Сторонні сили і ЕРС

Сутність сторонніх сил

Для того щоб в провіднику струм існував тривалий час, необхідно, щоб рух заряджених частинок підтримувалося будь-якої зовнішньої силою. Отже, потрібно, щоб від кінця провідника з меншим потенціалом (вважаємо, що носії ока позитивні) у безперервний спосіб відводилися принесені туди заряди, а до кінця з великим потенціалом заряди постійно підбивалися. Тобто необхідний кругообіг зарядів по замкнутому шляху. Даний факт узгоджується з замкнутістю ліній струму.

Стороння електрорушійна сила (далі стороння сила) не може бути електростатичного, тому що електростатичне поле потенційно. Робота потенційної сили, для контуру зі струмом, дорівнює нулю. За такої умови ток існувати не може, тому що струм повинен здійснювати роботу з подолання опору провідників. Стороння сила може бути механічною або електричною (НЕ електростатичного), мати хімічне походження і т.д. З урахуванням сторонніх сил закон ома в локальній формі записується у вигляді:

де $ \ overrightarrow $ - вектор щільності струму, $ \ sigma $ - питома провідність, $ \ overrightarrow $ - напруженість поля кулонівських сил, $ \ overrightarrow> $ - напруженість поля сторонніх сил.

Приклад сторонніх сил

Найпростіша схема джерела сторонньої сили (джерела струму), яка має механічне походження, представлена ​​на рис.1.

Вирішуємо контрольні з усіх предметів. 10 років досвід! Ціна від 100 руб. термін від 1 дня!

Напишемо недорого і точно в строк! Більш 50 000 перевірених фахівців

Акція! Даруємо 100 руб.
на перше замовлення!

від 200 руб / від 2х годин

від 350 руб / від 2х годин

від 50 руб / від 2х годин

Нехай між електродами А і В (рис.1) знаходиться електрично нейтральна середу з рівним зарядів протилежного знака. Стороння сила неелектричних походження переміщує позитивні заряди до електрода В (даний електрод заряджається позитивно), а негативна до електрода А (негативно заряджений електрод). У зовнішній ланцюга тече електричний струм. Струм виробляє роботу. Енергія, яка необхідна для виробництва такої роботи, повідомляється зовнішніми силами, які витрачають її на поділ зарядів між електродами. Струм, всередині джерела сторонньої сили замикає струм зовнішньої ланцюга. Напрямок струму в зовнішньому ланцюзі - від позитивного електрода до негативного, всередині джерела струму, навпаки. Практичною реалізацією такої схеми є електростатична машина.

Електрорушійна сила

Сторонні сили характеризуються роботою, що здійснює ними при переміщенні заряду по ланцюгу. Так електрорушійної силою (ЕРС) ($ \ mathcal E $) називають:

де $ q $ - заряд, $ A $ - робота сторонніх сил.

Вирішуємо контрольні з усіх предметів. 10 років досвід! Ціна від 100 руб. термін від 1 дня!

Основна розмірність ЕРС в системі СІ: $ \ left [\ mathcal E \ right] = В $.

ЕРС, що діє на ділянці 1-2 можна виразити як:

де $ \ overrightarrow> $ - напруженість поля сторонніх сил, $ d \ overrightarrow $ - вектор переміщення. Інтеграл (3) для замкнутої, ланцюги дасть вираз для ЕРС в цьому ланцюзі, як циркуляції вектора напруженості сторонніх сил:

ЕРС пов'язана з падінням напруги або просто напругою (U) на ділянці ланцюга 1-2 співвідношенням:

Завдання: Опишіть, механізми, які дозволяють використовувати гальванічні елементи в якості джерел постійного струму.

