Главная | Обратная связь

Електрорушійна сила і напруга

Джерелом електричної енергії називають пристрій, який перетворює різні види енергії в електричну. У колах постійного струму джерелами електричної енергії є елект­ромеханічні генератори, електрохімічні джерела (гальва­нічні елементи, акумулятори тощо), термоелектрогенера­тори (пристрої прямого перетворення теплової енергії в електричну), фотоелектрогенератори (перетворювачі про­меневої енергії в електричну).

Перетворення різних видів енергії в електричну поясню­ється тим, що при певних умовах не електромагнітні про­цеси можуть утворювати електричні заряди. Сили, які ви­кликають такий процес, називаються сторонніми. Наприклад, механічні — в електромеханічних генераторах, хімічні — в хімічних джерелах електричної енергії.

При перетворенні будь-якого виду енергії в електричну в джерелі відбувається розподіл позитивних і негативних за­рядів, що утворює електрорушійну силу. Таким чином, електричну енергію можна дістати з інших видів енергії, якщо є стороннє поле або iндуковане електричне поле.

Величину, яка характеризує спроможність стороннього поля й індукованого електричного поля викликати електрич­ний струм, називають електрорушійною силою (ЕРС) і по­значають буквою Е.

ЕРС чисельно дорівнює роботі джерела електричної енергії по переміщенню одиничного позитивного електрич­ного заряду вздовж всього кола. Математично електрорушійна сила визначається так: E=A/Q,

де Е — ЕРС джерела, В; А - робота, Дж; Q — величина перенесеного заряду, Кл. Одиницею ЕРС є вольт, В; В = Дж/Кл.

Джерело електричної енергії утворює ЕРС в один вольт, якщо при переміщенні вздовж всього замкненого кола за­ряду в один кулон здійснюється робота в один джоуль. Позначають джерело електричної енергії буквою G. При наявності електричного струму в колі частина ро­боти джерела витрачається на переміщення зарядів вздовж зовнішньої ділянки кола (зосередженої, наприклад, в ре­зисторі R), що утворює різницю потенціалів між двома точками електричного кола і називається напругою (U). Друга частина енергії витрачається на переміщення зарядів всередині джерела і називається спадом на­пруги всередині джерела (Uo). Якщо коло замкнене, то матимемо Ui Uo; а якщо коло розімкнене, то на затискачах напруга буде Е, причому E=U+U₀

де U — напруга на затискачах джерела, або спад напруги на зовнішній ділянці кола, a Uo — спад напруги всередині джерела. З формули маємо

U=E-U₀.

Напруга на затискачах джерела при замкненому колі менша від його ЕРС на величину спаду напруги всередині джерела.

Якщо джерело виробляє ЕРС, але зовнішня ділянка кола відключена, то переміщення зарядів відсутнє і спаду напруги всередині джерела немає, uo = 0. Тоді напруга на затискачах дорівнює EPC,U = Е.

Вимірюють ЕРС і напругу вольтметром. Щоб виміряти ЕРС джерела, слід вольтметр підключити до затискачів паралельно джерелу, а зовнішнє електричну коло розімкну­ти.

Для вимірювання напруги на ділянці кола вольтметр підключають у точках кола, між якими треба зробити вимі­рювання.

Закон Ома

Закон Ома є одним з основних законів електротехніки. Він широко застосовується для аналізів та розрахунків електричних кіл і формулюється так:

величина струму в замкненому електричному колі прямо пропорційна електрорушійній силі І вбернено пропорційна опору електричного кола:

I=E/(R+R_i),

де I— величина струму, А; Е — ЕРС джерела, В; R — опір зовнішньої ділянки кола, 0м; Ri — внутрішній опір дже­рела, 0м.

Фізична суть закону полягає в тому, що чим більше ЕРС джерела, тим більше носіїв зарядів надходить на його за­тискачі, і збільшується швидкість руху зарядів. При цьому в одиницю часу по провіднику проходить більше носіїв зарядів, а тому збільшується величина струму. Якщо опір електричного кола збільшується, то збільшується протидія руху носіїв заряду, зменшується швидкість Їх і зменшується величина струму.

Закон Ома застосовується для будь-якого електричного кола і йоге ділянки. Для замкненого кола можна зробити такі висновки.

1. Електрорушійна сила дорівнює добутку величини струму на опір всього кола:

E=I(R+Ri).

2. Опір всього кола чисельно дорівнює відношенню ЕРС до струму: R+R_i=E/I .

З формули маємо Е = IR +IRі.

Це означає, що ЕРС джерела витрачає енергію для подо­лання опору кола і поділяється на дві частини — зовніш­ню частину кола, IR = U, і внутрішню, IRi = Uo. Тодi з формули IR = U можна записати закон Ома для ділянки електричного кола:

I=U/R,

тобто сила струму на ділянці електричного кола прямо .пропорційна спаду напруги на цій ділянці і обернено пропорційна опору даної ділянки.

Для ділянки кола можна зробити такі висновки.

1. Напруга на ділянці електричного кола дорівнює добут­ку величин струму і опору:

U=IR.

Цей добуток визначається як спад напруги на даному опорі при певній величині струму.

2. Опір ділянки електричного кола дорівнює відношенню напруги, прикладеної на цій ділянці, до величини струму на ній: R=U/I.

Згідно з формулою, А = EQ. Оскільки Q = It, то

A=EIt.

Таким чином визначається робота ЕРС джерела по всьому електричному колу. Якщо замінити Е на U + Uо, то матимемо

А=UIt+UoIt=Aк+Aо,

де Aк — корисна робота на зовнішній ділянці кола, Ао — безкорисна робота на внутрішньому опорі джерела.

На підставі закону Ома корисну роботу можна виразити так:

A_K=UIt=I²Rt=U²t/R.