Elektromotorická síla – učebnice Umskul

Celý moderní svět běží na elektřinu. Spolu s globální internetovou sítí je náš svět „zapleten“ do sítě elektrických drátů. Co se děje v těchto tenkých drátech, na kterých závisí život celého města? Pojďme se blíže podívat na elektrický proud a zjistit, odkud pochází.

S elektrickými obvody jsme se již seznámili v tématu „Zákony stejnosměrného proudu“, kde jsme zjistili, jaká zařízení existují a jak se v obvodech používají. V tomto článku budeme hovořit o tom, jak se proud objevuje v elementárních elektrických obvodech. Začalo se, odpor je marný.

Zdroj proudu

Jak jsme již zjistili, elektrické obvody nemohou fungovat jen tak. Představme si, že chcete řídit auto, které nemá plyn. Auto samozřejmě nenastartuje, protože je potřeba natankovat. Elektrické obvody fungují na stejném principu. Pokud nebudou pod napětím, nebudou fungovat.

Elektrický proud – to je řízený, uspořádaný pohyb elektrických nábojů. Proto, aby se udržoval proud v obvodu po dlouhou dobu, musí v něm být úsek, kde převod poplatku proti silám elektrostatického pole (pole vytvořeného stacionárními náboji). Tedy místo, kde budou elektrony nuceny do pohybu.

Aktuální zdroj – prvek elektrického obvodu, ve kterém na náboje působí vnější síla, která udává směr pohybu nábojů (proud).

Pohyb nábojů v této oblasti je možný pouze za pomoci sil neelektrostatického původu, tzv vnější síly. Tyto síly uvádějí náboje do pohybu. To udržuje proud v obvodu. Působení vnějších sil je charakterizováno veličinou tzv elektromotorická síla zdroje proudu (EMF), o kterém si povíme o něco později.

Příkladem zdroje proudu je běžná baterie. Určitě jste si všimli, že AA baterie mají na jedné straně napsáno „plus“ a na druhé „mínus“. To znamená, že elektrický proud poteče z kladné části baterie do záporné části. Proč proud vychází z jedné části, ale vstupuje do jiné?

Chcete-li tento jev vysvětlit, zvažte obrázek níže. Hlavním kritériem pro funkční elektrický obvod je jeho izolace, to znamená, že celý řetězec je nerozlučně spojen. Zapojme naši baterii (zdroj proudu) do elektrického obvodu, kterému se také říká externí elektrický obvod.

Jak vidíme na tomto obrázku, náboje uvnitř zdroje proudu jsou ovlivňovány vnější silou ((F_)), z plusu do plusu) a silou elektrostatického pole ((F)), která je směrována z plusu do mínusu. Bez působení vnějších sil uvnitř zdroje se kladný náboj posune z „+“ do „-“ (ve směru síly (F)).

Působíme vnějšími silami tak, že se začne pohybovat směrem k „+“ (ve směru (F_)), tedy proti silám elektrostatického pole. Poté náboje vyletí ze zdroje proudu a dále po vnějším obvodu se již pod vlivem konvenčního elektrostatického pole pohybují podle standardních zákonů od „+“ k „-“. To je náš dlouho očekávaný elektrický proud – pohybující se náboje. Pokud bychom nepůsobili vnějšími silami, všechny náboje by jednoduše seděly na místě („+“ by obklopovalo „-“ a naopak). Tedy vnější síla samotná nastavuje směr pohybu nabít.

Poté, co náboj opustí zdroj proudu, působí na něj pouze jedna síla F, proto obchází celý obvod a vrací se ke stejnému zdroji proudu. Tam na něj opět působí vnější síla, ale zbytek už znáte.

Pokud by ve zdroji proudu nebyly žádné vnější síly, pak by všechny kladné náboje uvízly na mínusu.

Veškerý materiál pro jednotnou státní zkoušku a základní státní zkoušku a porozumět tématům jakékoli složitosti si můžete nastudovat v kurzech online školy Umskul! Zaregistrujte se na bezplatnou konzultaci a zjistěte podrobnosti o webinářích, platformě s domácími úkoly a ukázkami a slevách:

Hlavní parametry zdroje proudu

Jako každý jiný prvek elektrického obvodu má zdroj proudu své vlastní charakteristiky, které se mohou lišit v závislosti na podmínkách použití. Hlavní charakteristiky jsou EMF zdroje proudu (elektromotorická síla) a její vnitřní odpor.

