Електродвижеща сила, напрежение и потенциална разлика

Потенциална разлика

Ясно е, че едното тяло може да се нагрее повече, а другото по-малко. Степента на нагряване на тялото се нарича неговата температура. По същия начин едно тяло може да бъде наелектризирано повече от друго. Степента на наелектризиране на тялото характеризира стойност, наречена електронен потенциал или просто потенциал на тялото.

Какво означава да наелектризираш тялото? Това означава да му кажа електронен заряд, т.е. да добавим определено количество електрони към него, ако заредим тялото отрицателно, или да ги отнеме от него, ако заредим тялото положително. И в двата случая тялото ще има определена степен на електрификация, т.е. един или друг потенциал, докато положително зареденото тяло има положителен потенциал, а отрицателно зареденото тяло има отрицателен потенциал.

Разликата в нивата на електронните таксиОбикновено се извикват 2 тела електронна потенциална разликаили просто потенциална разлика.

Трябва да се разбере, че ако две подобни тела са заредени с еднакви заряди, но едното е по-голямо от другото, тогава ще има и потенциална разлика между тях.

Освен това съществува потенциална разлика между 2 такива тела, едното от които е заредено, а другото е без заряд. Така например, ако всяко тяло, изолирано от земята, има определен потенциал, тогава потенциалната разлика между него и земята (чийто потенциал се счита за нула) е числено равна на потенциала на това тяло.

Така че, ако две тела са заредени по такъв начин, че техните потенциали не са еднакви, между тях неизбежно съществува потенциална разлика.

Всички знаят феномен на наелектризиранегребени, когато го търкате в косата, не е нищо повече от създаване на потенциална разлика между гребена и човешката коса.

Наистина, когато гребенът се търка в косата, част от електроните се насочват към гребена, зареждайки го отрицателно, докато косата, загубила част от електроните, се зарежда в същата степен като гребена, но положително. Потенциалната разлика, направена по този начин, може да бъде намалена до нула чрез докосване на гребена до косата. Този обратен преход на електрони просто се чува, ако електрифициран гребен се доближи до ухото. Характерно пращене ще покаже, че се извършва разреждане.

Говорейки по-горе за потенциалната разлика, имахме предвид две заредени тела, но потенциалната разлика може да се получи и между различни части (точки) на 1-вото и едно и също тяло.

Така че, например, нека да видим какво се случва в парче медна жица, ако под действието на някаква външна сила накараме свободните електрони в жицата да се преместят в единия й край. Разбира се, в другия край на жицата ще има недостиг на електрони и тогава между краищата на жицата ще възникне потенциална разлика.

Веднага след като приключим действието на външната сила, електроните веднага, поради привличането на противоположни заряди, се втурват към края на проводника, който е положително зареден, т.е. до мястото, където липсват, и електронното равновесие отново ще влезе в жицата.

Електродвижеща сила и напрежение

д За да се поддържа електронен ток в проводник, е необходим външен източник на енергия, който винаги да поддържа потенциалната разлика в краищата на този проводник.

Тези източници на енергия са т.нар електронни източници на токкоито притежават определена електродвижеща сила което прави и за дълго времеподдържа потенциална разлика в краищата на проводника.

Електродвижещата сила (съкратено EMF) се обозначава с буквата E. Мерната единица за ЕМП е волт. У нас волтът се обозначава съкратено с буквата "Б", а в международно наименование- буквата "V".

Така че, за да се получи непрекъснат поток от електронен ток, е необходима електродвижеща сила, т.е. необходим е източник на електронен ток.

Първият такъв източник на ток е така наречената „волтова колона“, която се състои от поредица от медни и цинкови кръгове, облицовани с кожа, напоена с подкислена вода. Така един от методите за получаване на електродвижеща сила е химическото взаимодействие на определени вещества, в резултат на което химическата енергия се превръща в електронна енергия. Наричат ​​се източници на ток, в които по този метод се създава електродвижеща сила химически източници на ток.

В момента химически източници на ток - галванични клеткии батерии - намират широко приложение в електротехниката и енергетиката.

Друг основен източник на ток, който е широко разпространен във всички области на електротехниката и електроенергетиката, са генераторите.

Генераторите се монтират в електроцентрали и служат като единствен източник на ток за захранване на промишлени предприятия, електронно градско осветление, електронни железници, трамваи, метро, ​​тролейбуси и др.

Както при химическите източници на електронен ток (части и батерии), така и при генераторите действието на електродвижещата сила е напълно идентично. Състои се във факта, че ЕМП създава потенциална разлика на клемите на източника на ток и го поддържа за дълго време.