Часто зустрічаються джерела постійного струму, які називають гальванічними елементами. При контакті твердого тіла і рідини з'являється різниця потенціалів. У деяких випадках при такому контакті проходить хімічна реакція. Припустимо, якщо цинкову пластинку опустити в розчин сірчаної кислоти, то цинк розчиняється. У розчин переміщуються позитивні іони цинку, тобто розчин має позитивний заряд, а сама цинкова пластина негативний. При деякій різниці потенціалів перехід іонів цинку в розчин закінчується. Ця різниця потенціалів називається електрохімічним потенціалом. (Він залежить від властивостей металу, рідини і концентрації іонів металу в розчині). Для розчинів в сірчаної кислоти цей потенціал цинку дорівнює -0,5В, для міді електрохімічний потенціал дорівнює + 0,6.

При зануренні двох металів в розчин виникає різниця потенціалів між ними, яка дорівнює різниці з електрохімічних потенціалів. Система з двох електродів з різних металів, занурена в розчин називається гальванічним елементом, різниця потенціалів між металами - ЕРС елемента.

Так, наприклад елемент Вольта складається з мідної та цинкової пластин, які знаходяться в розчині сірчаної кислоти. Знаючи електрохімічні потенціали цинку і міді, отримаємо ЕРС елемента Вольта:

В гальванічному джерелі Вольта є 2 сторонні $ \ mathcal E $, які зосереджені в поверхневих шарах, де стикаються цинкова і мідна пластини з розчином. Товщина цих шарів - молекула. В іншому обсязі розчину сторонніх $ \ mathcal E $ немає. Коли пластини з'єднують провідником, по ньому тече струм від мідної (позитивної) пластини до цинкової (негативною) пластині. У розчині між електродами напрямок струму - зворотне: від цинкової пластини до мідної.

Стороння ЕРС елемента визначена його властивостями, і не залежить від сили струму, який тече по ланцюгу. Зміна напруги на зовнішньому ланцюзі завжди менше, ніж ЕРС елемента. Чим менше внутрішньо опір гальванічного елемента, тим вище якість джерела струму.

При проходженні струму в ланцюзі елемента Вольта позитивні іони цинку переходять в розчин, там вони з'єднуються з негативними іонами, на який, поряд з позитивним іоном водню, дисоціює сірчана кислота. Тобто в розчині проходить хімічна реакція. Продукти реакції частково випадають у вигляді осаду. При цьому позитивні іони водню рухаються до мідної пластини, там вони нейтралізуються електронами струму провідності в пластині. На поверхні мідної пластини утворюється воднева плівка. Ця плівка збільшує внутрішній опір елемента і одночасно, утворює додатковий електрохімічний потенціал, який спрямований проти потенціалу, який був на пластині до утворення плівки. Так, ЕРС елемента зменшується. Подібні процеси, називають поляризацією елемента.

Для того щоб зменшити падіння ЕРС гальванічного елемента застосовують різні методи деполяризації, наприклад, використовують сильні окислювачі, які пов'язують водень і кисень з утворенням води.

Завдання: джерело напруги $ \ mathcal E = 1 $ В має внутрішній опір r = 1 Ом включений в ланцюг, яка містить опір R = 9 Ом. Знайдіть силу струму в ланцюзі (I), падіння напруги в зовнішній ланцюга (U), падіння потенціалу всередині елемента ($ U_r $).

Для замкненого кола, яка містить джерело ЕРС запишемо закон Ома у вигляді:

де $ \ mathcal E $ - ЕРС джерела струму, $ R $ - зовнішній опір ланцюга, $ r $ - опір джерела ЕРС.

Закон Ома для однорідної ділянки запишемо як:

І для джерела струму:

Так як всі ці завдання записані в системі СІ, проведемо обчислення:

\ [I = \ frac = 0,1 \ \ left (А \ right). \] \ [U = 0,1 \ cdot 9 = 0,9 \ \ left (В \ right). \] \ [U_r = 0,1 \ cdot 1 = 0,1 \ \ left (В \ right). \]

Відповідь: I = 0,1; U = 0,9В; $ U_r = 0,1. $