Force électromotrice, tension et différence de potentiel
Différence de potentiel
Il est clair qu'un corps peut être chauffé plus et l'autre moins. Le degré d'échauffement d'un corps s'appelle sa température. De même, un corps peut être électrifié plus qu'un autre. Le degré d'électrification du corps caractérise une valeur appelée potentiel électronique ou simplement potentiel du corps.
Que signifie électrifier le corps ? Cela signifie lui dire charge électronique, c'est-à-dire lui ajouter une certaine quantité d'électrons si nous chargeons le corps négativement, ou les en retirer si nous chargeons le corps positivement. Dans les deux cas, le corps aura un certain degré d'électrification, c'est-à-dire un potentiel ou un autre, tandis qu'un corps chargé positivement a un potentiel positif et qu'un corps chargé négativement a un potentiel négatif.
La différence dans les niveaux de charges électroniques 2 corps sont généralement appelés différence de potentiel électronique ou juste différence de potentiel.
Il faut comprendre que si deux corps similaires sont chargés des mêmes charges, mais que l'un est supérieur à l'autre, il y aura également une différence de potentiel entre eux.
De plus, une différence de potentiel existe entre 2 de ces corps, dont l'un est chargé et l'autre sans charge. Ainsi, par exemple, si un corps isolé de la terre a un certain potentiel, alors la différence de potentiel entre lui et la terre (dont le potentiel est considéré comme nul) est numériquement égale au potentiel de ce corps.
Ainsi, si deux corps sont chargés de telle manière que leurs potentiels ne sont pas les mêmes, il existe inévitablement une différence de potentiel entre eux.
Tout le monde sait phénomène d'électrification peignes en le frottant contre les cheveux n'est rien de plus que de créer une différence de potentiel entre le peigne et les cheveux humains.
En effet, lorsque le peigne frotte contre les cheveux, une partie des électrons se dirige vers le peigne, le chargeant négativement, tandis que les cheveux, ayant perdu une partie des électrons, sont chargés dans la même mesure que le peigne, mais positivement. La différence de potentiel ainsi créée peut être réduite à zéro en touchant le peigne aux cheveux. Cette transition inverse des électrons est simplement audible si un peigne électrifié est rapproché de l'oreille. Un craquement caractéristique indiquera qu'une décharge est en cours.
Parlant plus haut de la différence de potentiel, nous avions à l'esprit deux corps chargés, mais la différence de potentiel peut également être obtenue entre différentes parties (points) du 1er et d'un même corps.
Ainsi, par exemple, voyons ce qui se passe dans un morceau de fil de cuivre si, sous l'action d'une force extérieure, nous amenons les électrons libres du fil à se déplacer vers une extrémité de celui-ci. Bien sûr, à l'autre extrémité du fil, il y aura une pénurie d'électrons, puis une différence de potentiel apparaîtra entre les extrémités du fil.
Dès que nous avons terminé l'action de la force externe, les électrons immédiatement, en raison de l'attraction de charges opposées, se précipitent vers l'extrémité du fil, qui est chargée positivement, c'est-à-dire à l'endroit où ils manquent, et l'équilibre électronique reviendra dans le fil.
Force électromotrice et tension
ré Pour maintenir un courant d'électrons dans un conducteur, une source d'énergie externe est nécessaire, qui maintiendrait toujours la différence de potentiel aux extrémités de ce conducteur.
Ces sources d'énergie sont ce qu'on appelle sources de courant électroniques qui possède un certain force électromotrice qui fait et pendant longtemps maintient une différence de potentiel aux extrémités du conducteur.
La force électromotrice (en abrégé EMF) est désignée par la lettre E. L'unité de mesure de l'EMF est le volt. Dans notre pays, le volt est abrégé par la lettre "B", et dans désignation internationale- la lettre "V".
Ainsi, afin d'obtenir un flux continu de courant d'électrons, une force électromotrice est nécessaire, c'est-à-dire qu'une source de courant électronique est nécessaire.
