Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

Мал. 127

Щоб визначити загальний опір ділянки ВС, яка містить три паралельно з'єднані провідники з опорами ВІ9 В2 і В3, запишемо:

Позначивши загальний опір розгалуження ВС через В, на основі закону Ома можна записати:

І= VЕ '

Прирівнявши праві частини останніх рівностей, дістанемо:

Таким чином, величина, обернена до загального опору

паралельного з'єднання провідників, дорівнює сумі величин, обернених до опорів окремих провідників. Цей висновок справедливий для довільної кількості паралельно з'єднаних провідників.

Зверніть увагу, що загальний опір під час паралельного з'єднання завжди менший за найменший з опорів провідників цього з'єднання. Спробуйте самостійно з'ясувати чому.

Задача 2. Напруга на клемах генератора постійного струму І] - 240 В (мал. 127). Визначити показання амперметрів А1? А2 і А3, якщо опори резисторів становлять відповідно Вх - 10 Ом, В2 = ЗО Ом і В3 = 60 Ом. Опір з'єднувальних проводів і?4 = 20 Ом.

190

+ 0 -

Н = Вг + Вз а т + і?4 = 50 Ом. Сила струму в нерозгалуженій

/3 = 7 x ^ / 2 = 1,6 А.

Для вимірювання напруги на ділянці кола до неї паралельно підключають вольтметр (мал. 128). Напруга на вольтметрі збігається з напругою на ділянці кола. При цьому частина струму відгалужується у вольтметр, внаслідок чого зменшується сила струму в ділянці кола (за незмінної сили струму в нерозгалуженому колі). В результаті цього вимірювана напруга на ділянці кола зменшиться. Щоб зробити ці зміни незначними, опір вольтметра має бути в багато разів більшим за опір ділянки кола, на якій вимірюється напруга.

Задача 3. Зашунтований амперметр вимірює струми силою до І = 10 А. Яку найбільшу силу струму може виміряти цей амперметр без шунта, якщо опір амперметра Ва = 0,02 Ом, опір шунта Вш = 0,005 Ом?

Р о з в ' я з а н н я . Як відомо, шунт вмикається паралельно амперметру. За правилами паралельного з'єднання опорів спади напруги на шунті й амперметрі однакові: С7Ш = С7а, або

Задача 4. Визначити опір резистора В (мал. 129), якщо амперметр показує І = 5 А, а вольтметр V = 100 В. Внутрішній опір вольтметра г = 2500 Ом. Якою буде похибка у визначенні В, якщо під час розрахунків знехтувати струмом через вольтметр?

Р о з в ' я з а н н я . Сила струму в колі І = Іг + І в , де Іх — сила струму, що проходить через резистор В, а /в — сила струму через

191

VI

0-

я

струму Ів знехтувати, то = у = 20 Ом. Абсолютна похибка у

або 8 %.

? 1. Три провідники з опорами В, 2Л і ЗЕ увімкнули в коло послідовно. Чи однакової сили струм проходить по цих провідниках? 2. Як розподіляється напруга на провідниках у разі їх послідовного з'єднання? 3. Чому дорівнює загальний опір послідовного з'єднання провідників? 4. Як розподіляється сила струму в провідниках, з'єднаних паралельно? 5. Чи однакову напругу показують вольтметри і У2 (мал. 130)? 6. Чому дорівнює загальний опір п однакових провідників, з'єднаних паралельно?

Вправа 20 1. Під час послідовного вмикання у мережу трьох резисторів з опорами Ві = 4 Ом, = б Ом і В3 = 10 Ом

в ній проходить струм силою І = 5 А. Визначте напругу в мережі і спад напруги на кожному резисторі.

2.Який опір повинен мати шунт, щоб за допомогою амперметра з опором г = 0,006 Ом, розрахованим на максимальну силу струму Іш = 10 А, вимірювати силу струму 160 А?

3.Визначте опір реостата і лампочки (мал. 131), якщо найменше і

найбільше значення сили струму в колі її = 1,5 А і /2 = 2,5 А. Напруга на клемах АВ постійна і дорівнює II = 12 В.

4.Шкільний вольтметр, приєднаний паралельно до лампочки від кишенькового ліхтаря (мал. 132), опір якої В = 12 Ом, показав, що V = 3,6 В. Опір вольтметра Вв = 80 Ом. Які показання амперметра?

