asyan.org
добавить свой файл
1
Електричний струм. Електричне коло. Джерела та споживачі електричного струму. Робота та потужність електричного струму. Безпека під час роботи з електричними пристроями. Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола.
1. Електричний струм

Відповідно до електронної теорії, у тілах є вільні електрони, рухом яких пояснюють різні електричні явища. Ці електрони хаотично рухаються, подібно до молекул газу.

Якщо до провідника прикладено зовнішнє електричне поле, то на безладний тепловий рух вільних електронів накладається напрямлений рух під дією сил електричного поля — так званий дрейф електронів, що й обумовлює електричний струм.

Напрямлений рух заряджених частинок називають електричним струмом.

За напрямок струму домовилися приймати напрямок, у якому рухаються позитивно заряджені частинки. Наприклад, позитивно заряджені іони рухаються в напрямку струму. У металах носіями заряду є негативно заряджені електрони, тому в металі напрямок струму протилежний до напрямку руху носіїв заряду. Електричний струм може бути отриманий тільки в речовині, у якій є вільні заряджені частинки. Щоб вони почали рухатися, потрібно створити в провіднику електричне поле.

Отже, для існування струму в провіднику необхідні такі умови:

1) наявність вільних заряджених частинок;

2) існування в провіднику електричного поля, що характеризується різницею потенціалів на кінцях провідника;

3) замкнуте електричне коло.

Якщо різниця потенціалів не змінюється з часом, то в провіднику встановлюється постійний електричний струм.

^ Джерела струму

Джерело струму — це пристрій, у якому відбувається перетворення певного виду енергії в електричну. У будь-якому джерелі струму відбувається робота з поділу позитивно й негативно заряджених частинок, які накопичуються на полюсах джерела.

Роботу цю виконують так звані сторонні сили. Такі сили не можуть мати електричне походження. У джерелах струму впродовж роботи з поділу заряджених частинок відбувається перетворення механічної, внутрішньої або якої-небудь іншої енергії в електричну.
^ 2. Сила струму

У випадку постійного струму заряд, що проходить через поперечний переріз провідника, прямо пропорційний часу. Тому постійний струм характеризують відношенням заряду до проміжку часу, протягом якого було перенесено заряд.

^ Сила струму I дорівнює відношенню заряду Δq, перенесеного через поперечний переріз провідника за проміжок часу Δt, до цього проміжку часу:



У системі СІ силу струму вимірюють в амперах (А).

Ампер є однією з основних одиниць системи СІ й визначають його за допомогою магнітної взаємодії струмів.

За сили струму в 1 А через переріз провідника щомиті проходить заряд в 1 Кл

(1 А = 1 Кл/с).

^ 2.1. Дії електричного струму

Безпосередній рух частинок у провіднику ми побачити не можемо. Про наявність електричного струму можна судити за тими діями, які його супроводжують (теплова, магнітна, хімічна).

Теплова дія струму обумовлена тим, що в разі напрямленого руху заряджених частинок крізь речовину вони зіштовхуються з іонами, атомами й молекулами речовини, збільшуючи кінетичну енергію їх хаотичного «теплового» руху.

Магнітна дія струму обумовлена тим, що навколо рухомих зарядів існує магнітне поле, яке діє на заряди, що рухаються.

Магнітна дія струму цікава тим, що вона проявляється завжди, тоді як інші дії струму (хімічна і теплова) можуть і не проявлятися.

Наприклад, хімічна дія струму відсутня під час проходження струму через метали, а теплова відсутня в разі проходження струму через надпровідники.

Тому магнітну дію струму використовують для вимірювання сили струму (і, зокрема, для визначення одиниці виміру сили струму), а також для створення точних електровимірювальних приладів.

Хімічну дію струму почав вивчати ще сам Вольт, але найбільш повно його досліджував на початку XIX століття Фарадей, що встановив кількісні закони електролізу.