EMF zdroje proudu (ε) je fyzikální parametr, který charakterizuje práci vnějších sil ((A_)), vynaložené na přesun poplatků (q) uvnitř zdroje.

Vnitřní odpor určuje množství energie ztracené při průchodu proudu zdrojem proudu.

Stojí za to pochopit, že vnitřní odpor se objevuje kvůli nedokonalosti skutečných objektů. Pouze ideální zdroje proudu nemají žádný vnitřní odpor.

Při výpočtu charakteristik elektrických obvodů však nevznikají žádné potíže, protože si jednoduše představíme, že se v obvodu objeví další rezistor (označený ve schématech obdélníkem a písmenem R), jehož odpor se bude rovnat vnitřnímu odporu. odpor zdroje proudu.

Protože jsme se již dotkli výpočtů elektrických obvodů, je čas se k nim přiblížit.

Ohmův zákon pro část obvodu

Georg Ohm vyrostl v chudé rodině. Byl také docela hazardní hráč a rád hrál kulečník ve společnosti přátel. Během svých univerzitních let byl Om nejlepším hráčem kulečníku mezi studenty a prokázal vynikající výsledky v rychlobruslení.

Dále budeme hovořit o napětí na prvcích elektrického obvodu a zejména na zdroji proudu. Proto si připomeňme, co je to napětí z tématu „Zákony stejnosměrného proudu“. Napětí je fyzikální veličina, která ukazuje, jakou práci musí vnější síly vynaložit, aby přenesly náboj z jednoho bodu do druhého.

Protože zdroj proudu má vnitřní odpor, znamená to, že v něm bude také napětí. K jeho nalezení použijeme Ohmův zákon – vynásobíme vnitřní odpor zdroje proudu r na samotném proudu I a dostaneme:

Napětí, které se uvolní, najdeme i na vnějším obvodu. Chcete-li to provést, znovu vynásobte proud I k celkovému odporu obvodu R:

Ukazuje se, že ne všechna energie zdroje proudu jde do obvodu. Je to právě ta část energie, která jde do překonání vnitřního odporu, která bude charakterizovat ztráty. Pak si můžeme zapsat další vzorec k nalezení EMF zdroje proudu:

Nyní dosadíme výsledné vzorce z hlediska proudů a odporů místo napětí a vyjádříme sílu proudu. Takto se dostáváme Ohmův zákon pro úplný obvod:

Síla proudu v obvodu s daným zdrojem proudu (s konstantním EMF a konstantním vnitřním odporem) závisí pouze na odporu vnějšího obvodu R.

Nejvyšší elektrický odpor na lidském těle má povrch horní stratum corneum lidské kůže. Může dosáhnout 40000 100000–XNUMX XNUMX ohmů. To ale neznamená, že můžete obnažené dráty uchopit holýma rukama! Tento odpor zdaleka nestačí k ochraně člověka před nebezpečným elektrickým proudem.

Problémy na toto téma najdete v č. 12 Jednotná státní zkouška. Podívejme se na jeden příklad.

Výzva. Najděte vnitřní odpor zdroje EMF, pokud je odpor v obvodu R = 4 Ohm a EMF je ε = 10 V. Proud v obvodu je 2 A.

Řešení.Použijme Ohmův zákon pro celý obvod a vyjádřeme z něj vnitřní odpor zdroje EMF:

Odpověď: 1 Ohm

Zkrat

Uvažujme zvláštní případ elektrického obvodu, ve kterém bude zdroj proudu připojen k sobě. Jinými slovy, bude zkratovaný

V tomto případě neexistuje žádný odpor vůči vnějšímu obvodu a Ohmův zákon pro obvod bude vypadat takto:

Zkrat – jedná se o případ připojení vodičů, kdy téměř veškerý proud prochází prázdným vodičem a vrací se do zdroje proudu.

Zkrat vede k intenzivnímu teplu, tavení kovů a někdy i požárům.

Pokud porovnáme tok elektronů s tokem aut, tak zkratový proud je nehoda na dálnici. Jeden proud aut se rozhodl nastoupit do druhého. V důsledku toho došlo na silnici k nehodě. Ale auta do sebe dál létají (jako ve sněhové bouři v Norilsku).

Nyní, když jsme již prozkoumali hlavní charakteristiky zdroje proudu, můžeme přejít k výkonu a účinnosti zdroje proudu.

Výkon a účinnost zdroje proudu

Už jsme nejednou řekli, že energie se uvolňuje, když teče proud. Současné zdroje nejsou výjimkou. Když jsou připojeny k obvodu, uvolňuje se na ně energie. V samotném obvodu se přitom uvolňuje energie.

