Меню

Сторонние силы в механическом источнике тока

Сторонние силы в механическом источнике тока

Вы будете перенаправлены на Автор24

Сущность сторонних сил

Для того чтобы в проводнике ток существовал длительное время, необходимо, чтобы движение заряженных частиц, например, электронов, поддерживалось какой-либо внешней силой. Следовательно, нужно, чтобы от конца проводника с меньшим потенциалом (считаем, что носители электрического тока положительные) непрерывно отводились приносимые туда заряды, а к концу с большим потенциалом заряды постоянно подводились. То есть необходим круговорот зарядов по замкнутому пути, именно тогда ток будет течь. Данный факт согласуется с замкнутостью линий тока. То есть ЭДС — это работа, прилагаемая по перемещению положительного заряда в замкнутом контуре.

Сторонняя электродвижущая сила (далее сторонняя сила) не может быть электростатической, потому что электростатическое поле потенциально.

Готовые работы на аналогичную тему

Работа потенциальной силы, для контура с током, равна нулю. При таком условии ток существовать не может, так как ток должен совершать работу по преодолению сопротивления проводников. Сторонняя сила может быть механической или электрической (не электростатической), иметь химическое происхождение и т.д.. Также для замкнутого контура причиной возникновения ЭДС может стать изменение потока магнитного поля, это связано с явлением электромагнитной индукции.

С учетом сторонних сил закон Ома в локальной форме записывается в виде:

$\overrightarrow=\sigma \left(\overrightarrow+\overrightarrow>\right)\left(1\right)$, где:

  • $\overrightarrow$ — вектор плотности электрического тока,
  • $\sigma $ — удельная проводимость,
  • $\overrightarrow$ — напряжённость поля кулоновских сил, $\overrightarrow>$ — напряженность поля сторонних сил.

Пример сторонних сил

Простейшая схема источника сторонней силы (источника тока), которая имеет механическое происхождение, представлена на рис.1.

Схема источника сторонней силы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 1. Схема источника сторонней силы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Пусть между электродами А и В (рис.1) находится электрически нейтральная среда с равным зарядов противоположного знака. Сторонняя сила неэлектрического происхождения перемещает положительные заряды к электроду В (данный электрод заряжается положительно), а отрицательная к электроду А (отрицательно заряженный электрод). Во внешней цепи течет электрический ток. Ток производит работу. Энергия, которая необходима для производства такой работы, сообщается внешними силами, которые тратят ее на разделение зарядов между электродами. Ток внутри источника сторонней силы замыкает ток внешней цепи. Направление электрического тока во внешней цепи — от положительного электрода к отрицательному, внутри источника тока, наоборот. Практической реализацией такой схемы является электростатическая машина.

Электродвижущая сила

Сторонние силы характеризуются работой, совершающей ими при перемещении заряда по цепи. Так электродвижущей силой (ЭДС) ($\mathcal E$) называют:

  • $q$ — заряд,
  • $A$ — работа сторонних сил.

Основная размерность ЭДС в системе СИ: $\left[\mathcal E \right]=В$.

ЭДС, действующую на участке 1-2 можно выразить как:

  • $\overrightarrow>$ — напряженность поля сторонних сил,
  • $d\overrightarrow$— вектор перемещения.

Интеграл (3) для замкнутой цепи даст выражение для ЭДС в этой цепи, как циркуляции вектора напряженности сторонних сил:

ЭДС связана с падением напряжения или просто напряжением ($U$) на участке цепи 1-2 соотношением:

Задание № 1: Опишите механизмы, которые позволяют использовать гальванические элементы в качестве источников постоянного тока.

Решение:

Часто встречаются источники постоянного тока, которые называют гальваническими элементами. При контакте твердого тела и жидкости появляется разность потенциалов. В некоторых случаях при таком контакте проходит химическая реакция. Допустим, если цинковую пластинку опустить в раствор серной кислоты, то цинк растворяется. В раствор перемещаются положительные ионы цинка, то есть раствор имеет положительный заряд, а сама цинковая пластина отрицательный, возникает электрический ток. При некоторой разности потенциалов переход ионов цинка в раствор заканчивается. Эта разность потенциалов называется электрохимическим потенциалом. (Он зависит от свойств металла, жидкости и концентрации ионов металла в растворе). Для растворов в серной кислоте этот потенциал цинка равен – 0,5В, для меди электрохимический потенциал равен +0,6В.