La première source de courant de ce type était la soi-disant "colonne voltaïque", qui consistait en une série de cercles de cuivre et de zinc doublés de cuir trempé dans de l'eau acidifiée. Ainsi, l'une des méthodes d'obtention d'une force électromotrice est l'interaction chimique de certaines substances, à la suite de laquelle l'énergie chimique est convertie en énergie électronique. Les sources de courant dans lesquelles une force électromotrice est créée par cette méthode sont appelées sources de courant chimiques.
Actuellement, les sources de courant chimiques - cellules galvaniques et batteries - sont largement utilisés dans l'électrotechnique et l'industrie de l'énergie.
Une autre source principale de courant, qui s'est répandue dans tous les domaines de l'électrotechnique et de l'industrie de l'énergie électrique, sont les générateurs.
Les générateurs sont installés dans les centrales électriques et constituent la seule source de courant pour alimenter les entreprises industrielles, l'éclairage urbain électronique, les chemins de fer électroniques, les tramways, les métros, les trolleybus, etc.
Tant pour les sources chimiques de courant électronique (pièces et batteries), que pour les générateurs, l'action de la force électromotrice est totalement identique. Elle consiste dans le fait que la FEM fait une différence de potentiel aux bornes de la source de courant et la maintient longtemps.
Ces pinces sont appelées pôles de source de courant. Un pôle de la source de courant connaît toujours une pénurie d'électrons et, comme il se doit, a une charge positive, l'autre pôle connaît un excès d'électrons et, comme il se doit, a une charge négative.
En conséquence, un pôle de la source de courant est appelé positif (+), l'autre - négatif (-).
Les sources de courant sont utilisées pour fournir du courant électronique à divers appareils - consommateurs de courant. Les consommateurs de courant sont connectés aux pôles de la source de courant à l'aide de conducteurs, formant un circuit électronique fermé. La différence de potentiel qui s'établit entre les pôles de la source de courant avec un circuit électronique fermé est appelée tension et est désignée par la lettre U.
L'unité de tension, comme EMF, est le volt.
Si, par exemple, vous devez noter que la tension de la source de courant est de 12 volts, alors ils écrivent: U - 12 V.
Pour mesurer la FEM ou la tension, un appareil appelé voltmètre est utilisé.
Pour mesurer la FEM ou la tension d'une source de courant, vous devez connecter un voltmètre spécifiquement à ses pôles. Avec tout cela, si le circuit électronique est ouvert, le voltmètre affichera la FEM de la source de courant. Si vous fermez le circuit, le voltmètre n'affichera plus la FEM, mais la tension aux bornes de la source de courant.
La FEM développée par la source de courant est toujours supérieure à la tension à ses bornes.
Si dans l'explorateur créer champ électrique et ne prenez pas de mesures pour le maintenir, alors le mouvement des porteurs de charge conduira très rapidement au fait que le champ à l'intérieur du conducteur disparaîtra et, par conséquent, le courant s'arrêtera. Afin de maintenir le courant suffisamment longtemps, il faut partir de l'extrémité du conducteur avec un potentiel inférieur j2(les porteurs de charge sont supposés positifs) supprimer en continu les charges apportées ici par le courant, et vers la fin avec un grand potentiel j1 abaissez-les continuellement (Fig. 20.1).
j 1 j 2
Riz. 20.1. Au concept d'EMF.
En d'autres termes, il est nécessaire de réaliser le cycle de charges, dans lequel elles se déplaceraient le long d'un chemin fermé. Circulation vectorielle champ électrostatique k est égal à zéro. Par conséquent, dans un circuit fermé, ainsi que des zones où les charges positives se déplacent dans le sens décroissant j, il doit y avoir des zones où le transfert de charges positives se produit dans le sens de l'augmentation j, c'est-à-dire contre les forces du champ électrostatique (voir la partie du circuit représentée par la ligne pointillée sur la Fig. 20.1). Le mouvement des transporteurs dans ces zones n'est possible qu'avec l'aide de forces d'origine non électrostatique, appelée forces extérieures . Ainsi, pour maintenir le courant, des forces externes sont nécessaires qui agissent soit dans tout le circuit, soit dans ses sections individuelles. Elles peuvent être causées par des forces d'origine mécanique, des processus chimiques, la diffusion de porteurs de charge dans un milieu inhomogène ou à travers la frontière de deux substances dissemblables, des champs électriques (mais pas électrostatiques) générés par des champs magnétiques, etc.
