W tej lekcji przyjrzymy się bliżej mechanizmowi dostarczania prądu elektrycznego przez długi czas. Wprowadźmy pojęcia „źródła energii”, „sił zewnętrznych”, opiszmy zasadę ich działania, a także wprowadźmy pojęcie siły elektromotorycznej.

Temat: Prawa prądu stałego
Lekcja: Siła elektromotoryczna

W jednym z poprzednich tematów (warunki istnienia prądu elektrycznego) została już podniesiona kwestia zapotrzebowania na źródło zasilania dla długoterminowego utrzymania istnienia prądu elektrycznego. Sam prąd można oczywiście uzyskać bez takich źródeł zasilania. Na przykład rozładowanie kondensatora podczas błysku aparatu. Ale taki prąd będzie zbyt przejściowy (ryc. 1).

Ryż. 1. Prąd krótkotrwały podczas wzajemnego wyładowania dwóch przeciwnie naładowanych elektroskopów ()

Siły Coulomba zawsze dążą do zbliżenia przeciwnych ładunków, wyrównując w ten sposób potencjały w całym obwodzie. A jak wiadomo, dla obecności pola i prądu konieczna jest różnica potencjałów. Dlatego nie można obejść się bez żadnych innych sił, które rozdzielają ładunki i utrzymują różnicę potencjałów.

Definicja. Siły zewnętrzne - siły pochodzenia nieelektrycznego, mające na celu rozmnażanie ładunków.

Siły te mogą mieć różny charakter w zależności od rodzaju źródła. W bateriach są pochodzenia chemicznego, w generatorach elektrycznych są pochodzenia magnetycznego. To oni zapewniają istnienie prądu, ponieważ praca sił elektrycznych w obwodzie zamkniętym jest zawsze równa zeru.

Drugim zadaniem źródeł energii, oprócz utrzymywania różnicy potencjałów, jest uzupełnianie strat energii w zderzeniu elektronów z innymi cząstkami, w wyniku czego te pierwsze tracą energia kinetyczna, a energia wewnętrzna przewodnika wzrasta.

Siły zewnętrzne wewnątrz źródła działają przeciw siłom elektrycznym, rozkładając ładunki w kierunkach przeciwnych do ich naturalnego przebiegu (gdy poruszają się one w obwodzie zewnętrznym) (rys. 2).

Ryż. 2. Schemat działania sił trzecich

Analogiem działania źródła zasilania może być pompa wodna, która przepuszcza wodę wbrew jej naturalnemu biegowi (od dołu do góry, do mieszkań). I odwrotnie, woda naturalnie opada pod działaniem grawitacji, ale do ciągłej pracy zaopatrzenia w wodę mieszkania konieczna jest ciągła praca pompy.

Definicja. Siła elektromotoryczna - stosunek pracy sił zewnętrznych do przesunięcia ładunku do wielkości tego ładunku. Przeznaczenie - :

Jednostka miary:

Wstawić. Obwód otwarty i zamknięty EMF

Rozważ następujący obwód (ryc. 3):

Ryż. 3.

Przy otwartym kluczu i idealnym woltomierzu (opór jest nieskończenie wysoki) w obwodzie nie będzie prądu, a wewnątrz ogniwa galwanicznego będą wykonywane jedynie prace nad rozdziałem ładunków. W takim przypadku woltomierz pokaże wartość pola elektromagnetycznego.

Gdy klucz jest zamknięty, przez obwód popłynie prąd, a woltomierz nie będzie już pokazywał wartości pola elektromagnetycznego, tylko wartość napięcia, taką samą jak na końcach rezystora. Z zamkniętą pętlą:

Tutaj: - napięcie na obwodzie zewnętrznym (na przewodach obciążenia i zasilania); - napięcie wewnątrz ogniwa galwanicznego.

W następnej lekcji przestudiujemy prawo Ohma dla pełnego obwodu.

Bibliografia

1. Tichomirowa SA, Jaworski B.M. Fizyka (poziom podstawowy) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein LE, Dick Yu.I. Fizyka klasa 10. - M.: Ileksa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizyka. Elektrodynamika. - M.: 2010.

1. ens.tpu.ru ().
2. physbook.ru ().
3. elektrodynamika.narod.ru ().

Praca domowa

1. Czym są siły zewnętrzne, jaka jest ich natura?
2. W jaki sposób napięcie na otwartych biegunach źródła prądu jest związane z jego polem elektromagnetycznym?
3. W jaki sposób energia jest przetwarzana i przesyłana w obiegu zamkniętym?
4. * Akumulator do latarki EMF - 4,5 V. Czy żarówka 4,5 V będzie się palić przy pełnym nagrzaniu z tego akumulatora? Dlaczego?