Хімічну дію струму можна спостерігати, пропускаючи електричний струм через розчин мідного купоросу CuSO4 . Учні повинні знати, що під час взаємодії речовини з розчинником молекули речовини розпадаються на позитивні й негативні іони. Ці іони починають рухатися в електричному полі. Позитивні іони рухаються до негативно зарядженого електрода (катода), а негативні іони — до позитивно зарядженого електрода (анода).

^ 2.2. Робота електричного струму

Як відомо, робота характеризує зміну енергії або перетворення одного виду енергії в інший.

Робота електричного струму також характеризує процес перетворення енергії одного виду (енергії електричного поля) в енергію іншого виду (внутрішню енергію тіл, у механічну й інші види енергії).

Розглянемо довільну ділянку кола, наприклад нитку розжарення електричної лампи. Нехай за час Δt через поперечний переріз провідника проходить заряд Δq. Тоді електричне поле виконає роботу . Оскільки , ця робота дорівнює: .

За одиницю роботи електричного струму прийнято джоуль.

Джоуль дорівнює роботі, яку виконує електричний струм силою 1 А за напруги 1 В протягом 1 с: .

^ 2.3. Закон Джоуля–Ленца

Якщо єдиною дією струму є теплова, то, відповідно до закону збереження енергії, кількість теплоти, що виділилася в провіднику, чисельно дорівнює роботі струму: . Отже, .

Використовуючи закон Ома для ділянки кола , можна записати три еквівалентні формули для кількості теплоти, що виділилася в провіднику зі струмом:



Закон, що визначає кількість теплоти, яку виділяє провідник зі струмом у навколишнє середовище, був установлений експериментально англійським ученим Д. Джоулем і російським ученим Е. Х. Ленцем:

кількість теплоти, що виділилася в провіднику, дорівнює добутку квадрата сили струму на опір провідника й час проходження струму: .

Формули й для кількості теплоти, що виділилася в провіднику, можуть видатися суперечливими: відповідно до першої з них кількість теплоти прямо пропорційна опору провідника, а відповідно до другої — обернено пропорційна.

Щоб розібратися в цьому, порівняємо кількості теплоти, яка виділяється у двох провідниках під час їх послідовного і паралельного з’єднання.

Якщо провідники з’єднані послідовно, сила струму в них однакова: . Тому для порівняння кількості теплоти, що виділяється в провідниках, зручніше користуватися формулою .

Одержуємо: .

^ Таким чином, за послідовного з’єднання провідників більша кількість теплоти виділяється в провіднику, що має більший опір.

Якщо провідники з’єднані паралельно, напруга на їх кінцях однакова: . Тому для порівняння кількості теплоти, що виділяється в провідниках, зручніше користуватися формулою .

Одержуємо: .

Таким чином, за паралельного з’єднання провідників більша кількість теплоти виділяється в провіднику, що має менший опір.

^ 2.4. Потужність електричного струму

Будь-який електричний прилад розрахований на споживання певної енергії в одиницю часу. Тому, крім роботи струму, важливе значення має поняття потужності струму.

^ Потужністю струму P називається відношення роботи струму A до проміжку часу t, протягом якого ця робота була виконана: .

Оскільки , одержуємо .

Використовуючи закон Ома для ділянки кола, можна записати три еквівалентні формули для потужності: .

Потужність струму, як і будь-яка потужність, вимірюється в системі СІ у ватах (Вт). Потужність дорівнює 1 Вт, якщо за 1 с відбувається робота 1 Дж.



Будь-який електричний прилад характеризується споживаною ним потужністю, яку часто називають потужністю цього приладу зазвичай її вказують на приладі).

^ 3. Сторонні сили

Усередині джерела струму відбувається розподіл зарядів, у результаті чого на позитивному полюсі джерела накопичується позитивний заряд, а на негативному — негативний. Внаслідок цього між полюсами виникає різниця потенціалів, а в зовнішній частині кола — електростатичне поле, під дією якого в зовнішньому колі тече струм.

