Меню

Условие существования тока в цепи сторонние силы эдс

Условие существования тока в цепи сторонние силы эдс

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле то на свободные заряды в проводнике будет действовать сила В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю (см. § 1.5).

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током . За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δ, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δ, к этому интервалу времени:

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным .

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током (см. § 1.16).

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи , в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю (см. § 1.4). Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения . Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы сторонних сил при перемещении заряда от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными . Участки, включающие источники тока, называются неоднородными .

Величину принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Читайте также:  Ток в миллионы ампер

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока от напряжения (такие графики называются вольт-амперными характеристиками , сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи .

На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи () является однородным.

По закону Ома

.

Участок () содержит источник тока с ЭДС, равной .

По закону Ома для неоднородного участка,

.

Сложив оба равенства, получим:

.

Эта формула выражет закон Ома для полной цепи : сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением . У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.

Если внешняя цепь разомкнута, то , т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.

Если внешнее нагрузочное сопротивление включено и через батарею протекает ток , разность потенциалов на ее полюсах становится равной

На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной и внутренним сопротивлением в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды: – электрическая сила и – сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры .

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением . Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:

>> 1.

Это условие означает, что ток , протекающий через вольтметр, много меньше тока , который протекает по тестируемому участку цепи.

Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию

чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.

Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.

Источник

Сила тока. Напряжение. Сопротивление

Подробнее
Подробнее
Подробнее

Электрический ток. Сила тока. Условия существования постоянного тока в цепи. Электродвижущая сила (ЭДС). Сопротивление. Напряжение. Измерение силы тока и напряжения.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.

Сила тока — количественная характеристика электрического тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда \(q\) , прошедшего через поперечное сечение проводника за время \(t\) , к этому времени. \[\fbox<$I=\dfrac$>\]

Единицы измерения: \(\displaystyle [\text<А>]\) (Ампер).

Условия существования постоянного тока в цепи :

наличие свободных заряженных частиц

наличие электрического поля (разности потенциалов на концах проводника)

Электродвижущая сила (ЭДС)

Для того, чтобы ввести понятие ЭДС, разберемся сначала со сторонними силами.

По цепи идёт ток, стало быть, имеется сила, «протаскивающая» заряд сквозь источник вопреки противодействию электрического поля клемм. Эта сила называется сторонней силой; именно благодаря ей и функционирует источник тока.

\(R\) — сопротивление цепи постоянному току, вызывающее безвозвратные потери энергии постоянного тока.

Сторонняя сила \(\vec_\text<ст>\) не имеет отношения к стационарному электрическому полю. Обозначим через \(A_\text<ст>\) работу сторонней силы по перемещению положительного заряда q внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной. Эта работа положительна, так как направление сторонней силы совпадает с направлением перемещения заряда. Работа сторонней силы \(A_\text<ст>\) называется также работой источника тока.

Во внешней цепи сторонняя сила отсутствует, так что работа сторонней силы по перемещению заряда во внешней цепи равна нулю. Поэтому работа сторонней силы по перемещению заряда q вокруг всей цепи сводится к работе по перемещению этого заряда только лишь внутри источника тока. Таким образом, \(A_\text<ст>\) — это также работа сторонней силы по перемещению заряда по всей цепи.

Сторонняя сила является непотенциальной — её работа при перемещении заряда по замкнутому пути не равна нулю. Именно эта непотенциальность и обеспечивает циркулирование электрического тока; потенциальное электрическое поле не может поддерживать постоянный ток. Опыт показывает, что работа \(A_\text<ст>\) прямо пропорциональна перемещаемому заряду \(q\) . Поэтому отношение \(\displaystyle \frac>\) уже не зависит от заряда и является количественной характеристикой источника тока. Это отношение обозначается \(\mathscr\) : \[\fbox<$\mathscr=\dfrac>$>\] Данная величина называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока.

Единицы измерения: \(\displaystyle [\text<В>]\) (Вольт).

