Электродвижущая сила

Электродвижущая сила

Перемещение электричества в цепи, подобно тому, как и перемещение жидкостей, есть следствие разницы напоров, или, как говорят, разности потенциалов между рассматриваемыми точками этой цепи.

Причину, которая устанавливает и поддерживает разность потенциалов, заставляя электричество перемещаться в цепи и преодолевать её сопротивление как внешнее, так и внутреннее, называют электродвижущей силой.

Напряжение

Разность потенциалов, затрачиваемая на преодоление сопротивления не всей цепи, Черта какой-либо её части, называют напряжением электричества между данными точками цепи.

Высоким напряжением называют такое, при котором напряжение на месте потребления между любым из проводов и землей превосходит 250 V. Высокое напряжение может вызвать в человеческом теле ток опасный для жизни (около 0,01 А) при напряжении в 500 V и при нормальном сопротивлении человеческого тела в 50 000Ω.

Низким напряжением называют такое, при котором напряжение на месте потребления между любым из проводов и землей не превосходит 250 V. И низкое напряжение может оказаться опасным для жизни людей с пониженным сопротивлением тела (алкоголиков, переутомленных, неврастеников, с плохим питанием и т.д.), так как может вызвать опасный для жизни ток (в. 0,01 А).

 

Закон Ома

Зако́н О́ма — эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрического напряжения с силой тока и сопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году, и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.

Закон Ома для полной цепи:

, (2)

где:

•  — ЭДС источника напряжения,

•  — сила тока в цепи,

•  — сопротивление всех внешних элементов цепи,

•  — внутреннее сопротивление источника напряжения.

Из закона Ома для полной цепи вытекают следствия:

• При r<<R сила тока в цепи обратно пропорциональна её сопротивлению. А сам источник в ряде случаев может быть назван источником напряжения

• При r>>R сила тока от свойств внешней цепи (от величины нагрузки) не зависит. И источник может быть назван источником тока.

Часто[2] выражение:

 (3)

(где   есть напряжение или падение напряжения, или, что то же, разность потенциалов между началом и концом участка проводника) тоже называют «Законом Ома».

Таким образом, электродвижущая сила в замкнутой цепи, по которой течёт ток в соответствии с (2) и (3) равняется:

 (4)

То есть сумма падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока и на внешней цепи равна ЭДС источника. Последний член в этом равенстве специалисты называют «напряжением на зажимах», поскольку именно его показывает вольтметр, измеряющий напряжение источника между началом и концом присоединённой к нему замкнутой цепи. В таком случае оно всегда меньше ЭДС.

К другой записи формулы (3), а именно:

 (5)

применима другая формулировка:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

 

Выражение (5) можно переписать в виде:

 (6)

где коэффициент пропорциональности G назван проводимость или электропроводность. Изначально единицей измерения проводимости был «обратный Ом» — Mо[3], в Международной системе единиц (СИ) единицей измерения проводимости является си́менс (русское обозначение: См; международное: S), величина которого равна обратному ому.

 

Правило Кирхгофа

Правила Кирхгофа — соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи.

Для формулировки правил Кирхгофа вводятся понятия узел, ветвь и контур электрической цепи. Ветвью называют любой двухполюсник, входящий в цепь, например, на рис. отрезок, обозначенный R1, I1 есть ветвь. Узлом называют точку соединения трех и более ветвей (на рис. обозначены жирными точками). Контур — замкнутый цикл из ветвей. Термин замкнутый цикл означает, что, начав с некоторого узла цепи и однократно пройдя по нескольким ветвям и узлам, можно вернуться в исходный узел. Ветви и узлы, проходимые при таком обходе, принято называть принадлежащими данному контуру. При этом нужно иметь в виду, что ветвь и узел могут принадлежать одновременно нескольким контурам.

В терминах данных определений правила Кирхгофа формулируются следующим образом.

Первое правило

 

Сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. i2 + i3 = i1+ i4

Первое правило Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом втекающий в узел ток принято считать положительным, а вытекающий — отрицательным: Сумма втекающих токов равна сумме вытекающих.

Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Это правило следует из фундаментального закона сохранения заряда.

Второе правило

Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений равно нулю:

для постоянных напряжений 

для переменных напряжений 

 

Работа тока

Рассмотрим участок цепи, по которому течёт ток I. Напряжение на участке обозначим U, сопротивление участка равно R (рис. 1).

 

За время t по нашему участку проходит заряд q = It. Заряд перемещается стационарным электрическим полем, которое совершает при этом работу:

A = Uq = UIt: (1)

За счёт работы (1) на рассматриваемом участке может выделяться тепловая энергия илисовершаться механическая работа; могут также протекать химические реакции. Короче говоря, данная работа идёт на увеличение энергии нашего участка цепи. Работа (1) называется работой тока. Термин крайне неудачный — ведь работу совершает не ток, а электрическое поле. Но с укоренившейся терминологией, увы, ничего не поделаешь. Если участок цепи является однородным, т. е. не содержит источника тока, то для этого участка справедлив закон Ома: U = IR. Подставляя это в формулу (1), получим: A = I^2Rt: (2)

Теперь подставим в (1) вместо тока его выражение из закона Ома I = U=R:

A =U^2/Rt: (3)

Подчеркнём ещё раз: формула (1) получена из самых общих соображений, она является основной и годится для любого участка цепи; формулы (2) и (3) получены из основной формулы с дополнительным привлечением закона Ома и потому годятся только для однородного участка.

Мощность тока

Как вы помните, мощностью называется отношение работы ко времени её совершения. В част-ности, мощность тока — это отношение работы тока ко времени, за которое эта работа совер-шена:P =At:Из формул (1)–(3) немедленно получаем соответствующие формулы для мощности тока:P = UI; (4)

P = I^2R; (5)

P =U^2R: (6)

Закон Джоуля–Ленца

Предположим, что на рассматриваемом участке цепи не совершается механическая работа ине протекают химические реакции. Поскольку сила тока постоянна, работа поля не вызывает увеличение кинетической энергии свободных зарядов. Стало быть, работа поля A целиком пре-вращается в тепло Q, которое выделяется на данном участке цепи и рассеивается в окружающее пространство: A = Q.Таким образом, для количества теплоты, выделяющегося на данном участке цепи, мы получаем формулы:Q = UIt; (7)

Q = I^2Rt; (8)

Q =U^2Rt: (9)Но часто бывает так, что не вся работа тока превращается в тепло. Например, за счёт работытока может совершать механическую работу электродвигатель или заряжаться аккумулятор.Тепло, разумеется, будет выделяться и в этих случаях, но только на сей раз получится, чтоQ < A (на величину механической работы, совершённой двигателем, или химической энергии,запасённой аккумулятором).

Оказывается, что в подобных случаях остаётся справедливой формула (8): Q = I^2Rt. Это —экспериментально установленный закон Джоуля-Ленца