Поза джерелом струму вільні заряди рухаються під дією сил електростатичного поля, але усередині джерела вони рухаються проти сил цього поля.

Наприклад, у хімічному джерелі струму позитивні іони рухаються до позитивного полюса, незважаючи на те, що електростатичне поле «тягне» їх до негативного полюса.

Отже, для того щоб у джерелі струму відбувався розподіл зарядів, усередині джерела струму на вільні заряди повинні діяти сили неелектростатичного походження. Їх називають сторонніми силами.

Наприклад, у хімічних елементах струму сторонні сили мають хімічну природу; у генераторах електростанцій сторонні сили — це зазвичай сили, що діють на вільні електрони провідника з боку вихрового електричного поля, породжуваного змінним магнітним полем.

^ 4. Електрорушійна сила

Сторонні сили своєю роботою замикають коло і забезпечують сталість струму. Кожне джерело струму характеризується роботою сторонніх сил з переміщення одиниці позитивного заряду, що діють у ньому, тобто певною електрорушійною силою (ЕРС).

Усередині джерела струму сторонні сили виконують роботу Aстор , переміщаючи вільні заряди проти дії сил електростатичного поля. Ця робота пропорційна заряду, тому

відношення роботи сторонніх сил з переміщення заряду усередині джерела до заряду є характеристикою джерела струму й називається електрорушійною силою джерела: .

У системі СІ .

Будь-яке джерело струму по суті є перетворювачем енергії: у ньому якийсь один вид енергії перетворюється в електричну. Із цього погляду сторонні сили й виконують роботу з розподілу зарядів (фізична величина, вимірювана роботою сторонніх сил з роз’єднання одиниці кількості електрики).

^ 5. Закон Ома для повного кола

Під час переміщення заряду q усередині джерела струму сторонні сили виконують роботу , де — ЕРС джерела. Під час протікання струму у зовнішньому колі в ньому виділяється кількість теплоти , де ^ R — опір зовнішнього кола. Джерело струму також має деякий опір, що позначають зазвичай r і називають внутрішнім опором джерела. Тому під час проходження струму усередині джерела в ньому виділяється кількість теплоти: .

Із закону збереження енергії випливає, що , звідки одержуємо , або .

Суму опорів R+r називають повним опором кола, і отримане співвідношення формулюють як закон Ома для повного кола:

сила струму в замкнутому колі, що містить одне джерело, дорівнює відношенню ЕРС джерела до повного опору кола: .

Якщо коло містить кілька послідовно увімкнених елементів з ЕРС, то повна ЕРС кола дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС окремих елементів. Загальний опір кола дорівнює сумі всіх опорів: .

У разі паралельного з’єднання елементів з однаковою ЕРС електрорушійна сила батареї дорівнює ЕРС одного елемента.

^ Наслідки із закону Ома для повного кола

Як випливає із закону Ома для повного кола, сила струму убуває відповідно до збільшення R. Найбільша сила струму відповідає випадку , тобто короткому замиканню. Під час короткого замикання сила струму

Із цієї формули видно, що якщо внутрішній опір джерела дуже малий, струм короткого замикання буде дуже значним, що може вивести джерело з ладу.

^ Розімкнутому колу відповідає нескінченно великий зовнішній опір R.

При цьому, як випливає з формули закону Ома для всього кола, сила струму . Відповідно до закону Ома для ділянки кола, напруга між кінцями провідника . Із закону Ома для повного кола, записанного у вигляді , одержуємо . Звідси випливає, що у разі збільшення сили струму напруга між полюсами джерела струму зменшується.

Найбільше значення напруги між полюсами джерела дорівнює при (розімкнуте джерело струму), тобто напруга між розімкнутими полюсами джерела дорівнює ЕРС цього джерела:

Найменша ж напруга між полюсами дорівнює нулю — йому відповідає коротке замикання, за якого сила струму (струм короткого замикання).