Siła elektromotoryczna, napięcie i różnica potencjałów

Potencjalna różnica

Oczywiste jest, że jedno ciało można ogrzewać bardziej, a drugie mniej. Stopień nagrzania ciała nazywamy jego temperaturą. Podobnie jedno ciało może zostać naelektryzowane bardziej niż drugie. Stopień naelektryzowania ciała charakteryzuje wartość zwana potencjałem elektronicznym lub po prostu potencjałem ciała.

Co to znaczy elektryzować ciało? To znaczy mu powiedzieć opłata elektroniczna, czyli dodać do niego pewną ilość elektronów, jeśli ciało ładujemy ujemnie, lub odebrać je, jeśli ciało naładujemy dodatnio. W obu przypadkach ciało będzie miało pewien stopień naelektryzowania, tj. taki lub inny potencjał, podczas gdy ciało naładowane dodatnio ma potencjał dodatni, a ciało naładowane ujemnie ma potencjał ujemny.

Różnica w poziomach opłat elektronicznych 2 ciała są zwykle nazywane elektroniczna różnica potencjałów Lub tylko potencjalna różnica.

Należy rozumieć, że jeśli dwa podobne ciała są naładowane tymi samymi ładunkami, ale jedno jest większe od drugiego, wówczas będzie między nimi również potencjalna różnica.

Ponadto istnieje potencjalna różnica między 2 takimi ciałami, z których jedno jest naładowane, a drugie nie jest naładowane. Na przykład, jeśli jakiekolwiek ciało odizolowane od ziemi ma pewien potencjał, to różnica potencjałów między nim a ziemią (której potencjał jest uważany za zero) jest liczbowo równa potencjałowi tego ciała.

Tak więc, jeśli dwa ciała są naładowane w taki sposób, że ich potencjały nie są takie same, nieuchronnie istnieje między nimi różnica potencjałów.

Wszyscy wiedzą zjawisko elektryfikacji grzebienie podczas pocierania go o włosy to nic innego jak tworzenie potencjalnej różnicy między grzebieniem a włosami ludzkimi.

Rzeczywiście, kiedy grzebień ociera się o włos, część elektronów biegnie do grzebienia, ładując go ujemnie, podczas gdy włosy, które utraciły część elektronów, są naładowane w takim samym stopniu jak grzebień, ale dodatnio. Powstałą w ten sposób potencjalną różnicę można zredukować do zera, dotykając grzebienia włosami. To odwrotne przejście elektronów jest po prostu słyszalne, gdy naelektryzowany grzebień zbliża się do ucha. Charakterystyczny trzask wskaże, że ma miejsce wyładowanie.

Mówiąc powyżej o potencjalnej różnicy, mieliśmy na myśli dwa naładowane ciała, ale różnicę potencjałów można również uzyskać między różnymi częściami (punktami) pierwszego i tego samego ciała.

Na przykład zobaczmy, co dzieje się w kawałku drutu miedzianego, jeśli pod działaniem jakiejś siły zewnętrznej sprawimy, że swobodne elektrony w drucie przesuną się na jeden jego koniec. Oczywiście na drugim końcu drutu będzie brakować elektronów, a następnie między końcami drutu pojawi się różnica potencjałów.

Gdy tylko zakończymy działanie siły zewnętrznej, elektrony natychmiast, dzięki przyciąganiu przeciwnych ładunków, pędzą do końca drutu, który jest naładowany dodatnio, czyli do miejsca, w którym ich brakuje i równowagi elektronowej znowu wejdzie w drut.

Siła elektromotoryczna i napięcie

D Aby utrzymać prąd elektronowy w przewodniku, potrzebne jest zewnętrzne źródło energii, które zawsze utrzymuje różnicę potencjałów na końcach tego przewodnika.

Te źródła energii to tzw elektroniczne źródła prądu którzy posiadają pewną siła elektromotoryczna co sprawia, że ​​i przez długi czas utrzymuje różnicę potencjałów na końcach przewodu.

Siła elektromotoryczna (w skrócie EMF) jest oznaczona literą E. Jednostką miary pola elektromagnetycznego jest wolt. W naszym kraju wolt jest skracany do litery „B”, a in oznaczenie międzynarodowe- litera „V”.

Tak więc, aby uzyskać ciągły przepływ prądu elektronowego, potrzebna jest siła elektromotoryczna, czyli potrzebne jest źródło prądu elektronowego.

