Электродвижущая сила источника тока. Закон Ома для полной электрической цепи

Сторонние силы	Чтобы в цепи существовал постоянный электрический ток, необходимо на концах этой цепи поддерживать постоянную разность потенциалов. С этой целью применяют источники постоянного тока. Внутри источников происходит разделение положительных и отрицательных зарядов под действием неэлектрических сил, которые называют сторонними силами. Сторонние силы в различных источниках возникают по разным причинам. В химических источниках, например в аккумуляторе или гальваническом элементе, они возникают благодаря химическим реакциям на границе соприкосновения пластин аккумулятора или электродов батарейки с жидким электролитом. В фотоэлементе они возникают в результате действия света на электроны в металле или полупроводнике. В генераторах электростанций сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле.
Электродвижущая сила (ЭДС) источника тока.	При включении источника тока в электрическую цепь в результате действия сторонних сил электроды источника тока все время подзаряжаются, поэтому между ними поддерживается постоянная разность потенциалов. В разных источниках тока действуют различные сторонние силы, которые во время работы источника непрерывно перемещают положительные заряды между электродами от отрицательного полюса к положительному. Чем больший заряд перемещается при этом, тем большая работа совершается. Отношение работы к переносимому заряду для данного источника остается величиной постоянной. Для других источников эта величина имеет другое значение. Поэтому указанное отношение может служить характеристикой источника тока. Отношение работы сторонних сил к значению положительного заряда, переносимого внутри источника от отрицательного полюса к положительному, называют электродвижущей силой источника (ЭДС источника). Обозначают еt буквой . По определению: (1) ЭДС измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для полной цепи	Закон Ома для полной цепи заключается в следующем: cила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи: (2) где – сопротивление внешнего участка цепи; – сопротивление внутреннего участка цепи. Внутренне сопротивление – это сопротивление источника тока. Внешнее сопротивление – это всей цепи, кроме сопротивления источника тока. ЭДС источника тока равно сумме падений напряжений на внутреннем () и внешнем () участках замкнутой цепи. (3)
Короткое замыкание	ЭДС источника тока и его внутреннее сопротивление является величиной постоянной. Поэтому сила тока в цепи с данным источником зависит только от сопротивления внешней цепи . Если сопротивление внешней цепи ничтожно мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника, то в цепи наступает явление короткого замыкания, и сила тока короткого замыкания достигает максимального значения: (4)
Последовательное соединение одинаковых источников тока	При последовательном соединении одинаковых источников тока в одном направлении закон Ома для полной цепи имеет вид: (5) где ЭДС одного источника; внутренне сопротивление одного источника.
Параллельное соединение одинаковых источников тока	При параллельном соединении одинаковых источников закон Ома для замкнутой полной цепи имеет вид: (6) где ЭДС одного источника; внутренне сопротивление одного источника.

Работа тока	Если за промежуток времени в цепи проходит электрический заряд , то силы электрического поля совершают работу: или . (1) Работа тока на однородном участке цепи равна произведению силы тока , напряжения и промежутка времени , в течение которого совершалась работа. В СИ работа тока измеряется в джоулях (Дж). Если в формуле (1) выразить либо напряжение через силу тока () либо силу тока через напряжение () с помощью закона Ома для участка цепи, то получим три эквивалентные формулы: . Формулой удобно пользоваться для последовательного соединения проводников, так как сила тока в этом случае одинакова во всех проводниках. При параллельном соединении удобна формула , так как напряжение на всех проводниках одинаково.
Мощность тока	Мощностью тока называется отношение работы тока к промежутку времени, в течение которого выполняется работа: . (2) Мощность тока – это работа тока, выполненная в единицу времени. Мощность тока в СИ измеряется в ваттах (Вт). Применяя закон Ома для однородного участка цепи, мощность тока можно записать в виде: .
Закон Джоуля - Ленца	Английским физиком Д. Джоулем и русским физиком Э. Ленцем был установлен закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду. Закон Джоуля – Ленца может быть сформулирован следующим образом: количество теплоты , выделяемое в проводнике с током, прямо пропорционально произведению квадрата силы тока , сопротивления проводника и промежутка времени прохождения тока через проводник: . (3) Если на участке цепи вся совершенная током работа идет на нагревание проводника, то можно записать равенство: . Во всех остальных случаях: или , где любой вид энергии, кроме тепловой.
Полезная мощность	Полезной называется мощность тока, выделяемая на внешнем участке цепи: . (4)
Полная мощность	Полной называется мощность тока, выделяемая во всей цепи: . (5) Эту же мощность называют мощностью источника тока.
Максимальная, полезная мощность	Наибольшая полезная мощность выделяется в замкнутой цепи, если сопротивление ее внешнего и внутреннего участков равны (): . (6)
Коэффициент полезного действия (КПД) источника тока	КПД источника тока – это отношение мощности, выделяемой на внешнем участке цепи (полезной мощности) к мощности, развиваемой источником тока (полной мощности): . (7)

