Разность потенциалов
Понятно, что одно тело можно подогреть больше, а другое меньше. Степень нагрева тела именуется его температурой. Подобно этому, одно тело можно наэлектризовать больше другого. Степень электризации тела охарактеризовывает величину, именуемую электронным потенциалом либо просто потенциалом тела.
Что означает наэлектризовать тело? Это означает сказать ему электронный заряд , т. е. прибавить к нему некое количество электронов, если мы тело заряжаем негативно, либо отнять их от него, если мы тело заряжаем положительно. В том и другом случае тело будет владеть определенной степенью электризации, т. е. тем либо другим потенциалом, при этом тело, заряженное положительно, обладает положительным потенциалом, а тело, заряженное негативно, - отрицательным потенциалом.
Разность уровней электронных зарядов 2-ух тел принято именовать разностью электронных потенциалов либо просто разностью потенциалов .
Следует подразумевать, что если два схожих тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то меж ними также будет существовать разность потенциалов.
Не считая того, разность потенциалов существует меж 2-мя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Так, к примеру, если какое-либо тело, изолированное от земли, имеет некий потенциал, то разность потенциалов меж ним и землей (потенциал которой принято считать равным нулю) численно равна потенциалу этого тела.
Итак, если два тела заряжены таким макаром, что потенциалы их неодинаковы, меж ними безизбежно существует разность потенциалов.
Всем известное явление электризации расчески при трении ее о волосы есть не что другое, как создание разности потенциалов меж расческой и волосами человека.
Вправду, при трении расчески о волосы часть электронов перебегает на расческу, заряжая ее негативно, волосы же, утратив часть электронов, заряжаются в той же степени, что и расческа, но положительно. Сделанная таким макаром разность потенциалов может быть сведена к нулю прикосновением расчески к волосам. Этот оборотный переход электронов просто находится на слух, если наэлектризованную расческу приблизить к уху. Свойственное потрескивание будет свидетельствовать о происходящем разряде.
Говоря выше о разности потенциалов, мы имели в виду два заряженных тела, но разность потенциалов можно получить и меж разными частями (точками) 1-го и такого же тела.
Так, к примеру, разглядим, что произойдет в кусочке медной проволоки, если под действием какой-нибудь наружной силы нам получится свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместить к одному концу ее. Разумеется, на другом конце проволоки получится недочет электронов, тогда и меж концами проволоки возникнет разность потенциалов.
Стоит нам закончить действие наружной силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к концу проволоки, заряженному положительно, т. е. к месту, где их недостает, и в проволоке вновь наступит электронное равновесие.
Электродвижущая сила и напряжение
Д ля поддержания электронного тока в проводнике нужен некий наружный источник энергии, который всегда поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника.
Такими источниками энергии служат так именуемые источники электронного тока , владеющие определенной электродвижущей силой , которая делает и долгое время поддерживает разность потенциалов на концах проводника.
Электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) обозначается буковкой Е . Единицей измерения ЭДС служит вольт. У нас в стране вольт сокращенно обозначается буковкой «В», а в международном обозначении - буковкой «V».
Итак, чтоб получить непрерывное течение электронного тока, нужна электродвижущая сила, т. е. нужен источник электронного тока.
Первым таким источником тока был так именуемый «вольтов столб», который состоял из ряда медных и цинковых кружков, проложенных кожей, смоченной в подкисленной воде. Таким макаром, одним из методов получения электродвижущей силы является хим взаимодействие неких веществ, в итоге чего хим энергия преобразуется в энергию электронную. Источники тока, в каких таким методом создается электродвижущая сила, именуются хим источниками тока .
В текущее время хим источники тока - гальванические элементы и батареи - обширно используются в электротехнике и электроэнергетике.
Другим главным источником тока, получившим обширное распространение во всех областях электротехники и электроэнергетики, являются генераторы .
