Сторонние силы эдс напряжение уравнение непрерывности

Сторонние электродвижущие силы

Вы будете перенаправлены на Автор24

Для того чтобы иметь постоянный электрический ток на заряды в цепи должны оказывать воздействие силы, отличные от сил электростатического поля. Данные силы получили название — сторонние силы. Любое устройство, создающее сторонние силы называют источником тока (источниками ЭДС).

Используем гидростатическую аналогию:

1. Силы электростатического поля можно уподобить силе тяжести, которая хочет выровнять уровни жидкости в сообщающихся сосудах.
2. Источник тока при этом выступает в роли насоса, который работает против силы тяжести и восстанавливает разность уровней жидкости в сосудах даже при имеющемся токе жидкости.

Сущность сторонних сил

Сторонняя электродвижущая сила (ЭДС) не может быть силой электростатического происхождения, поскольку электростатическое поле — это потенциальное поле. Это означает, что работа поля по замкнутому контуру с током, равна нулю. При данном условии ток не может существовать, так как он совершает работу по преодолению сопротивления проводников.

Итак, наличие постоянного тока является доказательством того, что ЭДС имеют не электростатическое происхождение.

Сторонняя электродвижущая сила может быть:

• механической,
• электрической,
• химической и другой,

но никак не электростатической.

Механическая сторонняя электродвижущая сила

Рисунок 1. Источник. тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим схему самого простого источника тока, имеющего стороннюю электродвижущую силу механического происхождения (рис.1). Между электродами 1 и 2 находится нейтральное вещество, обладающее равным количеством положительных и отрицательных зарядов. Сторонняя сила неэлектростатической природы передвигает заряды со знаком плюс к электроду 2, а отрицательные частицы к электроду 1. В результате данного процесса электрод 1 несет отрицательный заряд, а электрод 2 имеет заряд больше нуля. Во внешней цепи от 2 к 1 идет электрический ток, который совершает работу. Требуемая для этого энергия передается системе сторонними силами. Эти силы разделяют заряды между нашими электродами и доставляют эти заряды на электроды против сил электрического поля, напряженность которого $\vec E$, которое находится между электродами. Электрический ток, текущий между электродами 1 и 2 внутри источника ЭДС замыкает ток во внешней цепи.

Готовые работы на аналогичную тему

• во внешней цепи ток следует от положительного электрода к заряженному отрицательно;
• во внутренней цепи (внутри источника) ток следует от электрода со знаком минус к электроду со знаком плюс.

Рисунок 2. Электростатическая машина. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Практическим примером механической сторонней ЭДС может служить электростатическая машина. Схема такой машины изображена на рис.2. Заряды $Q^+$ и $Q^-$ создают электростатическое поле в пространстве между этими зарядами. Изолированные друг от друга проводящие пластинки перемещаются по окружности вокруг оси $О$ при воздействии сторонних механических сил. В положении 1 (рис.2) пластины соединяются друг с другом и становятся неподвижным проводником. Благодаря электростатической индукции пластины $C$ и $D$ в данном положении заряжаются:

• $C$ заряжается отрицательно;
• $D$ заряжается положительно.

При дальнейшем движении их контакт с проводником нарушается и в положении 2 пластины становятся изолированными друг от друга, но имеют заряды разного знака. В положении 3 пластины контактируют с электродами $A$ и $B$. На эти электроды переходит заряд с пластин. Между электродами по цепи $BGA$ идет электрический ток. При наличии только одной пары вращающихся проводников $C; D$, ток по цепи течет импульсами, по два импульса за один оборот.

Если иметь большое количество пар пластин, подобных $C$ и $D$, таких, чтобы они контактировали с нашими электродами последовательно с очень маленькими разрывами, то можно организовать почти постоянный ток во внешней цепи. Данная машина реализует стороннюю ЭДС механического происхождения, которая возникает за счет механических сил, которые обеспечивают перемещение пластин $C$ и $D$ по окружности.

Последовательность превращений энергии при таком действии выглядит так:

1. Сторонние механические силы, двигая пластины $C$ и $D$, выполняют работу против сил электрического поля, которое имеется между зарядами $Q^+$ и $Q^-$.
2. Эти силы переносят заряды на пластинах $C$ и $D$ к электродам $A$ и $B$. В результате изменяется энергия электрического поля, так происходит переход энергии из механической формы в энергию электрического поля.
3. После этого данная энергия при протекании тока по цепи трансформируется в джоулеву теплоту и другие формы энергии, которые обусловлены работой тока в цепи.

