Меню

Как называют силы совершающие работу по переносу зарядов против электрических сил в источнике тока

Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

Урок 55. Физика 10 класс ФГОС

Доступ к видеоуроку ограничен

Конспект урока «Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи»

На прошлых уроках мы с вами говорили о том, что для возникновения электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц, способных перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля. Также мы с вами узнали, что движение свободных заряженных частиц в проводнике под действием сил электрического поля приводит к появлению индуцированных зарядов. Эти заряды создают электрическое поле внутри проводника, которое полностью компенсирует внешнее электрическое поле, поэтому движение свободных заряженных частиц в проводнике быстро прекращается.

Для поддержания в проводнике постоянного электрического тока необходимо, чтобы проводник являлся частью замкнутой цепи, содержащей источник тока, в котором осуществляется работа по перемещению зарядов против сил электрического поля. Источники тока могут быть различны по своей конструкции, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц.

В результате разделения зарядов происходит их накопление на полюсах источника и возникновение вследствие этого на полюсах разности потенциалов. Возникшее при этом электрическое поле внутри источника тока противодействует разделению зарядов. Если цепь разомкнуть, то при достижении на полюсах источника определённой разности потенциалов разделение зарядов прекращается. Вместе с этим прекращается и работа источника тока. Соединяя полюсы источника тока проводником, который будет представлять собой внешний участок цепи, мы создадим в нём электрическое поле, которое будет действовать на электрические заряды проводника.

Электрические заряды во внешней цепи (например, электроны в металле) придут в движение, что и обусловит ток. Избыточные заряды отрицательного полюса источника начнут стекать во внешний участок цепи, на положительном же полюсе будет происходить нейтрализация его положительного заряда. Таким образом, на обоих полюсах источника тока избыточный заряд уменьшится. Это приведёт к тому, что в источнике снова начнёт происходить, разделение зарядов и оно будет продолжаться всё время, пока цепь остаётся замкнутой. Во внешнем участке цепи́ будет совершаться работа силами электрического поля. Внутри источника тока работа будет совершаться силами неэлектростатической природы, развиваемыми источником тока. Эти силы принято называть сторонними силами.

Величина, измеряемая отношением работы, совершаемой сторонними силами при перемещении заряда по замкнутой цепи, к абсолютной величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника тока (сокращённо ЭДС).

Обозначают её греческой буквой ξ, а измеряют, как и напряжение, в вольтах (В).

Несмотря на то, что ЭДС источника при разомкнутой цепи равна разности потенциалов на клеммах источника, работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов.

Вам уже известно, что всякая полная цепь электрического тока состоит из двух частей: внешней и внутренней. Внешнюю часть цепи составляют различные потребители и подводящие провода. Во внутреннюю же часть цепи входит источник тока, обладающий сопротивлением (это сопротивление принято называть внутренним).

Когда цепь замкнута, то электрический ток существует как во внешней, так и во внутренней части цепи. Так как источник тока также обладает сопротивлением, то падение напряжения имеет место как во внешней, так и во внутренней части цепи.

Включим в цепь какого-нибудь источника тока сопротивление и определим на опыте сумму падений напряжения во внешней и внутренней частях цепи. В представленной установке во внешнюю цепь включён амперметр и реостат. Падение напряжения во внешней части цепи измеряется вольтметром, который подключён к зажимам элемента, а второй вольтметр измеряет падение напряжения на внутреннем сопротивлении элемента. Реостатом можно менять ток в цепи; при этом будут меняться показания вольтметров.

Итак, из результатов эксперимента видно, что сумма падений напряжений во внешней и внутренней частях цепи в пределах погрешностей опыта есть величина постоянная, в среднем равная 1,02 В)

Если измерить напряжение на зажимах элемента при разомкнутой внешней цепи, то оно также окажется равным 1,02 В. Таким образом, опыт показывает, что сумма падений напряжений на всех участках замкнутой цепи равна напряжению на полюсах источника тока при разомкнутой внешней цепи.

Но, как мы с вами уже знаем, напряжение или разность потенциалов на полюсах источника тока при разомкнутой внешней цепи равно ЭДС источника тока. Следовательно, электродвижущая сила источника тока равна сумме падений напряжений на всех участках замкнутой электрической цепи.