Aby prąd elektryczny utrzymywał się w przewodniku przez długi czas, konieczne jest ciągłe usuwanie ładunków dostarczanych przez prąd z końca przewodnika, który ma mniejszy potencjał (biorąc pod uwagę, że nośniki prądu są dodatnie ładunki), podczas gdy ładunki są stale dostarczane do końca z dużym potencjałem. Oznacza to, że konieczne jest zapewnienie obiegu opłat. W tym cyklu ładunki muszą poruszać się po zamkniętej ścieżce. Ruch nośników prądu w tym przypadku jest realizowany za pomocą sił pochodzenia nieelektrostatycznego. Siły takie nazywane są zewnętrznymi. Okazuje się, że do utrzymania prądu potrzebne są siły zewnętrzne, które działają w całym obwodzie lub w poszczególnych odcinkach obwodu.

Definicja i wzór pola elektromagnetycznego

Definicja

Nazywa się skalarną wielkość fizyczną, która jest równa pracy sił zewnętrznych w celu przesunięcia jednostkowego ładunku dodatniego siła elektromotoryczna (EMF) działając w łańcuchu lub w części łańcucha. EMF jest wskazany. Matematycznie zapisujemy definicję pola elektromagnetycznego jako:

gdzie A to praca sił zewnętrznych, q to ładunek, na którym wykonywana jest praca.

Siła elektromotoryczna źródła jest liczbowo równa różnicy potencjałów na końcach elementu, jeśli jest on otwarty, co umożliwia pomiar pola elektromagnetycznego za pomocą napięcia.

SEM, które działa w obwodzie zamkniętym, można zdefiniować jako obieg wektora natężenia sił zewnętrznych:

gdzie jest natężenie pola sił zewnętrznych. Jeżeli natężenie pola sił zewnętrznych nie jest równe zeru tylko w części obwodu, na przykład w odcinku 1-2, to całkowanie w wyrażeniu (2) można przeprowadzić tylko na tym odcinku. W związku z tym EMF działająca na odcinek obwodu 1-2 jest zdefiniowana jako:

Formuła (2) daje najwięcej ogólna definicja EMF, który można wykorzystać na każdą okazję.

Prawo Ohma dla dowolnego odcinka obwodu

Odcinek łańcucha, na którym działają siły strony trzeciej, nazywa się niejednorodnym. Spełnia równość:

gdzie U 12 \u003d IR 21 - spadek napięcia (lub napięcie) w odcinku obwodu 1-2 (siła prądu I); - różnica potencjałów końców sekcji; - siła elektromotoryczna, która zawiera odcinek obwodu. jest równa sumie algebraicznej pola elektromagnetycznego wszystkich źródeł znajdujących się na tym obszarze.

Należy pamiętać, że pole elektromagnetyczne może być dodatnie i ujemne. SEM nazywa się dodatnim, jeśli zwiększa potencjał w kierunku prądu (prąd płynie od minusa do plusa źródła).

Jednostki

Wymiar pola elektromagnetycznego pokrywa się z wymiarem potencjału. Podstawową jednostką miary pola elektromagnetycznego w układzie SI jest: \u003d V

Przykłady rozwiązywania problemów

Przykład

Ćwiczenia. Siła elektromotoryczna tego elementu wynosi 10 V. Wytwarza on w obwodzie prąd równy 0,4 A. Jaką pracę wykonują siły zewnętrzne w ciągu 1 minuty?

Rozwiązanie. Jako podstawę do rozwiązania problemu używamy wzoru do obliczania pola elektromagnetycznego:

Ładunek, który przepływa przez rozważany obwód w ciągu 1 minuty. można znaleźć jako:

Wyrażamy pracę z (1.1), używamy (1.2) do obliczenia ładunku, otrzymujemy:

Przetłumaczmy czas podany w warunkach problemu na sekundy ( min \u003d 60 s), przeprowadzimy obliczenia:

Odpowiedź. A=240 J

Przykład

Ćwiczenia. Metalowy dysk o promieniu a obraca się z prędkością kątową , jest włączony do obwodu elektrycznego za pomocą ślizgowych styków, które stykają się z osią dysku i jego obwodem (ryc. 1). Jaka będzie siła elektromotoryczna, która pojawi się między osią dysku a jego zewnętrzną krawędzią?

W tej lekcji przyjrzymy się bliżej mechanizmowi dostarczania prądu elektrycznego przez długi czas. Wprowadźmy pojęcia „źródła energii”, „sił zewnętrznych”, opiszmy zasadę ich działania, a także wprowadźmy pojęcie siły elektromotorycznej.