§ 61. Електрорушійна сила

Переміщення заряджених частинок у провіднику відбувається лише за наявності різниці потенціалів між окремими його ділянками. Очевидно, кулонівські сили не можуть бути причиною виникнення тривалого електричного струму, ос-

192

кільки вони швидко приводять вільні заряди до стану статичної рівноваги, за якої напруженість електричного поля в провіднику дорівнює нулю, а потенціали всіх точок провідника однакові. Тому для підтримання в колі електричного струму тривалий час потрібно, щоб на вільні заряди діяли неелектростатичні, так звані сторонні сили.

Пригадаємо, що робота сил електростатичного поля під час переміщення заряду по замкнутому контуру дорівнює нулю. Це означає, що коли в замкнутому колі на заряджені частинки діють тільки електростатичні (кулонівські) сили, то роботу за допомогою струму одержати не можна. Отже, в електричному колі має бути хоча б одна ділянка, в якій на рухомі носії зарядів, крім кулонівських сил, діяли б ще якісь інші сили, здатні виконувати роботу на переміщення цих зарядів.

Нехай є два заряджені провідники А і В (мал. 133), причому потенціал провідника А вищий за потенціал провідника В. Якщо з'єднати їх провідником АСВ, то позитивно заряджені носії зарядів під дією кулонівських сил рухатимуться провідником від А до Б. Однак це переміщення дуже швидко припиниться, оскільки потенціали провідників А і В зрівняються. Щоб зробити переміщення зарядів тривалим, необхідно позитивні заряди з провідника В якимсь чином перенести знову на провідник А, наприклад за допомогою провідника ВВА. Але таке переміщення зарядів не може відбуватися самовільно, оскільки кулонівські сили діють на них у протилежному напрямі.

Отже, на ділянці кола БІ)А на заряди мають діяти якісь сторонні сили Гсг, спрямовані проти кулонівських сил і більші за значенням. Тоді на ділянці АСВ заряди переміщува-

тимуться під дією кулонівських сил від А до Б, а на ділянці Б І М — під дією сторонніх сил від Б до А і таким чином у колі йтиме електричний струм.

Пристрої, які забезпечують виникнення таких сторонніх сил, називають джерелами електричної енергії, або джерелами струму. Принцип дії всіх цих пристроїв полягає в тому, що в них за рахунок енергії неелектричного походження (в гальванічних елементах і акумуляторах — енергії хімічних реакцій, в електрогенераторах — механічної енергії) відбувається розділення позитивних і негативних зарядів і переміщення позитивних електричних зарядів до позитивного полюса джерела струму, а негативних — до негативного (тобто в напрямі, протилежному напрямові кулонівських сил), і між полюсами джер.ела створюється електричне поле з певною різницею потенціалів. Таким чином, в результаті розділення всередині джерела позитивних і негативних зарядів джерело набуває запасу потенціальної енергії, який витрачається на виконання роботи з переміщення зарядів по всьому колу.

Залежно від внутрішньої будови джерел між їхніми полюсами створюються електричні поля різної величини, тобто джерела мають різні запаси потенціальної енергії і можуть виконати різну роботу щодо переміщення даного заряду замкнутим колом. Якщо взяти відношення роботи до заряду, переміщуючи його, то таке відношення є сталою величиною і характеризує джерело. Це відношення звичайно позначають

і називають електрорушійною силою джерела (ЕРС).

Отже, електрорушійною силою називають фізичну величину, яка вимірюється роботою, затрачуваною джерелом струму на переміщення одиничного позитивного заряду у замкнутому колі.

Оскільки в СІ робота вимірюється джоулями, а заряд — ку-

лонами, одиницею ЕРС є д ж о у л ь , тобто вольт. кулон

Внаслідок розділення позитивних і негативних зарядів у джерелі створюється електричне поле з різницею потенціалів між полюсами Дер. У розімкнутому джерелі розділення зарядів відбувається доти, поки створене електричне поле не зрівноважить дію сторонніх сил. При цьому різниця потенціалів досягає найбільшого можливого значення. Можна довести, що різниця потенціалів Дер на полюсах розімкнутого джерела дорівнює ЕРС цього джерела.

Отже, електрорушійну силу джерела можна розглядати як найбільшу енергію, яку воно може в результаті хімічних чи будь-яких інших процесів передати кожному з розділених

194

зарядів. Якщо ці заряди перебувають у спокої (у випадку розімкиутого джерела), то вони мають найбільший запас потенціальної енергії, різниця потенціалів на полюсах джерела максимальна і дорівнює його ЕРС. Якщо ж джерело замкнути на зовнішнє електричне коло, заряди починають рухатися, набуваючи якоїсь кінетичної енергії.