Обозначим сопротивление внешней части цепи через R, а внутренней — через r. Пусть ток в цепи равен I, а ЭДС источника — ξ. Тогда по определению ЭДС (и на основании результатов наших опытов) мы можем записать такое выражение:

Читайте также:  Не поступает ток в топливный насос

Выразив из записанного равенства значение силы тока, получим математическое выражение закона Ома для полной цепи, который формулируется следующим образом: сила тока в полной электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

Но вернёмся к нашей предыдущей формуле. Итак, мы с вами знаем, что в случае однородного участка цепи произведение силы тока на сопротивление этого участка есть падение напряжения:

Тогда мы можем записать, что падение напряжения на внешнем участке равно разности ЭДС источника тока и произведения силы тока и внутреннего сопротивления источника:

Теперь подставим в это уравнение выражение для силы тока из закона Ома для полной цепи:

Анализ полученной нами формулы позволяет сделать два очень важных вывода. Во-первых, при разомкнутой цепи (когда внешнее сопротивление стремиться к бесконечности) напряжение на полюсах источника тока равно ЭДС источника тока: U = ξ.

На этом и основана возможность приблизительного измерения ЭДС источника тока с помощью вольтметра.

А во-вторых, если сопротивление внешнего участка цепи стремится к нулю, то сила тока в цепи возрастает и достигает максимального значения. Падение напряжения на источнике тока при этом равно ЭДС, а напряжение между его полюсами — нулю. Такой режим работы источника тока называют коротким замыканием, а максимальную для данного источника силу тока называют силой тока короткого замыкания:

Режим короткого замыкания чрезвычайно опасен, поскольку может привести к повреждению источника тока и даже быть причиной пожара.

Для определения знака ЭДС любого источника необходимо вначале условиться относительно выбора положительного направления обхода контура. Сразу скажем, что выбор этот делается абсолютно произвольно. После этого считают, что если данный источник вызывает ток в направлении обхода, то его ЭДС считается положительной. В противном же случае — отрицательной.

При этом, если в электрической цепи содержится несколько источников тока, то алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков равна алгебраической сумме ЭДС, имеющихся в контуре:

Данное утверждение называется вторым правилом Кирхгофа.

Для закрепления нового материала решим такую задачу. В проводнике сопротивлением 2 Ом, подключённом к источнику тока с ЭДС, равной 1,1 В, сила тока равна 0,5 А. Определите силу тока короткого замыкания.

Источник



Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

Т. Сторонние силы

Электрические цепи. Электродвижущая сила

Электрическая цепь состоит из источника тока, потребителей электроэнергии, соединительных проводов и ключа, служащего для размыкания и замыкания цепи и других элементов (рис. 1).

Рисунки, на которых изображены способы соединения электрических приборов в цепь, называются электрическими схемами. Приборы на схемах обозначаются условными знаками.

Как отмечалось, для поддержания в цепи электрического тока необходимо, чтобы на концах ее (рис. 2) существовала постоянная разность потенциалов φAφB. Пусть в начальный момент времени φA > φB, тогда перенос положительного заряда q из точки А в точку В приведет к уменьшению разности потенциалов между ними. Для сохранения постоянной разности потенциалов необходимо перенести точно такой же заряд из B в A. Если в направлении АВ заряды движутся под действием сил электростатического поля, то в направлении ВА перемещение зарядов происходит против сил электростатического поля, т.е. под действием сил неэлектростатической природы, так называемых сторонних сил. Это условие выполняется в источнике тока, который поддерживает движение электрических зарядов. В большинстве источников тока движутся только электроны, в гальванических элементах — ионы обоих знаков.

Источники электрического тока могут быть различны по своей конструкции, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделение зарядов происходит под действием сторонних сил. Сторонние силы действуют лишь внутри источника тока и могут быть обусловлены химическими процессами (аккумуляторы, гальванические элементы), действием света (фотоэлементы), изменяющимися магнитными полями (генераторы) и т.д.

Любой источник тока характеризуют электродвижущей силой — ЭДС.

Электродвижущей силой ε источника тока называют физическую скалярную величину, равную работе сторонних сил по перемещению единич ного положительного заряда вдоль замкнутой цепи

Единицей электродвижущей силы в СИ является вольт (В).

ЭДС является энергетической характеристикой источника тока.

В источнике тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, световой, внутренней и т.п. энергии в электрическую. Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника тока (места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют потребители). Один полюс источника тока заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника тока создается электростатическое поле. Если полюса источника тока соединить проводником, то в такой электрической цепи возникает электрический ток. При этом характер поля меняется, оно перестает быть электростатическим.

