Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Дом Електрорушійна сила джерела струму. Закон Ома для повного кола. Робота і потужність електричного струму. Закон Джоуля-Ленца
просмотров - 458

Тема: Електрорушійна сила джерела струму. Закон Ома для повного кола. Робота і потужність елœектричного струму. Закон Джоуля-Ленца.

Запитання для самоперевірки

1. Що називають елœектричним струмом?

2. Який напрям струму беруть за додатний?

3. Які умови потрібні для існування елœектричного струму?

4. Що називають силою струму? Яка формула виражає зміст цього поняття?

5. Яка одиниця сили струму в СІ? Сформулюйте визначення цієї одиниці. Як слід розуміти, що сила струму дорівнює 5 А?

6. Який струм називають постійним?

7. Побудуйте і поясніть графік постійного струму.

8. Виведіть формулу сили струму на основі елœектронних уявлень.

9. Що називають густиною струму? Яка формула виражає зміст цього поняття?

10. Яка одиниця вимірювання густини струму в СІ?

1. Нарисуйте схему експерименту, у якому встановлюють закон Ома для ділянки кола.

2. Як записують і формулюють закон Ома для ділянки кола?

3. Що називають спадом напруги?

4. Установіть одиницю опору в СІ і сформулюйте її визначення.

5. Якою формулою виражають залежність опору провідника від його довжини, поперечного перерізу і речовини?

6. Що називають питомим опором провідника? Який фізичний зміст цієї величини?

7. Побудуйте вольт-амперну характеристику провідника.

8. Як з погляду елœектронної теорії пояснити поняття "опір провідника"?

Будь-яке елœектричне коло можна поділити на дві ділянки:

1) зовнішню ділянку кола;

2) внутрішню ділянку кола.

На зовнішній ділянці кола елœектричні заряди рухаються під дією елœектричного поля, оскільки тут струм проходить від вищого потенціалу до нижчого. На внутрішній частині кола струм проходить всœередині самого джерела струму і тут заряди переміщуються від нижчого потенціалу до вищого ( від "-" до "+" ). Цю роботу з переміщення зарядів елœектричне поле виконувати не може, її мають виконати сторонні сили - сили не елœектричного походження. Природа сторонніх сил може бути різною. Це можуть бути механічні, хімічні, магнітні та інші сили.

Дія сторонніх сил характеризується важливою фізичною скалярною величиною - елœектрорушійною силою. Електрорушійна сила в замкненому контурі дорівнює відношенню роботи сторонніх сил під час переміщення заряду вздовж контуру до заряду:

.

Як і напругу чи потенціал у СІ ЕРС вимірюють у вольтах: [e] = B.

Закон Ома для повного кола пов'язує силу струму в колі, ЕРС, і повний опір кола R + r, де r - внутрішній опір джерела; R - опір зовнішньої ділянки кола. Цей зв'язок може бути встановлений завдяки закону Джоуля-Ленца, за яким кількість теплоти, яка виділяється провідником зі струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника R і часу проходження струму по провіднику Dt:

Q = I 2RDt.

Нехай за час Dt через поперечний переріз провідника проходить елœектричний заряд Dq. Тоді роботу сторонніх сил з переміщення заряду Dq можна виразити так:

Aст = eDq, із виразу Dq = IDt.

Тому Aст = eIDt. Унаслідок виконання певної роботи на внутрішніх і зовнішніх ділянках кола, опори яких r i R, виділяється певна кількість теплоти. За законом Джоуля-Ленца вона дорівнює:

Q = I 2RDt + I 2rDt.

Згідно із законом збереження енергії A = Q. Прирівнявши, отримуємо e = IR + Ir, звідки:

e = I(R + r).

Із цього виразу бачимо, що сила струму в замкненому колі дорівнює відношенню ЕРС джерела струму до повного опору кола.

. (4.2.4)

Вираз (4.2.4) називають законом Ома для повного кола. Під час значного зменшення опору зовнішньої ділянки кола ( ) струм досягає максимального для джерела значення:

.

Такий випадок називають коротким замиканням, а відповідне значення струму - струмом короткого замикання Iкз. Коротке замикання - головний недолік паралельного з'єднання. Унаслідок короткого замикання енергія проходить через один із паралельно з'єднаних опорів (найменший), без струму залишаються інші споживачі. Це призводить до загоряння ізоляції, розплавлення з'єднувальних провідників і спричиняє пожежу. Для уникнення цієї небезпеки в елœектричних колах застосовують автоматичні вимикачі струму (плавкі запобіжники, механічні релœе тощо).

Напруга на зовнішньому опорі замкненого кола завжди менша від ЕРС, що дорівнює: U = IR = e - Ir. Переміщуючи заряди у провіднику, елœектричне поле виконує роботу. Її значення можна визначити, використавши визначення напруги і сили струму:

, де q = IDt A = UIDt. (4.2.5)

Робота струму дорівнює добутку сили струму напруги і часу, впродовж якого виконується робота. Як і в механіці, роботу струму вимірюють у джоулях. Якщо у формулу (4.2.5) підставити почергово значення сили струму, а потім напруги із закону Ома для ділянки кола, то отримаємо інший вираз для визначення роботи елœектричного струму:

A = UIDt, де . (4.2.6)

Формула (4.2.6) зручна для визначення роботи струму в колі з паралельним з'єднанням провідників, оскільки напруга на всіх провідниках при цьому однакова:

A = UIDt, де U = IR, A = I 2RDt. (4.2.7)

Формулою (4.2.7) зручно користуватись у разі послідовного з'єднання провідників у колі, оскільки через всі провідники проходить однаковий струм.

Будь-який елœектричний прилад розрахований на споживання певної енергії за одиницю часу. Тому поряд із роботою струму велике значення має потужність струму. Вона дорівнює відношенню роботи струму за час Dt до цього часу:

.

Як і в механіці, її вимірюють у ватах (Вт). На більшості приладів вказано потужність, яку вони споживають. На практиці широко застосовують одиницю потужності - кіловат і одиницю роботи - кіловат-годину:

1 кВт = 103 Вт, 1 кВт·год = 3,6·106 Дж.

Потужність струму P = IU = I 2R, що споживається зовнішньою ділянкою повного кола, називають корисною. Затраченою потужністю називають потужність джерела струму Pзат = eI = I2(R + r). Коефіцієнт корисної дії джерела

.

Коефіцієнт корисної дії зростає зі зменшенням внутрішнього опору джерела.