Элемент Вольта

Распространенными источниками постоянного тока служат гальванические элементы. Рассмотрим элемент Вольта. Основные его структурные элементы:

• медная пластина;
• цинковая пластина;
• раствор серной кислоты.

Пластины погружены в раствор кислоты. Учитывая электрохимические потенциалы металлов, получим ЭДС элемента Вольта около 1,1 В.

Ошибочно предполагать, что сторонние ЭДС появляются в пространстве между пластинами. В элементе Вольта возникают две сторонние ЭДС, которые локализованы в поверхностных слоях, где соприкасаются пластинки с раствором кислоты. Данные слои имеют толщину размера молекулы. Во всем остальном объеме раствора сторонних ЭДС нет.

Если соединить пластины элемента при помощи проводника, то в нем возникнет электрический ток, направленный от медной пластины (положительного электрода) к пластине из цинка (отрицательному электроду).

В растворе в пространстве между электродами, ток направлен от цинка к меди. Получается, что линии постоянного тока замкнуты.

Сторонняя ЭДС элемента определена свойствами элемента и не зависит от силы протекающего по цепи тока. Падение напряжения на внешней цепи ($U=RI$) не равно ЭДС элемента и всегда меньше ее. Это напряжение между клеммами работающего элемента, если по цепи течет ток. При росте силы тока, напряжение во внешней цепи уменьшается, причем тем больше, чем значительнее внутреннее сопротивление элемента. Используя элемент, надо помнить, нужно, чтобы напряжение во внешней цепи как можно меньше зависело от силы тока, то есть от нагрузки. Следовательно, важной характеристикой элемента служит внутреннее сопротивление. Чем меньше внутреннее сопротивление (при других равных характеристиках), тем выше качество источника сторонних ЭДС.

Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение.

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положи­тельными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом.

Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и исчезно­вению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока не­обходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источникамитока. Силы неэлсктростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источни­ка тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различна. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электро­дами и электролитами, в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора и т.п. Под действием создаваемого поля сторонних сил элек­трические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатиче­ского поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциа­лов и в цепи течет постоянный электрический ток. Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.), действующей в цепи:

(2.2.1)

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину можно назвать — электродвижущей силой источника то­ка, включенного в сеть. Часто вместо того чтобы сказать «в цепи действую сторонние силы», говорят «в цепи действует э.д.с.», те. термин «электродвижу­щая сила» употребляется как характеристика сторонних сил. Э.д.с., как и потенциал, выражается в вольтах

Сторонняя сила ,действующая на заряд Q₀ , может быть выражена как

,

где — напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q₍₎ на замкнутом участке цепи равна

(2.2.2)

Разделив (2.2.2) на Q₀ , получим выражение для э.д.с., действующей в цепи:

т.е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. ЭДС , действующая на участке 1-2, равна

(2.2.3)

На заряд Q₀, помимо сторонних сил, действуют также силы электростатического поля .Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q₀, равна

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q₀ на участке 1-2, равна

(2.2.4)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтому в данном случае

Н а п р я ж е н и е м U на участке 1 — 2 называется физическая величина. определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительною заряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (2.2.4.),

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов напряжение на концах участка цени равно разности потенциалов в том случае если на этом участке не действует эдс, т.е. сторонние силы отсутствуют

Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС), разность потенциалов и напряжение на участке цепи (определения, формулы).

Понятие электрического тока. Условия, необходимые для появления и существования тока. Сила и плотность тока. Единицы измерения.

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. В проводнике под действием прило­женного электрического поля ^свобод­ные электрические заряды перемеща­ются: положительные — по полю, отри­цательные — против поля (рис. 148, а), т.е. в проводнике возникает электри­ческий ток, называемый током прово­димости. Для возникновения и существова­ния электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных но­сителей тока — заряженных частиц способных перемещаться упорядочен­но, а с другой наличие электрическо­го поля, энергия которого, каким-то об­разом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За на­правление тока условно принимают на­правление движения положительных зарядов. Количественной мерой электричес­кого тока служит сила тока I — ска­лярная физическая величина, опреде­ляемая электрическим зарядом, прохо­дящим через поперечное сечение про­водника в единицу времени:I=dQ/dt; Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоян­ного тока I=Q/t; где Q — электрический заряд, проходя­щий за время t через поперечное сече­ние проводника. Единица силы тока — ампер (А). Физическая величина, определяе­мая силой тока, проходящего через еди­ницу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного на­правлению тока, называется плотнос­тью тока: j=dI/dS(перпендикуляр). Плотность тока — вектор; направле­ние вектора j совпадает с направлени­ем упорядоченного движения положи­тельных зарядов: j = ne(v).(96.1)Единица плотности токи ампер на метр в квадрате (А/м 2 ).

