какие силы принято называть сторонними

Электродвижущая сила. Внутреннее сопротивление источника тока.

Сторонние силы. Для поддержания постоянной разности потенциалов на концах проводника, а значит, и тока необходимо наличие сторонних сил неэлектрической природы, с помощью которых происходит разделение электрических зарядов.

Сторонними силами называются любые силы, действующие на электрически заряженные частицы в цепи, за исключением электростатических (т. е. кулоновских).

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внут­ри всех источников тока: в генераторах, на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.

При замыкании цепи создается электрическое поле во всех про­водниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны движут­ся от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит а движение электрическое поле (см. рис. выше).

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение разных видов энергии в электричес­кую. По типу преобразованной энергии различают следующие виды электродвижущей силы:

— электростатическая — в электрофорной машине, в которой происходит превращение механической энергии при трении в электрическую;

— фотоэлектрическая — в фотоэлементе. Здесь происходит превращение энергии света в элек­трическую: при освещении некоторых веществ, например, селена, оксида меди (I), кремния наблюдается потеря отрицательного электрического заряда;

— химическая — в гальванических элементах, аккумуляторах и др. источниках, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую.

Электродвижущая сила (ЭДС) — характеристика источников тока. Понятие ЭДС было введено Г. Омом в 1827 г. для цепей постоянного тока. В 1857 г. Кирхгофф определил ЭДС как работу сторонних сил при переносе единичного электрического заряда вдоль замкнутого контура:

где ɛ — ЭДС источника тока, А_ст — работа сторонних сил, q — количество перемещенного заряда.

Электродвижущую силу выражают в вольтах.

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке.

Пусть имеется простая замкнутая цепь, состоящая из источника тока (например, гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора с сопротивлением R. Ток в замкну­той цепи не прерывается нигде, следовательно, oн существует и внутри источника тока. Любой источник представляет собой некоторое сопротивление дли тока. Оно называется внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой r.

В генераторе r — это сопротивление обмотки, в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.

Таким образом, источник тока характеризуется величинами ЭДС и внутреннего сопротивлении, которые определяют его качество. Например, электростатические машины имеют очень большую ЭДС (до десятков тысяч вольт), но при этом их внутреннее сопротивление огромно (до со­тни Мом). Поэтому они непригодны для получения сильных токов. У гальванических элементов ЭДС всего лишь приблизительно 1 В, но зато и внутреннее сопротивление мало (приблизительно 1 Ом и меньше). Это позволяет с их помощью получать токи, измеряемые амперами.

Источник

Электродвижущая сила

Природа сторонних сил

В гальваническом элементе, например в элементе Вольта, действуют химические силы.

Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещённых в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. (Медь очень мало растворяется в серной кислоте.) Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая и обусловливает ток во внешней электрической цепи.

Электродвижущая сила

Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращённо ЭДС).

Запомни
Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к абсолютной величине этого заряда:

Электродвижущую силу, как и напряжение, выражают в вольтах.

Разность потенциалов на клеммах батареи при разомкнутой цепи равна электродвижущей силе. ЭДС одного элемента батареи обычно 1—2 В.

Можно говорить также об электродвижущей силе и на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всём контуре, а только на данном участке.

Важно
Электродвижущая сила гальванического элемента есть величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.

Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов.

Ключевые слова для поиска информации по теме параграфа.
Электродвижущая сила источника тока. Сторонние силы

Вопросы к параграфу

1. Почему электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный электрический ток в цепи?

2. Какие силы принято называть сторонними?

3. Что называют электродвижущей силой?

Источник

СТОРОННИЕ СИЛЫ

Полезное

Смотреть что такое «СТОРОННИЕ СИЛЫ» в других словарях:

СТОРОННИЕ СИЛЫ — непотенциальные (неэлектростатические) силы, действующие на электрические заряды внутри источника тока и вызывающие их перемещение против направления действия сил электростатического поля. Обусловлены хим. реакциями, контактными явлениями,… … Большая политехническая энциклопедия

СТОРОННИЕ СИЛЫ — в электротехнике силы, действующие на заряж. частицы и тела, но не являющиеся ни силами электростати ч. поля (см. Электростатика), ни силами индуктированного электрического поля. С. с. обусловлены хим. реакциями, контактными явлениями, механич.,… … Большой энциклопедический политехнический словарь