Электрическое напряжение между точками A и B электрической цепи или электрического поля — физическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из точки A в точку B.

Единицы измерения: \(\displaystyle [\text<В>]\) (Вольт).

Измерение силы тока и напряжения

Для измерения силы тока используется измерительный прибор — амперметр . Включается в цепь последовательно.

Для измерения напряжения используется измерительный прибор — вольтметр . Включается в цепь параллельно.

Источник

Условия существования тока. Сторонние силы. ЭДС

Если вектор плотности тока не изменяется с течением времени ни по величине, ни по направлению, то такой ток называется постоянным. Найдем условия существования постоянного тока.

Читайте также:  Бьют током в яйца

Предположим, что на концах проводника создана разность потенциалов , причем (рис. 15.1). При этом в проводнике возникнет кратковременный ток, вызванный упорядоченным движением зарядов в сторону убыли потенциала (предполагается, что носители тока имеют положительный заряд). Ток будет существовать до тех пор, пока не произойдет выравнивание потенциалов на концах проводника, Для того же, чтобы ток сохранялся постоянным в течение длительного времени, необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом отводить заряды к концу проводника с большим потенциалом, т.е. осуществлять кругооборот зарядов. В связи с этим цепь должна быть замкнутой.

Электростатические силы такой кругооборот зарядов обеспечить не могут, так как на участке цепи, показанном на рис. 15.1 пунктиром, нужно выполнять работу против электростатического поля. Перемещение зарядов в сторону возрастания потенциала возможно лишь с помощью дополнительных сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Эти силы могут быть обеспечены химическими процессами (гальванические элементы), вихревым электрическим полем (генераторы переменного или постоянного тока) и т.д.

В отличие от электростатических сил, работа сторонних сил по перемещению заряда по замкнутому кругу отлична от нуля. Электродвижущей силой (ЭДС) называется работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда по всей цепи, , (15.4) .Как и разность потенциалов, ЭДС измеряется в вольтах.

Рассмотрим участок цепи, на котором кроме сторонних сил действуют электростатические. Тогда работа по перемещению заряда на этом участке будет равна сумме работ:

Разделим это выражение на заряд q:

Работа электростатических сил по перемещению единичного положительного заряда из одной точки цепи в другую называется разностью потенциалов:

Суммарная работа, выполняемая как сторонними, так и электростатическими силами по перемещению единичного положительного заряда на некотором участке цепи, называется напряжением или падением напряжения:

Подставив (15.4), (15.6) и (15.7) в (15.5), получим связь между напряжением, ЭДС и разностью потенциалов U=E + (j1 -j2)

Из (15.8) видно, что напряжение U равно алгебраической сумме ЭДС и разности потенциалов на данном участке цепи.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



Условие существования тока в цепи сторонние силы эдс

Для того, чтобы поддерживать ток достаточно длительное время, необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом непрерывно отводить, а к другому концу – с большим потенциалом – подводить электрические заряды. Т.е. необходим круговорот зарядов. Поэтому в замкнутой цепи, наряду с нормальным движением зарядов, должны быть участки, на которых движение (положительных) зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электрического поля (рис. 7.3).

Перемещение заряда на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектрического происхождения (сторонних сил): химические процессы, диффузия носителей заряда, вихревые электрические поля. Аналогия: насос, качающий воду в водонапорную башню, действует за счет негравитационных сил (электромотор).

Сторонние силы можно характеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по замкнутой цепи или ее участку зарядами.

Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС), действующей в цепи:

Как видно из (7.4.1), размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала, т.е. измеряется в вольтах.

Стороннюю силу, действующую на заряд, можно представить в виде:

– напряженность поля сторонних сил.

Работа сторонних сил на участке 1 – 2:

Для замкнутой цепи:

Циркуляция вектора напряженности сторонних сил равна ЭДС, действующей в замкнутой цепи (алгебраической сумме ЭДС).

При этом необходимо помнить, что поле сторонних сил не является потенциальным, и к нему нельзя применять термин разность потенциалов или напряжение.

Источник