Obwody elektryczne. Siła elektromotoryczna. Wzory, prawa, reguły, przykłady na palcach Jaka jest siła elektromotoryczna źródła prądu

- Pole elektromagnetyczne.
Pole elektromagnetyczne nie jest siłą w sensie newtonowskim (niefortunna nazwa wielkości, zachowana jako hołd dla tradycji).
ε powstaje kiedy to się zmienia strumień magnetyczny F przebijając kontur.

Dodatkowo zobacz prezentację „Indukcja elektromagnetyczna”, a także filmy „Indukcja elektromagnetyczna”, „Eksperyment Faradaya”, filmy rysunkowe „Indukcja elektromagnetyczna”, „Obrót ramy w polu magnetycznym (generator)”

- indukowany emf, gdy jeden z przewodów obwodu porusza się (tak, że F się zmienia). W tym przypadku długość przewodu l, poruszając się z dużą prędkością w staje się źródłem bieżącym.

- SEM indukowany w obwodzie obracającym się w polu magnetycznym z prędkością ω.

Inne wzory, w których występuje pole elektromagnetyczne:

- Prawo Ohma dla pełnego obwodu. W obwodzie zamkniętym siła emf wytwarza prąd elektryczny I.

Kierunek prądu indukcyjnego wyznacza się według zasad:
- zasada Lenza- prąd indukowany powstający w obwodzie zamkniętym przeciwko na to działa zmiana strumień magnetyczny powodujący ten prąd;
- dla przewodnika poruszającego się w polu magnetycznym czasami łatwiej jest zastosować regułę prawa ręka- jeśli umieścisz otwarty prawa dłoń więc to w nią dołączony linie pola magnetycznego W, A kciuk, odłożyć spiczaste kierunek prędkości v, To cztery palce ręce będą wskazywać kierunek prądu indukcyjnego I.

- Pole elektromagnetyczne samoindukcji, gdy zmienia się prąd w przewodniku.

Jeżeli bieguny naładowanego kondensatora są ze sobą połączone, to pod wpływem energii zgromadzonej między jego płytkami w zewnętrznym obwodzie kondensatora rozpoczyna się ruch nośników ładunku - elektronów w kierunku od bieguna dodatniego do bieguna negatywny.

Jednak podczas procesu wyładowania pole działające na poruszające się naładowane cząstki szybko słabnie, aż do całkowitego zaniku. Dlatego przepływ prądu elektrycznego występujący w obwodzie wyładowczym ma charakter krótkotrwały i proces ten szybko zanika.

Aby utrzymać prąd w obwodzie przewodzącym przez długi czas, stosuje się urządzenia, które w życiu codziennym są błędnie nazywane (w sensie ściśle fizycznym nie jest to prawdą). Najczęściej takimi źródłami są baterie chemiczne.

W wyniku zachodzących w nich procesów elektrochemicznych na ich końcach następuje kumulacja przeciwstawnych sił.Siły o charakterze nieelektrostatycznym, pod wpływem których następuje taki rozkład ładunków, nazywane są siłami zewnętrznymi.

Rozważenie poniższego przykładu pomoże zrozumieć naturę koncepcji pola elektromagnetycznego źródła prądu.

Wyobraźmy sobie przewodnik umieszczony w polu elektrycznym, jak pokazano na poniższym rysunku, czyli w taki sposób, że w jego wnętrzu również istnieje pole elektryczne.

Wiadomo, że pod wpływem tego pola w przewodniku zaczyna płynąć prąd elektryczny. Teraz pojawia się pytanie, co stanie się z nośnikami ładunku, gdy dotrą do końca przewodnika i czy prąd ten pozostanie stały w czasie.

Łatwo możemy stwierdzić, że gdy obwód jest otwarty, w wyniku działania pola elektrycznego, na końcach przewodnika gromadzą się ładunki. Z tego powodu nie będzie on stały, a ruch elektronów w przewodniku będzie bardzo krótkotrwały, jak pokazano na poniższym rysunku.

Zatem, aby utrzymać stały przepływ prądu w obwodzie przewodzącym, obwód ten musi być zamknięty, tj. mieć kształt pętli. Jednakże, aby utrzymać prąd, nawet ten warunek nie jest wystarczający, ponieważ ładunek zawsze przesuwa się w stronę niższego potencjału, a pole elektryczne zawsze wykonuje dodatnią pracę na ładunku.

