сила uсточнuка тока

'0дцим из цаиболее примецяемых ца практике действий тока является его тепловое действие; На ' нем 'осцовац'Ы различцые тепловые электрИческие ·J;Iриборы - электрические утюги, во­доцагреватели, электрочайцики, обогреватели и т. п. Количе­ство теплоты, выделяемое проводциком при прохождеции электрического тока за определеццое время, определяется· за-

коцом Джоуля'-Лецца: · . ·

Q = J2R,bl,

где I - сила тока; R - сопротивление проводника; Ы - ицтервал времени.

Q=J2RЫ

§ 18. Электроgвuжущая сuла uсточнuка тока

Рацее мы . установили, что для возникновениЯ электричес!\ОГО тока в цепи цеобходимо создать на . :rоонцах проводника разность потенциалов и поддерживать ее длитель­

ное время.

Это условие может быть выполнено, если в электрической цепи будет источник тока, который за счет своих внутренних взаимодействий будет выполнять работу по разделению элект­рических зарядов. Эти взаи.модействия получилИ название стороцних сил, поскольку ~меют н.еэЛ;е1СmростriатичесJСое про­

исхождение.

51 '

Сторонние силь1 выполняют работу по · разделению элект· • . рических зарядов в электрической цепи. Они имеют неэлектро- • статическое происхождение.

' . -Так, в гальвацических элементах эта эцергия возцикает

вследствие химических реакций между разнородцыми веще­

ствами. В солн;ечцых батареях Заряды раздел~ются вследствие взаимодействия фо·rоцов с атомами вещества. В электрофорцой машине разделецие зарядов происходит при выполцеции ме­

хацической работы при ·вращеции дисков. Поэтому для характеристики способцости источцика. тока

создавать разцость потенциалов используют поцятие электро­

движущей силы - ЭДС.

4"

52

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК

Электродвижущей силой источника 'if называют физичес­кую величину, которая характеризует способность сторонних сил создавать и поддерживать разность потенциалов в цепи.

Она равна отношению работы сторонних сил А к значению . стор

разделенных зарядов t:,.Q.

. g = Астор.

в + А

-:::;-

r

' R -

Puc. 1.50. Сомкнутая

1~

t:,.Q

Электродвижущая сила являет­ся характеристикой источника тока

и не зависит от того, какую внеш­

нюю нагрузку присоединяют к его

полюсам.

Как и напряжение, она измеря­ется в вольтах (В).

Рассмотрим более детально роль источника тока в электрической

цепи (рис. 1.50). электрическая цепь

Во внешней цепи положительные носители заряда будут двигаться от полюса А к полюсу В. Сторонние силы для поддержания постоянной разности по­тенциалов внутри источника будут разделять электрические заряды за счет работы сил неэлектростатической природы . . Таким образом, в источнике тока будет nроходить ток, сила которого будет такой же, как и во внешней цепи. Поэтому источник тока будет иметь определенное сопротивление, определяющее силу тока в цепи. Это сопротивление называют внутренним. сопротивлением. источника тока.

Учитывая наличие источника тока, в цепи можно выделить внутреннюю и внешнюю часть. Общее сопротивление цепи бу­дет равно сумме сопротивлений внешней и внутренней_частей.

1. Какова роль источника тока в цепи? 2. Какова природа сторонних сил? 3. Какова роль сторонних сил внутри источника? 4. Что такае электродвижущая сила? 5. Какое nроисхожДение внутреннего сопротивления источника

тока? ·

§ 19. Закон Ома gля полноО цепu

Открытый Г. Омом закон для участка цепи в об­щем случае справедлив и для полной цепи, если пр~:~нимать

во внимание как внешнюю, так и внутреннюю части цепи.

Математическую запись закона Ома для этого случая можно

1f=И +И . вн ввеm

19. Закон Ома

R

Puc. l51. Замкнутая

электрическая

цепь

Если учесть, что · по закону Ома для участка цепи И =IR, то 53 получим формулу этого закона для полной цепи:

1! = IR + Ir, отсюда I = - ~ R+r

Таким образом, сила тока в полной цепи пропорциональна электродвижущей сИле источника и обратно пропорциональ­на полному сопротивлению цепи.

Сила тока в полной цепи -пропорциональна электродвиЖущей ~ силе источника и обратно пропорциональна полному conpo- · \.) тивлению цепи:

l= ~ .. R+r

Пользуясь законом Ома для полной цепи, можно рассчитать два экстремальных случая в электрической цепи - к'ороткое замыкание и разомкнутую ·цепь. Если сопротивление внешней

цепи стремится к нулю (короткое замыкание), то сила тока в

цепи

~ [кз = "":"·

r Это будет максимальное значение силы тока для данной цепи, Если цепь разорвана (R ~ оо), то ток в цепи прекращается

при любых значениях ЭДС и внутреннего сопротивления. В по­следнем случае напряжение на полюсах источника тока будет равно электродвижущей силе. Поэтому иногда дают упрощен-

54 -

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК

но~ определение ЭДС: это величина, равная напряжению на клеммах

источника · при разомкнутой цепи .

Источники тока могут соединяться в батареи. Суще­ствуют несколько способов

Puc. 1.52. Схема послеgова­. тельного соеguненuя

UCTOЧHUKOB ТОКа

соединения источников тока.

Последовательным называют соединение, при котором со­единяются друг с другом разноименные полюса источников:

положительный предыдущего с отрИцательным следующего и т. д. (рис. 1.52). Чаще всего соединяют источники с одина­ковыми характеристиками, поэтому при последовательном

соединении N источников ЭДС батареи будет в N раз больше, чем ЭДС ОДНОГО ИСТОЧНИКа:

~ат = N~ Внутреннее сопротивление такой батареи будет также в

N раз больше: rбат = Nr.

Для последовательного соединения истоЧников ·тока закон Ома для полной цепи будет записываться:

1 -- N~. = 11 ~ R+Nr

Puc. 1.53. Схема парал-лельнога соеguненuя

Последовательное соеДинение JiС-точников тока удобно в том случае, когда сопротивление потребителя зна­чительно больше внутреннего сопро­тивления одного источника тока.

Параллельным является; соединение, при котором все одноименные полюса

соединяюrся в один узел (рис. 1.53). UCTOЧHUKOB ТОКа Параллельное соединение применя­

ют тогда, когда в цепи необходимо получить большое значе­ние силы тока при небольтом напряжении.

Электродвижущая сила батареи параллельна соединенных одинаковых источников равна ЭДС одного источника:

~ат = if. Внутреннее сопротивление при параллельном соединен;ии

N одинаковых источников тока в N раз меньше внутреннего сопротивления одного источника:

r rбат = N ·

Формула ·закона Ома для параллельного соединения источ­никцв имеет вид:

19. Закон Ома

I= lf R+!_

N Параллельное соединения удобно тог­

да, когда сопротивление внешней части цепи значительно меньше внутреннего

сопротивления одного источника.

При смешанном соединении батареи источников тока (параллельно или после­довательно) в свою очередь соединяют по­следовательно или параллельна (рис. 1.54).

Puc. 1.54. Смешанное coeguнeнue

1. Связь между какими величинами оп:>шJа)l~аЕ!Т полной цепи? ·

2. Какова природа внутреннего сопро1=ивления источника тока? 3. С какой целью источники тока соединяют nоследовательно? 4. С какой целью источнИки тока соединЯ!ОТ параллельно? 5. Как рассчитать ток короткого замыкания? 6. Чему равно напряжение на полюс.ах · источника тока

разомкнутой цепи? - ·

Уnражненuе 10

t. В з·амкнутой цепи с источником тока с ЭДС 12 В прохо- · дит ток 2 А. Напряжение на зажимах источника 1 О В. Найти внутреннее сопротивление источника и сопротивление нагрузки.

2. При замыкании источника тока проводником с сопротив­лени.ем 10 Ом сила тока в цепи · равна. 1 А, а при замыкании проводником с сопротивлением 4 Ом сила тока - 2 А. Найти ЭДС источника тока И его внутреннее сопротивление.

3. В электрической цепи, состоящей из источника тока с ЭДС 6 В и проводника с сопротивлением 9 Ом, сила тока равна 0,6 А. Найти внутреннее сопротивление источника и ток короткого замыкания для него.

4. В электрической цепи (рис. 1.55) включен источник тока с ЭДС = 2 В и внутренним сопроти­влением 2 Ом, а также реостат с мак­симальным сопротивлением 8 Ом.

а) Какую максимальную силу то­

ка может показать амперметр в этой · цепи? .

б) Какую минимальную силу то­ка может показать амперметр в этой

цепи? Puc. 155. К заgаче 4

56

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК

в) Какое максимальное напряжение покажет вольтметр в

этой цепи? г) Какое минимальное значение напряжения покажет вольт­

метр в этой цепи? д) Постройте график завцепмости силы тока в этой цепи от

сопротивления ее внешнего участка.

е) Постройте график зависимости напряжения на реостате

от его сопротивления.

Лабораторная работа ft/11 Определение ЭДС и внутреннего сопротивления

источника тока

Цель. Закрепить знания о законе Ома для полной цепи; овла­деть методом ()Пределения ЭДС и . внутреннего 'сопротивЛения источника через изм~рение напряжения и силы тока в цепи.

Оборудовапие. Лабораторный вольтметр, лабораторный ам­перметр, магазин сопротивлений, выключатель, лабораторный источник тока, проводники.

Теоретические сведения

Согласно закону Ома для полной цепи ЭДС равна сумме всех падений напряжения на внутренiJей и внешней части цепи:

~=и +и . вв ввеш

Если учесть закон Ома для участка цепи, то ' и =IR, а и =lr,

ввеm вв

где r - внутреннее сопротивление источника тока. Таким об­

разом,

~=IR+Ir.

В этом уравнении две неизвестные величины, а чтобы их найти по пра- · вилам алгебры, необхо~имо иметь

хотя бы два уравнения, в которые входят эти неизвестные величины.

Для составления таких уравнений проведем исследование электрич~с­

кой цепи в два этапа. 1) Составим электрическую цепь,

в которую входят источник тока,

Puc. 156. Прuборы gля амперметр, выключатель и реостат лабораторной работы (магазин сопротивлений) с извест-

ными значениЯми сопротивлений (рис. 1. 56). Подберем не­которое средн~е значение сопротивления R

1 и замкнем цепь.

Стрелка амперметра покажет некоторое значение силы тока I

1• Для этого случая ·

19. Закон Ома

.~ = 11R 1 + 11r. 2) Провед~м опыт повторно, заменив резистор в магазине

сопротивлений на иное значение R2. Для ЭТОГО' случая

lf= 1~2 + 12r. Решив совместно уравнения (1) и (2), получим

/1~ -:-12~ r = -=--=---=--..::.

12-/1 .

Подставив значение r в (1) или (2), получим щшчеиие ЭДС: . Jr:1-Jr:1

'if=I r:1 +1 1 .. '1 2 .. "2 1 .. '1 1 1 -1 '

2 1 (3)

или

. /1~ -12~ 'if=l2~ +./2 ·

. . 12-/1 (4)

Выполнение . работы

1. Начертить схему цепи из посЛедовательно соединеиных источника тока, амперметра, мага~ииа сопротивлений и вы­

ключателя.

2. По начерченной схеме составить цепь. 3. В магазине сопротивЛений вклЮчить сопротивление 2 Ом. 4. Замкнуть цепь и сиять показания амперметра /

1•

5. Сменить резистор в магазине иа . 5 Ом. 6. Замкнуть Цепь и сиять показания амперметра 1

2•

7. Рассчитать ЭДС и внутреннее сопротивление. ·s. Результаты измереиий . и расчетов записать в таблицу и

провести анализ полученных результатов.

.Табл.ица

Сипа . СопротивЛе- Внутреннее Н~nряжеilие

. эдс; на клеммах м тока, вне внешвей соnротивление

в А цепи, Ом источника, Ом

источника

тока, В

1

2 .

9*. По формулам (3) и (4) рассчитать ЭДС и ср~иить полученные значения с показаииями вольтметра.

10*. При разомкнутой цепи измерить напряжение на клем­мах источника тока и сравнить его со значением измеренной ЭДС, сделать выводы. Д оп о л и и т е Л ъ ·и о е за д а н и е. Провести еще несколько

измерений для различных знач;ений сопротивлений внешнего участка цепи. Построить график зависимости силы тока от его сопротивления.

57

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ТОК

§ 20. Правuла · безопасного пользования электрuческuм.u

npuбopaмu

~изнь современного человека сильно связана с использованием электрических приборов и установок. Тело человека' является хорошим проводником электрического

тока, который может вызвать в человеческом теле опасные и

необратимые изменения. Человек, подвергшийся действию электрического тока, получает не только значительные ожоги,

но и нарушения в работе нервной системы. Даже при сравни­тельно небольшом напряжении чiшовек может получить серьезные поражения организма, если он нах_одится, напри­

мер, во влажном цомещени_и, на влажной земле, касается про­

водов обеи~и руками и т. п. Чтобы предотвратить поражение электрическим током, не­

обходимо придерживаться определенных правил. 58 1. Не пользоваться неисправными электроприборами и

оборудованием. ~

2. Не пользоваться электрическими приборами (утюги, фены, плойки, обогреватели) в ванных комнатах и влажных помещениях.

3. Не играть под линиями электропередач. 4. Экспериментируя с электрическими установками, необ­

ходимо использовать источники тока с ЭДС не выше 36 В. 5. Выполняя лабораторные работы, включатьэлектрические

установки только после проверки и разрешения на то учителя.

б. Не касаться . частей электроустановок с поврежденной изоляцией.

7. Если товарищ поражен электрическим током, то в первую очередь необходимо, придерживаясь правил безопасности, отсоединить его от источника тока, вызвать врача и по возмож~

ности оказать пострадавшему первую медицинскую помощь.

§ 21. ЭлектрuческuQ ток . в разлuчных cpegax

Согласно определению электрический ток это направленное движение заряженных частиц. Таким образом, . создать электрический ток можно только в той среде, где есть

свободные заряженные частицы - носители электрического заряда.