Меню

Электродвижущая сила источника тока напряжение разность потенциалов

Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС), разность потенциалов и напряжение на участке цепи (определения, формулы).

Понятие электрического тока. Условия, необходимые для появления и существования тока. Сила и плотность тока. Единицы измерения.

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. В проводнике под действием прило­женного электрического поля ^свобод­ные электрические заряды перемеща­ются: положительные — по полю, отри­цательные — против поля (рис. 148, а), т.е. в проводнике возникает электри­ческий ток, называемый током прово­димости. Для возникновения и существова­ния электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных но­сителей тока — заряженных частиц способных перемещаться упорядочен­но, а с другой наличие электрическо­го поля, энергия которого, каким-то об­разом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За на­правление тока условно принимают на­правление движения положительных зарядов. Количественной мерой электричес­кого тока служит сила тока I — ска­лярная физическая величина, опреде­ляемая электрическим зарядом, прохо­дящим через поперечное сечение про­водника в единицу времени:I=dQ/dt; Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоян­ного тока I=Q/t; где Q — электрический заряд, проходя­щий за время t через поперечное сече­ние проводника. Единица силы тока — ампер (А). Физическая величина, определяе­мая силой тока, проходящего через еди­ницу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного на­правлению тока, называется плотнос­тью тока: j=dI/dS(перпендикуляр). Плотность тока — вектор; направле­ние вектора j совпадает с направлени­ем упорядоченного движения положи­тельных зарядов: j = ne(v).(96.1)Единица плотности токи ампер на метр в квадрате (А/м 2 ).

Закон Ома для однородного участка цепи (интегральный закон Ома). Сопротивление, удельное сопротивление. Зависимость сопротивления от температуры. Соединение проводников.

Сила тока I, текущего по однородному метал­лическому проводнику (т.е. провод­нику, в котором не действуют сторон­ние силы), пропорциональна напряже­нию U на концах проводника I=U/R(98.1) где R — электрическое сопротивление проводника. Уравнение (98.1) выражает закон Ома для участка цепи (не содержаще­го источника тока): сила тока в провод­нике прямо пропорциональна прило­женному напряжению и обратно про­порциональна сопротивлению провод­ника. Формула (98.1) позволяет уста­новить единицу сопротивления ом (Ом): 1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В те­чет постоянный ток 1 А. Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из кото­рого проводник изготовлен. Для одно­родного линейного проводника сопро­тивление R прямо пропорционально его длине I и обратно пропорциональ­но площади его поперечного сечения S: R=ро*l/S; где ро- коэффициент пропорциональ­ности, характеризующий материал про­водника и называемый удельным элек­трическим сопротивлением.Единица удельного электрического сопротивления ом-метр (Ом • м). Температур­ная зависимость сопротивления может быть представлена в виде R = aR 0T,(98.6)где Г— термодинамическая температура. Зависимость сопротивления от тем­пературы (98.6) представлена на рис. 149 (кривая 1). При низких температурах наблюдается отступление от этой зави­симости.

Закон Ома в дифференциальной форме.

Так как в изотропном проводнике носители тока в каждой точке движут­ся в направлении вектора Е, то направ­ления j и Е совпадают. Поэтому фор­мулу (98.4) можно записать в виде _j = гамма*_E.(98.5) Выражение (98.5) закон Ома в дифференциальной форме, связыва­ющий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.

Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС), разность потенциалов и напряжение на участке цепи (определения, формулы).

Силы неэлектростатического про­исхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Сторонняя сила действующая на заряд Q <), может быть выражена как _Fст=_Ест*Q0. Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических заря­дов. Физическая величина, определяе­мая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС), дей­ствующей в цепи: ЭДС=А/Q0;(97.1). Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ЭДС можно также называть электродвижущей силой ис­точника тока, включенного в цепь. ЭДС, как и потенциал, выражается в вольтах. Напряжением U на участке 1 — 2 на­зывается физическая величина, опреде­ляемая работой, совершаемой суммар­ным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при переме­щении единичного положительного за­ряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (97.4),U12=ФИ1-ФИ2+ЭДС12; Понятие напряжения является обоб­щением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том слу­чае, если на этом участке не действует ЭДС, т.е. сторонние силы отсутствуют.

Читайте также:  Какова периодичность испытания указателей напряжения до 1000 вольт

Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом. Замкнутая электрическая цепь с источником тока. Закон Ома для замкнутой цепи. Соединение источников тока.

