Главная | Обратная связь

Теоретичні відомості

Електричним струмом називають усякий упорядкований рух електричних зарядів. Для появи й існування електричного струму необхідні:

1. Наявність у середовищі електричних зарядів, які могли б у ньому переміщатись на макроскопічні відстані. В металах такими зарядами є електрони, в електролітах (рідких провідниках) позитивні і негативні іони, у газі - позитивні іони та електрони.

2. Джерело неелектричних (сторонніх) сил, енергія якого витрачалася б на переміщення електричних зарядів.

Електричний струм характеризують: сила струму та густина струму.

Силою струму називають скалярну фізичну величину, яка дорівнює відношенню електричного заряду q ,що пройшов через поперечний переріз провідника до часу проходження:

.

Якщо сила стуму не змінюється з часом, то такий струм називають постійним.

Густина струму - це вектор, напрямлений вздовж струму, що чисельно дорівнює відношенню сили струму до площі перерізу провідника, проведеного перпендикулярно до напряму струму:

.

Джерелом постійного електричного струму в даній роботі є акумуляторна батарея, в якій робота сторонніх сил переміщення зарядів виконується за рахунок енергії, яка виділяється при хімічних процесах розчинення електродів у електроліті.

Акумулятор характеризується електрорушійною силою (ЕРС) та внутрішнім опором. Електрорушійна сила дорівнює відношенню роботи сторонніх сил по переміщенню зарядів до величини цього заряду. ЕРС вимірюється у вольтах

.

Якщо електричний струм постійний, а провідники, що його утворюють, нерухомі, робота сторонніх сил повністю витрачається на нагрівання провідників. Кількість теплоти що виділяється в провідниках, визначається законом Джоуля – Ленца.

Кількість теплоти, що виділяє струм у провіднику, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника та часу його проходження.

.

Кількість теплоти, що виділяється в одиниці об’єму провідника за одиницю часу, називають густиною теплової потужності. Її величина визначається законом Джоуля - Ленца у диференціальній формі

,

де - питома електропровідність,

Е - напруженість електричного поля,

- питомий опір.

Корисна потужність струму, яка виділяється в зовнішній частині кола на опорі R ,

.

За законом Ома для замкненого кола сила струму

,

де - ЕРС джерела;

r - внутрішній опір джерела струму,

R - зовнішній опір кола.

Тоді

.

Потужність джерела струму визначається кількістю теплоти, що виділяється не тільки у зовнішній частині кола, а й у самому джерелі струму.

або .

Корисна потужність залежить від опору зовнішньої та внутрішньої частини кола. Якщо опір зовнішнього кола дорівнює опору джерела, то корисна потужність найбільша .

При практичному використанні джерел струму важлива не тільки потужність, а й ККД; оскільки струм проходить у середині джерела, то деяка потужність витрачається некорисно на виділення теплоти у середині джерела. ККД джерела струму дорівнює відношенню потужності, що виділяється в зовнішній частині кола, до потужності джерела:

або .

Залежність потужності і ККД від опору R зовнішньої частини кола зображена на рис. 1.

При короткому замиканні (R=0) потужність, що віддає джерело, максимальна, але вона витрачається на нагрівання джерела струму, а тому =0. При R=r можна отримати найбільшу корисну потужність, що виділяється в джерелі, а тому =0,5. Коли ж ККД близький до одиниці, то корисна потужність N мала порівняно з максимальною, яку могло б розвинути дане джерело.

Рисунок 1

Таким чином, умови отримання найбільшої корисної потужності і найбільшого ККД несумісні. В електроенергетиці основною вимогою є отримання високого ККД, а для цього необхідно, щоб опір джерела струму був малим порівняно з опором зовнішньої частини кола.

У випадку короткого замикання (R=0) уся потужність виділяється у середині джерела. Це призводить до перегріву внутрішніх частин джерела і виходу його з ладу. Тому короткі замикання потужних джерел (динамо машини, акумуляторної батареї) недопустимі.

Опис установки

 

Джерелом струму є два лужних акумулятори. Опір акумуляторів малий (такого ж порядку, як і опір провідників, що з’єднують прилади), тому для створення можливості проведення експериментів внутрішній опір джерела струму штучно збільшено шляхом уключення між елементами резистора R. Зовнішній опір кола можна змінювати від 0 до 10 000 Ом, шляхом перемикання декадників у магазині опорів R. Струм вимірюється міліамперметром.