Оскільки електрорушійна сила вимірюється роботою на переміщення одиничного позитивного заряду, вона є скалярною фізичною величиною і може бути як додатною, так і від'ємною.

? 1. Чи може тривалий час існувати електричний струм у колі, якщо на рухомі носії струму діють лише кулонівські сили? 2. У чому полягає фізична суть електрорушійної сили джерела? Що вона характеризує?

§ 62. Закон Ома для повного кола

Повне, або замкнуте електричне коло складається з двох частин: так званої внутрішньої, або джерела ЕРС, і зовнішньої, яка з'єднує полюси джерела поза ним. Джерело ЕРС, як і будь-який провідник, має певний опір, який називають внутрішнім опором і позначають звичайно г на відміну від зовнішнього опору К кола.

Припустимо, що до джерела електричної енергії з електрорушійною силою £ і внутрішнім опором г приєднано резистор з опором Е (мал. 134). Нехай за час і через поперечний переріз провідника пройде заряд д - її. Тоді робота сторонніх сил з переміщення заряду д дорівнює А-д^- $ІЇ. За рахунок цієї роботи на зовнішньому і внутрішньому опорах виділяється

г = 0,5 Ом, приєднали резистор з опором В = 11,5 Ом. Визначити напругу на затискачах батареї.

Отже, сила струму в колі залежить від трьох величин, дві з яких (ЕРС і внутрішній опір) характеризують джерело, а третя — залежить від самого кола. Якщо користуватися певним джерелом електричної енергії, то £ і г можна вважати сталими величинами. Якщо до цього джерела вмикати зовнішнє коло з різними опорами В, то залежно від цього змінюватимуться сила струму І в колі і напруга II = ІВ на зовнішній

частині кола. Зі збільшенням опору зовнішнього кола В сила

р

струму згідно із законом Ома І = —— зменшується. Напруга ж

Е+ т

на зовнішньому колі II = $ - Іг зростає. Якщо В » г, то

внутрішнім опором джерела можна знехтувати і сила струму в

р

колі І « —. Але тоді напруга на зовнішньому колі II (або на

Е

спад напруги всередині джерела відсутній, а напруга на затискачах джерела дорівнює його ЕРС.

На цьому ґрунтується наближене вимірювання ЕРС джерела. Вольтметр приєднують до полюсів джерела при розімкнутому зовнішньому колі. При цьому вольтметр показує спад напруги ІВ на самому собі. А оскільки опір

внутрішнім опором джерела струму, тим точніше значення ЕРС.

Зі зменшенням опору зовнішнього кола В сила струму І збільшується, а спад напруги на зовнішньому колі зменшується. Внаслідок короткого замикання, коли всі прилади вимкнуті і полюси джерела з'єднані провідником, опір якого мізерно малий порівняно з внутрішнім опором самого джерела (В « г), сила струму в колі досягає максимального

Таким чином, сила струму під час короткого замикання визначається не тільки ЕРС джерела, а і його внутрішнім опором. Для джерел з порівняно великим внутрішнім опором

196

МАГНІТНЕ ПОЛЕ

§ 63. Взаємодія електричних струмів

Між нерухомими електричними зарядами діють сили, які визначаються законом Кулона. Ця взаємодія здійснюється так: кожен із зарядів створює електричне поле; поле одного заряду діє на інший заряд і навпаки.

Однак між електричними зарядами можуть існувати сили й іншої природи.

Взаємодії між провідниками зі струмом, тобто взаємодії між рухомими електричними зарядами, називають магнітними. Струм в одному з провідників не може безпосередньо діяти на інший струм. Подібно до того, як у просторі, що оточує нерухомі електричні заряди, існує електричне поле, у просторі, який оточує струми, існує поле, яке називають магнітним. Електричний струм в одному з провідників створює навколо себе магнітне поле, яке діє на електричний струм у другому провіднику.

Пригадаємо відомий дослід з виявлення взаємодії двох провідників зі струмами. Закріпимо на штативі два однакові легенькі і гнучкі паралельні провідники. Для цього можна скористатися двома смужками алюмінієвої фольги від конденсатора. Приєднаємо обидва провідники до джерела струму (мал. 135).

Дослід показує, що у випадку однакового напряму струмів

Взаємодія провідників зі струмами пояснюється тим, що навколо них існують магнітні поля і на кожен провідник зі струмом діє магнітне поле іншого провідника. Розглянемо це питання детальніше.

199