Temat: Prawa prądu stałego
Lekcja: Siła elektromotoryczna

W jednym z poprzednich tematów (warunki istnienia prądu elektrycznego) została już podniesiona kwestia zapotrzebowania na źródło zasilania dla długoterminowego utrzymania istnienia prądu elektrycznego. Sam prąd można oczywiście uzyskać bez takich źródeł zasilania. Na przykład rozładowanie kondensatora podczas błysku aparatu. Ale taki prąd będzie zbyt przejściowy (ryc. 1).

Ryż. 1. Prąd krótkotrwały podczas wzajemnego wyładowania dwóch przeciwnie naładowanych elektroskopów ()

Siły Coulomba zawsze dążą do zbliżenia przeciwnych ładunków, wyrównując w ten sposób potencjały w całym obwodzie. A jak wiadomo, dla obecności pola i prądu konieczna jest różnica potencjałów. Dlatego nie można obejść się bez żadnych innych sił, które rozdzielają ładunki i utrzymują różnicę potencjałów.

Definicja. Siły zewnętrzne - siły pochodzenia nieelektrycznego, mające na celu rozmnażanie ładunków.

Siły te mogą mieć różny charakter w zależności od rodzaju źródła. W bateriach są pochodzenia chemicznego, w generatorach elektrycznych są pochodzenia magnetycznego. To oni zapewniają istnienie prądu, ponieważ praca sił elektrycznych w obwodzie zamkniętym jest zawsze równa zeru.

Drugim zadaniem źródeł energii, oprócz utrzymywania różnicy potencjałów, jest uzupełnianie strat energii w zderzeniu elektronów z innymi cząstkami, w wyniku czego te pierwsze tracą energię kinetyczną, a energia wewnętrzna przewodnika wzrasta.

Siły zewnętrzne wewnątrz źródła działają przeciw siłom elektrycznym, rozkładając ładunki w kierunkach przeciwnych do ich naturalnego przebiegu (gdy poruszają się one w obwodzie zewnętrznym) (rys. 2).

Ryż. 2. Schemat działania sił trzecich

Analogiem działania źródła zasilania może być pompa wodna, która przepuszcza wodę wbrew jej naturalnemu biegowi (od dołu do góry, do mieszkań). I odwrotnie, woda naturalnie opada pod działaniem grawitacji, ale do ciągłej pracy zaopatrzenia w wodę mieszkania konieczna jest ciągła praca pompy.

Definicja. Siła elektromotoryczna - stosunek pracy sił zewnętrznych do przesunięcia ładunku do wielkości tego ładunku. Przeznaczenie - :

Jednostka miary:

Wstawić. Obwód otwarty i zamknięty EMF

Rozważ następujący obwód (ryc. 3):

Ryż. 3.

Przy otwartym kluczu i idealnym woltomierzu (opór jest nieskończenie wysoki) w obwodzie nie będzie prądu, a wewnątrz ogniwa galwanicznego będą wykonywane jedynie prace nad rozdziałem ładunków. W takim przypadku woltomierz pokaże wartość pola elektromagnetycznego.

Gdy klucz jest zamknięty, przez obwód popłynie prąd, a woltomierz nie będzie już pokazywał wartości pola elektromagnetycznego, tylko wartość napięcia, taką samą jak na końcach rezystora. Z zamkniętą pętlą:

Tutaj: - napięcie na obwodzie zewnętrznym (na przewodach obciążenia i zasilania); - napięcie wewnątrz ogniwa galwanicznego.

W następnej lekcji przestudiujemy prawo Ohma dla pełnego obwodu.

Bibliografia

1. Tichomirowa SA, Jaworski B.M. Fizyka (poziom podstawowy) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein LE, Dick Yu.I. Fizyka klasa 10. - M.: Ileksa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizyka. Elektrodynamika. - M.: 2010.

1. ens.tpu.ru ().
2. physbook.ru ().
3. elektrodynamika.narod.ru ().

Praca domowa

1. Czym są siły zewnętrzne, jaka jest ich natura?
2. W jaki sposób napięcie na otwartych biegunach źródła prądu jest związane z jego polem elektromagnetycznym?
3. W jaki sposób energia jest przetwarzana i przesyłana w obiegu zamkniętym?
4. * Akumulator do latarki EMF - 4,5 V. Czy żarówka 4,5 V będzie się palić przy pełnym nagrzaniu z tego akumulatora? Dlaczego?

W szczycie roku szkolnego wielu naukowców potrzebuje wzoru na emf do różnych obliczeń. Eksperymenty związane z również potrzebują informacji o sile elektromotorycznej. Ale dla początkujących nie jest łatwo zrozumieć, co to jest.