ПОНДЕРОМОТОРНЫЕ СИЛЫ — вэлектродинамике силы, действующие на тела в электрич. и магн. полях. Термин П. с. введён во времена, когда наряду с весомыми телами признавалось существование невесомых субстанций (эфир, электрич. жидкость и т. п.); в совр. лексиконе иногда… … Физическая энциклопедия

электродвижущая сила — (эдс), величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой… … Энциклопедический словарь

постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся во времени. * * * ПОСТОЯННЫЙ ТОК ПОСТОЯННЫЙ ТОК, электрический ток (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК), величина и направление которого не изменяются с течением времени. Постоянный электрический ток может возникнуть только… … Энциклопедический словарь

Электродвижущая сила — (эдс) физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль… … Большая советская энциклопедия

Ома закон — для участка электрической цепи (проводника), не содержащего источников эдс, устанавливает связь между силой тока в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) на его концах: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно… … Энциклопедический словарь

вольтметр — а; м. [от сл. вольт и греч. metron мера] Прибор для измерения напряжения в электрической цепи. * * * вольтметр прибор для измерения эдс или напряжения (в мкВ, мВ, В, кВ) в электрических цепях; включается параллельно нагрузке. * * * ВОЛЬТМЕТР… … Энциклопедический словарь

СИЛА — жен. источник, начало, основная (неведомая) причина всякого действия, движенья, стремленья, понужденья, всякой вещественой перемены в пространстве, или: начало изменяемости мировых явлений, Хомяков. Тяготенье основная сила природы. Сила есть… … Толковый словарь Даля

электромагнитная индукция — возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром; электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током. * * *… … Энциклопедический словарь

Источник

Сторонние силы и ЭДС

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.

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:

Пример сторонних сил

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

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

Готовые работы на аналогичную тему

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:

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

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:

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.

Решение:

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

Закон Ома для однородного участка запишем как:

И для источника тока:

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

$U=0,1\cdot 9=0,9\ \left(В\right).$

$U_r=0,1\cdot 1=0,1\ \left(В\right).$

Источник

Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

Урок 55. Физика 10 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи»

На прошлых уроках мы с вами говорили о том, что для возникновения электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц, способных перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля. Также мы с вами узнали, что движение свободных заряженных частиц в проводнике под действием сил электрического поля приводит к появлению индуцированных зарядов. Эти заряды создают электрическое поле внутри проводника, которое полностью компенсирует внешнее электрическое поле, поэтому движение свободных заряженных частиц в проводнике быстро прекращается.

Для поддержания в проводнике постоянного электрического тока необходимо, чтобы проводник являлся частью замкнутой цепи, содержащей источник тока, в котором осуществляется работа по перемещению зарядов против сил электрического поля. Источники тока могут быть различны по своей конструкции, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц.

В результате разделения зарядов происходит их накопление на полюсах источника и возникновение вследствие этого на полюсах разности потенциалов. Возникшее при этом электрическое поле внутри источника тока противодействует разделению зарядов. Если цепь разомкнуть, то при достижении на полюсах источника определённой разности потенциалов разделение зарядов прекращается. Вместе с этим прекращается и работа источника тока. Соединяя полюсы источника тока проводником, который будет представлять собой внешний участок цепи, мы создадим в нём электрическое поле, которое будет действовать на электрические заряды проводника.

Электрические заряды во внешней цепи (например, электроны в металле) придут в движение, что и обусловит ток. Избыточные заряды отрицательного полюса источника начнут стекать во внешний участок цепи, на положительном же полюсе будет происходить нейтрализация его положительного заряда. Таким образом, на обоих полюсах источника тока избыточный заряд уменьшится. Это приведёт к тому, что в источнике снова начнёт происходить, разделение зарядов и оно будет продолжаться всё время, пока цепь остаётся замкнутой. Во внешнем участке цепи́ будет совершаться работа силами электрического поля. Внутри источника тока работа будет совершаться силами неэлектростатической природы, развиваемыми источником тока. Эти силы принято называть сторонними силами.

Величина, измеряемая отношением работы, совершаемой сторонними силами при перемещении заряда по замкнутой цепи, к абсолютной величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника тока (сокращённо ЭДС).