Читайте также:  По стержню протекает ток i угол наклона равен 30

На рисунке 3 схематично в виде сферического проводника изображена отрицательная клемма источника тока и сечение присоединенного к ней конца металлического провода. Пунктиром показаны некоторые линии напряженности поля клеммы до внесения в него провода, а стрелками — силы, действующие на свободные электроны провода, находящиеся в точках, помеченных цифрами. Электроны в различных точках поперечного сечения провода под действием кулоновских сил поля клеммы приобретают движение не только вдоль оси провода. Например, электрон, находящийся в точке 1, оказывается вовлеченным в «токовое» движение. Но вблизи точек 2, 3, 4, 5 электроны имеют возможность скапливаться на поверхности провода. Причем поверхностное распределение электронов по длине провода не будет равномерным. Следовательно, подключение провода к клемме источника тока приведет к тому, что некоторые электроны начнут двигаться вдоль провода, а часть электронов будет скапливаться на поверхности. Неравномерное распределение электронов на его поверхности обеспечивает неэквипотенциальность этой поверхности, наличие составляющих напряженности электрического поля, направленных вдоль поверхности проводника. Это поле перераспределенных электронов самого проводника и обеспечивает упорядоченное движение других электронов. Если распределение электронов по поверхности проводника с течением времени не изменяется, то такое поле называют стационарным электрическим полем. Таким образом, главную роль в создании стационарного электрического поля играют заряды, находящиеся на полюсах источника тока. При замыкании электрической цепи взаимодействие именно этих зарядов со свободными зарядами проводника приводит к появлению на всей поверхности проводника нескомпенсированных поверхностных зарядов. Именно эти заряды создают стационарное электрическое поле внутри проводника по всей его длине. Это поле внутри проводника однородное, и линии напряженности направлены вдоль оси проводника (рис. 4). Процесс установления электрического поля вдоль проводника происходит со скоростью c ≈ 3·10 8 м/с.

Как и электростатическое поле, оно потенциально. Но между этими полями имеются существенные отличия:

  1. электростатическое поле — поле неподвижных зарядов. Источником стационарного электрического поля являются движущиеся заряды, причем общее число зарядов и картина их распределения в данном пространстве с течением времени не изменяются;
  2. электростатическое поле существует вне проводника. Напряженность электростатического поля всегда равна 0 внутри объема проводника, а в каждой точке внешней поверхности проводника направлена перпендикулярно к этой поверхности. Стационарное электрическое поле существует и вне и внутри проводника. Напряженность стационарного электрического поля не равна нулю внутри объема проводника, а на поверхности и внутри объема имеются составляющие напряженности, не перпендикулярные к поверхности проводника;
  3. потенциалы разных точек проводника, по которому проходит постоянный ток, разные (поверхность и объем проводника не эквипотенциальны). Потенциалы всех точек поверхности проводника, находящегося в электростатическом поле, одинаковы (поверхность и объем проводника эквипотенциальны);
  4. электростатическое поле не сопровождается появлением магнитного поля, а стационарное электрическое поле сопровождается его появлением и неразрывно с ним связано.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 259-261.

Источник

Электродвижущая сила. Внутреннее сопротивление источника тока.

Сторонние силы. Для поддержания постоянной разности потенциалов на концах проводника, а значит, и тока необходимо наличие сторонних сил неэлектрической природы, с помощью которых происходит разделение электрических зарядов.

Электродвижущая сила Внутреннее сопротивление источника тока

Сторонними силами называются любые силы, действующие на электрически заряженные частицы в цепи, за исключением электростатических (т. е. кулоновских).

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внут­ри всех источников тока: в генераторах, на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.

При замыкании цепи создается электрическое поле во всех про­водниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны движут­ся от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит а движение электрическое поле (см. рис. выше).

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение разных видов энергии в электричес­кую. По типу преобразованной энергии различают следующие виды электродвижущей силы:

— электростатическая — в электрофорной машине, в которой происходит превращение механической энергии при трении в электрическую;

— термоэлектрическая — в термоэлементе — внутренняя энергия нагретого спая двух проволок, изготовленных из разных металлов, превращается в электрическую;

— фотоэлектрическая — в фотоэлементе. Здесь происходит превращение энергии света в элек­трическую: при освещении некоторых веществ, например, селена, оксида меди (I), кремния наблюдается потеря отрицательного электрического заряда;

Читайте также:  Как выбрать контактор по номинальному току

— химическая — в гальванических элементах, аккумуляторах и др. источниках, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую.

