- •5. Постоянный электрический ток
- •2.1. Электрический ток и его характеристики
- •2.2. Уравнение непрерывности
- •2.3. Закон Ома. Сопротивление проводников
- •5.1. Источники тока. Электродвижущая сила
- •5.2. Сторонние силы. Падение напряжения
- •5.3. Закон Ома для неоднородного участка цепи и для замкнутой цепи
- •5.4. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа
- •5.5. Мощность тока
- •5.6. Закон Джоуля-Ленца
5. Постоянный электрический ток
Изученные вопросы:
2.1. Электрический ток и его характеристики
2.2. Уравнение непрерывности
2.3. Закон Ома. Сопротивление проводников
Самостоятельно (по учебнику Калашникова):
1) Действия электрического тока. Баллистический гальванометр.
2) Измерение сопротивлений (схема моста). Делитель напряжения.
3) Зависимость сопротивления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопротивления вещества.
4) Исследование электрических полей с помощью электрического зонда и электролитической ванны.
5) Применение заземления в линиях связи.
6) Компенсационный метод измерения э.д.с. с помощью потенциометра.
7) Мощность во внешней цепи и к.п.д. источника.
5.1. Источники тока. Электродвижущая сила
Присоединим проводник к обкладкам заряженного конденсатора. Образуется замкнутая электрическая цепь. По проводнику пойдет электрический ток. Конденсатор будет постепенно разряжаться – напряжение на его обкладках будет уменьшаться. В согласии с законом Ома уменьшение напряжения на проводнике ведет к уменьшению силы тока в нем.
Вывод: Силы электростатической природы не могут поддерживать постоянный ток в замкнутой электрической цепи.
Для получения постоянного тока на заряды в ней должны действовать силы неэлектростатической природы, которые называются сторонними силами.
Определение: Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником тока.
Примером источника тока служит гальванический элемент, в котором сторонними силами являются силы химической природы. На рис. 5.1 показана электрическая цепь, содержащая гальванический элемент и внешнее сопротивление . Протекание тока через этот элемент сопровождается химической реакцией. В большинстве элементов основная реакция состоит в растворении цинкового катода в электролите. В растворе появляются продукты реакции. Например, в элементе Вольты протекает реакция
.
Энергия химической реакции – та энергия, которая освобождается в гальваническом элементе. Мерой освобождаемой энергии служит тепловой эффект реакции.
Гальванический элемент оказывает сопротивление протеканию тока, которое называется внутренним сопротивлением источника тока. Внутреннее сопротивление складывается из сопротивлений электролита и электродов.
Рис. 5.1. Электрическая цепь с гальваническим элементом
Считаем, что элемент работает в квазистатическом режиме, когда он поддерживается при постоянной температуре и вырабатывает слабый ток (теоретически – бесконечно малый). К замкнутой цепи рис. 5.1 применим первое начало термодинамики (закон сохранения энергии):
где - работа сторонних сил (для рис. 5.1 – химической природы), которая совершается по переносу заряда по замкнутой цепи за некоторое время, - количество теплоты, которое выделяется при протекании химической реакции за то же время, и - количество теплоты, которым источник обменивается с окружающей средой для поддержания температуры источника постоянной.
При квазистатическом процессе работа химической реакции максимальна, так как при не квазистатических процессах возникают дополнительные потери энергии, вызванные, например, однородности среды в источнике. Величина максимальной работы пропорциональна величине заряда, переносимого по замкнутому контуру цепи:
(7.1)
где - электродвижущая сила источника тока, которая является мерой работы сторонних сил, затрачиваемой на перенос единичного заряда по замкнутой цепи.