Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

2. ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

2.4. ЕРС. ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОВНОГО КОЛА. З'ЄДНАННЯ ЕЛЕМЕНТІВ

2.4.1. ДЖЕРЕЛА ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

Джерела струму — це пристрої, в яких різні види енергії перетворюються на електричну енергію. Всередині джерела струму діють сторонні сили.

Сторонні сили — це будь-які сили некулонівського походження.

Сторонні сили діють на вільні носії зарядів всередині джерела струму та переміщують їх. Таким чином, в джерелі електричного струму виконується робота з розділення різнойменних електричних зарядів: на одному полюсі джерела струму накопичується позитивний заряд, на другому — негативний.

♦ Залежно від того, за рахунок якої енергії виконується робота з розділення зарядів розрізняють: хімічні (гальванічні елементи й акумулятори), теплові (термопари), світлові (фотоелементи), електромагнітні (генератори) джерела струму.

Гальванічні елементи й акумулятори — хімічні джерела струму. Схематичне зображення хімічних джерел струму подано на рис 2.8, а.

♦ Будова. Хімічні джерела струму складаються з двох електродів й електроліту. Електроди можна виготовити з різних металів, але частіше один з електродів є металевим (він набуває негативного заряду), а другий вугільним, або таким, що містить оксиди металів (він набуває позитивного заряду). Електролітом слугує тверда або рідка речовина, яка є провідником електричного струму завдяки наявності в ній великої кількості вільних йонів.

♦ Принцип дії. Між електродами й електролітом відбуваються хімічні реакції, внаслідок яких металевий електрод (катод) набуває негативного заряду, а вугільний електрод (анод) — позитивного.

♦ «Працездатність» гальванічного елемента із часом закінчується через виснаження запасу речовин, що приймають участь в реакції й їх не можна використати вдруге. «Працездатність» акумуляторів можна відновити, пропустивши через них зворотний струм (зарядити акумулятор) — це елементи багаторазового використання.

♦ Й акумулятори, й гальванічні елементи зазвичай об'єднують в батареї і отримують відповідно батарею гальванічних елементів або батарею акумуляторів (рис. 2,8, б).

Рис. 2.8

2.4.2. ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА. ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОВНОГО КОЛА

Найпростіше повне коло (рис. 2.9) складається з двох ділянок:

1) Зовнішня ділянка кола — споживач (або споживачі) струму й з'єднувальні проводи. Загальний опір ділянки R, а напруга U на ділянці дорівнює напрузі на полюсах джерела струму. На зовнішній ділянці діють лише кулонівські сили.

2) Внутрішня ділянка кола — це безпосередньо джерело струму, яке характеризується внутрішнім опором r та електрорушійною силою ℰ. На цій ділянці діють як кулонівські, так і сторонні сили.

Рис. 2.9

Електрорушійна сила (ЕРС) ℰ — це скаляр на фізична величина, яка дорівнює відношенню роботи сторонніх сил А_ст з переміщення заряду q всередині джерела струму до значення цього заряду:

ℰ = .

♦ Одиниця ЕРС у СІ—вольт (В).

Закон Ома для повного кола: сила струму І в повному колі дорівнює відношенню ЕРС джерела струму ℰ до повного опору кола (R + r):

I = .

Наслідки закону Ома для повного кола

• Напруга на полюсах замкненого джерела струму (рис. 2.10, а):

U = ℰ_дж – Ir.

• Напруга на полюсах незамкненого джерела струму (рис. 2.10, б):

U = ℰ_дж при R_{вольтметра} r.

• Коротке замикання джерела струму, тобто R 0 (рис. 2.10, в):

I_max = .

Рис. 2.10

ККД джерела струму:

η = ,

де U — напруга на зовнішній ділянці кола. З'єднання елементів у батарею

1. При послідовному з'єднанні елементів у батарею (рис. 2.11, а) електрорушійна сила батареї дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС елементів:

ℰ₀ = ℰ₁ + ℰ₂ + … ℰ_n,

2. При паралельному з'єднанні n однакових елементів електрорушійна сила батареї дорівнює ЕРС одного елемента (рис. 2.11, б):

ℰ₀ = ℰ₁

Рис. 2.11