Forța electromotoare, tensiunea și diferența de potențial

Diferenta potentiala

Este clar că un corp poate fi încălzit mai mult, iar celălalt mai puțin. Gradul de încălzire al unui corp se numește temperatură. În mod similar, un corp poate fi electrificat mai mult decât altul. Gradul de electrificare a corpului caracterizează o valoare numită potenţial electronic sau pur şi simplu potenţialul corpului.

Ce înseamnă electrizarea corpului? Înseamnă să-i spui încărcare electronică, adică îi adăugăm o anumită cantitate de electroni dacă încărcăm corpul negativ sau îi luăm de la acesta dacă încărcăm corpul pozitiv. În ambele cazuri, corpul va avea un anumit grad de electrificare, adică unul sau altul potențial, în timp ce un corp încărcat pozitiv are un potențial pozitiv, iar un corp încărcat negativ are un potențial negativ.

Diferența dintre nivelurile de încărcare electronică De obicei se numesc 2 corpuri diferenta de potential electronic sau doar diferenta potentiala.

Trebuie înțeles că dacă două corpuri similare sunt încărcate cu aceleași sarcini, dar unul este mai mare decât celălalt, atunci va exista și o diferență potențială între ele.

În plus, există o diferență de potențial între 2 astfel de corpuri, dintre care unul este încărcat, iar celălalt nu are încărcare. Deci, de exemplu, dacă orice corp izolat de pământ are un anumit potențial, atunci diferența de potențial dintre el și pământ (al cărui potențial este considerat a fi zero) este numeric egală cu potențialul acestui corp.

Deci, dacă două corpuri sunt încărcate în așa fel încât potențialele lor nu sunt aceleași, există inevitabil o diferență de potențial între ele.

Toată lumea știe fenomen de electrizare piepteni când îl freci de păr nu înseamnă altceva decât crearea unei diferențe potențiale între pieptene și părul uman.

Într-adevăr, atunci când pieptene se freacă de păr, o parte din electroni se îndreaptă spre pieptene, încărcându-l negativ, în timp ce părul, după ce a pierdut o parte din electroni, este încărcat în aceeași măsură ca și pieptene, dar pozitiv. Diferența de potențial realizată în acest fel poate fi redusă la zero prin atingerea pieptenului de păr. Această tranziție inversă a electronilor este pur și simplu audibilă dacă un pieptene electrificat este adus mai aproape de ureche. Un trosnet caracteristic va indica faptul că are loc o descărcare.

Vorbind mai sus despre diferența de potențial, am avut în vedere două corpuri încărcate, dar diferența de potențial se poate obține și între diferite părți (puncte) ale primului și aceluiași corp.

Deci, de exemplu, să vedem ce se întâmplă într-o bucată de sârmă de cupru dacă, sub acțiunea unei forțe externe, facem ca electronii liberi din fir să se miște la un capăt al acestuia. Desigur, la celălalt capăt al firului va exista o lipsă de electroni, apoi va apărea și o diferență de potențial între capetele firului.

De îndată ce terminăm acțiunea forței exterioare, electronii imediat, datorită atracției sarcinilor opuse, se reped până la capătul firului, care este încărcat pozitiv, adică în locul în care lipsesc, și echilibrul electronic. va intra din nou în fir.

Forța și tensiunea electromotoare

D Pentru a menține un curent de electroni într-un conductor, este nevoie de o sursă externă de energie, care ar menține întotdeauna diferența de potențial la capetele acestui conductor.

Aceste surse de energie sunt așa-numitele surse electronice de curent care dețin un anumit forta electromotoare care face şi pentru mult timp menține o diferență de potențial la capetele conductorului.

Forța electromotoare (abreviată ca EMF) este notă cu litera E. Unitatea de măsură pentru EMF este voltul. În țara noastră, voltul este prescurtat ca litera „B”, iar în denumire internațională- litera „V”.

Deci, pentru a obține un flux continuu de curent electronic, este nevoie de o forță electromotoare, adică este nevoie de o sursă de curent electronic.