Обозначают её греческой буквой ξ, а измеряют, как и напряжение, в вольтах (В).

Несмотря на то, что ЭДС источника при разомкнутой цепи равна разности потенциалов на клеммах источника, работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов.

Вам уже известно, что всякая полная цепь электрического тока состоит из двух частей: внешней и внутренней. Внешнюю часть цепи составляют различные потребители и подводящие провода. Во внутреннюю же часть цепи входит источник тока, обладающий сопротивлением (это сопротивление принято называть внутренним).

Когда цепь замкнута, то электрический ток существует как во внешней, так и во внутренней части цепи. Так как источник тока также обладает сопротивлением, то падение напряжения имеет место как во внешней, так и во внутренней части цепи.

Включим в цепь какого-нибудь источника тока сопротивление и определим на опыте сумму падений напряжения во внешней и внутренней частях цепи. В представленной установке во внешнюю цепь включён амперметр и реостат. Падение напряжения во внешней части цепи измеряется вольтметром, который подключён к зажимам элемента, а второй вольтметр измеряет падение напряжения на внутреннем сопротивлении элемента. Реостатом можно менять ток в цепи; при этом будут меняться показания вольтметров.

Итак, из результатов эксперимента видно, что сумма падений напряжений во внешней и внутренней частях цепи в пределах погрешностей опыта есть величина постоянная, в среднем равная 1,02 В)

Если измерить напряжение на зажимах элемента при разомкнутой внешней цепи, то оно также окажется равным 1,02 В. Таким образом, опыт показывает, что сумма падений напряжений на всех участках замкнутой цепи равна напряжению на полюсах источника тока при разомкнутой внешней цепи.

Но, как мы с вами уже знаем, напряжение или разность потенциалов на полюсах источника тока при разомкнутой внешней цепи равно ЭДС источника тока. Следовательно, электродвижущая сила источника тока равна сумме падений напряжений на всех участках замкнутой электрической цепи.

Обозначим сопротивление внешней части цепи через R, а внутренней — через r. Пусть ток в цепи равен I, а ЭДС источника — ξ. Тогда по определению ЭДС (и на основании результатов наших опытов) мы можем записать такое выражение:

Выразив из записанного равенства значение силы тока, получим математическое выражение закона Ома для полной цепи, который формулируется следующим образом: сила тока в полной электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

Но вернёмся к нашей предыдущей формуле. Итак, мы с вами знаем, что в случае однородного участка цепи произведение силы тока на сопротивление этого участка есть падение напряжения:

Тогда мы можем записать, что падение напряжения на внешнем участке равно разности ЭДС источника тока и произведения силы тока и внутреннего сопротивления источника:

Теперь подставим в это уравнение выражение для силы тока из закона Ома для полной цепи:

Анализ полученной нами формулы позволяет сделать два очень важных вывода. Во-первых, при разомкнутой цепи (когда внешнее сопротивление стремиться к бесконечности) напряжение на полюсах источника тока равно ЭДС источника тока: U = ξ.

На этом и основана возможность приблизительного измерения ЭДС источника тока с помощью вольтметра.

А во-вторых, если сопротивление внешнего участка цепи стремится к нулю, то сила тока в цепи возрастает и достигает максимального значения. Падение напряжения на источнике тока при этом равно ЭДС, а напряжение между его полюсами — нулю. Такой режим работы источника тока называют коротким замыканием, а максимальную для данного источника силу тока называют силой тока короткого замыкания:

Режим короткого замыкания чрезвычайно опасен, поскольку может привести к повреждению источника тока и даже быть причиной пожара.

Для определения знака ЭДС любого источника необходимо вначале условиться относительно выбора положительного направления обхода контура. Сразу скажем, что выбор этот делается абсолютно произвольно. После этого считают, что если данный источник вызывает ток в направлении обхода, то его ЭДС считается положительной. В противном же случае — отрицательной.

При этом, если в электрической цепи содержится несколько источников тока, то алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков равна алгебраической сумме ЭДС, имеющихся в контуре:

Данное утверждение называется вторым правилом Кирхгофа.

Для закрепления нового материала решим такую задачу. В проводнике сопротивлением 2 Ом, подключённом к источнику тока с ЭДС, равной 1,1 В, сила тока равна 0,5 А. Определите силу тока короткого замыкания.

Источник