Teraz, po przebyciu obwodu zamkniętego, gdy ładunek powróci do punktu początkowego, z którego rozpoczął swoją podróż, potencjał w tym miejscu powinien być taki sam jak na początku ruchu. Jednak przepływ prądu zawsze wiąże się z utratą energii potencjalnej.

W związku z tym potrzebujemy w obwodzie zewnętrznego źródła, na którego zaciskach utrzymuje się różnica potencjałów, zwiększając energię ruchu ładunków elektrycznych.

Takie źródło umożliwia przemieszczanie się ładunku od niższego potencjału do wyższego w kierunku przeciwnym do ruchu elektronów pod wpływem siły elektrostatycznej próbującej wypchnąć ładunek z wyższego potencjału do niższego.

Siła ta, powodująca przemieszczanie się ładunku od potencjału niższego do wyższego, nazywana jest zwykle źródłem prądowym – jest to parametr fizyczny, charakteryzujący pracę włożoną w przemieszczanie ładunków wewnątrz źródła przez siły zewnętrzne.

Jak już wspomniano, baterie, a także generatory, termoelementy itp. Są stosowane jako urządzenia zapewniające pole elektromagnetyczne źródła prądu.

Teraz wiemy, że dzięki wewnętrznemu emf zapewnia różnicę potencjałów między zaciskami źródła, promując ciągły ruch elektronów w kierunku przeciwnym do działania siły elektrostatycznej.

Pole elektromagnetyczne źródła prądu, którego wzór podano poniżej, podobnie jak różnica potencjałów wyrażona jest w woltach:

E = Ast/Δq,

gdzie A st jest pracą sił zewnętrznych, Δq jest ładunkiem przemieszczającym się wewnątrz źródła.

Aby utrzymać określoną wartość prądu elektrycznego w przewodniku, potrzebne jest zewnętrzne źródło energii, które zawsze zapewni wymaganą różnicę potencjałów na końcach tego przewodnika. Takimi źródłami energii są tak zwane źródła prądu elektrycznego, które mają pewne dane siła elektromotoryczna, który jest w stanie wytworzyć i utrzymać różnicę potencjałów przez długi czas.

Siła elektromotoryczna lub w skrócie emf jest oznaczona literą łacińską mi. Jednostka miary Jest wolt. Zatem, aby uzyskać ciągły ruch prądu elektrycznego w przewodniku, potrzebna jest siła elektromotoryczna, czyli źródło prądu elektrycznego.

Odniesienie historyczne. Pierwszym takim źródłem prądu w elektrotechnice był „biegun galwaniczny”, który składał się z kilku miedzianych i cynkowych kręgów wyłożonych skórą bydlęcą nasączoną roztworem słabego kwasu. Zatem za najprostszy sposób uzyskania siły elektromotorycznej uważa się oddziaływanie chemiczne szeregu substancji i materiałów, w wyniku którego energia chemiczna zamieniana jest na energię elektryczną. Źródła prądu, w których siła elektromotoryczna pola elektromagnetycznego jest generowana w podobny sposób, nazywane są źródłami prądu chemicznego.

Obecnie chemiczne źródła zasilania – baterie i wszystkie możliwe rodzaje baterii – stały się powszechne w elektronice i elektrotechnice, a także w energetyce.

Powszechne są również różne typy generatorów, które jako jedno źródło są w stanie dostarczać energię elektryczną do przedsiębiorstw przemysłowych, oświetlać miasta oraz obsługiwać systemy kolejowe, tramwajowe i metro.

Pole elektromagnetyczne działa dokładnie w ten sam sposób zarówno na źródła chemiczne, jak i generatory. Jego działanie polega na wytworzeniu różnicy potencjałów na każdym z zacisków źródła prądu i utrzymaniu jej przez cały wymagany czas. Zaciski zasilania nazywane są biegunami. Zawsze brakuje elektronów na jednym z biegunów, tj. taki biegun ma ładunek dodatni i jest oznaczony „ + ", a z drugiej strony, przeciwnie, powstaje zwiększone stężenie wolnych elektronów, tj. biegun ten ma ładunek ujemny i jest oznaczony znakiem „ - ».