Les forces externes peuvent être caractérisées par le travail qu'elles effectuent sur les charges se déplaçant le long de la chaîne. Une valeur égale au travail des forces externes, rapportée à une unité de charge positive, est appelée force électromotrice (EMF) E agissant dans le circuit ou dans sa section. Par conséquent, si le travail des forces extérieures sur la charge q est égal à A, alors par définition
E= A/q. (20.6)
D'une comparaison des formules du potentiel et de la FEM, il s'ensuit que la dimension de la FEM coïncide avec la dimension du potentiel. C'est pourquoi E mesuré dans les mêmes unités que j- en volt (V).
Force externe agissant d'abord sur la charge q, peut être représenté comme
valeur vectorielle En mangeant s'appelle l'intensité du champ de forces extérieures. Le travail des forces externes sur la charge q tout au long du circuit fermé peut s'exprimer comme suit :
En divisant ce travail par q pr \u003d +1, nous obtenons l'EMF agissant dans le circuit:
Ainsi, la FEM agissant dans un circuit fermé peut être définie comme la circulation du vecteur d'intensité de champ des forces externes.
La force électromotrice agissant dans la section 1 - 2 est évidemment égale à
E 12 = (20.7)
En plus des forces externes, les forces du champ électrostatique agissent sur la charge F E = q E. Par conséquent, la force résultante agissant en chaque point de la chaîne sur la charge q est égale à
.
Le travail effectué par cette force sur la charge q sur la section de chaîne 1 - 2, est donnée par l'expression
= q E 12 + q( j 1 - j 2). (20.8)
Pour un circuit fermé, le travail des forces électrostatiques est nul, de sorte que A = qE..
Quantité numériquement égale au travail effectuée par des forces électrostatiques et externes lors du déplacement d'une seule charge positive, appelée chute de tension ou simplement tension U dans cette partie de la chaîne. Selon la formule (20.8)
U 12 = j 1 - j 2 + E 12 . (20.9)
En l'absence de forces extérieures, la tension U coïncide avec la différence de potentiel j 1 - j 2 .
Un champ électrostatique a de l'énergie. S'il y a une charge électrique dans un champ électrostatique, alors le champ, agissant dessus avec une certaine force, le déplacera, faisant du travail. Tout travail est associé à un changement dans une sorte d'énergie. Le travail d'un champ électrostatique dans le déplacement d'une charge est généralement exprimé en termes d'une quantité appelée différence de potentiel.
où q est la valeur de la charge transférée,
j 1 et j 2 - potentiels des points de début et de fin du chemin.
Par souci de concision, nous noterons désormais . V est la différence de potentiel.
V = A/q. LA DIFFÉRENCE POTENTIELLE ENTRE LES POINTS DU CHAMP ÉLECTROSTATIQUE EST LE TRAVAIL QUE FONT LES FORCES ÉLECTRIQUES LORSQUE LA CHARGE EST UN PENDENTIF SE DÉPLAÇANT ENTRE EUX .
[V] \u003d V. 1 volt est la différence de potentiel entre les points, lors du déplacement entre lesquels une charge de 1 coulomb, les forces électrostatiques font un travail de 1 joule.
La différence de potentiel entre les corps est mesurée avec un électromètre, pour lequel l'un des corps est relié par des conducteurs au corps de l'électromètre, et l'autre à la flèche. Dans les circuits électriques, la différence de potentiel entre les points du circuit est mesurée avec un voltmètre.
