Соединим проводником два железных шарика, несущих заряды обратных символов. Под воздействием электрического поля этих зарядов в проводнике появляется электрический ток. Но этот ток будет краткосрочным. Заряды стремительно нейтрализуются, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электрическое поле пропадет. Для того дабы ток был неизменным, нужно поддерживать неизменное напряжение между шариками. Для этого нужно устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от 1-го шарика к другому в направлении обратном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков.
В таком устройстве на заряды, не считая электрических сил должны действовать силы и неэлектрического происхождения. Одно только электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать неизменный ток в цепи. Любые силы, действующие на электрически заряженные частички, кроме сил электростатического происхождения (т.е. кулоновских), именуют посторонними силами. Посторонние силы приводят в движение заряженные частички снутри всех источников тока: в генераторах на электрических станциях, в гальванических элементах, аккумах.
При замыкании цепи создается электрическое поле во всех проводниках цепи. Снутри источника тока заряды движутся под действием посторониих сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.
Природа посторониих сил может быть различной. В генераторах электрических станций посторонняя сила – эта сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в перемещающемся проводнике.
В гальваническом элементе, к примеру, в элементе Вольта, действуют хим силы. Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещенных в раствор серной кислоты. Хим силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор перебегают положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при всем этом заряжается негативно. Между цинковым и медным электродами возникает разность потенциалов, которая обусловливает ток в замкнутой электрической цепи.
1-ая электрическая батарея появилась в 1799 году. Её изобрел итальянский физик Алессандро ВОльта (1745 — 1827) — итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника неизменного электрического тока. Его 1-ый источник тока – «вольтов столб» был построен в четком согласовании с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько 10-ов маленьких цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.
Гальванический элемент- хим источник тока, в каком электрическая энергия вырабатывается в итоге прямого преобразования хим энергии окислительно-восстановительной реакцией.
До конца XVIII века все технические источники тока были основаны на электризации трением. Более действенным из этих источников стала электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в обратных направлениях. В итоге трения щеток о диски на кондукторах машины скапливаются заряды обратного знака) Посторонние силы появляются в итоге трения.
Устройство фотоэлемент.
При освещении некоторых веществ светом в них возникает ток, световая энергия преобразуется в электрическую.
В данном приборе заряды делятся под действием света. Фотоэлементы используются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, камерах.
Посторонние силы появляются под действием света.
Устройство термоэлемент.
Если две проволоки из различных металлов спаять с 1-го края, а потом подогреть место спая, то в них возникнет ток — заряды при нагревании спая делятся. Термоэлементы используются в термодатчиках и на геотермальных электрических станциях в качестве датчика температуры.
Посторонние силы появляются под действием тепла.
Действие посторониих сил характеризуется принципиальной физической величиной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС). Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы посторониих сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду. Электродвижущую силу выражают в вольтах. Это удельная работа посторониих сил не во всем контуре, а лишь на данном участке, т.е. работа по перемещению единичного заряда.
Если на батарейке написано 1,5 вольт, то это значит, что посторонние силы (хим в этом случае) совершают работу 1,5 Джоулей при перемещении заряда в 1 Кулон от 1-го полюса батарейки к другому. Неизменный ток не может существовать в замкнутой цепи, если в ней не действуют посторонние силы, т.е нет ЭДС.
Электродвижущая сила определяет силу тока в замкнутой электрической цепи с известным сопротивлением. Разглядим простейшую полную (замкнутую) цепь, состоящую из источника тока (гальванического элемента, аккума либо генератора) и резистора сопротивлением (эр огромное) R . Источник тока имеет ЭДС и сопротивление (эр маленькое) r . Сопротивление источника нередко именуют внутренним сопротивлением, в отличие от наружного сопротивления (эр огромное) R цепи. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление цепи: Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.
Пример. ЭДС батареи 6,0 В, ее внутреннее сопротивление 0,5 Ом, сопротивление наружной цепи 11,5 Ом. Найдите силу тока в цепи, напряжение на зажимах батареи и падение напряжения снутри батареи.
Запишем данные: ЭДС равен 6 Вольт, сопротивление источника тока-0,5 Ом, сопротивление наружного участка цепи составляет 0,5 Ом.