Chcete-li zjistit výkon přenosu energie (P), vyzařované zdrojem proudu, je nutné vynásobit sílu proudu EMF tohoto zdroje proudu. Pak dostaneme:

V tomto případě je část této energie vynaložena na prvky vnějšího obvodu a druhá část je vynaložena na překonání vnitřního odporu zdroje proudu:

Pak výkon uvolněný na externím obvodu je:

A výkon, který je ztracen vnitřním odporem zdroje proudu:

Nyní se podíváme na účinnost (účinnost) zdroje proudu. Jak jsme řekli dříve, část EMF zdroje proudu jde do vnitřního odporu a část do vnějšího obvodu. Zároveň si pamatujte, že účinnost je poměr užitečného výkonu k vynaloženému výkonu.

Zapišme si vzorce pro výkon:

Také problémy na téma EMF se nacházejí v č. 16 Jednotná státní zkouška. Složitost těchto úkolů spočívá ve stanovení správného vztahu mezi veličinami.

Výzva.Určete, jak se změní síla proudu (A) v obvodu a odpor rezistoru (B), pokud bude emf zdroje proudu nahrazeno stejným emf, ale s vyšším vnitřním odporem.
1) zvýší
2) se sníží
3) Nezmění se

Řešení.
B) Vnější odpor nijak nezávisí na zdroji proudu. Proto se nezmění – zvolte odpověď 3.

A) Napišme Ohmův zákon pro celý obvod:
(I=frac)
S rostoucím vnitřním odporem se bude zvyšovat i jmenovatel. V důsledku toho se proud sníží, takže varianta 2 je pro nás také vhodná.

Odpověď: 23

Zjistili jsme, že zdroje proudu jsou prvky elektrického obvodu, bez kterých by samotný obvod neexistoval. I když by samozřejmě existoval, byl by k ničemu. Nejsou však bez hříchu, protože existuje nebezpečný vnitřní odpor, který je pro mnoho inženýrů bolestí hlavy. A to vše proto, že snižuje účinnost proudových zdrojů. Dále se můžete seznámit s kompletními elektrickými obvody a podívat se, jak se proud chová mimo zdroj proudu.

Podmínky

Stres – součin odporu prvku a proudu, který jím protéká.

Rezistor (neboli odporový prvek) – prvek elektrického obvodu, který může energii pouze spotřebovávat a neumí ji vytvářet.

Síly třetích stran – to všechno jsou vnější síly působící na náboj.

Elektrostatické pole – neviditelné pole vytvořené stálými elektrickými náboji.

Kontrola faktů

• EMF zdroje proudu (ε) je fyzikální parametr, který charakterizuje práci vynaloženou na pohyb nábojů uvnitř zdroje vnějšími silami: (ε =frac>).
• Vnitřní odpor (r) — určuje množství energie ztracené, když proud prochází zdrojem proudu.
• Zakon Oma dlya polnoy tsepi: Síla proudu v uzavřeném obvodu je rovna poměru EMF obvodu k jeho celkovému odporu: (I =frac).
• Je volána mezní hodnota proudu pro daný zdroj proudu zkratový proud: (I_ = frac).
• Plný výkon obvodu je výkon zdroje proudu: (P_ist=εI).

Otestujte se

1 úloha.
Jak se vypočítá EMF zdroje proudu?

2 úloha.
Zkrat je:

1. Spojení konců části obvodu s vodičem, jehož odpor je velmi malý ve srovnání s odporem části obvodu.
2. Spojení konců části obvodu s vodičem, jehož odpor je velmi vysoký ve srovnání s odporem části obvodu.
3. Spojení konců části obvodu s vodičem, jehož odpor nezávisí na odporu části obvodu.
4. Nedostatek elektrického proudu v obvodu.

3 úloha.
Jaké je emf aktuálního zdroje?

1. (ε = U_R- U_r)
2. (ε = U_R+ U_r)
3. (ε = U_R U_r)
4. (ε = U_R)

4 úloha.
Co určuje sílu proudu v obvodu s daným zdrojem proudu?

1. z vnitřního odporu obvodu
2. z vnitřního odporu zdroje proudu
3. z vnějšího odporu obvodu
4. nezávisí na žádném množství

5 úloha.
Kde je v člověku největší odpor?