Avec la distance de la charge, le champ électrostatique s'affaiblit. Par conséquent, tend vers zéro et l'énergie caractéristique du champ - le potentiel. En physique, le potentiel d'un point à l'infini est considéré comme nul. En génie électrique, on pense que la surface de la Terre a un potentiel nul.
Si une charge se déplace d'un point donné vers l'infini, alors
A = q(j - O) = qj => j= A/q, c'est-à-dire LE POTENTIEL D'UN POINT EST LE TRAVAIL QUE LES FORCES ÉLECTRIQUES DOIVENT FAIRE, TRANSFÉRANT LA CHARGE DANS UN PENDENTIF D'UN POINT DONNÉ À L'INFINI .
Soit une charge positive q se déplaçant dans un champ électrostatique uniforme d'intensité E le long de la direction du vecteur d'intensité à une distance d. Le travail du champ dans le déplacement de la charge peut être trouvé à la fois par l'intensité du champ et par la différence de potentiel. Évidemment, avec n'importe quelle méthode de calcul du travail, on obtient une seule et même valeur de celui-ci.
A = Fd = Eqd = qV. =>
Cette formule relie les caractéristiques de puissance et d'énergie du champ. De plus, cela nous donne une unité de tension.
[E] = V/m. 1 V / m est l'intensité d'un tel champ électrostatique uniforme, dont le potentiel change de 1 V en se déplaçant le long de la direction du vecteur d'intensité de 1 m.
LOI D'OHM POUR UNE SECTION DE CHAÎNE.
Une augmentation de la différence de potentiel aux extrémités du conducteur provoque une augmentation du courant dans celui-ci. Ohm a prouvé expérimentalement que l'intensité du courant dans un conducteur est directement proportionnelle à la différence de potentiel à travers celui-ci.
Lors de la connexion de différents consommateurs au même circuit électrique la force actuelle est différente. Cela signifie que différents consommateurs empêchent le passage à travers eux de différentes manières. courant électrique. UNE GRANDEUR PHYSIQUE CARACTÉRISANT LA CAPACITÉ D'UN CONDUCTEUR À EMPÊCHER LE COURANT ÉLECTRIQUE DE LE TRAVERSER EST APPELÉE RÉSISTANCE ÉLECTRIQUE . La résistance d'un conducteur donné est une valeur constante à une température constante. Lorsque la température augmente, la résistance des métaux augmente, tandis que celle des liquides diminue. [R] = Ohm. 1 Ohm est la résistance d'un tel conducteur, parcouru par un courant de 1 A avec une différence de potentiel à ses extrémités de 1 V. Les conducteurs métalliques les plus couramment utilisés. Les porteurs de courant qu'ils contiennent sont des électrons libres. Lorsqu'ils se déplacent le long d'un conducteur, ils interagissent avec les ions positifs du réseau cristallin, leur donnant une partie de leur énergie et perdant de la vitesse. Pour obtenir la résistance désirée, utilisez la boîte de résistance. Une boîte de résistance est un ensemble de bobines de fil avec des résistances connues qui peuvent être incluses dans le circuit dans la combinaison souhaitée.
Ohm a découvert expérimentalement que L'INTENSITÉ DU COURANT DANS UNE SECTION HOMOGÈNE DU CIRCUIT EST DIRECTEMENT PROPORTIONNELLE À LA DIFFÉRENCE DE POTENTIEL AUX EXTRÉMITÉS DE CETTE SECTION ET EST INVERSE PROPORTIONNELLE À LA RÉSISTANCE DE CETTE SECTION.
Une section homogène d'un circuit est une section dans laquelle il n'y a pas de sources de courant. C'est la loi d'Ohm pour une section homogène du circuit - la base de tous les calculs électriques.