Wzór na znalezienie emf

Zajmijmy się najpierw definicją. Co oznacza ten skrót?

SEM lub siła elektromotoryczna jest parametrem charakteryzującym pracę dowolnych sił o charakterze nieelektrycznym działających w obwodach, w których natężenie prądu, zarówno stałego, jak i przemiennego, jest takie samo na całej długości. W sprzężonym obwodzie przewodzącym pole elektromagnetyczne jest utożsamiane z pracą tych sił w przemieszczaniu pojedynczego ładunku dodatniego (dodatniego) wzdłuż całego obwodu.

Poniższy rysunek przedstawia wzór na emf.

Ast - oznacza pracę sił zewnętrznych w dżulach.

q to przeniesiony ładunek w kulombach.

Siły stron trzecich- są to siły, które przeprowadzają separację ładunków w źródle iw rezultacie tworzą różnicę potencjałów na jego biegunach.

Jednostką miary tej siły jest wolt. Jest to oznaczone we wzorach literą « MI".

Dopiero w momencie braku prądu w akumulatorze si-a elektromotoryczne będzie równe napięciu na biegunach.

Indukcja pola elektromagnetycznego:

SEM indukcji w obwodzie mającymNobroty:

Kiedy jedziemy:

Siła elektromotoryczna indukcja w obwodzie obracającym się w polu magnetycznym z określoną prędkościąw:

Tabela wartości

Proste wyjaśnienie siły elektromotorycznej

Załóżmy, że w naszej wiosce jest wieża ciśnień. Jest całkowicie wypełniony wodą. Załóżmy, że jest to zwykła bateria. Wieża to bateria!

Cała woda wywiera duży nacisk na spód naszej wieży. Ale będzie mocny tylko wtedy, gdy ta struktura zostanie całkowicie wypełniona H 2 O.

W rezultacie im mniej wody, tym słabsze będzie ciśnienie, a ciśnienie strumienia będzie mniejsze. Odkręcając kran zauważamy, że z każdą minutą zasięg strumienia będzie się zmniejszał.

W rezultacie:

1. Napięcie to siła, z jaką woda naciska na dno. To jest presja.
2. Zerowe napięcie to dolna część wieży.

Bateria jest taka sama.

Przede wszystkim podłączamy źródło energii do obwodu. I odpowiednio zamykamy. Na przykład włóż baterię do latarki i włącz ją. Na początku zauważ, że urządzenie świeci jasno. Po pewnym czasie jego jasność wyraźnie się zmniejszy. Oznacza to, że siła elektromotoryczna spadła (wyciek w porównaniu z wodą w wieży).

Jeśli weźmiemy jako przykład wieżę ciśnień, to EMF jest pompą, która stale pompuje wodę do wieży. I na tym nigdy się nie kończy.

SEM ogniwa galwanicznego - wzór

Siłę elektromotoryczną baterii można obliczyć na dwa sposoby:

• Wykonaj obliczenia, korzystając z równania Nernsta. Konieczne będzie obliczenie potencjałów elektrod każdej elektrody zawartej w GE. Następnie oblicz EMF za pomocą wzoru.
• Oblicz SEM korzystając ze wzoru Nernsta dla całkowitego prądu generującego reakcję zachodzącą podczas działania GE.

Zatem uzbrojeni w te wzory łatwiej będzie obliczyć siłę elektromotoryczną baterii.

Gdzie stosuje się różne rodzaje pola elektromagnetycznego?

1. Piezoelektryk jest używany, gdy materiał jest rozciągany lub ściskany. Za jego pomocą powstają kwarcowe generatory energii i różne czujniki.
2. Substancja chemiczna jest używana w bateriach.
3. Indukcja pojawia się w momencie skrzyżowania przewodnika pole magnetyczne. Jego właściwości są wykorzystywane w transformatorach, silnikach elektrycznych, generatorach.
4. Termoelektryczny powstaje w momencie nagrzewania styków różnych rodzajów metali. Znalazł zastosowanie w agregatach chłodniczych i termoparach.
5. Fotoelektryka służy do produkcji ogniw fotowoltaicznych.

pole elektromagnetyczne Liczbowo siła elektromotoryczna jest mierzona pracą wykonaną przez źródło energii elektrycznej podczas przenoszenia pojedynczego ładunku dodatniego w obwodzie zamkniętym. Jeśli źródłem energii jest wykonywanie pracy A, zapewnia transfer w całym zamkniętym obwodzie ładowania Q, to jego siła elektromotoryczna ( mi) będzie równe