1. v srdci
2. v trávicí soustavě
3. na kůži
4. v hlavě

Odpovědi: 1. – 1; 2. – 1; 3. – 2; 4. – 3; 5. – 3.

Navzdory své jednoduchosti je Ohmův zákon základní. Umožňuje vypočítat parametry elektrického obvodu, které zajišťují jeho funkčnost. Ačkoli byl tento zákon odvozen na počátku 19. století, aktivně se používá dodnes. Při jeho používání je důležité pochopit, jaké fyzikální procesy odráží a jak je správně aplikovat.

Originální a moderní složení

Tento zdánlivě jednoduchý zákon formuloval německý fyzik Georg Ohm v roce 1826. Následující rok publikoval odpovídající vědecký článek.

Je zajímavé poznamenat, že zveřejnění této práce nezpůsobilo rozruch. Vědecká komunita ocenila Ohmův objev až po zveřejnění podobných prací fyzika Pouliera v roce 1830. V roce 1833 získal Ohm doktorát na Norimberské univerzitě. V roce 1872 se jednotka odporu stala známou jako Ohm. V nejjednodušší formě zní zákon pro úsek obvodu takto:

Zákon má empirickou povahu, protože vyjadřuje zobecněnou analýzu velkého množství experimentálních dat.

Vzorec Ohmova zákona pro úplný elektrický obvod je nyní následující:

• ℰ — elektromotorická síla zdroje napětí, V;
• I je síla proudu v obvodu, A.
• R — celkový odpor všech vnějších prvků obvodu, Ohm;
• r — vnitřní odpor zdroje napětí, Ohm.

Ohmův zákon pro úplný obvod zohledňuje celkový odpor, který je součtem odporu obvodu R a vnitřního odporu zdroje proudu r.

Georg Ohm to původně formuloval jinak. Ohmův zákon pro uzavřený obvod vypadal takto:

• a je hodnota, která charakterizuje zdroj proudu. Říká se, že se jedná o elektromotorickou sílu zdroje proudu;
• b představuje vlastnost elektrické instalace, která je nyní považována za vnitřní odpor zdroje proudu;
• l je hodnota, která závisí na délce použitých vodičů (v moderní terminologii odpovídá odporu elektrického obvodu).

Jak je vidět, Ohmův zákon aplikovaný na kompletní elektrický obvod má v obou verzích stejnou formulaci.

Ohmův zákon se používá i v diferenciální formě. V tomto případě se uvažují velmi malé veličiny. To však umožňuje použití integrálního a diferenciálního počtu pro složité případy.

Praktická aplikace

Ve většině případů se vnitřní odpor zdroje proudu považuje za relativně malý ve srovnání s odporem elektrického obvodu. V tomto případě se Ohmův zákon pro uzavřený obvod uplatňuje ve zkrácené formě: I = U / R.

Abyste lépe pochopili, jaké fyzikální procesy probíhají v elektrickém obvodu, je třeba zvážit následující:

• Ve zdroji proudu jsou pozorovány procesy, které vedou ke vzniku potenciálového rozdílu na svorkách. Když je k nim připojen elektrický obvod, protéká jím proud. Obecně se uznává, že přechází z kladného potenciálu na záporný.
• Proud je uspořádaný pohyb elektronů. V látce je obrovské množství těchto částic, které se vysokou rychlostí pohybují z negativního potenciálu na kladný.
• Rychlost pohybu elektronů závisí na materiálu vodiče, kterým procházejí, na jeho průřezu a délce. Pokud se délka zvětší 2krát, zdvojnásobí se odpor.

Rezistory se používají v elektrickém obvodu, když je pro provoz zařízení vyžadován přesně definovaný odpor. Pokud jsou svorky zdroje proudu, zjednodušeně řečeno, připojeny přímo, bude odpor malý a proud relativně velký. Velký proud může v některých případech jednak roztavit vodič, jednak vede k urychlenému vybíjení baterie.

V hmotě není pohyb elektronů volný. Při pohybu musí částice překonávat odpor a vynakládat na to svou energii. Velikost odporu závisí na konkrétním materiálu. Ve vodičích se elektrony pohybují relativně snadno. Proud nemůže procházet izolanty, s výjimkou případů, kdy je aplikováno tak vysoké napětí, že taková situace způsobí průraz.

V polovodičích probíhají složitější procesy, protože mají tuhou krystalickou strukturu. Za přítomnosti určitých typů nečistot může docházet k elektronové nebo děrové vodivosti. Proud může být pohybem elektronů i děr.