Prima astfel de sursă de curent a fost așa-numita „coloană voltaică”, care consta dintr-o serie de cercuri de cupru și zinc căptușite cu piele înmuiată în apă acidulată. Astfel, una dintre metodele de obținere a unei forțe electromotoare este interacțiunea chimică a anumitor substanțe, în urma căreia energia chimică este transformată în energie electronică. Se numesc surse de curent în care se creează o forță electromotoare prin această metodă surse de curent chimic.

În prezent, sursele de curent chimic - celule galvaniceși bateriile - sunt utilizate pe scară largă în inginerie electrică și industria energetică.

O altă sursă principală de curent, care a devenit larg răspândită în toate domeniile ingineriei electrice și în industria energiei electrice, sunt generatoarele.

Generatoarele sunt instalate la centralele electrice și servesc ca singura sursă de curent pentru alimentarea companiilor industriale, iluminatul electronic al orașului, căile ferate electronice, tramvaiele, metrourile, troleibuzele etc.

Atât pentru sursele chimice de curent electronic (piese și baterii), cât și pentru generatoare, acțiunea forței electromotoare este complet identică. Constă în faptul că EMF face o diferență de potențial la bornele sursei de curent și o menține mult timp.

Aceste cleme se numesc poli sursă de curent. Un pol al sursei de curent se confruntă întotdeauna cu o lipsă de electroni și, așa cum ar trebui, are o sarcină pozitivă, celălalt pol suferă un exces de electroni și, așa cum ar trebui, are o sarcină negativă.

În consecință, un pol al sursei de curent se numește pozitiv (+), celălalt - negativ (-).

Sursele de curent sunt folosite pentru a furniza curent electronic la diferite dispozitive - consumatorii de curent. Consumatorii de curent sunt conectați la polii sursei de curent cu ajutorul conductorilor, formând un circuit electronic închis. Diferența de potențial care se stabilește între polii sursei de curent cu un circuit electronic închis se numește tensiune și se notează cu litera U.

Unitatea de tensiune, ca și EMF, este voltul.

Dacă, de exemplu, trebuie să scrieți că tensiunea sursei de curent este de 12 volți, atunci ei scriu: U - 12 V.

Pentru a măsura EMF sau tensiunea, se folosește un dispozitiv numit voltmetru.

Pentru a măsura EMF sau tensiunea unei surse de curent, trebuie să conectați un voltmetru special la polii săi. Cu toate acestea, dacă circuitul electronic este deschis, atunci voltmetrul va afișa EMF-ul sursei de curent. Dacă închideți circuitul, atunci voltmetrul nu va mai afișa EMF, ci tensiunea la bornele sursei de curent.

EMF dezvoltat de sursa de curent este întotdeauna mai mare decât tensiunea la bornele sale.

Dacă în explorator creați câmp electricși nu luați măsuri pentru a-l menține, atunci mișcarea purtătorilor de sarcină va duce foarte repede la faptul că câmpul din interiorul conductorului va dispărea și, prin urmare, curentul se va opri. Pentru a menține curentul pentru un timp suficient de lung, este necesar de la capătul conductorului cu un potențial mai mic j2(se presupune că purtătorii de sarcină sunt pozitivi) îndepărtează continuu sarcinile aduse aici de curent, iar spre final cu un potențial mare j1 coborâți-le continuu (Fig. 20.1).

j 1 j 2

Orez. 20.1. La conceptul de EMF.

Cu alte cuvinte, este necesar să se efectueze ciclul de încărcări, în care acestea s-ar deplasa pe o cale închisă. Circulația vectorială câmp electrostatic k este egal cu zero. Prin urmare, într-un circuit închis, împreună cu zonele în care sarcinile pozitive se mișcă în direcția scăderii j, trebuie să existe zone în care transferul sarcinilor pozitive are loc în direcția creșterii j, adică împotriva forțelor câmpului electrostatic (vezi partea de circuit prezentată de linia punctată în Fig. 20.1). Deplasarea transportatorilor în aceste zone este posibilă numai cu ajutorul forțelor origine neelectrostatică, numită forțe exterioare . Astfel, pentru a menține curentul, sunt necesare forțe externe, care acționează fie în întregul circuit, fie în secțiunile sale individuale. Ele pot fi cauzate de forțe de origine mecanică, procese chimice, difuzia purtătorilor de sarcină într-un mediu neomogen sau prin limita a două substanțe diferite, câmpuri electrice (dar nu electrostatice) generate de variația în timp. campuri magnetice, etc.