Y compris les conducteurs de différentes longueurs, différents la Coupe transversale fait à partir de différents matériaux, a été trouvé: LA RÉSISTANCE D'UN CONDUCTEUR EST DIRECTEMENT PROPORTIONNELLE À LA LONGUEUR DU CONDUCTEUR ET INVERSE PROPORTIONNELLEMENT À SA SURFACE DE COUPE TRANSVERSALE. LA RÉSISTANCE D'UN CUBE D'UN BORD DE 1 MÈTRE, RÉALISÉ À PARTIR DE TOUTE SUBSTANCE, SI LE COURANT PASSE PERPENDICULIÈREMENT À SES FACES OPPOSÉES, EST APPELÉE RÉSISTANCE SPÉCIFIQUE DE CETTE SUBSTANCE . [r] \u003d Ohm m. Une unité de résistivité non systémique est souvent utilisée - la résistance d'un conducteur avec une section transversale de 1 mm 2 et une longueur de 1 m. [r] \ u003d Ohm mm 2 / m.
Résistivité substances - valeur tabulaire. La résistance d'un conducteur est proportionnelle à sa résistivité.
L'action des rhéostats à glissière et à pas est basée sur la dépendance de la résistance du conducteur à sa longueur. Le rhéostat à curseur est un cylindre en céramique avec un fil de nickel enroulé autour de lui. La connexion du rhéostat au circuit est réalisée à l'aide d'un curseur, qui comprend une longueur plus ou moins grande de l'enroulement dans le circuit. Le fil est recouvert d'une couche de tartre qui isole les spires les unes des autres.
A) RACCORDEMENT EN SÉRIE ET EN PARALLÈLE DES CONSOMMATEURS.
Souvent, plusieurs consommateurs de courant sont inclus dans le circuit électrique. Cela est dû au fait qu'il n'est pas rationnel que chaque consommateur ait sa propre source de courant. Il existe deux manières d'allumer les consommateurs: série et parallèle, et leurs combinaisons sous la forme d'une connexion mixte.
a) Connexion en série des consommateurs.
À connexion série les consommateurs forment une chaîne continue dans laquelle les consommateurs sont connectés les uns après les autres. Il n'y a pas de robinets lorsqu'ils sont connectés en série fils de connexion. Considérons, pour simplifier, une chaîne de deux consommateurs connectés en série. Une charge électrique qui est passée par l'un des consommateurs passera également par le second, car. dans le conducteur reliant les consommateurs, il ne peut y avoir de disparition, d'apparition et d'accumulation de charges. q=q 1 =q 2 . En divisant l'équation obtenue par le temps de passage du courant dans le circuit, on obtient une relation entre le courant traversant toute la connexion et les courants traversant ses sections.
Il est évident que le travail de déplacement d'une seule charge positive à travers la connexion se compose du travail de déplacement de cette charge à travers toutes ses sections. Ceux. V \u003d V 1 + V 2 (2).
La différence de potentiel totale entre les consommateurs connectés en série est égale à la somme des différences de potentiel entre les consommateurs.
Divisez les deux parties de l'équation (2) par le courant dans le circuit, nous obtenons : U/I=V 1 /I+V 2 /I. Ceux. la résistance de toute la section connectée en série est égale à la somme des résistances des consommateurs de ses composants.
B) Connexion parallèle des consommateurs.
C'est le moyen le plus courant d'activer les consommateurs. Avec cette connexion, tous les consommateurs sont connectés à deux points communs pour tous les consommateurs.
Au passage connexion parallèle, la charge électrique traversant le circuit est divisée en plusieurs parties passant par des consommateurs individuels. Selon la loi de conservation des charges q=q 1 +q 2 . En divisant cette équation par le temps de transit de la charge, nous obtenons la relation entre le courant total traversant le circuit et les courants traversant les consommateurs individuels.
Conformément à la définition de la différence de potentiel V=V 1 =V 2 (2).
Selon la loi d'Ohm pour une section du circuit, nous remplaçons les intensités de courant dans l'équation (1) par le rapport de la différence de potentiel à la résistance. Nous obtenons: V / R \u003d V / R 1 + V / R 2. Après réduction : 1/R=1/R 1 +1/R 2 ,
ceux. l'inverse de la résistance d'une connexion parallèle est égal à la somme des inverses des résistances de ses branches individuelles.