1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Фізика
  3. Електричний струм і електрорушійна сила

Електричний струм і електрорушійна сила

Для рівноваги зарядів на провіднику необхідно, як ми знаємо, щоб різниця потенціалів між будь-якими точками провідника дорівнювала нулю. Якщо цю умову порушено, то рівновага не може мати місця, і в провіднику відбувається переміщення зарядів, яке називається електричним струмом. Таким чином, для одержання струму достатньо створити різницю потенціалів (напруга) між будь-якими точками провідника.

Здійснимо ці умови в наступному простому досвіді, зрозумілому зі схеми, показаної на рис. 70. Ліва половина схеми зображує електричну машину, що створює різницю потенціалів між обкладинками та конденсатора ємності; електрометрії дозволяє виявити і навіть вимірювати цю різницю потенціалів. На правій половині схеми показано, як здійснюється з’єднання двох обкладок конденсатора за допомогою провідника, що складається із з’єднувальних проводів і лампочки. Для того щоб зробити наочними процес створення напруги між обкладинками конденсатора і процес з’єднання обкладок провідником, ми помістили в схему ключ. Повернувши його вліво, ми заряджаємо конденсатор (створюємо напруга між його обкладками); повернувши його вправо – здійснюємо з’єднання обкладок з провідником. Змусимо обертатися електричну машину (рукою або моторчиком) і поставимо ключ вліво. Конденсатор почне заряджатися, і електрометрії покаже виникає між обкладками напругу. Перекинемо ключ вправо. Лампочка на мить спалахне, а листки електрометрії опаде, вказуючи, що напруга між обкладками конденсатора впало до нуля, т. Е. Поле в конденсаторі зникло. Знову повертаючи ключ вліво, ми повторимо зарядку конденсатора, а перекладаючи ключ знову вправо – знову будемо спостерігати спалах лампочки, і т. Д.

Що відбувається в цьому досвіді? Заряджаючи за допомогою електричної машини конденсатор, ми виробляли поділ електричних зарядів. На одному полюсі машини, наприклад, і, отже, на з’єднаної з ним обкладанні з’являвся надлишок електронів; на іншому полюсі (і обкладанні) – відповідний недолік електронів. Між полюсами (а отже, і між обкладинками конденсатора) виникла напруга (різниця потенціалів), для чого, як ми знаємо, потрібно затратити роботу (§38). У описуваному досвіді цю роботу виробляли м’язи руки або моторчик, що обертають машину. Коли провідник приєднується до обкладкам, на кінцях його є різниця потенціалів, і в провіднику виникає рух зарядів: електрони від місця, де вони є в надлишку (), потечуть до місця, де їх бракує (). Заряд на обкладинках швидко зменшується, напруга між ними падає, поле в конденсаторі зникає, а в провіднику відбувається рух зарядів (електричний струм), яке і проявляється в напруженні лампочки. Розряд конденсатора і протікання струму займають малу частку секунди. Щоб зробити явище більш тривалим, треба багаторазово повторювати його, швидко перекладаючи ключ з лівого в праве положення і назад, т. Е. Те заряджаючи, то розряджаючи конденсатор.

Конденсатор ми ввели тільки для того, щоб з повною ясністю виділити дві сторони процесу, що обумовлює електричний струм: а) створення і підтримування напруги (різниці потенціалів) між двома якими-небудь крапками; б) створення провідної ланцюга, по якій відбувається перенесення зарядів між цими точками.

Друга половина процесу здійснюється просто за допомогою ключа, що замикає розірваний ланцюг. Перша в нашому випадку забезпечувалася роботою електричної машини, що розділяє заряди. Конденсатор ж служив для наочного поділу всього складного процесу на дві стадії, послідовно протікають одна за одною. Для істоти справи ці дві послідовні стадії абсолютно не потрібні: обидві сторони процесу можуть йти одночасно і безперервно, і, таким чином, роль конденсатора чисто ілюстративна. Можна обійтися без нього, безпосередньо з’єднавши точки і, т. Е. Здійснивши замкнуту ланцюг від одного полюса машини до іншого. У такій ланцюга у весь час роботи машини йде безперервний електричний струм, бо, незважаючи на безперервний перехід електронів від через дроти та нитка лампочки до, різниця потенціалів між і весь час відновлюється завдяки роботі машини. Правда, звичайна електростатична машина не могла б підтримувати лампочку в світному стані. Машина розділяє за одиницю часу лише невеликі кількості електрики, так що потужність її, достатня для живлення окремих, доволі частих спалахів, нездатна підтримувати безперервний напруження лампочки. Для реєстрації безперервного слабкого струму довелося б використовувати більш чутливий покажчик (наприклад, гальванометр). Отже, в цьому досвіді істотно необхідними є електрична машина і провідник, що з’єднує її полюси.