Pierwszym takim źródłem prądu była tak zwana „kolumna fotowoltaiczna”, która składała się z szeregu miedzianych i cynkowych kręgów wyłożonych skórą nasączoną zakwaszoną wodą. Tak więc jedną z metod uzyskania siły elektromotorycznej jest chemiczne oddziaływanie niektórych substancji, w wyniku którego energia chemiczna jest przekształcana w energię elektroniczną. Źródła prądowe, w których tą metodą wytwarzana jest siła elektromotoryczna, nazywane są chemiczne źródła prądu.

Obecnie chemiczne źródła prądowe - ogniwa galwaniczne i akumulatory - znajdują szerokie zastosowanie w elektrotechnice i energetyce.

Innym głównym źródłem prądu, rozpowszechnionym we wszystkich dziedzinach elektrotechniki i elektroenergetyki, są generatory.

Generatory są instalowane w elektrowniach i służą jako jedyne źródło prądu do zasilania przedsiębiorstw przemysłowych, elektronicznego oświetlenia miejskiego, elektronicznych kolei, tramwajów, metra, trolejbusów itp.

Zarówno w przypadku chemicznych źródeł prądu elektrycznego (części i baterie), jak i generatorów działanie siły elektromotorycznej jest całkowicie identyczne. Polega na tym, że EMF robi różnicę potencjałów na zaciskach źródła prądu i utrzymuje ją przez długi czas.

Te zaciski nazywane są biegunami źródła prądu. Jeden biegun źródła prądu zawsze doświadcza niedoboru elektronów i tak jak powinien ma ładunek dodatni, drugi biegun doświadcza nadmiaru elektronów i tak jak powinien ma ładunek ujemny.

W związku z tym jeden biegun źródła prądu nazywa się dodatnim (+), drugi - ujemnym (-).

Źródła prądu służą do dostarczania prądu elektronicznego do różnych urządzeń - odbiorców prądu. Obecni odbiorcy są podłączeni do biegunów źródła prądu za pomocą przewodów, tworząc zamknięty obwód elektroniczny. Różnica potencjałów ustalona między biegunami źródła prądu z zamkniętym obwodem elektronicznym nazywana jest napięciem i jest oznaczona literą U.

Jednostką napięcia, podobnie jak EMF, jest wolt.

Jeśli na przykład musisz zapisać, że napięcie źródła prądu wynosi 12 woltów, to piszą: U - 12 V.

Do pomiaru pola elektromagnetycznego lub napięcia używane jest urządzenie zwane woltomierzem.

Aby zmierzyć EMF lub napięcie źródła prądu, musisz podłączyć woltomierz specjalnie do jego biegunów. Z tym wszystkim, jeśli obwód elektroniczny jest otwarty, woltomierz pokaże pole elektromagnetyczne bieżącego źródła. Jeśli zamkniesz obwód, woltomierz nie będzie już pokazywał pola elektromagnetycznego, ale napięcie na zaciskach źródła prądu.

Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez źródło prądu jest zawsze większe niż napięcie na jego zaciskach.

Jeśli w eksploratorze utwórz pole elektryczne i nie podejmuj działań, aby go utrzymać, ruch nośników ładunku bardzo szybko doprowadzi do tego, że pole wewnątrz przewodnika zniknie, a zatem prąd się zatrzyma. Aby utrzymać prąd przez wystarczająco długi czas, konieczne jest od końca przewodu o niższym potencjale j2(przyjmuje się, że nośniki ładunku są dodatnie) w sposób ciągły usuwają ładunki przynoszone tu przez prąd, a pod koniec z dużym potencjałem j1 stale je opuszczać (rys. 20.1).

j 1 j 2

Ryż. 20.1. Do pojęcia pola elektromagnetycznego.