Forțele externe pot fi caracterizate prin munca pe care o fac asupra sarcinilor care se deplasează de-a lungul lanțului. O valoare egală cu munca forțelor externe, referită la o unitate de sarcină pozitivă, se numește forța electromotoare (EMF) E care acționează în circuit sau în secțiunea acestuia. Prin urmare, dacă munca forțelor externe asupra sarcinii q este egal cu A, atunci prin definiție

E= A/q. (20,6)

Dintr-o comparație a formulelor pentru potențial și EMF, rezultă că dimensiunea EMF coincide cu dimensiunea potențialului. De aceea E măsurată în aceleași unități ca și j- în volți (V).

Forța externă f st care acționează asupra sarcinii q, poate fi reprezentat ca

valoare vectorială Mâncând se numește puterea câmpului de forțe externe. Munca forțelor externe asupra sarcinii q de-a lungul circuitului închis poate fi exprimată după cum urmează:

Împărțind această muncă la q pr \u003d +1, obținem EMF care acționează în circuit:

Astfel, EMF care acționează într-un circuit închis poate fi definit ca circulația vectorului intensității câmpului forțelor externe.

Forța electromotoare care acționează în secțiunea 1 - 2 este în mod evident egală cu

E 12 = (20.7)

Pe lângă forțele externe, forțele câmpului electrostatic acționează asupra sarcinii f E = q E. Prin urmare, forța rezultată care acționează în fiecare punct al lanțului asupra sarcinii q este egală cu

.

Munca făcută de această forță asupra încărcăturii q pe secțiunea de lanț 1 - 2, este dat de expresia

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

Pentru un circuit închis, munca forțelor electrostatice este zero, astfel încât A = qE..

Cantitate egală numeric cu munca efectuat de forțele electrostatice și externe atunci când se deplasează o singură sarcină pozitivă, numită cădere de tensiune sau pur și simplu tensiunea U în această parte a lanțului. Conform formulei (20.8)

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

În absența forțelor externe, tensiunea U coincide cu diferența de potențial j 1 - j 2 .

Un câmp electrostatic are energie. Dacă există o sarcină electrică într-un câmp electrostatic, atunci câmpul, acționând asupra ei cu o anumită forță, o va mișca, făcând lucru. Toată munca este asociată cu o schimbare a unui fel de energie. Lucrul unui câmp electrostatic în deplasarea unei sarcini este de obicei exprimat în termeni de mărime numită diferență de potențial.

unde q este valoarea taxei transferate,

j 1 și j 2 - potențialele punctelor de început și de sfârșit ale traseului.

Pentru concizie, vom desemna de acum înainte . V este diferența de potențial.

V = A/q. DIFERENTA DE POTENȚIALĂ DINTRE PUNCTELE CÂMPULUI ELECTROSTATIC ESTE MUNCA PE CARE FORȚELE ELECTRICE ÎNTRECĂ CÂND ÎNCĂRCAREA ESTE UN PENDANT ÎNTRE ELE. .

[V] \u003d V. 1 volt este diferența de potențial dintre punctele, atunci când se deplasează între care o sarcină de 1 coulomb, forțele electrostatice lucrează de 1 joule.

Diferența de potențial dintre corpuri se măsoară cu un electrometru, pentru care unul dintre corpuri este conectat prin conductori la corpul electrometrului, iar celălalt la săgeată. În circuitele electrice, diferența de potențial dintre punctele circuitului este măsurată cu un voltmetru.

Odată cu distanța față de sarcină, câmpul electrostatic slăbește. În consecință, tinde spre zero și energia caracteristică a câmpului - potențialul. În fizică, potențialul unui punct la infinit este considerat zero. În inginerie electrică, se crede că suprafața Pământului are potențial zero.

Dacă o sarcină se deplasează dintr-un punct dat la infinit, atunci

A = q(j - O) = qj => j= A/q, i.e. POTENȚIALUL UNUI PUNCT ESTE MUNCĂ PE CARE FORȚELE ELECTRICE TREBUIE SĂ O FACĂ, TRANSFERĂ O ÎNCĂRCARE ÎNTR-UN SINGUR PENDANT DE LA UN PUNCT DATE LA INFINIT .

Fie ca o sarcină pozitivă q se mișcă într-un câmp electrostatic uniform cu intensitatea E de-a lungul direcției vectorului de intensitate la o distanță d. Lucrarea câmpului în deplasarea sarcinii poate fi găsită atât prin puterea câmpului, cât și prin diferența de potențial. Evident, cu orice metodă de calcul a lucrării, se obține una și aceeași valoare a acesteia.

A = Fd = Eqd = qV. =>

Această formulă conectează puterea și caracteristicile energetice ale câmpului. În plus, ne oferă o unitate de tensiune.

[E] = V/m. 1 V / m este intensitatea unui astfel de câmp electrostatic uniform, al cărui potențial se modifică cu 1 V atunci când se deplasează de-a lungul direcției vectorului de intensitate cu 1 m.

LEGEA LUI OHM PENTRU O SECȚIUNE DE LANȚ.

O creștere a diferenței de potențial la capetele conductorului determină o creștere a curentului în acesta. Ohm a demonstrat experimental că puterea curentului într-un conductor este direct proporțională cu diferența de potențial peste el.

Când conectați consumatori diferiți la același circuit electric puterea curentului este diferită. Aceasta înseamnă că diferiți consumatori împiedică trecerea prin ele în moduri diferite. curent electric. O CANTITATE FIZICĂ CARE CARACTERIZAREA CAPACITĂȚII UNUI CONDUCTOR DE A PREVENI TRECEREA CURENTULUI ELECTRIC PRIN EA SE NUMEȘTE REZISTENTĂ ELECTRICĂ . Rezistența unui conductor dat este o valoare constantă la o temperatură constantă. Pe măsură ce temperatura crește, rezistența metalelor crește, în timp ce cea a lichidelor scade. [R] = Ohm. 1 Ohm este rezistența unui astfel de conductor, prin care circulă un curent de 1 A cu o diferență de potențial la capetele sale de 1 V. Cei mai frecvent folosiți conductoare metalice. Purtătorii de curent din ele sunt electroni liberi. Când se deplasează de-a lungul unui conductor, ei interacționează cu ionii pozitivi ai rețelei cristaline, dându-le o parte din energia lor și pierzând viteza. Pentru a obține rezistența dorită, utilizați caseta de rezistență. O cutie de rezistență este un set de bobine de sârmă cu rezistențe cunoscute care pot fi incluse în circuit în combinația dorită.

Ohm a descoperit asta experimental REZISTENTA CURENTĂ ÎNTR-O SECȚIUNE OMOGENĂ A CIRCUITULUI ESTE DIRECT PROPORȚIONATĂ CU DIFERĂȚIA DE POTENȚIAL DE LA CAPĂȚELE ACESTEI SECȚIUNI ȘI ESTE INVERS PROPORȚIONATĂ CU REZISTENTA ACESTEI SECȚIUNI.

O secțiune omogenă a unui circuit este o secțiune în care nu există surse de curent. Aceasta este legea lui Ohm pentru o secțiune omogenă a circuitului - baza tuturor calculelor electrice.