Přesnější charakteristiku odporu lze získat z následujícího vzorce:

Měrný odpor lze použít k charakterizaci elektrických vlastností konkrétní látky. Tato hodnota představuje odpor 1 m dlouhého úseku drátu vyrobeného z daného materiálu s průřezem 1 mm².

Odpor zdroje proudu

Ohmův zákon pro úplný elektrický obvod a vzorce pro výpočet jeho parametrů charakterizují nejen proud procházející obvodem, ale také proud, který existuje uvnitř zdroje proudu. Ohmův zákon pro část obvodu nezohledňuje přítomnost této hodnoty.

Baterie zajišťuje pohyb elektronů z kladného pólu na záporný. Ty se neustále pohybují v opačném směru elektrickým obvodem. Pokles jejich počtu na záporném pólu a přebytek na kladném je neustále kompenzován procesy probíhajícími uvnitř zařízení.

Tento pohyb elektronů je také elektrický proud. V tomto případě musí částice překonat vnitřní odpor zdroje proudu. Se zvyšující se teplotou se odpor může měnit, povaha změny závisí na konkrétním materiálu.

Empirická povaha Ohmova zákona

Při studiu podstaty elektřiny prostřednictvím vědeckého výzkumu se formulují určité zákony. Liší se od sebe nejen svým obsahem, ale také způsobem, jakým byly odvozeny. Některé zákony jsou důsledkem obecnějších tvrzení, jiné jsou úspěšným pokusem o vysvětlení opakovaně pozorovaných faktů.

Ohmův zákon pro homogenní průřez je ve skutečnosti pokusem o vytvoření pravidla, které by odpovídalo velkému počtu pozorování a experimentů. Jeho formulace byla v praxi po staletí ověřována a získala platnost základního fyzikálního zákona. Ohmův zákon, prezentovaný v integrální formě, umožňuje provádět výpočty pro různé elektrické obvody.

Použití pro klimatizaci

Jak je známo, v obvodu střídavého proudu působí jak aktivní, tak i jalový odpor. První z nich se shoduje s chápáním této hodnoty v dobách Georga Ohma. Indukční a kapacitní odpory však také zpomalují pohyb elektronů. V tomto případě se uplatňuje Ohmův zákon pro střídavý proud.

Pro použití tohoto zákona v takových obvodech je třeba místo ohmického odporu uvažovat celkový odpor, který zohledňuje celkový vliv aktivní a reaktivní složky odporu.

V prezentovaném diagramu je celkový odpor označen jako Z. Ohmický, indukční a kapacitní odpor jsou označeny jako R, XL a XC. Ohmův zákon pro obvod střídavého proudu zohledňuje všechny tyto varianty. Výpočetní vzorec naznačuje, že sčítání odporů probíhá podle vektorového pravidla.

Pro určení všech odporů se používá pravoúhlý trojúhelník, jehož jedna noha vyjadřuje aktivní odpor a druhá jalový. Ten se rovná rozdílu mezi indukčním a kapacitním odporem. Definice součtu se provádí podle Pythagorovy věty, podle které se délka přepony rovná druhé odmocnině ze součtu druhých mocnin odvěsen.

Praktická aplikace

Při práci s elektrickým obvodem je důležité znát napětí, proud, odpor v celém obvodu nebo v jednotlivých úsecích. Pokud jsou známy dvě z těchto veličin, pak pomocí zákona George Ohma můžete zjistit třetí bez nutnosti přímých měření.

Někdy je nutné použít Ohmův zákon pro nerovnoměrnou část obvodu. V tomto případě je rozdělena do samostatných zón a výpočty se nejprve provedou pro ty.

Protože tepelné nebo chemické účinky závisí na elektrických parametrech, lze možný účinek vypočítat pomocí Ohmova zákona. Zejména znalost těchto vlastností umožňuje vyhnout se destruktivnímu účinku příliš vysokého proudu.

Ohmův zákon lze vyjádřit v integrálním a diferenciálním tvaru. V prvním případě hovoříme o tradiční formulaci a jeho vyjádření v diferenciálním tvaru zohledňuje měrnou vodivost – hodnotu inverzní k měrnému odporu.

Závěrem je třeba říci, že odpor se měří pomocí speciálního zařízení – ohmmetru. To však nelze provést v fungujícím obvodu. Hodnotu odporu lze určit bez odpojení obvodu výpočtem pomocí Ohmova zákona a po předchozím změření napětí a proudu v požadované části obvodu.

Související videa