Innymi słowy, konieczne jest przeprowadzenie cyklu ładowania, w którym poruszałyby się one po zamkniętej ścieżce. Obieg wektorowy pole elektrostatyczne k jest równe zeru. Dlatego w obiegu zamkniętym wraz z obszarami, w których ładunki dodatnie poruszają się w kierunku malejącym j, muszą istnieć obszary, w których przenoszenie ładunków dodatnich następuje w kierunku wzrostu j, czyli wbrew siłom pola elektrostatycznego (patrz część obwodu pokazana linią przerywaną na rys. 20.1). Przemieszczanie się przewoźników w tych obszarach jest możliwe tylko przy pomocy sił pochodzenia nieelektrostatycznego, tzw siły zewnętrzne . Tak więc, aby utrzymać prąd, potrzebne są siły zewnętrzne, które działają w całym obwodzie lub w jego poszczególnych sekcjach. Mogą być spowodowane siłami pochodzenia mechanicznego, procesami chemicznymi, dyfuzją nośników ładunku w niejednorodnym ośrodku lub przez granicę dwóch odmiennych substancji, polami elektrycznymi (ale nie elektrostatycznymi) generowanymi przez zmienne w czasie pola magnetyczne itp.

Siły zewnętrzne można scharakteryzować poprzez pracę, jaką wykonują na ładunkach poruszających się wzdłuż łańcucha. Wartość równa pracy sił zewnętrznych, odniesiona do jednostki ładunku dodatniego, nazywana jest siłą elektromotoryczną (SEM) E działającą w obwodzie lub na jego odcinku. Dlatego, jeśli praca sił zewnętrznych na ładunek q jest równe A, to z definicji

mi= A/kw. (20,6)

Z porównania wzorów na potencjał i EMF wynika, że ​​wymiar EMF pokrywa się z wymiarem potencjału. Dlatego mi mierzone w tych samych jednostkach co j- w woltach (V).

Siła zewnętrzna f st działająca na ładunek q, można przedstawić jako

wartość wektora Jedzenie nazywana jest siłą pola sił zewnętrznych. Praca sił zewnętrznych na szarży q w całym obwodzie zamkniętym można wyrazić w następujący sposób:

Dzieląc tę ​​pracę przez q pr \u003d +1, otrzymujemy EMF działający w obwodzie:

SEM działającą w obwodzie zamkniętym można zatem zdefiniować jako krążenie wektora natężenia pola sił zewnętrznych.

Siła elektromotoryczna działająca w sekcji 1 - 2 jest oczywiście równa

mi 12 = (20.7)

Oprócz sił zewnętrznych na ładunek działają również siły pola elektrostatycznego f E = q mi. Dlatego wynikowa siła działająca w każdym punkcie łańcucha na ładunek q jest równa

.

Praca wykonana przez tę siłę na ładunku q na odcinku łańcucha 1 - 2 wyraża wyrażenie

= q mi 12 + q( j 1 - j 2). (20.8)

Dla obwodu zamkniętego praca sił elektrostatycznych wynosi zero, więc A = qE..

Ilość liczbowo równa pracy wykonywane przez siły elektrostatyczne i zewnętrzne podczas ruchu pojedynczego ładunku dodatniego, zwany spadkiem napięcia lub po prostu napięcie U w tej części łańcucha. Zgodnie ze wzorem (20.8)

U 12 = j 1 - j 2 + mi 12 . (20.9)

W przypadku braku sił zewnętrznych napięcie U pokrywa się z różnicą potencjałów j 1 - j 2 .

Pole elektrostatyczne ma energię. Jeśli w polu elektrostatycznym znajduje się ładunek elektryczny, to pole, działające na nie z pewną siłą, przesunie go, wykonując pracę. Każda praca wiąże się ze zmianą pewnego rodzaju energii. Praca pola elektrostatycznego podczas przemieszczania ładunku jest zwykle wyrażana w postaci wielkości zwanej różnicą potencjałów.

gdzie q jest wartością przekazanej opłaty,

j 1 i j 2 - potencjały punktu początkowego i końcowego ścieżki.

Dla zwięzłości będziemy odtąd oznaczać . V to potencjalna różnica.

V = A/q. POTENCJALNA RÓŻNICA MIĘDZY PUNKTAMI POLA ELEKTROSTATYCZNEGO TO PRACA, KTÓRĄ WYKONUJĄ SIŁY ELEKTRYCZNE, GDY ŁADUNEK JEST PORUSZAJĄCYM SIĘ JEDNĄ ZAWIESZKĄ .

[V] \u003d V. 1 wolt to różnica potencjałów między punktami, podczas przemieszczania się, między którymi ładunek 1 kulomba, siły elektrostatyczne wykonują pracę 1 dżula.

