фізика 8/21

 02.09.2022

Урок 3

Тема. Електорушійна сила. Закон Ома для повного кола

Завдання:

  1. Опрацювати теоретичний матеріал
  2. Переглянути відеурок, нище за посиланням
  3. Записати конспект в зошит


https://www.youtube.com/watch?v=IsPRdJCha-k

https://naurok.com.ua/zakon-oma-dlya-povnogo-kola-116380.html


Для протікання електричним колом струму необхідно, щоб у колі були елементи, які переміщують електричні заряди, збільшуючи їхню енергію. Сили, які виконують цю функцію називаються сторонніми силами. За своєю природою сторонні сили можуть бути різноманітні: хімічні, як у електричних батареях і акумуляторах, термоелектричні, як у термопарах, чи зумовлені явищем електромагнітної індукції, як у генераторах електричного струму. Кожне джерело живлення характеризується своєю електрорушійною силою й внутрішнім опором.

У результаті розділення всередині джерела позитивних і негативних зарядів джерело набуває запасу потенціальної енергії, яка витрачається на використання роботи з переміщення зарядів по всьому колу. Тепер можна сказати: ту частину замкненого кола, в якій заряди рухаються під дією електростатичної різниці потенціалів називають зовнішньою, 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 ділянці кола.

Електрорушійна сила. Якщо під'єднати до полюсів джерела провідник, то, завдяки наявності різниці потенціалів, вільні електрони провідності, не припиняючи хаотичного руху, під дією кулонівських сил почнуть рухатися напрямлено — від кінця провідника з нижчим потенціалом до кінця з вищим, тобто від негативного полюса джерела струму до позитивного (мал. 29). Але сили електричного поля не можуть перемістити електричні заряди між полюсами всередині джерела, оскільки діють на них у протилежному напрямку. Тому всередині джерела, крім електричних сил Fкл, діють ще й сторонні сили Fcт. Природа сторонніх сил може бути різною: у хімічних елементах — це дія хімічних реакцій, у фотоелементах — дія сонячного випромінювання, в електрогенераторах — зміна магнітного потоку.

Мал. 29. Рух носіїв заряду в повному електричному колі

Сторонні сили переміщують негативні заряди від позитивного полюса батареї до негативного та протидіють електричним силам, які прагнуть вирівняти потенціали на полюсах. Завдяки цьому заряди циркулюють по замкненому колу, створюючи струм. Ділянку кола, у якій заряди рухаються під дією кулонівських сил, називають однорідною (мал. 30, а), а ту, в якій носії заряду рухаються під дією як кулонівських, так і сторонніх сил, — неоднорідною (мал. 30, б). Якщо з'єднати кінці неоднорідної ділянки, отримаємо повне коло, в якому ту частину замкненого кола, де заряди рухаються під дією кулонівських сил (електростатичної різниці потенціалів), називають зовнішньою, а ту, в якій носії заряду рухаються під дією сторонніх сил, — внутрішньою. Полюси джерела струму розділяють внутрішню та зовнішню ділянки кола (мал. 30, в).

Мал. 30. Електричне коло: а — однорідна ділянка; б — неоднорідна ділянка; в — повне коло, що містить зовнішню та внутрішню частини

Для переміщення зарядів сторонні сили виконують відповідну роботу Аст. Що більший заряд переміщується, то більша робота виконується. Іншими словами, Аст ~ q або, використовуючи знак рівності, Аст = εq, де ε — постійний коефіцієнт пропорційності, що характеризує відповідне джерело й називається електрорушійною силою джерела1 (скорочено ЕРС).

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

Електрорушійна сила ε — це фізична величина, що характеризує енергію сторонніх сил джерела струму й вимірюється роботою сторонніх сил (тобто сил неелектростатичного походження), виконаною для переміщення одиничного позитивного електричного заряду,

Одиниця електрорушійної сили — вольт,

Унаслідок розділення всередині джерела позитивних і негативних зарядів джерело набуває запасу потенціальної електричної енергії, яка витрачається на виконання роботи з переміщення зарядів по всьому колу. Робота сторонніх сил дорівнює сумі робіт, що виконуються з переміщення заряду на внутрішній і зовнішній ділянках кола.

У джерелах струму постійно відбувається розділення позитивних і негативних зарядів, які зосереджуються на його полюсах, що спричинює появу електричного поля (стаціонарного). Властивості цього поля відрізняються від електричного поля нерухомих зарядів, яке ми вивчали в електростатиці. У таблиці 2 подано порівняння властивостей електричних полів рухомих і нерухомих зарядів.

Закон Ома для повного кола. Джерело струму, як і будь-який провідник, має певний опір, який називають внутрішнім опором джерела і позначають r, на відміну від опору зовнішнього кола R. Як відомо з курсу 8 класу, згідно із законом Ома, для однорідної ділянки кола сила струму І на ділянці кола прямо пропорційна прикладеній напрузі U й обернено пропорційна опорові R цієї ділянки,Формулу закону Ома записують і в такому вигляді: U = IR, де добуток IR називають спадом напруги на даній ділянці кола. Для ділянки, що не містить джерела струму, поняття напруги та спаду напруги збігаються.

Відповідно до закону Ома, для зовнішньої та внутрішньої ділянок кола можна записати Uвн = Ir, Uзн = IR. Тоді ε = IR + Ir, сума спадів напруг на зовнішній і внутрішній ділянках кола дорівнює ЕРС джерела.

Співвідношення, записане у виглядіназивають законом Ома для повного кола: сила струму в замкненому електричному колі прямо пропорційна електрорушійній силі джерела струму й 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 ε і r можна вважати сталими величинами. Якщо змінювати опір зовнішнього кола, то відповідно змінюватиметься сила струму І в колі та спад напруги IR на зовнішній частині кола. Зі збільшенням опору зовнішнього кола сила струму зменшується, напруга ж зростає. Якщо R = ∞ (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 за умови розімкненого зовнішнього кола. До того ж вольтметр показує спад напруги IR на самому собі. А оскільки опір вольтметра зазвичай дуже великий, тобто R >> r, U = IR ≈ ε. Що більший опір вольтметра порівняно з внутрішнім опором джерела струму, то точнішим буде виміряне значення ЕРС.

Наслідки закону Ома для повного кола:


    • Напруга на полюсах замкнутого джерела струму U = Ɛ - І r .

    • Напруга на полюсах розімкнутого джерела струму U = Ɛ.

    • Коротке замикання джерела струму Іmax = Ɛ/r , тобто джерело дає найбільший струм, який може дати дане джерело (R→0).

Робота і потужність електричного струму. Електричне поле, створюючи впорядкований рух заряджених частинок у провіднику, виконує роботу, яку прийнято називати роботою струму.

Робота електричного струму А — фізична величина, що характеризує зміну електричної енергії струму — перетворення її на інші види.

Одиниця роботи електричного струму — джоуль, 1 Дж.

У побуті й техніці використовують також позасистемну одиницю — кіловат-годину (кВт · год), 1 кВт · год = 3,6 · 106 Дж.

Якщо розглядати зовнішню ділянку електричного кола, то робота струму визначається як A = qU = UIt, де q — заряд, що пройшов через поперечний переріз провідника за час t, U — електрична напруга на ділянці кола, I — сила струму в ній.


Немає коментарів:

Дописати коментар