Закон Ома для однородного участка цепи (интегральный закон Ома). Сопротивление, удельное сопротивление. Зависимость сопротивления от температуры. Соединение проводников.

Сила тока I, текущего по однородному метал­лическому проводнику (т.е. провод­нику, в котором не действуют сторон­ние силы), пропорциональна напряже­нию U на концах проводника I=U/R(98.1) где R — электрическое сопротивление проводника. Уравнение (98.1) выражает закон Ома для участка цепи (не содержаще­го источника тока): сила тока в провод­нике прямо пропорциональна прило­женному напряжению и обратно про­порциональна сопротивлению провод­ника. Формула (98.1) позволяет уста­новить единицу сопротивления ом (Ом): 1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В те­чет постоянный ток 1 А. Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из кото­рого проводник изготовлен. Для одно­родного линейного проводника сопро­тивление R прямо пропорционально его длине I и обратно пропорциональ­но площади его поперечного сечения S: R=ро*l/S; где ро- коэффициент пропорциональ­ности, характеризующий материал про­водника и называемый удельным элек­трическим сопротивлением.Единица удельного электрического сопротивления ом-метр (Ом • м). Температур­ная зависимость сопротивления может быть представлена в виде R = aR₀T,(98.6)где Г— термодинамическая температура. Зависимость сопротивления от тем­пературы (98.6) представлена на рис. 149 (кривая 1). При низких температурах наблюдается отступление от этой зави­симости.

Закон Ома в дифференциальной форме.

Так как в изотропном проводнике носители тока в каждой точке движут­ся в направлении вектора Е, то направ­ления j и Е совпадают. Поэтому фор­мулу (98.4) можно записать в виде _j = гамма*_E.(98.5) Выражение (98.5) закон Ома в дифференциальной форме, связыва­ющий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.

Сторонние силы. Электродвижущая сила (ЭДС), разность потенциалов и напряжение на участке цепи (определения, формулы).

Силы неэлектростатического про­исхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Сторонняя сила действующая на заряд Q_<), может быть выражена как _Fст=_Ест*Q0. Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических заря­дов. Физическая величина, определяе­мая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС), дей­ствующей в цепи: ЭДС=А/Q0;(97.1). Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ЭДС можно также называть электродвижущей силой ис­точника тока, включенного в цепь. ЭДС, как и потенциал, выражается в вольтах. Напряжением U на участке 1 — 2 на­зывается физическая величина, опреде­ляемая работой, совершаемой суммар­ным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при переме­щении единичного положительного за­ряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (97.4),U12=ФИ1-ФИ2+ЭДС12; Понятие напряжения является обоб­щением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том слу­чае, если на этом участке не действует ЭДС, т.е. сторонние силы отсутствуют.

Закон Ома для участка цепи с гальваническим элементом. Замкнутая электрическая цепь с источником тока. Закон Ома для замкнутой цепи. Соединение источников тока.

Мы рассматривали закон Ома для однородного участка цепи, т. е. такого, в котором не действует ЭДС (не действуют сторонние силы). Теперь рассмотрим неоднородный участок цепи, где действующую ЭДС на участ­ке 1 — 2 обозначим через а прило­женную на концах участка разность потенциалов — через фи1-фи2. Если на данном участке цепи источ­ник тока отсутствует (I = 0), приходим к закону Ома для од­нородного участка цепи (98.1): I=U/R ,[при отсутствии сторонних сил напря­жение на концах участка равно разно­сти потенциалов]. Если же электрическая цепь замкнута, то выб­ранные точки 1 и 2 совпадают,фи1 = фи2₂, тогда закон Ома для замкнутой цепи: I=ЭДС/R;где ЭДС, действующая в цепи; R — суммарное сопротивление всей цепи. В общем случае R= r + R, ( г— внут­реннее сопротивление источника тока, R сопротивление внешней цепи). Поэтому закон Ома для замкнутой цени будет иметь вид I=ЭДС/R+r. Если цепь разомкнута и, следователь­но, в ней ток отсутствует (I = 0), то из закона Ома получим, что ЭДС=фи1-фи2, г.е. ЭДС, действующая в ра­зомкнутой цепи, равна разности потен­циалов на ее концах. Следовательно, для того чтобы найти ЭДС источника тока, надо измерить разность потенци­алов на его клеммах при разомкнутой цепи.