Różnicę potencjałów między ciałami mierzy się elektrometrem, w którym jedno z ciał jest połączone przewodami z korpusem elektrometru, a drugie ze strzałką. W obwodach elektrycznych różnicę potencjałów między punktami obwodu mierzy się woltomierzem.

Wraz z odległością od ładunku pole elektrostatyczne słabnie. W konsekwencji dąży do zera, a charakterystyka energetyczna pola - potencjał. W fizyce potencjał punktu w nieskończoności przyjmuje się jako zero. W elektrotechnice uważa się, że powierzchnia Ziemi ma potencjał zerowy.

Jeśli ładunek przesuwa się z danego punktu do nieskończoności, to

A = q(j - O) = qj => j= A/q, tj. POTENCJAŁ PUNKTU TO PRACA, KTÓRĄ MUSZĄ WYKONAĆ SIŁY ELEKTRYCZNE, PRZENIESIENIE ŁADUNKU W JEDNYM ZAWIESZKU Z DANEGO PUNKTU DO NIESKOŃCZONOŚCI .

Niech ładunek dodatni q porusza się w jednorodnym polu elektrostatycznym o natężeniu E wzdłuż kierunku wektora natężenia na odległość d. Pracę pola w przemieszczaniu ładunku można znaleźć zarówno poprzez siłę pola, jak i różnicę potencjałów. Oczywiście przy dowolnej metodzie obliczania pracy uzyskuje się jedną i taką samą jej wartość.

A = Fd = Równanie = qV. =>

Ta formuła łączy charakterystykę mocy i energii pola. Dodatkowo daje nam jednostkę napięcia.

[E] = V/m. 1 V / m to natężenie takiego jednolitego pola elektrostatycznego, którego potencjał zmienia się o 1 V podczas poruszania się w kierunku wektora natężenia o 1 m.

PRAWO OHM DLA SEKCJI ŁAŃCUCHOWEJ.

Wzrost różnicy potencjałów na końcach przewodnika powoduje wzrost prądu w nim. Ohm udowodnił eksperymentalnie, że natężenie prądu w przewodniku jest wprost proporcjonalne do różnicy potencjałów na nim.

Podłączając różnych odbiorców do tego samego obwód elektryczny obecna siła jest inna. Oznacza to, że różni konsumenci w różny sposób uniemożliwiają im przejście. prąd elektryczny. WIELKOŚĆ FIZYCZNA CHARAKTERYZUJĄCA ZDOLNOŚĆ PRZEWODNIKA DO ZAPOBIEGANIA PRZEPŁYWU PRĄDU ELEKTRYCZNEGO NAZWA SIĘ OPORNOŚCIĄ ELEKTRYCZNĄ . Rezystancja danego przewodnika jest wartością stałą w stałej temperaturze. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta rezystancja metali, a maleje rezystancja cieczy. [R] = Ohm. 1 Ohm to rezystancja takiego przewodnika, przez który przepływa prąd 1 A z różnicą potencjałów na jego końcach 1 V. Najczęściej używane przewodniki metalowe. Nośnikami prądu w nich są wolne elektrony. Poruszając się wzdłuż przewodnika, oddziałują one z dodatnimi jonami sieci krystalicznej, oddając im część swojej energii i tracąc prędkość. Aby uzyskać pożądaną odporność, użyj pudełka z odpornością. Skrzynka rezystancyjna to zestaw cewek drutu o znanych rezystancjach, które można włączyć do obwodu w pożądanej kombinacji.

Ohm odkrył to eksperymentalnie AKTUALNA SIŁA W JEDNORODNEJ CZĘŚCI OBWODU JEST BEZPOŚREDNIO PROPORCJONALNA DO POTENCJALNYCH RÓŻNIC NA KOŃCACH TEJ SEKCJI I JEST ODWROTNIE PROPORCJONALNA DO WYTRZYMAŁOŚCI TEJ SEKCJI.

Jednorodny odcinek obwodu to odcinek, na którym nie ma źródeł prądu. To jest prawo Ohma dla jednorodnego odcinka obwodu - podstawa wszystkich obliczeń elektrycznych.