Тези клещи се наричат ​​полюси на източник на ток. Единият полюс на източника на ток винаги изпитва недостиг на електрони и, както трябва, има положителен заряд, другият полюс изпитва излишък от електрони и, както трябва, има отрицателен заряд.

Съответно единият полюс на източника на ток се нарича положителен (+), а другият - отрицателен (-).

Източниците на ток се използват за захранване на електронен ток към различни устройства - консуматори на ток. Консуматорите на ток са свързани към полюсите на източника на ток с помощта на проводници, образуващи затворена електронна верига. Потенциалната разлика, която се установява между полюсите на източника на ток със затворена електронна верига, се нарича напрежение и се обозначава с буквата U.

Единицата за напрежение, подобно на ЕМП, е волтът.

Ако например трябва да запишете, че напрежението на източника на ток е 12 волта, тогава те пишат: U - 12 V.

За измерване на ЕМП или напрежение се използва устройство, наречено волтметър.

За да измерите EMF или напрежението на източник на ток, трябва да свържете волтметър специално към неговите полюси. С всичко това, ако електронната верига е отворена, тогава волтметърът ще покаже ЕМП на източника на ток. Ако затворите веригата, тогава волтметърът вече няма да показва ЕМП, а напрежението на клемите на източника на ток.

EMF, разработен от източника на ток, винаги е по-голям от напрежението на неговите клеми.

Ако в Explorer съз електрическо полеи не предприемете мерки за поддържането му, тогава движението на носителите на заряд много бързо ще доведе до факта, че полето вътре в проводника ще изчезне и следователно токът ще спре. За да се поддържа токът за достатъчно дълго време, е необходимо от края на проводника с по-нисък потенциал j2(приема се, че носителите на заряд са положителни) непрекъснато премахват зарядите, донесени тук от тока, и към края с голям потенциал j1непрекъснато ги сваляйте (фиг. 20.1).

j 1 j 2

Ориз. 20.1. Към концепцията за ЕМП.

С други думи, необходимо е да се извърши цикълът на зарядите, при който те да се движат по затворен път. Векторна циркулация електростатично поле k е равно на нула. Следователно, в затворена верига, заедно с области, където положителните заряди се движат в посока на намаляване й, трябва да има области, където прехвърлянето на положителни заряди става в посока на увеличаване й, т.е. срещу силите на електростатичното поле (вижте частта от веригата, показана с пунктирана линия на фиг. 20.1). Придвижването на превозвачи в тези райони е възможно само с помощта на сили неелектростатичен произход, т.нар външни сили . По този начин, за да се поддържа токът, са необходими външни сили, които действат или в цялата верига, или в нейните отделни секции. Те могат да бъдат причинени от сили от механичен произход, химични процеси, дифузия на носители на заряд в нехомогенна среда или през границата на две различни вещества, електрически (но не електростатични) полета, генерирани от променящи се във времето магнитни полетаи т.н.

Външните сили могат да се характеризират с работата, която извършват върху зарядите, движещи се по веригата. Стойност, равна на работата на външни сили, отнесена към единица положителен заряд, се нарича електродвижеща сила (ЕМС) E, действаща във веригата или в нейната секция. Следователно, ако работата на външните сили върху заряда ре равно на A, тогава по дефиниция

д= A/q. (20.6)

От сравнението на формулите за потенциала и ЕМП следва, че размерът на ЕМП съвпада с размерът на потенциала. Ето защо дизмерено в същите единици като й- във волтове (V).

Външна сила f st, действаща върху заряда р, може да се представи като

векторна стойност храня сесе нарича силата на полето на външните сили. Работата на външните сили върху заряда рв цялата затворена верига може да се изрази, както следва:

Разделяйки тази работа на q pr \u003d +1, получаваме ЕМП, действащ във веригата:

По този начин ЕМП, действащ в затворена верига, може да се определи като циркулация на вектора на силата на полето на външните сили.

Електродвижещата сила, действаща в участък 1 - 2, очевидно е равна на

д 12 = (20.7)

В допълнение към външните сили върху заряда действат силите на електростатичното поле f E = q д. Следователно резултантната сила, действаща във всяка точка на веригата върху заряда q, е равна на

.

Работата, извършена от тази сила върху заряда рна верижния участък 1 - 2, се дава от израза

= q д 12 + q( j 1 - j 2). (20.8)

За затворена верига работата на електростатичните сили е нула, така че A = qE..

Количество, числено равно на работаизвършвани от електростатични и външни сили при преместване на един положителен заряд, наречен спад на напрежението или просто напрежение U в тази част на веригата. По формула (20.8)

U 12 = й 1 - й 2 + д 12 . (20.9)

При липса на външни сили напрежението U съвпада с потенциалната разлика j 1 - j 2 .