Генераторы инсталлируются на электростанциях и служат единственным источником тока для питания электроэнергией промышленных компаний, электронного освещения городов, электронных стальных дорог, трамвая, метро, троллейбусов и т. д.
Как у хим источников электронного тока (частей и аккумов), так и у генераторов действие электродвижущей силы совсем идиентично. Оно состоит в том, что ЭДС делает на зажимах источника тока разность потенциалов и поддерживает ее долгое время.
Эти зажимы именуются полюсами источника тока. Один полюс источника тока испытывает всегда недочет электронов и, как следует, обладает положительным зарядом, другой полюс испытывает излишек электронов и, как следует, обладает отрицательным зарядом.
Соответственно этому один полюс источника тока именуется положительным (+), другой - отрицательным (-).
Источники тока служат для питания электронным током разных устройств - потребителей тока. Потребители тока с помощью проводников соединяются с полюсами источника тока, образуя замкнутую электронную цепь. Разность потенциалов, которая устанавливается меж полюсами источника тока при замкнутой электронной цепи, именуется напряжением и обозначается буковкой U.
Единицей измерения напряжения, так же как и ЭДС, служит вольт.
Если, к примеру, нужно записать, что напряжение источника тока равно 12 вольтам, то пишут: U - 12 В.
Для измерения ЭДС либо напряжения применяется прибор, именуемый вольтметром.
Чтоб измерить ЭДС либо напряжение источника тока, нужно вольтметр подключить конкретно к его полюсам. При всем этом, если электронная цепь разомкнута, то вольтметр покажет ЭДС источника тока. Если же замкнуть цепь, то вольтметр уже покажет не ЭДС, а напряжение на зажимах источника тока.
ЭДС, развиваемая источником тока, всегда больше напряжения на его зажимах.
Электростатическое поле обладает энергией. Если в электростатическом поле находится электрический заряд, то поле, действуя на него с некоторой силой, будет его перемещать, совершая работу. Всякая работа связана с изменением какого - то вида энергии. Работу электростатического поля по перемещению заряда принято выражать через величину, называемую разностью потенциалов.
где q - величина перемещаемого заряда,
j 1 и j 2 - потенциалы начальной и конечной точек пути.
Для краткости в дальнейшем будем обозначать . V - разность потенциалов.
V = A/q. РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ МЕЖДУ ТОЧКАМИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ - ЭТО РАБОТА, КОТОРУЮ СОВЕРШАЮТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИЛЫ ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИИ МЕЖДУ НИМИ ЗАРЯДА В ОДИН КУЛОН .
[V] = В. 1 вольт - это разность потенциалов между точками, при перемещении между которыми заряда в 1 кулон, электростатические силы совершают работу в 1 джоуль.
Разность потенциалов между телами измеряют электрометром, для чего одно из тел соединяют проводниками с корпусом электрометра, а другое - со стрелкой. В электрических цепях разность потенциалов между точками цепи измеряют вольтметром.
С удалением от заряда электростатическое поле ослабевает. Следовательно, стремится к нулю и энергетическая характеристика поля - потенциал. В физике потенциал бесконечно удалённой точки принимается за ноль. В электротехнике же считают, что нулевым потенциалом обладает поверхность Земли.
Если заряд перемещается из данной точки в бесконечность, то
A = q(j - O) = qj => j= A/q, т.е. ПОТЕНЦИАЛ ТОЧКИ - ЭТО РАБОТА, КОТОРУЮ НАДО СОВЕРШИТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СИЛАМ, ПЕРЕМЕЩАЯ ЗАРЯД В ОДИН КУЛОН ИЗ ДАННОЙ ТОЧКИ В БЕСКОНЕЧНОСТЬ .
Пусть в однородном электростатическом поле с напряженностью E перемещается положительный заряд q вдоль направления вектора напряженности на расстояние d. Работу поля по перемещению заряда можно найти и через напряженность поля и через разность потенциалов. Очевидно, что при любом способе вычисления работы получается одна и та же ее величина.