Электродвижущая сила (ЭДС) — характеристика источников тока. Понятие ЭДС было введено Г. Омом в 1827 г. для цепей постоянного тока. В 1857 г. Кирхгофф определил ЭДС как работу сторонних сил при переносе единичного электрического заряда вдоль замкнутого контура:

где ɛ — ЭДС источника тока, Аст — работа сторонних сил, q — количество перемещенного заряда.

Электродвижущую силу выражают в вольтах.

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке.

Внутреннее сопротивление источника тока .

Пусть имеется простая замкнутая цепь, состоящая из источника тока (например, гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора с сопротивлением R. Ток в замкну­той цепи не прерывается нигде, следовательно, oн существует и внутри источника тока. Любой источник представляет собой некоторое сопротивление дли тока. Оно называется внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой r.

В генераторе r — это сопротивление обмотки, в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.

Таким образом, источник тока характеризуется величинами ЭДС и внутреннего сопротивлении, которые определяют его качество. Например, электростатические машины имеют очень большую ЭДС (до десятков тысяч вольт), но при этом их внутреннее сопротивление огромно (до со­тни Мом). Поэтому они непригодны для получения сильных токов. У гальванических элементов ЭДС всего лишь приблизительно 1 В, но зато и внутреннее сопротивление мало (приблизительно 1 Ом и меньше). Это позволяет с их помощью получать токи, измеряемые амперами.

Источник

Электродвижущая сила

Действие источника электрического тока

В любой электрической цепи происходит движение носителей заряда через звенья цепи. Это движение возможно только под действием некоторого электрического поля. Следовательно, в любой электрической цепи должен существовать специальный элемент, который будет создавать электрическое поле, движущее заряды.

Такой элемент называется источником электрического тока. Источник тока имеет два контакта (полюса), с помощью которых и осуществляется поддержание электрического поля. Между полюсами всегда имеется некоторая разность электрических потенциалов. Теперь если к этим полюсам подключить электрическую цепь, то носители заряда под действием поля придут в движение, совершая полезную работу в цепи. При этом, в источнике тока должен постоянно происходить процесс, который бы поддерживал разность потенциалов на полюсах, несмотря на движение носителей заряда по цепи.

Виды источников электрического тока

Рис. 1. Виды источников электрического тока.

Сторонние силы

Для того, чтобы поддерживать разность потенциалов на полюсах источника тока, необходимо совершать работу по переносу зарядов между полюсами. Причем, этот перенос должен осуществляться против действия имеющегося электрического поля. В самом деле, если носитель заряда имеет отрицательный заряд (например, свободный электрон), то он, придя к положительному полюсу – должен быть перенесен внутри источника к отрицательному полюсу, несмотря на то, что поле будет двигать его по-прежнему к положительному.

Это значит, что перенос зарядов внутри источника электрического тока должен осуществляться силами, имеющими природу, отличную от электрической. Поэтому эти силы называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. В батарейках и аккумуляторах это силы химической природы. В промышленных генераторах природа сторонних сил механическая. В солнечных батареях – световая.

Сторонние силы различной природы

Рис. 2. Сторонние силы различной природы.

Электродвижущая сила как мера сторонних сил

Итак, действие источника тока заключается в том, чтобы с помощью сторонних сил производить работу по переносу электрических зарядов между полюсами против действия электрического поля. Для характеристики этой работы существует специальная мера, называемая электродвижущей силой (ЭДС, обозначается буквой $\mathscr$). Ее физический смысл состоит в том, что это работа сторонних сил по переносу единицы заряда. То есть, ЭДС равна отношению работы, произведенной сторонними силами по переносу заряда против действия электрического поля, к величине этого заряда:

Из данной формулы можно получить единицу измерения ЭДС. Она такая же, как у напряжения – Вольт (напомним, 1 В = 1 Дж / 1 Кл).

ЭДС обычной пальчиковой батарейки 1.5В. То есть, в ней сторонние силы химической природы для переноса 1Кл заряда совершают работу 1.5 Дж.

Пальчиковые батарейки

Рис. 3. Пальчиковые батарейки.

Что мы узнали?

Действие источника тока заключается в переносе зарядов между полюсами против действия электрического поля. Силы, которые совершают эту работу, имеют природу, отличную от электрической, поэтому они называются сторонними. Характеристикой сторонних сил является специальная величина – электродвижущая сила (ЭДС).

Источник