Źródła pola elektromagnetycznego służą do łączenia różnych przyrządów i urządzeń będących odbiorcami energii elektrycznej. Za pomocą przewodów odbiorniki podłącza się do biegunów źródeł prądu, aby uzyskać zamknięty obwód elektryczny. Różnica potencjałów powstająca w zamkniętym obwodzie elektrycznym nosi nazwę i jest oznaczona łacińską literą „U”. Jednostka napięcia pierwsza wolt. Na przykład nagrywaj U=12 V wskazuje, że napięcie źródła pola elektromagnetycznego wynosi 12 V.

Do pomiaru napięcia lub pola elektromagnetycznego stosuje się specjalne urządzenie pomiarowe - .

Jeżeli konieczne jest wykonanie poprawnych pomiarów pola elektromagnetycznego lub napięcia źródła zasilania, woltomierz podłącza się bezpośrednio do biegunów. Gdy obwód elektryczny jest otwarty, woltomierz pokaże pole elektromagnetyczne. Gdy obwód jest zamknięty, woltomierz wyświetli wartość napięcia na każdym zacisku zasilacza. PS: Źródło prądu zawsze wytwarza większe pole elektromagnetyczne niż napięcie na zaciskach.

Lekcja wideo: Pole elektromagnetyczne

Lekcja wideo: Siła elektromotoryczna od nauczyciela fizyki

Napięcie na każdym zacisku źródła prądu jest mniejsze od siły elektromotorycznej o wartość spadku napięcia występującego na rezystancji wewnętrznej źródła prądu:

W przypadku idealnych źródeł napięcie na zaciskach nie zależy od ilości pobieranego prądu.

Wszystkie źródła siły elektromotorycznej posiadają parametry je charakteryzujące: napięcie obwodu otwartego Ty xx, prąd zwarcia skracam i rezystancja wewnętrzna (dla źródła prądu stałego R wew). Ty xx jest napięciem, gdy prąd źródła wynosi zero. Przy idealnym źródle przy dowolnym prądzie U xx =0. skracam jest prądem przy zerowym napięciu. Idealne źródło napięcia ma nieskończone napięcie Krótko = ∞. Opór wewnętrzny wyznacza się z zależności. Ponieważ napięcie idealnego źródła napięcia jest stałe przy dowolnym prądzie ΔU = 0, wówczas jego rezystancja wewnętrzna również ma wartości zerowe.

R w = ΔU / ΔI = 0;

Przy dodatnim napięciu i prądzie źródło wysyła energię elektryczną do obwodu i działa w trybie generatora. Gdy prąd płynie w przeciwnym kierunku, źródło otrzymuje energię elektryczną z obwodu i działa w trybie odbiornika.

W przypadku idealnego źródła prądu jego wartość nie zależy od napięcia na jego zaciskach: ja = stała.

Ponieważ prąd idealnego źródła prądu jest stały ΔI = 0, to ma rezystancję wewnętrzną równą nieskończoności.

R w =ΔU / ΔI = ∞

Przy dodatnim napięciu i prądzie źródło wysyła energię do obwodu i działa w trybie generatora. W odwrotnym kierunku pracuje w trybie odbiornika.

W rzeczywistym źródle siły elektromotorycznej napięcie na zaciskach maleje wraz ze wzrostem prądu. Ta charakterystyka prądowo-napięciowa odpowiada równaniu określającemu napięcie przy dowolnej wartości prądu.

U = U xx - R int ×I,

Gdzie , oblicza się według wzoru

R w =ΔU / ΔI≠ 0

Można to również obliczyć za pomocą Ty xx I skracam

R w =U xx / II krótki

Kiedy źródło prądu zostanie podłączone do dowolnego obwodu zamkniętego, obszar ograniczony tym obwodem zaczyna być penetrowany przez zewnętrzne linie siły magnetycznej. Każda linia energetyczna od zewnątrz przecina przewodnik, indukując w nim samoindukcję emf.