Електростатичното поле има енергия. Ако в електростатично поле има електрически заряд, тогава полето, действайки върху него с някаква сила, ще го премести, извършвайки работа. Всяка работа е свързана с промяна в някакъв вид енергия. Работата на електростатичното поле при преместване на заряд обикновено се изразява чрез количество, наречено потенциална разлика.

където q е стойността на прехвърления заряд,

j 1 и j 2 - потенциали на началната и крайната точка на пътя.

За краткост от тук нататък ще означаваме. V е потенциалната разлика.

V = A/q. ПОТЕНЦИАЛНАТА РАЗЛИКА МЕЖДУ ТОЧКИТЕ НА ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОТО ПОЛЕ Е РАБОТАТА, КОЯТО ИЗВЪРШВАТ ЕЛЕКТРИЧЕСКИТЕ СИЛИ, КОГАТО ЗАРЯДЪТ Е ЕДНА ВИСЮЛКА, ПРЕХВЪРЛЯЩА СЕ МЕЖДУ ТЯХ .

[V] \u003d V. 1 волт е потенциалната разлика между точките, при движение между които заряд от 1 кулон, електростатичните сили извършват работа от 1 джаул.

Потенциалната разлика между телата се измерва с електрометър, за което едното тяло се свързва с проводници към тялото на електрометъра, а другото към стрелката. В електрическите вериги потенциалната разлика между точките на веригата се измерва с волтметър.

С отдалечаване от заряда електростатичното поле отслабва. Следователно, клони към нула и енергийната характеристика на полето - потенциалът. Във физиката потенциалът на точка в безкрайност се приема за нула. В електротехниката се смята, че повърхността на Земята има нулев потенциал.

Ако заряд се движи от дадена точка до безкрайност, тогава

A = q(j - O) = qj => j= A/q, т.е. ПОТЕНЦИАЛЪТ НА ЕДНА ТОЧКА Е РАБОТАТА, КОЯТО ЕЛЕКТРИЧЕСКИТЕ СИЛИ ТРЯБВА ДА ИЗВЪРШАТ, ПРЕХВЪРЛЯйки ЗАРЯДА В ЕДНА ВИСЮЛКА ОТ ДАДЕНА ТОЧКА КЪМ БЕЗКРАЙНОСТ .

Нека положителен заряд q се движи в еднородно електростатично поле с интензитет E по посока на вектора на интензитета на разстояние d. Работата на полето при преместване на заряда може да се намери както чрез силата на полето, така и чрез потенциалната разлика. Очевидно при всеки метод за изчисляване на работата се получава една и съща нейна стойност.

A = Fd = Eqd = qV. =>

Тази формула свързва мощността и енергийните характеристики на полето. Освен това ни дава единица напрежение.

[E] = V/m. 1 V / m е интензитетът на такова равномерно електростатично поле, чийто потенциал се променя с 1 V, когато се движи по посока на вектора на интензитета с 1 m.

ЗАКОН НА ОМ ЗА СЕЧЕНИЕ НА ВЕРИГА.

Увеличаването на потенциалната разлика в краищата на проводника предизвиква увеличаване на тока в него. Ом експериментално доказа, че силата на тока в проводник е право пропорционална на потенциалната разлика в него.

При свързване на различни консуматори към един и същи електрическа веригасилата на тока е различна. Това означава, че различните консуматори предотвратяват преминаването през тях по различен начин. електрически ток. ФИЗИЧЕСКА ВЕЛИЧИНА, ХАРАКТЕРИЗИРАЩА СПОСОБНОСТТА НА ПРОВОДНИКА ДА ПРЕДОТВРАТЯВА ПРОТИВАНЕТО НА ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК ПРЕЗ НЕГО, СЕ НАРИЧА ЕЛЕКТРИЧЕСКО СЪПРОТИВЛЕНИЕ . Съпротивлението на даден проводник е постоянна величина при постоянна температура. С повишаване на температурата съпротивлението на металите се увеличава, докато това на течностите намалява. [R] = Ом. 1 Ohm е съпротивлението на такъв проводник, през който протича ток от 1 A ​​с потенциална разлика в краищата му от 1 V. Най-често използваните метални проводници. Токоносителите в тях са свободни електрони. Когато се движат по протежение на проводник, те взаимодействат с положителните йони на кристалната решетка, отдавайки им част от енергията си и губейки скорост. За да получите желаното съпротивление, използвайте кутията за съпротивление. Съпротивителната кутия е набор от намотки от тел с известни съпротивления, които могат да бъдат включени във веригата в желаната комбинация.