A = Fd = Eqd = qV. =>
Эта формула связывает между собой силовую и энергетическую характеристики поля. Кроме того, она дает нам единицу напряженности.
[E] = В/м. 1 В/м - это напряженность такого однородного электростатического поля, потенциал которого изменяется на 1 В при перемещении вдоль направления вектора напряженности на 1 м.
ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ.
Увеличение разности потенциалов на концах проводника вызывает увеличение силы тока в нем. Ом экспериментально доказал, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов на нем.
При включении разных потребителей в одну и ту же электрическую цепь сила тока в них различна. Значит разные потребители по - разному препятсявуют прохождению по ним электрического тока. ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРОВОДНИКА ПРЕПЯТСТВОВАТЬ ПРОХОЖДЕНИЮ ПО НЕМУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, НАЗЫВАЕТСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ . Сопротивление данного проводника - это постоянная величина при постоянной температуре. При повышении температуры сопротивление металлов возрастает, жидкостей - падает. [R] = Ом. 1 Ом - это сопротивление такого проводника, по которому течет ток 1 А при разности потенциалов на его концах 1В. Чаще всего используются металлические проводники. Носителями тока в них являются свободные электроны. При движении по проводнику они взаимодействуют с положительными ионами кристаллической решетки, отдавая им часть своей энергии и теряя при этом скорость. Для получения нужного сопротивления используют магазин сопротивлений. Магазин сопротивлений представляет собой набор проволочных спиралей с известными сопротивлениями, которые можно включать в цепь в нужной комбинации.
Ом экспериментально установил, что СИЛА ТОКА В ОДНОРОДНОМ УЧАСТКЕ ЦЕПИ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ НА КОНЦАХ ЭТОГО УЧАСТКА И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА СОПРОТИВЛЕНИЮ ЭТОГО УЧАСТКА.
Однородным участком цепи называется участок, на котором нет источников тока. Это закон Ома для однородного участка цепи - основа всех электротехнических расчетов.
Включая проводники разной длины, разного поперечного сечения, сделанные из разных материалов, было установлено: СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКА ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ДЛИНЕ ПРОВОДНИКА И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ПЛОЩАДИ ЕГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ. СОПРОТИВЛЕНИЕ КУБА С РЕБРОМ В 1 МЕТР, СДЕЛАННОГО ИЗ КАКОГО - ТО ВЕЩЕСТВА, ЕСЛИ ТОК ИДЕТ ПЕРЕПЕНДИКУЛЯРНО ЕГО ПРОТИВОПОЛОЖНЫМ ГРАНЯМ, НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ЭТОГО ВЕЩЕСТВА . [r] = Ом м. Часто используется и несистемная единица удельного сопротивления - сопротивление проводника с площадью поперечного сечения 1 мм 2 и длиной 1 м. [r]=Ом мм 2 /м.
Удельное сопротивление вещества - табличная величина. Сопротивление проводника пропорционально его удельному сопротивлению.
На зависимости сопротивления проводника от его длины основано действие ползунковых и ступенчатых реостатов. Ползунковый реостат представляет собой керамический цилиндр с намотанной на него никелиновой проволокой. Подключение реостата в цепь осуществляется с помощью ползуна, включающего в цепь большую или меньшую длину обмотки. Проволока покрывается слоем окалины, изолирующей витки друг от друга.
А)ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ.
Часто в электрическую цепь включается несколько потребителей тока. Это связано с тем, что не рационально иметь у каждого потребителя свой источник тока. Существует два способа включения потебителей: последовательное и параллельное, и их комбинации в виде смешанного соединения.
а) Последовательное соединение потребителей.
