Определение технических характеристик химических источников тока: Методическое пособие к лабораторной работе № 6

Министерство образования Российской Федерации

ХАБАРОВСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

Доц. В.Г.Довбило

ЛАБОРАТОРНЫЙ

ПРАКТИКУМ

ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

ФИЗИКЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ХИМИЧЕСКИХ

ИСТОЧНИКОВ ТОКА»

Хабаровск 2000

§ 1. Замкнутая цепь

постоянного тока

Если в проводнике создать электрическое по-ле и непринять мер для его поддержания, то перемещение носителей заряда под действием поля очень быстро приведёт к тому, что поле внутри проводника исчезнет и ток прекратится. Для поддержания тока длительное время, необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом (предполагаются положительные носители заряда, как принято в технике) непрерывно относить приносимые сюда током заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить (РИС.1). Т.е. необходимо осуществлять движение зарядов по замкнутому пути.

Поэтому, в замкнутой цепи, наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала (в направлении поля), должны быть участки, на которых пере-нос положительных зарядов про-исходит в направлении возраста-ния потенциала (против сил по-ля). Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил не электростатиче-ского происхождения, называемых сторонними силами.

Сторонние силы могут быть обусловлены химическими про-цессами (гальванические элементы, аккумуляторы), диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных веществ (термоэлементы), электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми меняющимися во времени магнитными полями (динамо-машины) и т.д.

Любой источник тока имеет определённое электрическое сопротивление – внутреннее сопротивление источника. Исто-чник имеет два полюса, к которым присоединяются потребители тока. Полюс с более высоким потенциалом называется поло-жительным, а с более низким – отрицательным. Между полю-сами источника существует разность потенциалов (напряжение) как в отсутствие тока (при разомкнутой цепи), так и при наличии тока (при замыкании источника на внешнее сопротивление).

На РИС.2 схематически изображён источник тока любого ти-па (химический источник, термоэлемент, динамо-машина и т.д.). Пусть потенциал положительного полюса будет  U₁, а отрица-тельного полюса  U₂. Тогда разность потенциалов (электрическое напряжение) между полюсами источника равна :

Электрическое поле в проводнике всегда вызы-вает движение зарядов (электрический ток) в на-правлении уменьшения потенциала, а поэтому и электрическому напряжению  U  можно условно приписать нап-равление, совпадающее с направлением убыли потенциала (РИС.2).

Если бы внутри источника, кроме электрического напряже-ния, не было других причин, влияющих на движение зарядов, то через внутреннее сопротивление прошёл бы ток в направлении от положительного полюса к отрицательному, который прекратился бы после выравнивания потенциалов полюсов.

На самом деле, напряжение разомкнутого источника длитель-ное время сохраняется и при этом внутри источника никакого то-ка нет. Это объясняется тем, что внутри источника действуют ещё сторонние силы, отличные по своей природе от электричес-ких сил. В разомкнутом источнике электрическое поле уравнове-шивается сторонним полем. При этом работа электрических сил при переносе единицы заряда с положительного полюса источни-ка на отрицательный равна и противоположна по знаку работе сторонних сил.

Величину работы, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного электрического заряда, называ-ют электродвижущей силой (э.д.с.).  В дальнейшем э.д.с. будем обозначать буквой  ξ .

Э.д.с. измеряется в тех же единицах, что и напряжение (раз-ность потенциалов). При  ξ = 1 В сторонние силы при перемеще-нии заряда в  1 Кл  совершает работу в  1 Дж .

Действие э.д.с. противоположно действию электрического

напряжения внутри источника. Поэтому э.д.с. направлена от от-рицательного полюса к положительному (РИС.2).

В разомкнутом источнике электрическое напряжение уравно-вешивается э.д.с., т.е. при сопротивлении нагрузки равном беско-нечности (R_н = ∞ ) :

Таким образом, э.л.с. численно равна напряжению на полю-сах разомкнутого источника тока.

Если к источнику э.д.с. подоединить внешний участок цепи (нагрузку), как изображено на РИС.3 , то в замкнутой цепи уста-новится электрический ток. Э.д.с. замкнутой цепи сосредоточена только внутри источника.

Проследим за движени-ем положительного заряда по замкнутой цепи, содер-жащей э.д.с. . Начнём с по-ложительного полюса. Элек-трические силы перемещают положительный заряд по внешней цепи от положите-льного полюса к отрицате-льному. При переходе через отрицательный полюс на положительный заряд начинают дейст-вовать электрические силы, препятствующие его движению, и сторонние силы, поддерживающие его движение в том же напра-влении. Однако, теперь поле сторонних сил уже не уравновеши-вается электрическим полем, поскольку положительный заряд ушёл с положительного полюса к отрицательному, т.е. произош-ло понижение потенциала  U₁  и возрастание потенциала  U₂ .