>>Fizyka: Siła elektromotoryczna

Każde źródło prądu charakteryzuje się siłą elektromotoryczną, czyli w skrócie polem elektromagnetycznym. Tak więc na okrągłej baterii latarki jest napisane: 1,5 V. Co to oznacza?
Połącz dwie metalowe kulki przenoszące ładunki o przeciwnych znakach za pomocą przewodnika. Pod wpływem pola elektrycznego tych ładunków w przewodniku powstaje prąd elektryczny ( Ryc.15.7). Ale ten prąd będzie bardzo krótkotrwały. Ładunki szybko się neutralizują, potencjały kulek staną się takie same, a pole elektryczne zniknie.
Siły zewnętrzne. Aby prąd był stały, konieczne jest utrzymanie stałego napięcia między kulkami. Do tego potrzebne jest urządzenie ( obecne źródło), co przemieszczałoby ładunki z jednej kulki na drugą w kierunku przeciwnym do kierunku sił działających na te ładunki od pola elektrycznego kulek. W takim urządzeniu, oprócz sił elektrycznych, na ładunki muszą działać siły pochodzenia nieelektrostatycznego ( Ryc.15.8). Samo pole elektryczne naładowanych cząstek ( Pole Coulomba) nie jest w stanie utrzymać stałego prądu w obwodzie.

Wszelkie siły działające na cząstki naładowane elektrycznie, z wyjątkiem sił pochodzenia elektrostatycznego (tj. Sił Coulomba), nazywane są przez siły zewnętrzne.
Wniosek o potrzebie utrzymania stałego prądu w obwodzie przez siły zewnętrzne stanie się jeszcze bardziej oczywisty, jeśli przejdziemy do prawa zachowania energii. Pole elektrostatyczne jest potencjalne. Praca wykonana przez to pole, gdy naładowane cząstki poruszają się w nim po zamkniętym obwodzie elektrycznym, wynosi zero. Przepływowi prądu przez przewodniki towarzyszy wydzielanie energii - przewodnik nagrzewa się. Dlatego w obwodzie musi znajdować się jakieś źródło energii dostarczające ją do obwodu. Oprócz sił Coulomba muszą w nim działać siły zewnętrzne, niepotencjalne. Praca tych sił wzdłuż zamkniętej pętli musi być różna od zera. To właśnie w trakcie wykonywania pracy przez te siły naładowane cząstki zdobywają energię wewnątrz źródła prądu, a następnie przekazują ją przewodnikom obwodu elektrycznego.
Siły zewnętrzne wprawiają w ruch naładowane cząstki we wszystkich źródłach prądu: w generatorach w elektrowniach, w ogniwach galwanicznych, bateriach itp.
Kiedy obwód jest zamknięty, we wszystkich przewodnikach obwodu powstaje pole elektryczne. Wewnątrz źródła prądu ładunki poruszają się pod wpływem siły zewnętrzne przeciwko siłom Coulomba(elektrony z elektrody naładowanej dodatnio do elektrody ujemnej), a w obwodzie zewnętrznym są napędzane polem elektrycznym (patrz. Ryc.15.8).
Charakter sił zewnętrznych. Charakter sił zewnętrznych może być zmienny. W generatorach elektrowni siły obce to siły działające z pola magnetycznego na elektrony w poruszającym się przewodniku.
W ogniwie galwanicznym, takim jak ogniwo Volta, działają siły chemiczne. Ogniwo Volta składa się z elektrod cynkowych i miedzianych umieszczonych w roztworze kwasu siarkowego. Siły chemiczne powodują rozpuszczenie cynku w kwasie. Do roztworu przedostają się dodatnio naładowane jony cynku, a sama elektroda cynkowa zostaje naładowana ujemnie. (Miedź bardzo słabo rozpuszcza się w kwasie siarkowym.) Pomiędzy elektrodą cynkową i miedzianą pojawia się różnica potencjałów, która określa prąd w zamkniętym obwodzie elektrycznym.
Działanie sił zewnętrznych charakteryzuje się ważną wielkością fizyczną zwaną siła elektromotoryczna(w skrócie EMF).
Siła elektromotoryczna źródła prądu jest równa stosunkowi pracy wykonanej przez siły zewnętrzne podczas przemieszczania ładunku wzdłuż obwodu zamkniętego do wielkości tego ładunku:

Siła elektromotoryczna, podobnie jak napięcie, wyrażana jest w woltach.
Można też mówić o sile elektromotorycznej w dowolnej części obwodu. Jest to specyficzna praca sił zewnętrznych (praca polegająca na przemieszczeniu pojedynczego ładunku) nie po całym obwodzie, ale tylko na danym obszarze. Siła elektromotoryczna ogniwa galwanicznego jest wielkością liczbowo równą pracy sił zewnętrznych podczas przemieszczania pojedynczego ładunku dodatniego wewnątrz elementu z jednego bieguna na drugi. Pracy sił zewnętrznych nie można wyrazić poprzez różnicę potencjałów, gdyż siły zewnętrzne są bezpotencjalne, a ich praca zależy od kształtu trajektorii ładunków. Na przykład praca sił zewnętrznych podczas przenoszenia ładunku między zaciskami źródła prądu poza samym źródłem wynosi zero.
Teraz wiesz, czym jest pole elektromagnetyczne. Jeśli akumulator wskazuje 1,5 V, oznacza to, że siły zewnętrzne (w tym przypadku chemiczne) wykonują pracę 1,5 J podczas przenoszenia ładunku o wartości 1 C z jednego bieguna akumulatora na drugi. Prąd stały nie może istnieć w obwodzie zamkniętym, jeśli nie działają w nim żadne siły zewnętrzne, tj. nie ma pola elektromagnetycznego.

???
1. Dlaczego pole elektryczne naładowanych cząstek (pole Coulomba) nie jest w stanie utrzymać stałego prądu elektrycznego w obwodzie?
2. Jakie siły są zwykle nazywane stronami trzecimi?
3. Co nazywa się siłą elektromotoryczną?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizyka 10. klasa

Biblioteka internetowa zawierająca podręczniki i książki z fizyki, scenariusze lekcji ze wszystkich przedmiotów, zadania z fizyki dla klasy 10

Jeśli masz uwagi lub sugestie dotyczące tej lekcji,

Pole elektromagnetyczne. Liczbowo siłę elektromotoryczną mierzy się pracą wykonaną przez źródło energii elektrycznej podczas przenoszenia pojedynczego ładunku dodatniego przez obwód zamknięty. Jeśli jest źródłem energii, wykonuje pracę 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 wynoszącą 1 wolt, jeśli podczas przemieszczania ładunku o wartości 1 kulomba w obwodzie zamkniętym wykonana zostanie praca równa 1 dżulowi. Fizyczna natura sił elektromotorycznych w różnych źródłach jest bardzo różna.

Samoindukcja- występowanie indukowanego emf w zamkniętym obwodzie przewodzącym, gdy zmienia się prąd płynący przez obwód. Kiedy prąd się zmienia I w obwodzie strumień magnetyczny zmienia się proporcjonalnie B przez powierzchnię ograniczoną tym konturem. Zmiana tego strumienia magnetycznego, ze względu na prawo indukcji elektromagnetycznej, prowadzi do wzbudzenia indukcyjnego emf w tym obwodzie mi. Zjawisko to nazywa się samoindukcją.

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

Moc. Moc to praca wykonana w jednostce czasu. Moc to praca wykonana w jednostce czasu, tj. przeniesienie ładunku do prądu. obwód lub obwód zamknięty zużywa energię, która wynosi A=U*Q, gdyż ilość energii elektrycznej jest równa iloczynowi natężenia prądu, wówczas Q=I*t wynika z tego, że A=U*I*t. P=A/t=U*Q/t=U*I=I*t*R=P=U*I(I)

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

Pr=E*I,Pp=I*U moc użyteczna, czyli moc, która jest pobierana bez strat. Po=I^2*R-utracona moc. Aby obwód działał, konieczne jest utrzymanie 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 pełnego obwodu.

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

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

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

Do połączenia szeregowego kilka rezystorów koniec pierwszego rezystor połączyć z początkiem drugiego, końcem drugiego z początkiem trzeciego itd. Z takim połączeniem przechodzi przez wszystkie elementy obwodu sekwencyjnego
ten sam prąd I.

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

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

Po połączeniu szeregowym rezystancja obwodu wzrasta.

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

Całkowitą rezystancję połączonych równolegle rezystancji określa się ze wzoru

Całkowita rezystancja rezystancji połączonych równolegle jest zawsze mniejsza od najmniejszej rezystancji zawartej w danym 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 kumulują się w jednym punkcie, oczywiste jest, że całkowity ładunek dopływający 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 równoległych gałęziach. Dla dwóch równoległych rezystorów: