Умскул учебник стремится стать лучше! Если вы наткнулись на ошибку или неточность в нашем материале - просто сообщите нам, мы будем благодарны!
Физика

Электродвижущая сила

10.5.2022
890

На этой странице вы узнаете

  • Где самое большое сопротивление в теле человека?
  • Какой ученый променял бильярд на физику?
  • К чему может привести авария среди электронов?

Лень — двигатель прогресса. По крайней мере, так это работает в мире людей. А в мире заряженных частиц прогресс толкает электродвижущая сила. Именно она дает “стимул” к совершению работы электронам. Давайте познакомимся с ней поближе.

Источник тока

В один дождливый субботний день мы хотели посмотреть телевизор. Но вот незадача: в пульте от телевизора села батарейка. Поставили новенькую алкалиновую батарейку с напряжением 1,5 В и стали выбирать программу. Переключали каналы туда-сюда, но в тот день ничего интересного не показывали. Чтобы немного себя развлечь, мы решили заняться физикой. И вот у нас возник вопрос: что происходит с батарейкой в процессе ее работы?

Для того чтобы поддерживать в проводнике ток длительное время, в замкнутой цепи должен быть участок, на котором будет происходить перенос зарядов против сил электростатического поля. Перемещение зарядов на этом участке возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. 

Действие сторонних сил характеризуется величиной, называемой электродвижущей силой (ЭДС)

Источник тока — та часть электрической цепи, где действуют сторонние силы. 

Получается, что источником тока в пульте от телевизора является батарейка, или по-другому — гальванический элемент

А как она работает?

Сторонние силы могут действовать как на гальваническом элементе (источнике тока), так и во всей цепи. 

В гальваническом элементе энергия, полученная в результате химической реакции, превращается в электрическую энергию

Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделенных процессов. На аноде осуществляется процесс окисления, связанный с отдачей электронов, на катоде – восстановление, сопровождается принятием отрицательных частиц. Происходит передача электронов по внешней цепи от восстановителя к окислителю. 

Характеристики источника тока

У источника тока существует две основные характеристики:

  1. электродвижущая сила (ЭДС);
  2. внутреннее сопротивление.

ЭДС источника тока (ε) — это физический параметр, который характеризует работу (Аст), затраченную на перемещение зарядов (q) внутри источника сторонними силами.

ε =\frac{А_{ст}}{q} , где

ε – ЭДС источника тока (В);
Аст– работа сторонних сил (Дж);
q – заряд, помещенный внутри источника (Кл).

Единица измерения εВ (Вольт).

Другими словами, ЭДС — это максимальное напряжение.  

Решили мы измерить напряжение батарейки спустя время. К счастью, вольтметр дома у нас был (не спрашивайте, откуда). И он показал значение 1 В. Часть энергии да, как оказалось, потерялась. Но ЭДС батарейки как была, так и осталась 1,5 В.

Внутреннее сопротивление (r) определяет количество потерь энергии при прохождении тока через источник тока. 

Учитывается в электрической цепи так же, как и сопротивление всех элементов цепи.

Единица измерения rОм.

Закон Ома для замкнутой цепи

Какой ученый променял бильярд на физику?

Георг Ом рос в небогатой семье. Также он был довольно азартным человеком, любил играть в бильярд в компании друзей. В университетские годы Ом был лучшим игроком в бильярд среди студенческой молодежи, показывал прекрасные результаты в конькобежном спорте.
Но его очень манила наука: физика и математика. Однажды он смог собрать всю свою волю “в кулак” и начать проводить опыты в лаборатории обычной школы, где работал учителем. И так он окончательно вжился в статус ученого-физика.

ЭДС источника тока равна сумме напряжений на элементах контура, включая внутреннее сопротивление источника тока:

ε = UR+ Ur , где
UR = IR – падение напряжения на внешней цепи (на нагрузке),
Ur = Ir – падение напряжения на внутреннем сопротивлении. 

Другими словами, напряжение на клеммах источника тока равно суммарному напряжению внешней цепи.

Отсюда можно сформулировать закон Ома для полной цепи:

Сила тока (I) в замкнутой цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению:

I =\frac{ε}{R+r}

Сила тока в цепи заданным источником тока (при неизменной ЭДС и с внутренним сопротивлением) зависит только от сопротивления внешней цепи R.

Где самое большое сопротивление в теле человека?

