Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 7. Електрорушійна сила джерела струму. Закон Ома для повного кола

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснити роль джерела струму та фізичний зміст електрорушійної сили, основні характеристики повного електричного кола та встановлювати взаємозв'язок між ними.

ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ В ЕЛЕКТРИЧНОМУ КОЛІ ТА ЙОГО ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА. Для того щоб у провіднику виник та існував електричний струм, необхідно на кінцях цього провідника створити та підтримувати різницю потенціалів. Тобто потрібно постійно підводити до кінців провідника додаткові заряди протилежних знаків. У електричному колі функцію елемента, який розділяє заряди, виконує джерело струму.

Джерело струму — пристрій, який розділяє позитивні та негативні заряди.

Джерело струму виконує роботу з розділення зарядів за рахунок своєї внутрішньої енергії.

Усередині джерела завдяки роботі з розділення зарядів негативні заряди переміщуються від позитивного до негативного полюса, тобто в напрямку, протилежному напрямку кулонівських сил.

Робота з переміщення електричних зарядів у напрямку, протилежному напрямку дії кулонівських сил, виконується так званими сторонніми силами, які мають неелектростатичне походження.

Сторонніми називають сили неелектричного походження, які розділяють електричні заряди.

Сторонні сили можуть мати різне походження. Наприклад, в електрофорній машині заряди розділяються внаслідок виконання механічної роботи з обертання її дисків. У сонячних батареях електричні заряди розділяються в результаті взаємодії атомів речовини, з якої вони складаються, з фотонами.

У гальванічних елементах електричні заряди розділяються завдяки енергії хімічних реакцій між різнорідними речовинами. Наприклад, в елементі Вольта в розчин сірчаної кислоти (H₂SO₄) занурено мідний (Cu) та цинковий (Zn) електроди (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Розділення електричних зарядів у елементі Вольта

Негативні йони SO^2-₄, які знаходяться біля електродів, притягують до себе позитивні йони цинку (Zn²⁺) та міді (Cu²⁺), що містяться у вузлах кристалічних ґраток. Якщо енергія зв'язку між йонами SO^2-₄ та йонами металу більша, ніж енергія зв'язку між йонами в кристалічних ґратках, то йони металу залишають кристалічні ґратки та переходять у розчин. Оскільки енергія зв'язку між йонами міді та кристалічними ґратками мідного електрода більша, порівняно з енергією зв'язку між йонами цинку та кристалічною ґраткою цинкового електрода, то кількість йонів цинку, які переходять у розчин кислоти є більшою, ніж кількість йонів міді. Тому цинковий електрод стає катодом, а мідний — анодом.

ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА. Дію сторонніх сил характеризують фізичною величиною, яку називають електрорушійною силою (ЕРС).

Електрорушійна сила джерела струму ε — скалярна фізична величина, яка характеризує здатність сторонніх сил створювати та підтримувати різницю потенціалів і чисельно дорівнює відношенню їх роботи А_стор до значення розділених зарядів ΔQ:

Одиницею електрорушійної сили в СІ є вольт (В):

Електрорушійна сила є характеристикою джерела струму та не залежить від зовнішнього навантаження, приєднаного до його полюсів. ЕРС чисельно дорівнює напрузі між полюсами джерела живлення, коли його полюси не замкнуті.

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОВНОГО КОЛА. Розглянемо електричне коло, що складається з джерела струму, резистора, вимикача та з'єднувальних провідників (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Повне електричне коло

Якщо замкнути вимикач, то електричні заряди під дією кулонівських сил будуть переміщуватися в елементах кола (резисторі та з'єднувальних провідниках) від полюса «+» до полюса «-» джерела.

Ділянку кола, що розташована ззовні від джерела струму (споживачі електричної енергії та з'єднувальні провідники), називають зовнішньою, або однорідною, а R — зовнішнім опором.

Усередині джерела струму сторонні сили виконують роботу з розділення електричних зарядів та підтримують постійну різницю потенціалів, переміщуючи позитивні заряди проти сил електричного поля від катода до анода.

Ділянку кола, по якій електричні заряди рухаються під впливом сторонніх сил (джерело струму), називають внутрішньою, або неоднорідною.

У внутрішній ділянці проходитиме електричний струм, а вона чинитиме йому протидію — опір. Цей опір називають внутрішнім опором джерела струму. Його позначають r та вимірюють в омах (Ом). Внутрішній опір r та електрорушійна сила ε є основними характеристиками джерела струму.

Сукупність з'єднаних між собою джерел та споживачів електричного струму, перемикачів, через які проходить електричний струм, називають повним електричним колом.

Якщо розглядають і враховують як зовнішню, так і внутрішню ділянки електричного кола, його називають повним. Загальний опір повного електричного кола дорівнює сумі опорів його зовнішньої та внутрішньої ділянки: R_заг = R + r.

За законом збереження енергії робота сторонніх сил у джерелі живлення А_стор дорівнює роботі з переміщення електричних зарядів по зовнішній та внутрішній ділянках електричного кола: А_стор = А_вн + А_зовн.

Оскільки А_стор = εQ, А_вн = U_внQ, А_зовн = U_зовнQ, де U_вн — падіння напруги на внутрішній ділянці кола, U_зовн — падіння напруги на зовнішній ділянці кола.

Тоді:

εQ = U_внQ + U_зовнQ та ε = U_вн + U_зовн.

ЕРС джерела живлення дорівнює сумі падіння напруги на зовнішній та внутрішній ділянках електричного кола.

Відповідно до закону Ома для ділянки кола, та врахувавши, що за одиницю часу через поперечний переріз провідників заряджені частинки переміщують однаковий заряд, можна записати: U_вн = Ir U_зовн = IR, а ε = IR + Ir або ε = I(R + r).

Звідси отримаємо закон Ома для повного кола:

Сила струму в повному колі прямо пропорційна електрорушійній силі джерела і обернено пропорційна повному електричному опору кола.

Знання, корисні для практики!

Як правило, зовнішній опір повного електричного кола значно перевищує його внутрішній опір (R ≫ r). Якщо R → 0, сила струму значно збільшується і виникає явище короткого замикання. Під час короткого замикання сила струму наближається до

стрімко зростаючи порівняно зі звичайним значенням струму. Наприклад, у системі освітлення автомобіля лампочка фари має опір R =10 Ом, а внутрішній опір акумулятора становить r = 0,01 Ом. Відношення струму короткого замикання I_кз до звичайного струму I:

Тобто під час короткого замикання сила струму зросте приблизно в 1000 разів. При цьому виділяється значна кількість теплоти, а отже, може виникнути пожежа. Тому використовують запобіжники, які розмикають електричне коло автомобіля або помешкання при збільшенні сили струму до критичного значення (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Запобіжники: а) системи електроживлення автомобіля; б) системи електроживлення помешкання

Запам'ятайте! Не можна користуватися електричною мережею з несправними запобіжниками або замінювати їх саморобними пристроями!

! Головне в цьому параграфі

Джерело струму виконує роботу з розділення зарядів за рахунок своєї внутрішньої енергії. Цю роботу виконують сторонні сили, які мають неелектростатичне походження.

Дію сторонніх сил характеризують фізичною величиною, яку називають електрорушійною силою (ЕРС).

Сила струму в повному колі прямо пропорційна електрорушійній силі джерела і обернено пропорційна повному електричному опору кола.

Домашній експеримент.

Складіть схему та спробуйте виготувати найпростіше хімічне джерело електричного струму (рис. 7.4). Опишіть його принцип дії та особливості.

Рис. 7.4. Саморобне хімічне джерело струму

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Що називають джерелом струму і яке його основне призначення в електричному колі? 2. Які сили називають сторонніми? Яка їх природа? 3. Чому накопичення зарядів на полюсах джерела живлення може відбуватися тільки під дією сторонніх сил? 4. Що називають електрорушійною силою? 5. Яке електричне коло називають повним? 6. Які особливості руху заряджених частинок по зовнішній та внутрішній ділянках електричного кола? 7. Що таке внутрішній опір джерела струму? 8. Сформулюйте й запишіть закон Ома для повного кола.