Мы рассматривали закон Ома для однородного участка цепи, т. е. такого, в котором не действует ЭДС (не действуют сторонние силы). Теперь рассмотрим неоднородный участок цепи, где действующую ЭДС на участ­ке 1 — 2 обозначим через а прило­женную на концах участка разность потенциалов — через фи1-фи2. Если на данном участке цепи источ­ник тока отсутствует (I = 0), приходим к закону Ома для од­нородного участка цепи (98.1): I=U/R ,[при отсутствии сторонних сил напря­жение на концах участка равно разно­сти потенциалов]. Если же электрическая цепь замкнута, то выб­ранные точки 1 и 2 совпадают,фи1 = фи2 2, тогда закон Ома для замкнутой цепи: I=ЭДС/R;где ЭДС, действующая в цепи; R — суммарное сопротивление всей цепи. В общем случае R= r + R, ( г— внут­реннее сопротивление источника тока, R сопротивление внешней цепи). Поэтому закон Ома для замкнутой цени будет иметь вид I=ЭДС/R+r. Если цепь разомкнута и, следователь­но, в ней ток отсутствует (I = 0), то из закона Ома получим, что ЭДС=фи1-фи2, г.е. ЭДС, действующая в ра­зомкнутой цепи, равна разности потен­циалов на ее концах. Следовательно, для того чтобы найти ЭДС источника тока, надо измерить разность потенци­алов на его клеммах при разомкнутой цепи.

Источник



19. Эдс, разность потенциалов и напряжение.

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (н епотенциальных) сил висточниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил (). В замкнутом контуре () тогда ЭДС будет равна:

, где — элемент длины контура.

Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называетсяэлектромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением

где поток магнитного поля через замкнутую поверхность , ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре (см. правило Ленца).

Электрическое напряжение между двумя точками электрической цепи или электрического поля, равно работе электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки в другую. В потенциальном электрическом поле эта работа не зависит от пути, по которому перемещается заряд; в этом случае Э. н. между двумя точками совпадает с разностью потенциалов между ними.

Если поле непотенциально, то напряжение зависит от того пути, по которому перемещается заряд между точками. Непотенциальные силы, называются сторонними, действуют внутри любого источника постоянного тока (генератора, аккумулятора, гальванического элемента и др.). Под напряжением на зажимах источника тока всегда понимают работу электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль пути, лежащего вне источника; в этом случае Э. н. равно разности потенциалов на зажимах источника и определяется законом Ома: U = IR—E, где I — сила тока, R — внутреннее сопротивление источника, а E — его электродвижущая сила (эдс). При разомкнутой цепи (I = 0) напряжение по модулю равно эдс источника. Поэтому эдс источника часто определяют как Э. н. на его зажимах при разомкнутой цепи.

Читайте также:  Каким напряжением проверяется кабель

В случае переменного тока Э. н. обычно характеризуется действующим (эффективным) значением, которое представляет собой среднеквадратичное за период значение напряжения. Напряжение на зажимах источника переменного тока или катушки индуктивности измеряется работой электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль пути, лежащего вне источника или катушки. Вихревое (непотенциальное) электрическое поле на этом пути практически отсутствует, и напряжение равно разности потенциалов.

Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

Наименование и обозначение производной единицы СИ:

международное – volt, V

русское – вольт, В

Выражение через основные и производные единицы СИ:

Источник

Сила тока. Электродвижущая сила. Напряжение

Электрическим током называется упорядоченное (т.е. происходящее в одном направлении) движение электрических зарядов. За направление тока принято считать направление движения положительных зарядов. Обычно электрический ток возникает под влиянием электрического поля.

Зарядим два проводника 1 и 2 разноименным электричеством до потенциалов φ1 и φ2 и соединим их третьем проводником 3 (рис. 43). Разность потенциалов, возникающая при этом на концах соединительного проводника, создает внутри него электрическое поле, направленное в сторону падения потенциала. Если в соединительном проводнике 3 носителями заряда являются электроны, то начнется их перемещение в направлении 231, т.е. по проводнику пойдет ток в направлении 132.

Величина заряда Δq, проходящего за одну секунду через поперечное сечение проводника, называется силой тока I:

где Δt – промежуток времени прохождения заряда Δq. Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным; в противном случае ток называется переменным.

В СИ единица силы тока – ампер (А) – является основной, установленной на основе взаимодействия двух параллельных проводником с током. А по определению силы тока устанавливается единица заряда в СИ – кулон (Кл).

Возвращаясь к рисунку 43, заметим, что движение электронов по соединительному проводнику приведет к разрядке проводников 1 и 2 и ликвидации разности потенциалов между ними. В результате напряженность поля внутри проводника будет равна нулю и ток прекратится. Для поддержания постоянного тока необходимо иметь специальное устройство Г, внутри которого все время происходило бы разделение разноименных зарядов и перенос положительных зарядов на проводник 1, а отрицательных – на проводник 2. Такое устройство называется генератором, или источником тока.