Inclusiv conductoare de lungimi diferite, diferite secțiune transversală făcut din materiale diferite, a fost găsit: REZISTENTA UNUI CONDUCTOR ESTE DIRECT PROPORȚIONATĂ CU LUNGIMEA CONDUCTORULUI ȘI INVERSĂ PROPORȚIONAL CU AREA SECȚIUNII SA. REZISTENTA UNUI CUB CU MUCHIA DE 1 METR, FECUT DIN O SUBSTANTA, DACĂ CURENTUL MERGE PERPENDICUL PENTRU FEȚELE OPUSE, SE NUMEște REZISTENTA SPECIFĂ A ACESTEI SUBSTANTE . [r] \u003d Ohm m. Este adesea folosită o unitate nesistemică de rezistivitate - rezistența unui conductor cu o suprafață a secțiunii transversale de \u200b\u200b1 mm 2 și o lungime de 1 m. [r] \ u003d Ohm mm 2 / m.

Rezistivitate substanțe - valoare tabelară. Rezistența unui conductor este proporțională cu rezistivitatea acestuia.

Acțiunea reostatelor glisante și trepte se bazează pe dependența rezistenței conductorului de lungimea acestuia. Reostatul glisor este un cilindru ceramic cu un fir de nichelină înfășurat în jurul lui. Conectarea reostatului la circuit se realizează cu ajutorul unui glisor, care include o lungime mai mare sau mai mică a înfășurării în circuit. Firul este acoperit cu un strat de scară, care izolează turele unele de altele.

A) CONECTAREA IN SERIE SI PARALELA A CONSUMATORILOR.

Adesea, în circuitul electric sunt incluși mai mulți consumatori de curent. Acest lucru se datorează faptului că nu este rațional ca fiecare consumator să aibă propria sa sursă de curent. Există două moduri de a porni consumatorii: în serie și în paralel și combinațiile acestora sub forma unei conexiuni mixte.

a) Conectarea în serie a consumatorilor.

La conexiune serială consumatorii formează un lanț continuu în care consumatorii sunt legați unul după altul. Nu există robinete atunci când sunt conectate în serie fire de conectare. Luați în considerare, pentru simplitate, un lanț de doi consumatori conectați în serie. O sarcină electrică care a trecut prin unul dintre consumatori va trece și prin al doilea, pentru că. în conductorul care leagă consumatorii nu poate exista dispariția, apariția și acumularea sarcinilor. q=q 1 =q 2 . Împărțind ecuația obținută la timpul trecerii curentului prin circuit, obținem o relație între curentul care curge prin întreaga conexiune și curenții care circulă prin secțiunile sale.

Este evident că munca de deplasare a unei singure sarcini pozitive de-a lungul conexiunii este compusă din munca de deplasare a acestei sarcini prin toate secțiunile sale. Acestea. V \u003d V 1 + V 2 (2).

Diferența totală de potențial între consumatorii conectați în serie este egală cu suma diferențelor de potențial dintre consumatori.

Împărțiți ambele părți ale ecuației (2) la curentul din circuit, obținem: U/I=V 1 /I+V 2 /I. Acestea. rezistența întregii secțiuni conectate în serie este egală cu suma rezistențelor consumatorilor componentelor sale.

B) Conectarea în paralel a consumatorilor.

Acesta este cel mai comun mod de a permite consumatorilor. Prin această conexiune, toți consumatorii sunt conectați la două puncte comune pentru toți consumatorii.

La trecere conexiune paralelă, sarcina electrică care trece prin circuit este împărțită în mai multe părți care trec prin consumatori individuali. Conform legii conservării sarcinii q=q 1 +q 2 . Împărțind această ecuație la timpul de tranzit al sarcinii, obținem relația dintre curentul total care curge prin circuit și curenții care circulă prin consumatorii individuali.

În conformitate cu definiția diferenței de potențial V=V 1 =V 2 (2).

Conform legii lui Ohm pentru o secțiune a circuitului, înlocuim puterile curentului din ecuația (1) cu raportul dintre diferența de potențial și rezistența. Obținem: V / R \u003d V / R 1 + V / R 2. După reducere: 1/R=1/R1 +1/R2,

acestea. reciproca rezistenței unei conexiuni paralele este egală cu suma reciprocelor rezistențelor ramurilor sale individuale.