W tym przewodniki o różnych długościach, różne Przekrój zrobiony z różne materiały, został znaleziony: ODPORNOŚĆ PRZEWODNIKA JEST BEZPOŚREDNIO PROPORCJONALNA DO DŁUGOŚCI PRZEWODNIKA I ODWRÓCONA PROPORCJONALNIE DO JEGO PRZEKROJU. ODPORNOŚĆ KOSTKI O 1 METROWEJ KRAWĘDZI WYKONANEJ Z SUBSTANCJI, JEŚLI PRĄD PŁYWA PROSTOPADLE DO JEGO PRZECIWNYCH ŚCIAN, NAZYWA SIĘ ODPORNOŚCIĄ SPECYFICZNĄ TEJ SUBSTANCJI . [r] \u003d Ohm m. Często stosuje się niesystemową jednostkę rezystywności - rezystancję przewodnika o polu przekroju 1 mm 2 i długości 1 m. [r] \ u003d Ohm mm 2 / m.

Oporność substancje - wartość tabelaryczna. Rezystancja przewodnika jest proporcjonalna do jego rezystywności.

Działanie reostatów suwakowych i krokowych opiera się na zależności rezystancji przewodu od jego długości. Reostat suwakowy to ceramiczny cylinder z owiniętym wokół niego drutem niklowym. Połączenie reostatu z obwodem odbywa się za pomocą suwaka, który obejmuje większą lub mniejszą długość uzwojenia w obwodzie. Drut pokryty jest warstwą zgorzeliny, która izoluje zwoje od siebie.

A) SZEREGOWE I RÓWNOLEGŁE POŁĄCZENIE ODBIORCÓW.

Często w obwodzie elektrycznym znajduje się kilku odbiorców prądu. Wynika to z faktu, że nie jest racjonalne, aby każdy konsument miał własne źródło prądu. Istnieją dwa sposoby włączania konsumentów: szeregowe i równoległe oraz ich kombinacje w postaci połączenia mieszanego.

a) Szeregowe połączenie odbiorców.

Na połączenie szeregowe konsumenci tworzą ciągły łańcuch, w którym konsumenci są połączeni jeden po drugim. Po podłączeniu szeregowym nie ma kranów przewody łączące. Rozważ dla uproszczenia łańcuch dwóch konsumentów połączonych szeregowo. Ładunek elektryczny, który przeszedł przez jednego z odbiorców, przejdzie również przez drugiego, ponieważ. w przewodzie łączącym odbiorców nie może dochodzić do znikania, występowania i kumulacji opłat. q=q 1 = q 2 . Dzieląc otrzymane równanie przez czas przepływu prądu przez obwód, otrzymujemy zależność między prądem płynącym przez całe połączenie a prądami płynącymi przez jego odcinki.

Jest oczywiste, że praca polegająca na przeniesieniu pojedynczego ładunku dodatniego w całym połączeniu składa się z pracy polegającej na przeniesieniu tego ładunku przez wszystkie jego odcinki. Tych. V \u003d V 1 + V 2 (2).

Całkowita potencjalna różnica między konsumentami połączonymi szeregowo jest równa sumie potencjalnych różnic między konsumentami.

Dzieląc obie strony równania (2) przez prąd w obwodzie, otrzymujemy: U/I=V 1 /I+V 2 /I. Tych. rezystancja całej połączonej szeregowo sekcji jest równa sumie rezystancji odbiorników jej elementów.

B) Połączenie równoległe odbiorników.

Jest to najczęstszy sposób na umożliwienie konsumentom. Dzięki temu połączeniu wszyscy odbiorcy są połączeni z dwoma punktami wspólnymi dla wszystkich odbiorców.

Przechodząc połączenie równoległeładunek elektryczny przechodzący przez obwód jest podzielony na kilka części przechodzących przez poszczególnych odbiorców. Zgodnie z prawem zachowania ładunku q=q 1 +q 2 . Dzieląc to równanie przez czas przejścia ładunku, otrzymujemy zależność między całkowitym prądem płynącym przez obwód a prądami płynącymi przez poszczególnych odbiorców.

Zgodnie z definicją różnicy potencjałów V=V 1 =V 2 (2).

Zgodnie z prawem Ohma dla odcinka obwodu, zastępujemy natężenia prądu w równaniu (1) stosunkiem różnicy potencjałów do rezystancji. Otrzymujemy: V / R \u003d V / R 1 + V / R 2. Po redukcji: 1/R=1/R 1 +1/R 2 ,

tych. odwrotność oporu połączenia równoległego jest równa sumie odwrotności oporów poszczególnych gałęzi.