При погружении двух металлов в раствор возникает разность потенциалов между ними, которая равна разности из электрохимических потенциалов. Система из двух электродов из разных металлов, погруженная в раствор называется гальваническим элементом, разность потенциалов между металлами — ЭДС элемента.

Так, например, элемент Вольта состоит из медной и цинковой пластин, которые находятся в растворе серной кислоты. Зная электрохимические потенциалы цинка и меди, получим ЭДС элемента Вольта:

В гальваническом источнике Вольта имеются 2 сторонние $\mathcal E$, которые сосредоточены в поверхностных слоях, где соприкасаются цинковая и медная пластины с раствором. Толщина этих слоев — молекула. В остальном объеме раствора сторонних $\mathcal E$ нет. Когда пластины соединяют проводником, по нему течет ток от медной (положительной) пластины к цинковой (отрицательной) пластине. В растворе между электродами направление тока — обратное: от цинковой пластины к медной.

Сторонняя ЭДС элемента определена его свойствами, и не зависит от силы тока, который течет по цепи. Изменение напряжения на внешней цепи всегда меньше, чем ЭДС элемента. Чем меньше внутренне сопротивление гальванического элемента, тем выше качество источника тока.

При прохождении тока в цепи элемента Вольта положительные ионы цинка переходят в раствор, там они соединяются с отрицательными ионами, на который, наряду с положительным ионом водорода, диссоциирует серная кислота. То есть в растворе проходит химическая реакция. Продукты реакции частично выпадают в виде осадка. При этом положительные ионы водорода движутся к медной пластине, там они нейтрализуются электронами тока проводимости в пластине. На поверхности медной пластины образуется водородная пленка. Эта пленка увеличивает внутреннее сопротивление элемента и одновременно, образует дополнительный электрохимический потенциал, который направлен против потенциала, который был на пластине до образования пленки. Так, ЭДС элемента уменьшается. Подобные процессы, называют поляризацией элемента.

Для того чтобы уменьшить падение ЭДС гальванического элемента применяют различные методы деполяризации, например, используют сильные окислители, которые связывают водород и кислород с образованием воды.

Задание № 2: Источник ЭДС $\mathcal E=1$ В имеет внутреннее сопротивление $r=1$ Ом включен в цепь, которая содержит сопротивление $R=9$ Ом. Найдите силу тока в цепи ($I$), падение напряжения во внешней цепи ($U$), падение потенциала внутри элемента ($U_r$).

Решение:

Для замкнутой цепи, которая содержит источник ЭДС запишем закон Ома в виде:

  • $\mathcal E$ — ЭДС источника тока,
  • $R$ — внешнее сопротивление цепи,
  • $r$ — сопротивление источника ЭДС.

Закон Ома для однородного участка запишем как:

И для источника тока:

Так как все данные задачи записаны в системе СИ, проведем вычисления:

$U=0,1\cdot 9=0,9\ \left(В\right).$

$U_r=0,1\cdot 1=0,1\ \left(В\right).$

Ответ: $I=0,1В; U=0,9В; U_r=0,1В$.

Источник

Источник тока. Сторонние силы. ЭДС источника тока

date image2015-05-26
views image4413

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Остановимся на отдельных закономерностях тока проводи­мости. Пусть на концах проводника длиной l имеется разность по­тенциалов

Δφ=φ1–φ2=U, которая создает внутри него электри­ческое поле напряженностью Е, направленное в сторону падения потенциала (рис. 92).

При этом в проводнике возникнет ток от большего потен­циала φ1 к меньшему φ2.

Движение зарядов от φ1 к φ2 приводит к снижению большего (φ1) и повышению меньшего (φ2) потенциала, т.е. к выравниванию потенциалов. Как только потенциалы выравниваются, электрическое поле в проводнике исчезнет и ток прекратится. Таким образом, для поддержания электрического тока необходимо иметь специальные устройства, которые бы поддерживали на его концах разность по­тенциалов. Такое устройство называется источником тока. Источ­никами тока являются электрические генераторы, гальванические и термоэлементы, аккумуляторы. Направление тока в устройстве про­тивоположно направлению тока в проводнике. Источник тока вы­полняет и другую роль – он замыкает цепь, по которой осуществля­ется непрерывное движение зарядов. Ток течет по внешней части цепи – проводнику и по внутренней – источнику тока. Источник тока имеет два полюса: положительный с более высоким потенциа­лом и отрицательный – с более низким. При разомкнутой цепи на отрицательном полюсе (выводе) источника тока образуется избыток электронов, а на положительном – недостаток. Разделение зарядов в источнике тока производится с помощью внешних сил, так назы­ваемых сторонних, направленных против кулоновских сил, дейст­вующих на разноименные заряды в проводниках самого источника тока. Природа этих сторонних сил может быть самой различной (химической, механической, электромагнитной).

Если цепь, со­стоящая из проводника и источника тока, замкнута, то по ней про­ходит ток и при этом совершается работа сторонних сил Аст. (рис. 93). Эта работа складывается из работы, совершаемой против сил электрического поля внутри источника тока ( Аист.) и работы, совершаемой против механических сил сопротивления среды ис­точника ( А’ ), т.е. Аст. = Аист + А’.

Величина, равная отношению работы, которую совершают сторон­ние силы при перемещении точечного положительного заряда Q вдоль всей цепи, (включая и источник тока), к величине заряда Q называют ЭДС источника тока ε

Работа против сил электрического поля (по определению) равна

Если полюсы источника разомкнуты, то А’ = 0, и тогда из формулы ε

следует ε = φ1 – φ2, т.е. ЭДС источника тока при разомкнутой внешней цепи равна раз­ности потенциалов, которая создается на его полюсах.

Источник

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

Т. Сторонние силы

Электрические цепи. Электродвижущая сила

Электрическая цепь состоит из источника тока, потребителей электроэнергии, соединительных проводов и ключа, служащего для размыкания и замыкания цепи и других элементов (рис. 1).

Рисунки, на которых изображены способы соединения электрических приборов в цепь, называются электрическими схемами. Приборы на схемах обозначаются условными знаками.

Как отмечалось, для поддержания в цепи электрического тока необходимо, чтобы на концах ее (рис. 2) существовала постоянная разность потенциалов φAφB. Пусть в начальный момент времени φA > φB, тогда перенос положительного заряда q из точки А в точку В приведет к уменьшению разности потенциалов между ними. Для сохранения постоянной разности потенциалов необходимо перенести точно такой же заряд из B в A. Если в направлении АВ заряды движутся под действием сил электростатического поля, то в направлении ВА перемещение зарядов происходит против сил электростатического поля, т.е. под действием сил неэлектростатической природы, так называемых сторонних сил. Это условие выполняется в источнике тока, который поддерживает движение электрических зарядов. В большинстве источников тока движутся только электроны, в гальванических элементах — ионы обоих знаков.

Источники электрического тока могут быть различны по своей конструкции, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделение зарядов происходит под действием сторонних сил. Сторонние силы действуют лишь внутри источника тока и могут быть обусловлены химическими процессами (аккумуляторы, гальванические элементы), действием света (фотоэлементы), изменяющимися магнитными полями (генераторы) и т.д.

Любой источник тока характеризуют электродвижущей силой — ЭДС.

Электродвижущей силой ε источника тока называют физическую скалярную величину, равную работе сторонних сил по перемещению единич ного положительного заряда вдоль замкнутой цепи

Единицей электродвижущей силы в СИ является вольт (В).

ЭДС является энергетической характеристикой источника тока.

В источнике тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, световой, внутренней и т.п. энергии в электрическую. Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника тока (места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют потребители). Один полюс источника тока заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника тока создается электростатическое поле. Если полюса источника тока соединить проводником, то в такой электрической цепи возникает электрический ток. При этом характер поля меняется, оно перестает быть электростатическим.

На рисунке 3 схематично в виде сферического проводника изображена отрицательная клемма источника тока и сечение присоединенного к ней конца металлического провода. Пунктиром показаны некоторые линии напряженности поля клеммы до внесения в него провода, а стрелками — силы, действующие на свободные электроны провода, находящиеся в точках, помеченных цифрами. Электроны в различных точках поперечного сечения провода под действием кулоновских сил поля клеммы приобретают движение не только вдоль оси провода. Например, электрон, находящийся в точке 1, оказывается вовлеченным в «токовое» движение. Но вблизи точек 2, 3, 4, 5 электроны имеют возможность скапливаться на поверхности провода. Причем поверхностное распределение электронов по длине провода не будет равномерным. Следовательно, подключение провода к клемме источника тока приведет к тому, что некоторые электроны начнут двигаться вдоль провода, а часть электронов будет скапливаться на поверхности. Неравномерное распределение электронов на его поверхности обеспечивает неэквипотенциальность этой поверхности, наличие составляющих напряженности электрического поля, направленных вдоль поверхности проводника. Это поле перераспределенных электронов самого проводника и обеспечивает упорядоченное движение других электронов. Если распределение электронов по поверхности проводника с течением времени не изменяется, то такое поле называют стационарным электрическим полем. Таким образом, главную роль в создании стационарного электрического поля играют заряды, находящиеся на полюсах источника тока. При замыкании электрической цепи взаимодействие именно этих зарядов со свободными зарядами проводника приводит к появлению на всей поверхности проводника нескомпенсированных поверхностных зарядов. Именно эти заряды создают стационарное электрическое поле внутри проводника по всей его длине. Это поле внутри проводника однородное, и линии напряженности направлены вдоль оси проводника (рис. 4). Процесс установления электрического поля вдоль проводника происходит со скоростью c ≈ 3·10 8 м/с.

Как и электростатическое поле, оно потенциально. Но между этими полями имеются существенные отличия:

  1. электростатическое поле — поле неподвижных зарядов. Источником стационарного электрического поля являются движущиеся заряды, причем общее число зарядов и картина их распределения в данном пространстве с течением времени не изменяются;
  2. электростатическое поле существует вне проводника. Напряженность электростатического поля всегда равна 0 внутри объема проводника, а в каждой точке внешней поверхности проводника направлена перпендикулярно к этой поверхности. Стационарное электрическое поле существует и вне и внутри проводника. Напряженность стационарного электрического поля не равна нулю внутри объема проводника, а на поверхности и внутри объема имеются составляющие напряженности, не перпендикулярные к поверхности проводника;
  3. потенциалы разных точек проводника, по которому проходит постоянный ток, разные (поверхность и объем проводника не эквипотенциальны). Потенциалы всех точек поверхности проводника, находящегося в электростатическом поле, одинаковы (поверхность и объем проводника эквипотенциальны);
  4. электростатическое поле не сопровождается появлением магнитного поля, а стационарное электрическое поле сопровождается его появлением и неразрывно с ним связано.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 259-261.

Источник



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 к 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 источниками тока.Силы неэлектро­статического происхождения, действую­щие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. 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. Роль источника тока в электрической цепи, образно гово­ря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. 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.)ξ, действующей в цепи:

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ξ можно также называть элек­тродвижущей силой источника тока, вклю­ченного в цепь. Часто, вместо того чтобы сказать: «в цепи действуют сторонние си­лы», говорят: «в цепи действует э. д. с.», т. е. термин «электродвижущая сила» употребляется как характеристика сторон­них сил. Э. д. с., как и потенциал, выража­ется в вольтах (ср. (84.9) и (97.1)).

Сторонняя сила Fст, действующая на заряд Q, может быть выражена как

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

Разделив (97.2) на Q, 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. Э.д.с., действующая на участке 12,

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

F=Fст+Fc=Q(Eст+E).

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q на участке 12, равна

Используя выражения (97.3) и (84.8), можем записать

Для замкнутой цепи работа электростати­ческих сил равна нулю (см. §83), поэтому в данном случае A12=Qξ12.

НапряжениемU на участке 12 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),

Понятие напряжения является обоб­щением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует э.д.с., т. е. сторонние силы отсутствуют.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Читайте также:  Дать определение работы переменного тока