Самое большое сопротивление на теле человека — поверхность верхнего рогового слоя кожи человека. Оно может достигать 40000–100000 Ом. Резко уменьшают сопротивление человека потливость кожного покрова, переутомление, нервное возбуждение. Значение снижается до 800–1000 Ом. Поэтому даже самое небольшое напряжение может вызвать ожог кожи.

Ток короткого замыкания 

Если к полюсам источника тока подсоединить проводник с сопротивлением R<<r, то тогда только ЭДС источника тока и его сопротивление будут определять значение силы тока в цепи. Такое значение силы тока является предельным для данного источника тока и называется током короткого замыкания: 

I_{ст}=\frac{ε}{r} , где
Iкз – ток короткого замыкания (А); 
ε – ЭДС источника тока (В);
r – внутреннее сопротивление (К).

Короткое замыкание — это соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Мгновенное возрастание силы тока приводит к сильному нагреву, расплавлению металлов, а иногда и к пожарам. 

К чему может привести авария среди электронов?

Если сравнить поток электронов с потоком машин, то ток короткого замыкания – это авария на автодороге. Один поток машин решил влезть в другой. В результате на дороге образовалась авария. Но машины продолжают налетать одна на другую (как в метель в Норильске).
При коротком замыкании сила тока будет увеличиваться до тех пор, пока отключающие механизмы не прекратят поступление силы тока.

Мощность источника тока

Запишем закон Ома для полной цепи в виде:

ε = I(R + r) = IR + Ir,

умножим уравнение на силу тока I и получим выражение, в котором каждое слагаемое имеет смысл:

εI = I2R + I2r

Полная мощность цепи — это есть мощность источника тока:

Р_{ист}={εI}, где
Pист – мощность источника тока (Вт); 
ε – ЭДС источника тока (В);
I – сила тока (А).

Единица измерения Pист— Вт (Ватт).

Тепловая мощность, выделяемая на резисторе:

Pпол=I2R

Мощность, теряемая при передаче энергии (мощность потерь):

Pпот=I2r

В тот день батарейка долго не проработала, пришлось выбросить.

Кстати, а вы знаете, как правильно утилизировать неработающие батарейки?

Просто выбросить нельзя. Переработка батареек является самым сложным процессом, так как в них содержатся токсичные вещества, которые оказывают негативное влияние на здоровье человека и природу. Чтобы этого не допустить, необходимо найти в своем городе пункты сдачи и поместить батарейки в специальный контейнер.

Термины

Клемма — это механический зажим быстрого присоединения или закрепления проводов на приборах.

Фактчек

  • ЭДС источника тока (ε) — это физический параметр, который характеризует работу, затраченную на перемещение зарядов внутри источника сторонними силами:
ε=\frac{A_{ст}}{q} 
  • Внутреннее сопротивление (r) — определяет количество потерь энергии при прохождении тока через источник тока.
  • Закон Ома для полной цепи: Сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению:
I=\frac{ε}{R+r}
  • Предельное значение силы тока для данного источника тока называется током короткого замыкания:
I_{кз}=\frac{ε}{r}
  • Полная мощность цепи — это есть мощность источника тока: Pист=εI .

Проверь себя

Задание 1.

ЭДС источника тока рассчитывается как:

1.

ε=\frac{A_{ст}}{q} 

2.

ε=\frac{U}{q} 

3.

ε=\frac{A_{ст}}{I} 

4.

ε=\frac{A_{ст}}{qt} 

Задание 2.

Короткое замыкание — это:

  1. Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. 
  2. Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень велико по сравнению с сопротивлением участка цепи. 
  3. Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого  не зависит от сопротивления участка цепи. 
  4. Отсутствие электрического тока в цепи.

Задание 3.

ЭДС источника тока равно:

  1. ε = UR— Ur
  2. ε = UR+ Ur
  3. ε = UR Ur
  4. ε = UR

Задание 4.

Сила тока в цепи заданным источником тока зависит от:

  1. Внутреннего сопротивления цепи.
  2. Внутреннего сопротивления источника тока.
  3. Внешнего сопротивления цепи.
  4. Ни от каких величин.

Задание 5.

Где самое большое сопротивление в человеке?

  1. В сердце.
  2. В пищеварительной системе.
  3. На коже.
  4. В голове.

Ответы: 1.- 1; 2. — 1; 3.- 2; 4.- 3; 5. — 3.

Понравилась статья? Оцени:
Читайте также:

Читать статьи — хорошо, а готовиться к экзаменам
в самой крупной онлайн-школе — еще эффективнее.

50 000
Количество
учеников
1510
Количество
стобальников
>15000
Сдали на 90+
баллов