Jednostką siły elektromotorycznej w układzie SI jest wolt (v). Źródło energii elektrycznej ma siłę elektromotoryczną 1 wolta, jeśli podczas poruszania się po całym obwodzie zamkniętym ładunku 1 kulomba wykonywana jest praca równa 1 dżulowi. Fizyczna natura sił elektromotorycznych w różnych źródłach jest bardzo różna.

samoindukcja- występowanie indukcji pola elektromagnetycznego w zamkniętym obwodzie przewodzącym, gdy zmienia się prąd płynący przez obwód. Kiedy zmienia się prąd I w obwodzie strumień magnetyczny również zmienia się proporcjonalnie B przez powierzchnię ograniczoną tym konturem. Zmiana tego strumienia magnetycznego, zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, prowadzi do wzbudzenia indukcyjnego emf w tym obwodzie mi. Zjawisko to nazywane jest samoindukcją.

Pojęcie to jest związane z pojęciem wzajemnej indukcji, będącej jego szczególnym przypadkiem.

Moc. Moc to praca wykonana w jednostce czasu Moc to praca wykonana w jednostce czasu, tj. przeniesienie ładunku na el. obwód lub w obwodzie zamkniętym zużywa energię, która jest równa A \u003d U * Q, ponieważ ilość energii elektrycznej jest równa iloczynowi natężenia prądu, a następnie Q \u003d I * t, wynika z tego A \u003d U * I * t. P=A/t=U*Q/t=U*I=I*t*R=P=U*I(I)

1W=1000mV, 1kW=1000V, Pr=Pp+Po wzór bilansu mocy. Moc generatora pr (EMF)

Pr=E*I, Pp=I*U moc użyteczna, czyli moc zużywana bez strat. Po=I^2*R-utrata mocy. Aby obwód działał, konieczne jest zachowanie równowagi mocy w obwodzie elektrycznym.

12.Prawo Ohma dla odcinka obwodu.

Natężenie prądu w odcinku obwodu jest wprost proporcjonalne do napięcia na końcach tego przewodnika i odwrotnie proporcjonalne do jego rezystancji:
ja=U/R;

1)U=I*R, 2)R=U/R

13.Prawo Ohma dla kompletnego obwodu.

Natężenie prądu w obwodzie jest proporcjonalne do pola elektromagnetycznego działającego w obwodzie i odwrotnie proporcjonalne do sumy rezystancji obwodu i rezystancji wewnętrznej źródła.

EMF źródła napięcia (V), - prąd w obwodzie (A), - rezystancja wszystkich zewnętrznych elementów obwodu (Ohm), - rezystancja wewnętrzna źródła napięcia (Ohm) .1) E \u003d I (R +r)? 2)R+r=E/I

14Szeregowe, równoległe połączenie rezystorów, rezystancja zastępcza. Rozkład prądów i napięć.

Przy połączeniu szeregowym kilka rezystorów koniec pierwszego rezystor połączony z początkiem drugiego, koniec drugiego - z początkiem trzeciego itd. Z takim połączeniem przechodzi przez wszystkie elementy obwodu szeregowego
ten sam prąd I.

Ue=U1+U2+U3. Dlatego napięcie U na zaciskach źródła jest równe sumie napięć na każdym z rezystorów połączonych szeregowo.

Re=R1+R2+R3, tj.=I1=I2=I3, Ue=U1+U2+U3.

Po połączeniu szeregowym rezystancja obwodu wzrasta.

Równoległe połączenie rezystorów. Połączenie równoległe rezystancji to takie połączenie, w którym początki rezystancji są podłączone do jednego zacisku źródła, a końce do drugiego zacisku.

Całkowity opór połączonych równolegle rezystorów określa wzór

Całkowita rezystancja rezystorów połączonych równolegle jest zawsze mniejsza niż najmniejsza rezystancja zawarta w tym połączeniu.

gdy rezystancje są połączone równolegle, napięcia na nich są sobie równe. Ue=U1=U2=U3 Prąd I wpływa do obwodu, a prądy I 1, I 2, I 3 wypływają z niego. Ponieważ poruszające się ładunki elektryczne nie gromadzą się w jednym punkcie, jest oczywiste, że całkowity ładunek płynący do punktu rozgałęzienia jest równy całkowitemu ładunkowi odpływającemu z niego: tj.=I1+I2+I3 Dlatego trzecią właściwość połączenia równoległego można sformułować w następujący sposób: Wielkość prądu w nierozgałęzionej części obwodu jest równa sumie prądów w gałęziach równoległych. Dla dwóch równoległych rezystorów:

Odżywianie