Очевидно, что силы, разделяющие заряды в генераторе, имеют неэлектрическую природу, так как электрические силы могут только соединять, но не разделять разноименные заряды. Поэтому силы, разделяющие заряды в источнике тока, называются сторонними силами. Природа сторонних сил может быть различной. В генераторе постоянного тока эти силы возникают за счет энергии магнитного поля и механической энергии вращения якоря; в аккумуляторе и гальваническом элементе – за счет энергии химических реакций; в полупроводниковом фотоэлементе – за счет электромагнитной энергии (света) и т.п.

Итак, простейшая электрическая цепь постоянного тока должна состоять из соединительного проводника 3 и источника тока Г, непрерывно заряжающего проводники 1 и 2, называемые полюсами источника тока (рис. 43).

Разделению и переносу зарядов внутри источника тока препятствуют, во-первых, внутреннее электрическое поле, направленное от положительного полюса к отрицательному, и, во-вторых, сопротивление среды источника тока (например, вязкость электролита в аккумуляторе или в гальваническом элементе). Поэтому работа сторонней силы А слагается из работы А1, совершаемой против сил электрического поля внутри источника тока, и работы А*, совершаемой против сил сопротивления среды этого источника:

По величине работа

где q – арифметическая сумма зарядов (положительных и отрицательных), переносимых сторонней силой на полюсы источника тока вопреки действию электрического поля. Поэтому можно написать:

Читайте также:  Volvo 460 регулятор напряжения

Работа, совершаемая сторонней силой внутри источника при перемещении между его полюсами единичного заряда, называется электродвижущей силой источника тока (э.д.с.). Обозначив э.д.с. буквой ξ, получим

Если полюсы источника тока разомкнуты (соединительный проводник 3 отсутствует), то А*=0, так как в этом случае сторонняя сила не перемещает зарядов внутри источника тока, а лишь поддерживает установившееся (на полюсах) разделение зарядов. Тогда,

т.е. электродвижущая сила равна разности потенциалов на полюсах разомкнутого источника тока. Разность потенциалов на полюсах источника тока, замкнутого внешней электрической цепью, называется напряжением источника тока. Напряжение меньше э.д.с. на величину А*/q. Таким образом, электродвижущая сила равна той максимально возможной разности потенциалов, которая устанавливается на полюсах данного источника тока, когда они разомкнуты. На любом участке внешней электрической цепи, т.е. между любыми двумя поперечными сечениями соединительного проводника 3, существует некоторая разность потенциалов, она называется напряжением, или падением напряжения, на этом участке цепи.

Закон Ома

1) Закон Ома для однородного участка цепи. Участки электрической цепи, на которых электрический ток создается только электростатическим (стационарным) полем, называются однородными. В 1826 г. немецкий физик Г.Ом обнаружил, что сила тока на однородном участке прямо пропорциональна разности потенциалов на участке:

Другими словами, отношение разности потенциалов между концами проводника, являющегося однородным участком электрической цепи, к силе тока в цепи есть величина постоянная:

Эта величина называется электрическим сопротивлением проводника. Единицей электрического сопротивления в СИ является ом:

Согласно экспериментальным исследованиям Ома, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:

где коэффициент пропорциональности ρ, характеризующий материал, из которого изготовлен проводник, называется удельным сопротивлением проводника. Из последней формулы следует соотношение

Следовательно, удельное сопротивление вещества равно выраженному в омах сопротивлению куба с ребром 1 м из данного вещества при токе, параллельном одному из ребер куба. Единицей удельного сопротивления является 1 ом-метр (Ом•м).

2) Закон Ома для неоднородного участка цепи. Участок цепи, на котором действуют сторонние силы (наряду с электростатическими), называют неоднородным участком цепи. Работа по перемещению зарядов на таком участке складывается из работы электростатических сил Аэ и работы сторонних сил Аст:

Напряжение на таком участке равно отношению работы всех сил, действующих на данном участке, к значению переносимого заряда. Разделим обе части записанного выше уравнения на заряд q:

В этом равенстве левая часть – это напряжение U на неоднородном участке цепи, первый член правой части равенства – это разность потенциалов, а второй член – это э.д.с. Учитывая это, равенство можно переписать следующим образом:

Из данной формулы видно, что в общем случае напряжение на участке цепи равно алгебраической сумме разности потенциалов и э.д.с. на этом участке. Если же на участке действуют только электростатические силы и, следовательно, э.д.с. равна нулю, то

Таким образом, только в частном случае, когда на участке цепи действуют лишь электростатические силы, понятия напряжения и разности потенциалов совпадают.

Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:

Это выражение можно переписать в виде

3) Закон Ома для полной цепи. На рисунке 44 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Э.д.с. источника равна ξ, его внутреннее сопротивление r, сопротивление внешнего участка цепи R, сопротивлением проводов пренебрегаем. Ток течет в направлении, указанном стрелкой.

По закону Ома для внешнего участка цепи АВ имеем:

Внутренний участок цепи ВА является неоднородным, следовательно, закон Ома запишется так:

Сложив оба равенства, получим:

Данная формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

Источник