При последовательном соединении потебители образуют непрерывную цепочку, в которой потребители соединяются друг за другом. При последовательном соединении нет ответвлений соединительных проводов. Рассмотрим для простоты цепь из двух последовательно соединенных потребителей. Электрический заряд, прошедший через один из потребителей, пройдет и через второй, т.к. в проводнике, соединяющем потребители не может быть исчезновения, возникновения и накапливания зарядов. q=q 1 =q 2 . Разделив полученное уравнение на время прохождения тока по цепи, получим связь между током, протекающим по всему соединению, и токами, протекающими по его участкам.
Очевидно, что работа по перемещению единичного положительного заряда по всему соединению слагается из работ по перемещению этого заряда по всем его участкам. Т.е. V=V 1 +V 2 (2).
Общая разность потенциалов на последовательно соединенных потребителях равна сумме разностей потенциалов на потребителях.
Разделим обе части уравнения (2) на силу тока в цепи, получим: U/I=V 1 /I+V 2 /I. Т.е. сопротивление всего последовательно соединенного участка равно сумме сопротивлений потебителей его составляющих.
Б) Паралельное соединение потребителей.
Это самый распространенный способ включения потребителей. При этом соединении все потребители включаются на две общие для всех потребителей точки.
При прохождении параллельного соединения, электрический заряд, идущий по цепи, делится на несколько частей, идущих по отдельным потребителям. По закону сохранения заряда q=q 1 +q 2 . Разделив данное уравнение на время прохождения заряда, получим связь между общим током, идущим по цепи, и токами, идущими по отдельным потребителям.
В соответствии с определением разности потенциалов V=V 1 =V 2 (2).
По закону Ома для участка цепи заменим силы токов в уравнении (1) на отношение разности потенциалов к сопротивлению. Получим: V/R=V/R 1 +V/R 2 . После сокращения: 1/R=1/R 1 +1/R 2 ,
т.е. величина, обратная сопротивлению параллельного соединения, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных его ветвей.
Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратится. Для того чтобы поддерживать ток достаточно длительное время, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом j 2 (носители заряда предполагаются положительными) непрерывно отводить приносимые сюда током заряды, а к концу с большим потенциалом j 1 непрерывно их подводить (рис.20.1).
j 1 j 2
Рис. 20.1. К понятию ЭДС.
Иными словами, необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути. Циркуляция вектораэлектростатического поля к равна нулю . Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания j , должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания j , т. е. против сил электростатического поля (см. изображенную пунктиром часть цепи на рис.20.1). Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами . Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они могут быть обусловлены силами механического происхождения, химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми меняющимися во времени магнитными полями, и т.д.
Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Величина, равная работе сторонних сил, отнесенной к единице положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) Е, действующей в цепи или на ее участке. Следовательно, если работа сторонних сил над зарядом q равна А, то по определению
Е = А/q. (20.6)
Из сопоставления формул для потенциала и ЭДС вытекает, что размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала. Поэтому Е измеряется в тех же единицах, что и j - в вольтах (В).
Стороннюю силу f ст действующую на заряд q , можно представить в виде
Векторную величину Е ст называют напряженностью поля сторонних сил. Работу сторонних сил над зарядом q на всем протяжении замкнутой цепи можно выразить следующим образом:
Разделив эту работу на q пр = +1, получим ЭДС, действующую в цепи:
Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.
Электродвижущая сила, действующая на участке 1 - 2, очевидно, равна
Е 12 = (20.7)
Кроме сторонних сил на заряд действуют силы электростатического поля f Е = qЕ . Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд q, равна
.
Работа, совершаемая этой силой над зарядом q на участке цепи 1 - 2, дается выражением
= qЕ
12 + q(j 1 - j 2
). (20.8)
Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, так что A = qЕ ..
Величина, численно равная работе , совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением U на данном участке цепи. В соответствии с формулой (20.8)
U 12 = j 1 - j 2 + Е 12 . (20.9)
При отсутствии сторонних сил напряжение U совпадает с разностью потенциалов j 1 - j 2 .