Ом експериментално установи това СИЛАТА НА ТОКА В ХОМОГЕННА СЕКЦИЯ ОТ ВЕРИГАТА Е ПРЯКО ПРОПОРЦИОНАЛНА НА ПОТЕНЦИАЛНАТА РАЗЛИКА В КРАИЩЕТО НА ТОЗИ СЕКЦИЯ И Е ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛНА НА СЪПРОПОРЦИОНАЛНОТО НА ТОЗИ СЕКЦИЯ.

Хомогенна секция от верига е секция, в която няма източници на ток. Това е законът на Ом за хомогенен участък от веригата - основата на всички електрически изчисления.

Включително проводници с различна дължина, различни напречно сечениенаправена от различни материали, е намерено: СЪПРОПОРЦИОНАЛНОСТТА НА ПРОВОДНИКА Е ПРЯКО ПРОПОРЦИОНАЛНА НА ДЪЛЖИНАТА НА ПРОВОДНИКА И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛНА НА ПЛОЩТА НА НАРЕЧНОТО МУ СЕЧЕНИЕ. СЪПРОТИВЛЕНИЕТО НА КУБ С РЪБ 1 МЕТЪР, НАПРАВЕН ОТ ВСЯКО ВЕЩЕСТВО, АКО ТОКЪТ ТЕЧЕ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНО КЪМ СРЕЩУМИТЕ МУ, СЕ НАРИЧА СПЕЦИФИЧНО СЪПРОТИВЛЕНИЕ НА ТОВА ВЕЩЕСТВО . [r] \u003d Ohm m. Често се използва несистемна единица за съпротивление - съпротивлението на проводник с площ на напречното сечение \u200b\u200b1 mm 2 и дължина 1 m. [r] \ u003d Ohm mm 2 / m.

Съпротивлениевещества - таблична стойност. Съпротивлението на проводника е пропорционално на неговото съпротивление.

Действието на плъзгачите и стъпковите реостати се основава на зависимостта на съпротивлението на проводника от неговата дължина. Плъзгащият реостат е керамичен цилиндър с никелинова тел, навита около него. Свързването на реостата към веригата се осъществява с помощта на плъзгач, който включва по-голяма или по-малка дължина на намотката във веригата. Жицата е покрита със слой от мащаб, който изолира завоите един от друг.

А) ПОСЛЕДОВАТЕЛНО И ПАРАЛЕЛНО СВЪРЗВАНЕ НА КОНСУМАТОРИ.

Често в електрическата верига са включени няколко консуматора на ток. Това се дължи на факта, че не е рационално всеки консуматор да има собствен източник на ток. Има два начина за включване на консуматори: последователно и паралелно и техните комбинации под формата на смесена връзка.

а) Последователно свързване на консуматори.

При серийна връзкапотребителите образуват непрекъсната верига, в която потребителите са свързани един след друг. При последователно свързване няма кранове свързващи проводници. Помислете, за простота, верига от два потребителя, свързани последователно. Електрически заряд, преминал през един от консуматорите, ще премине и през втория, т.к. в проводника, свързващ консуматорите, не може да има изчезване, възникване и натрупване на заряди. q=q 1 =q 2 . Разделяйки полученото уравнение на времето на преминаване на тока през веригата, получаваме връзка между тока, протичащ през цялата връзка, и токовете, протичащи през нейните секции.

Очевидно е, че работата по преместването на единичен положителен заряд през цялата връзка е съставена от работата по преместването на този заряд през всичките му секции. Тези. V \u003d V 1 + V 2 (2).

Общата потенциална разлика между последователно свързани потребители е равна на сумата от потенциалните разлики между потребителите.

Разделяме двете части на уравнение (2) на тока във веригата, получаваме: U/I=V 1 /I+V 2 /I. Тези. съпротивлението на цялата последователно свързана секция е равно на сумата от съпротивленията на консуматорите на нейните компоненти.

Б) Паралелно свързване на консуматори.

Това е най-често срещаният начин да се даде възможност на потребителите. С тази връзка всички консуматори са свързани към две общи точки за всички консуматори.

При преминаване паралелна връзка, електрическият заряд, преминаващ през веригата, се разделя на няколко части, преминаващи през отделни консуматори. Съгласно закона за запазване на заряда q=q 1 +q 2 . Разделяйки това уравнение на времето за преминаване на заряда, получаваме връзката между общия ток, протичащ през веригата, и токовете, протичащи през отделните консуматори.

В съответствие с определението за потенциална разлика V=V 1 =V 2 (2).

Съгласно закона на Ом за участък от веригата, ние заместваме силата на тока в уравнение (1) със съотношението на потенциалната разлика към съпротивлението. Получаваме: V / R \u003d V / R 1 + V / R 2. След редукция: 1/R=1/R 1 +1/R 2,

тези. реципрочната стойност на съпротивлението на паралелна връзка е равна на сумата от реципрочните стойности на съпротивленията на отделните му клонове.