Природа электрического тока в металлах	Свободными носителями электрических зарядов в металлах являются электроны.
Сила тока в металлах	Сила тока в металлах зависит от величины заряда электрона (элементарный заряд ), концентрации свободных электронов, средней скорости направленного движения электронов и площади поперечного сечения проводника: . (1)
Зависимость сопротивления металлического проводника от температуры	Если пропустить ток через металлический проводник, а затем начать нагревать его, то амперметр, включенный последовательно с проводником, покажет уменьшение силы тока. Это означает, что с изменением температуры сопротивление проводника меняется. Если при температуре, равной , сопротивление проводника равно , а при температуре оно равно , то относительное изменение сопротивления, как показывает опыт, прямо пропорционально изменению температуры : . (2) Коэффициент пропорциональности называют температурным коэффициентом сопротивления. Он характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на (1 К). Для всех металлических проводников > 0 и незначительно меняется с изменением температуры. Если интервал изменения температуры невелик, то температурный коэффициент можно считать постоянным. Сопротивление проводника определяется по формуле: . (3) При нагревании проводника его геометрические размеры меняются незначительно. Сопротивление проводника меняется в основном за счет изменения его удельного сопротивления. Можно найти зависимость этого удельного сопротивления от температуры, если в формулу (3) подставить значения и . Вычисления приводят к следующему результату: . (4) Так как мало меняется при изменении температуры, то удельное сопротивление проводника линейно зависит от температуры (рис. 172).
Сверхпроводимость	В 1911 году голландский ученый Камерлинг-Оннес обнаружил, что при понижении температуры ртути до ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 173). Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля называют сверхпроводимостью. Материалы, способные переходить в сверхпроводящее состояние, называют сверхпроводниками. Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.

Электролиты	Жидкостями, проводящими электрический ток, являются электролиты и расплавы металлов.Электролитами называются вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток. К электролитам относятся кислоты, щелочи и соли.
Проводимость жидкостей	Электролиты обладают ионной проводимостью, а жидкие металлы – электронной проводимостью. В электролитах содержатся свободные положительно и отрицательно заряженные ионы, в металлах – свободные электроны.
Электролитическая диссоциация	Процесс распада молекул электролитов на ионы под влиянием электрического поля полярных молекул воды называется электролитической диссоциацией. Например, поваренная соль при растворении в воде распадается на положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные ионы :
Степень диссоциации	Степень диссоциации или доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы, зависит от: температуры (с повышением температуры доля распавшихся молекул возрастает); концентрации раствора (с ростом концентрации электролита увеличивается число ионов проводимости); диэлектрической проницаемости растворителя (дисцилированная вода имеет , поэтому обладает хорошим растворителем, масло имеет , поэтому в масле не растворяются соли, кислоты и основания).
Электролиз	Выделение вещества на электродах при прохождении постоянного электрического тока через электролит называется электролизом. Если в электролитическую ванну поместить два электрода и подключить один из них к положительному полюсу источника тока (анод), а второй – к отрицательному полюсу источника тока (катод), в растворе возникает электрическое поле. Под действием поля отрицательные ионы (анионы) начнут дрейфовать к аноду, а положительные (катионы) – к катоду. Достигнув катода, положительные ионы присоединят к себе лишние электроны катода и превратятся в нейтральные атомы. Отрицательные ионы отдадут аноду лишние электроны и также превратятся в нейтральные атомы. Эти атомы (или образовавшиеся из них молекулы) накапливаются на электродах ванны.
Законы электролиза	Основные законы электролиза были экспериментально установлены английским физиком М.Фарадеем в 1831 году. Первый закон: масса вещества, выделившегося при электролизе на каждом из электродов, пропорциональна заряду, прошедшему через электролит: . Поскольку , то , где сила тока, время прохождения тока через электролит, электрохимический эквивалент вещества. численно равен массе вещества, которая выделилась на электроде при прохождении через раствор единицы заряда. Он измеряется в килограммах на кулон (). Второй закон: электрохимический эквивалент вещества зависит от молярной массы вещества и его валентности и определяется по формуле , где Кл – элементарный заряд, – постоянная Авогадро. Произведение называют постоянной Фарадея и обозначают буквой . Постоянная Фарадея . или .
Объединенный закон Фарадея для электролиза	Масса вещества, выделяющегося при электролизе на каждом из электродов, пропорциональна молярной массе ионов этого вещества и заряду, прошедшему через электролит, и обратно пропорциональна валентности ионов вещества: .
Применение электролиза	Электролиз широко используется в промышленности для нанесения защитных и декоративных покрытий на металлические изделия (этот способ называется гальваностегией). С помощью электролиза получают металлические копии с рельефных моделей (старинные монеты, скульптуры и т.д.). Этот способ называется гальванопластика. В электрометаллургии электролизом получают щелочные и щелочноземельные металлы, а также алюминий, магний, бериллий и другие. Для очистки металлов от примесей, например, рафинирования меди, используется также электролиз.

Дата добавления: 2015-07-15