Пусть R (эр огромное) — сопротивление наружного участка цепи, r (эр маленькое) — внутреннее сопротивление батареи.
Тогда по закону Ома для замкнутой цепи (формула), где ε(эпсилон) — ЭДС батареи, I (и)- сила тока в цепи. Так как сила тока I одинакова как для наружного, так и для внутреннего участков цепи, то напряжение на зажимах батареи, т.е. на наружном участке цепи с сопротивлением R , по закону Ома для этого однородного участка есть формула.
Аналогично, для внутреннего участка цепи, имеющего сопротивление r (эр маленькое), можно записать как произведение силы тока на внутреннее сопротивление. Беря во внимание формулу силы тока, имеем для U r (у эр маленькое).
Подставляем значения и проводим расчеты.
Получаем ответ: сила тока в цепи равна 0,5 А; напряжение на зажимах батареи 5,75 В; падение напряжения на внутреннем сопротивлении 0,25В.
Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает приметного воздействия на силу тока, если оно не достаточно по сопоставлению с сопротивлением наружной части цепи (R>>r). При всем этом напряжение на зажимах источника примерно равно ЭДС.
При маленьком замыкании, сила тока в цепи определяется конкретно внутренним сопротивлением источника и при электродвижущей силе в несколько вольт возможно окажется очень огромным, если r не достаточно. Провода могут расплавиться, а сам источник выйти из строя.
Для защиты от недлинного замыкания принимают особые меры.
Устанавливают токоограничивающие электрические реакторы, используют распараллеливание электрических цепей, т.е. отключение секционных и шиносоединительных выключателей, применяют понижающие трансформаторы с расщепленной обмоткой низкого напряжения; применяют отключающее оборудование – быстродействующие коммутационные аппараты с функцией ограничения тока недлинного замыкания – плавкие предохранители и автоматические выключатели; используют устройства релейной защиты для отключения покоробленных участков цепи.
Если цепь содержит несколько последовательно соединенных частей с ЭДС, то полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных частей.
Символ ЭДС определяется произвольно по избранному направлению обхода контура. Если при обходе перебегаем от отрицательного полюса к положительному, то ЭДС будет положительной.
Как вы думаете, какое напряжение может представлять опасность для жизни человека?
Страшная для жизни человека сила тока равна 0,05 ампер. Сопротивление тела человека между его руками меняется зависимо от его самочувствия, опускаясь до 800 Ом. Поэтому, человек может погибнуть при напряжении уже в 40 вольт! С током лучше не шутить/
Лекция №2
Возможная диаграмма – график рассредотачивания потенциала вдоль участка цепи либо замкнутого контура. По оси абсцисс откладывают величины сопротивлений, суммируя их. По оси ординат откладывают потенциалы точек цепи. Потенциал какой-либо одной точки можно принять за ноль и относительно него определять потенциалы других точек цепи.
Построим потенциальную диаграмму для контура , при всем этом потенциал точки примем за ноль.
При протекании токов по сопротивлениям цепи в них выделяется тепло. На основании закона сохранения энергии, количество тепла, выделяющегося в единицу времени в сопротивлениях цепи, должно приравниваться энергии, доставляемой в цепь за тоже время источниками питания, другими словами мощность, выделяющаяся в сопротивлениях нагрузки, должна быть равна мощности, доставляемой источниками. Количество тепла, выделяющегося в единицу времени в резисторе с сопротивлением , по которому течёт ток , можно отыскать по формуле: . Если резисторов несколько, то .
Если ток течёт через ЭДС сонаправленную с током, то , если ток течёт через ЭДС, направленной против тока, то , и ЭДС, в данном случае, будет являться потребителем тока.
Если ток течёт через источник тока, то напряжение на источнике тока будет равно произведению напряжения на концах источника тока на ток источника тока, другими словами , при всем этом напряжение на концах источника тока определяется по наружной цепи.
Вернёмся к нашей цепи и посчитаем для неё баланс мощности:
Принцип (способ) наложения.
Ток в хоть какой ветки электрической цепи равен алгебраической сумме токов, вызываемых каждым источником цепи в отдельности, потому определяют токи в ветвях, возникающие от деяния каждого источника, удаляя из цепи все другие источники, но беря во внимание их внутренние сопротивления. Так как у источников ЭДС внутреннее сопротивление равно нулю, то их закорачивают. Так как у источников тока внутреннее сопротивление нескончаемо огромное, то ветки, содержащие источники тока, разрывают. Потом определяют токи в ветвях, путём алгебраического сложения частичных токов с учётом их направления.
Задание: найти токи в ветвях способом наложения.
1-ый шаг: оставляем источник тока, а источники ЭДС удаляем с учётом их внутреннего сопротивления.
Воспользуемся формулой разброса токов:
2-ой шаг: оставляем источник ЭДС , а источник тока и источник ЭДС удаляем, с учётом их внутренних сопротивлений.
Ток в цепи можно отыскать по формуле:
3-ий шаг: оставляем источник ЭДС , а источник тока и источник ЭДС удаляем, с учётом их внутренних сопротивлений.
Ток в цепи можно отыскать по формуле:
Четвёртый шаг: определяем токи в ветвях с учётом направления частичных токов.
Проверка по первому закону Кирхгофа: .
Так же можно провести проверку по балансу мощностей.
Способ 2-ух узлов.
Нередко встречаются схемы, содержащие два узла. Более оптимальным способом является способ 2-ух узлов. За неведомую величину принимают напряжение между 2-мя узлами и определяют его по формуле: . ЭДС источников и токи источников тока, направленные к точке 1 войдут в эту формулу с положительным знаком, а ЭДС источников и токи источников тока, направленные к точке 2 войдут в эту формулу с отрицательным знаком.
Для нашей схемы: .
Определяем токи в ветвях по закону Ома:
После расчёта токов нужно провести проверку по первому закону Кирхгофа.
Способ контурных токов.
Обратимся к первой схеме.
Число уравнений, которых нужно составить, равно числу уравнений, которых нужно составить по второму закону Кирхгофа, либо числу независящих контуров. Подразумевают, что в каждом контуре течёт свой контурный ток.
В случае, когда в цепи три контурных тока, записывают систему уравнений следующим образом: . В этом случае один из контурных токов известен, а конкретно ток , который равен току источника тока , потому система будет состоять из 2-ух уравнений.
— сумма сопротивлений первого контура.
— сумма сопротивлений второго контура.
— сопротивление общей ветки между первым и вторым контурами, взятое в этом случае с отрицательным знаком, так как контурные токи текут через это сопротивление в противоположенные стороны, другими словами навстречу друг дружке.
— сопротивление общей ветки между первым и третьим контурами, взятое в этом случае с отрицательным знаком, так как контурные токи текут через это сопротивление в противоположенные стороны, другими словами навстречу друг дружке.
— сопротивление общей ветки между вторым и третьим контурами, взятое в этом случае с отрицательным знаком, так как контурные токи текут через это сопротивление в противоположенные стороны, другими словами навстречу друг дружке.
В случае, когда токи ориентированы в одну сторону сопротивление берётся положительным.
— контурная ЭДС первого контура, равная сумме ЭДС входящих в 1-ый контур, взятая в этом случае с положительным знаком, так как направление ЭДС совпадает с направлением обхода контура.
— контурная ЭДС второго контура, равная сумме ЭДС входящих во 2-ой контур, взятых в этом случае с отрицательными знаками, так как направления этих ЭДС не совпадают с направлением обхода контура.
Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии
Для поддержания электрического тока в проводнике нужна наружный источник энергии, создающий всегда разность потенциалов между концами этого проводника. Такие источники энергии получили название источников электроэнергии (либо источников тока).
Источники электроэнергии владеют определенной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС), которая делает и долгое время поддерживает разность потенциалов между концами проводника. Время от времени молвят, что ЭДС делает электрический ток в цепи. Необходимо держать в голове об условности такового определения, так как выше мы уже установили, что причина появления и существования электрического тока — электрическое поле.
Источник электроэнергии производит определенную работу, перемещая электрические заряды по всей замкнутой цепи..
Определение: Работа, совершаемая источником электроэнергии при переносе единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, именуется ЭДС источника
За единицу измерения электродвижущей силы принят вольт (сокращенно вольт обозначается буковкой В либо V — «вэ» латинское).
ЭДС источника электроэнергии равна одному вольту, если при перемещении 1-го кулона электричества по всей замкнутой, цепи источник электроэнергии совершает работу, равную одному джоулю:
В практике для измерения ЭДС применяются как более большие, так и поболее маленькие единицы, а конкретно:
1 киловольт (кВ, kV), равный 1000 В;
1 милливольт (мВ, mV), равный одной тысячной доле вольта (10-3 В),
1 микровольт (мкВ, μV), равный одной миллионной доле вольта (10-6 В).
Разумеется, что 1 кВ = 1000 В; 1 В = 1000 мВ = 1 000 000 мкВ; 1 мВ= 1000 мкВ.
В текущее время существует некоторое количество видов источников электроэнергии. В первый раз в качестве источника электроэнергии была применена гальваническая батарея, состоящая из нескольких цинковых и медных кружков, между которыми была проложена кожа, смоченная в подкисленной воде. В гальванической батарее хим энергия преобразовывалась в электрическую (подробнее об этом будет поведано в главе XVI). Свое название гальваническая батарея получила по имени итальянского физиолога Луиджи Гальвани (1737—1798), 1-го из основоположников учения об электричестве.
Бессчетные опыты по усовершенствованию и практическому использованию гальванических батарей были проведены русским ученым Василием Владимировичем Петровым. Еще сначала прошедшего века он сделал наибольшую в мире гальваническую батарею и использовал ее для ряда сверкающих опытов.
Источники электроэнергии, работающие по принципу преобразования хим энергии в электрическую, именуются хим источниками электроэнергии.
Другим главным источником электрической энергий, получившим обширное использование в электротехнике и радиотехнике, является генератор. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую.
На электрических схемах источники электроэнергии и генераторы обозначаются так, как это показано на рис. 1.
Набросок 1. Условные обозначения источников электроэнергии: а — источник ЭДС, общее обозначение, б — источник тока, общее обозначение; в — хим источник электроэнергии; г — батарея хим источников; д — источник потоянного напряжения; е — источник переменного нарияжения; ж — генератор.
У хим источников электроэнергии и у генераторов электродвижущая сила проявляется идиентично, создавая на зажимах источника разность потенциалов и поддерживая ее долгое время. Эти зажимы именуются полюсами источника электроэнергии. Один полюс источника электроэнергии имеет положительный потенциал (недочет электронов), обозначается знаком плюс ( + ) и именуется положительным полюсом. Другой полюс имеет отрицательный потенциал (излишек электронов), обозначается знаком минус (—) и именуется отрицательным полюсом.
От источников электроэнергии электрическая энергия передается по проводам к ее потребителям (электрические лампы, электродвигатели, электрические дуги, электронагревательные приборы и т. д.).
Определение : Совокупа источника электроэнергии, ее потребителя и соединительных проводов именуется электрической цепью.
Простая электрическая цепь показана на рис. 2.
Набросок 2. Простая электрическая цепь: Б — источник электроэнергии; SA — выключатель; EL — потребитель электроэнергии (лампа).
Для того дабы по цепи проходил электрический ток, она должна быть замкнутой. По замкнутой электрической цепи безпрерывно проходит ток, так как между полюсами источника электроэнергии существует некоторая разность потенциалов. Эта разность потенциалов именуется напряжением источника и обозначается буковкой U. Единицей измерения напряжения служит вольт. Так же как и ЭДС, напряжение может измеряться в киловольтах, милливольтах и микровольтах.
Для измерения величины ЭДС и напряжения применяется устройство, именуемый вольтметром. Если вольтметр подключить конкретно к полюсам источника электроэнергии, то при разомкнутой электрической цепи он покажет ЭДС источника электроэнергии, а при замкнутой — напряжение на его зажимах: (рис. 3).
Набросок 3. Измерение ЭДС и напряжения источника электроэнергии: а— измерение ЭДС источника электроэнергии; б — измерение напряжения на зажимах источника электроэнергии..
Заметим, что напряжение на зажимах источника электроэнергии всегда меньше его ЭДС.
Приглянулась СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В Соц СЕТЯХ!
