна прикладеній напрузі U і обернено пропорційна опорові

R цієї ділянки,

Формулу закону Ома записують і в такому вигляді:

U = IRy де добуток IR називають спадом напруги на даній ділянці кола. Якщо ділянка не містить джерела струму, то поняття напруги і спаду напруги збігаються.

Згідно із законом Ома для зовнішньої і внутрішньої ділянок кола, можна записати UBH = /г, U3QBH = IR. Тоді S-IR + Ігу сума спадів напруг на зовнішній і внутрішній ділянках кола дорівнює ЕРС джерела.

1 Термін «електрорушійна сила» виник до того, як були з’ясовані процеси, що відбуваються в електричному колі. Як видно з означення, мова йде про енергетичну характеристику джерела, а не про силову.

Співвідношення записане у вигляді

називають законом Ома для повного кола: сила струму у замкненому електричному колі прямо пропорційна електрорушійній силі джерела струму і обернено пропорційна повному опору кола.


Отже, сила струму в колі залежить від трьох величин, дві з яких (ЕРС і внутрішній опір) характеризують джерело, а третя залежить від самого кола. Якщо користуватись певним джерелом електричної енергії, то £ і г можна вважати сталими величинами. Якщо змінювати опір зовнішнього кола, то відповідно змінюватиметься сила струму І в колі і спад напруги IR на зовнішній ділянці кола. Зі збільшенням опору зовнішнього кола сила струму зменшується, напруга ж зростає. Якщо Я = °°(коло розімкнене), то І =0, спад напруги всередині джерела відсутній, а напруга на полюсах джерела дорівнює його ЕРС. На цьому ґрунтується наближене вимірювання ЕРС джерела. Вольтметр приєднують до полюсів джерела при розімкнено-му зовнішньому колі. При цьому вольтметр показує спад напруги IR на самому собі. А оскільки опір вольтметра зазвичай дуже великий, тобто R^>r , U = IR~g . Чим більший опір вольтметра порівняно з внутрішнім опором джерела струму, тим точніше виміряне значення ЕРС.

Коротке замикання. Зі зменшенням опору зовнішнього кола, R—>0,

сила струму набуває максимального значення

Цей випадок називають коротким замиканням.

Для джерел, де порівняно малий внутрішній опір (наприклад, у свинцевих акумуляторах г ~ 0,1 + 0,001 Ом), сила струму короткого замикання може досягти дуже великих значень. Провідники можуть розплавитись, а саме джерело вийти з ладу. Особливо небезпечні короткі замикання в освітлювальних мережах, які живляться від трансформаторних підстанцій, ЕРС яких вимірюється сотнями вольтів. Сила струму короткого замикання в них може досягти кількох тисяч амперів.

Дайте відповіді на запитання

1. Чи може тривалий час існувати електричний струм у колі, якщо на рухливі носії заряду діють тільки кулонівські сили?

2. У чому полягає фізична суть поняття електрорушійної сили джерела струму? Що вона характеризує?

3. З яких частин складається замкнене коло?

4. Що таке струм короткого замикання?

Приклади розв'язування задач

Задача. До якої напруги зарядяться конденсатори Cj та С2, підключені до джерела, якщо його ЕРС 2,2 В, внутрішній опір 0,4 Ом? Параметри резисторів та конденсаторів такі: Я| = 3 Ом, R2 = 1 Ом, R3 = 5 Ом; Сх = 2 мкФ, С2 = 3 мкФ (мал. 35).

Розв’язання

Оскільки ділянкою з конденсаторами постійний струм не проходить, то для обводу KLNM можна записати

Напруга на резисторі Я., становить

Така ж напруга буде і між точками X та У ділянки, що містить конденсатори. Оскільки конденсатори з’єднані послідовно, то обидва вони мають однаковий заряд </.

Напруги на цих конденсаторах


Для напруги між точками X та У можна записати

звідки

Підставивши у рівності (2) значення q та U3 з рівностей (1) та (3), отримуємо

Як видно, від величини опору Я2 значення Ui та U2 не залежать.

Після підстановки числових значень отримуємо Ux = 0,78 В; U2 = 0,52 В. Відповідь: 0,78 В; 0,52 В.

Вправа 8

1. Для визначення ЕРС і внутрішнього опору джерела струму склали коло за схемою, зображеною на мал. 36. За деякого положення ковзного контакте реостата амперметр показав 0,5 А, а вольтметр — 4 В. Коли контакт перемістили трохи вліво, амперметр показав 0,9 А, а вольтметр - 3,6 В. Обчислити ЕРС і внутрішній опір джерела.

2. Лампочки, опори яких дорівнюють 3 та 12 Ом, по черзі приєднували до деякого джерела струму, і вони споживали однакову потужність. Визначити внутрішній опір джерела і ККД кола в кожному випадку. (Вказівка: ККД

кола дорівнює

3. Визначити заряд на обкладках конденсатора (мал. 37), якщо ЕРС джерела £, його внутрішній опір г. Опори резисторів Я, та /?2 відомі. Ємність конденсатора С.

4. Вважаючи відомими величини, вказані на схемі (мал. 38), визначити заряд на конденсаторі. Як зміниться величина заряду, якщо Я, та Я2 вимкнути?



^