Электричество и электрическая железная дорога. Конспект лекций по физике, страница 14

22. Придумайте схему  смешанного соединения резисторов и рассчитайте сопротивление цепи.

6. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

1. Чтобы поддерживать направленное движение электрических зарядов в проводнике, необходимо поддерживать электрическое поле внутри проводника, создавать разность потенциалов между концами проводника. Эту роль выполняет источник тока. Источник тока это устройство, в котором происходит разделение по знаку электрических зарядов. На одном полюсе источника в процессе работы появляется положительный потенциал, на другом – отрицательный. При присоединении проводника к полюсам внутри  проводника возникнет электрическое поле, в электрической цепи проводник–источник потечет электрический ток

Внутри источника тока электрические заряды движутся, как видно на рис.1, против сил электростатического поля полюсов. Следовательно, силы, перемещающие заряды внутри источника должны быть направлены против электростатических сил, и иметь не электростатическую природу. Их называют сторонними силами. Природа сторонних сил разнообразна. Например, в генераторах электростанций электроны в проводниках якоря перемещаются под действием магнитной силы Лоренца, в атомных источниках тока положительные альфа частицы вылетают из радиоактивного вещества на положительно заряженную оболочку под действием ядерных сил.  в химических источниках движение электронов происходит из-за сил давления вследствие разной концентрации электронов в электродах.

2. Источники тока характеризуются величиной электродвижущей силы, ЭДС.  По определению, ЭДС равна отношению работы сторонних сил к величине перенесенного заряда

ε .                                                        6.1

Единица измерения ЭДС  вольт.  ЭДС численно равна разности потенциалов между полюсами источника при отключенной внешней цепи.

3. Получим уравнение закона Ома для силы тока в замкнутой цепи. Пусть источник тока с ЭДС  ε  замкнут на проводник (нагрузка) с сопротивлением R. Работа источника   при неподвижном проводнике, согласно закону сохранения энергии, превращается в теплоту, выделяемую на проводнике, а также на самом источнике с внутренним сопротивлением  r.   Согласно закону Джоуля – Ленца теплота, выделяемая в проводнике, равна произведению квадрата силы тока на сопротивление и время протекания тока. Тогда .  После сокращения на Jt  получим, что сила тока в цепи равна отношению ЭДС к полному сопротивлению  электрической  цепи:

.                                                  6.2

4. ЭДС можно измерить различными методами. Если, в простейшем случае,  вольтметр c сопротивлением R_V  подсоединить к полюсам источника с внутренним сопротивлением r,  то, по закону Ома, показания вольтметра будут  . Это меньше, чем ЭДС, на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Погрешность измерения   тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра по сравнению с внутренним сопротивлением источника.

В компенсационном методе измерения ЭДС ток через источник не течет (рис. 6.2). Если подобрать напряжения на магазине сопротивлений R точно равным ЭДС источника, то ток через источник и через нуль-гальванометр не потечет. Тогда ЭДС источника будет равна падению напряжения на магазине сопротивлений

ε = J R.                                               6.3.

Приборы для измерения ЭДС компенсационным методом называются потенциометрами. В потенциометрах ток определенной силы от внешнего источника протекает по реохорду. Перемещая ползунок реохорда, подбирают такое сопротивление, чтобы  ток через гальванометр отсутствовал. Положение ползунка проградуировано в единицах ЭДС.

5. Полезная мощность источника тока при неподвижных проводниках – это тепловая мощность, выделяемая на нагрузке. По закону Джоуля – Ленца   Р = J ²R.  Подставив силу тока, согласно закону Ома (6.2), получим формулу зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки:

 .                                                   6.4