З розібраного прикладу ми бачимо, що для підтримки в ланцюзі провідників безперервного струму необхідно, щоб у цьому ланцюзі працювало якийсь пристрій, в якому весь час відбуваються процеси, що здійснюють розподіл електричних зарядів і тим самим підтримують напругу в ланцюзі. Це пристрій називають джерелом або генератором електричного струму, а діючі у ньому причини, що зумовлюють поділ зарядів, отримали назву сторонніх сил.

Сторонні сили, т. Е. Сили неелектростатіческого походження, діють лише всередині джерела струму. Поділяючи заряди, ці сили створюють різницю потенціалів між кінцями іншої частини ланцюга. У цій частині рух зарядів обумовлено електричним полем, які виникають в провіднику внаслідок різниці потенціалів між його кінцями.

Слід мати на увазі, що назва «електрорушійна сила» (е. Д. С.) Не можна розуміти в буквальному сенсі, оскільки її розмірність відрізняється від розмірності сили або роботи. З порівняння формул (21.1) і (39.1) випливає, що е. д. с. виражається в вольтах. Для того щоб ще більш ясно уявити весь розбирається питання, скористаємося аналогією між електричним струмом і течією води по трубі.

Добре відомо, що для підтримки течії води в трубі, незважаючи на гальмівну дію тертя, необхідно створити між точками труби деяку різницю тисків. Ця різниця тисків і рухає воду. У водопроводі, наприклад, ця різниця тиску створюється за допомогою водонапірної башти, рівень води в якій вище, ніж будь-яка точка водопровідної мережі. Різниця рівнів (або натиск) цілком еквівалентна різниці потенціалів (напруги) електричного кола, а наповнений водою бак на вершині вежі грає роль зарядженого конденсатора в розібраному нами прикладі. І подібно до того як при електричному струмі конденсатор розряджається і різниця потенціалів падає, прагнучи до нуля, так і бак поступово спорожняється, а різниця рівнів прагне до нуля, і водяний струм припиняється, подібно електричному. Електричний струм буде більш-менш короткочасним, залежно від ємності конденсатора і сили струму; абсолютно так само водяний струм припиниться тим швидше, чим менше ємність бака і чим більше витрата води. І так само як для підтримки безперервного електричного струму було необхідно забезпечити якийсь пристрій (генератор), що є джерелом «електрорушійної (електроразделітельной) сили» (у нашому випадку електрична машина), так і для безперервної роботи водопроводу необхідно мати пристрій, нагнітальний насос, який підтримує потрібну різницю рівнів, незважаючи на безперервне протягом води, і є джерелом «вододвіжущей (точніше, водопіднімальною) сили».

І тут роль водонапірної бака абсолютно допоміжна. Можна було б забезпечити роботу водопроводу без бака за допомогою нагнітає насоса. Проте зважаючи нерівномірності споживання води у водопроводі технічно зручніше мати «запас напору» за допомогою високо розташованого місткого бака, пускаючи насос в хід лише час від часу.

Не зупиняючись на розгляді практично застосовуваних генераторів, ми опишемо поки простий досвід, наочно показує процес виникнення е. д. с.

Візьмемо високу склянку з дистильованою водою і введемо в нього два металеві електроди 1 і 2, з’єднаних один з одним проводами через чутливий прилад для вимірювання струму – гальванометр (рис. 71). Тепер будемо кидати у воду один за іншим невеликі скляні кульки. Ми побачимо, що весь час, поки кульки в склянці падають, прилад виявляє електричний струм, що протікає в проводах. Неважко зрозуміти, що тут відбувається. При зіткненні з водою скляні кульки заряджаються негативно, а частина молекул води здобуває позитивний заряд (пор. Рис. 13). Під впливом сили тяжіння негативно заряджені кульки падають на металеву пластинку 2 і заряджають її негативно, а позитивні іони води, піднімаючись вгору, заряджають пластинку 1 позитивно. В результаті між пластинками 1 і 2 виникає різниця потенціалів (напруга) і створюється електричне поле, під дією якого в проводах відбувається переміщення електронів від 2 до 1, т. Е. Електричний струм.

Таким чином, цей простий прилад являє собою генератор електричного струму, в якому роль сторонніх сил відіграє сила тяжіння, що переміщає негативно заряджені кульки вниз, до пластинки 2, незважаючи на те що взаємне тяжіння позитивних і негативних зарядів прагне перешкодити їх видаленню один від одного. Долаючи це тяжіння, сила тяжіння розділяє заряди і тим самим обумовлює виникнення напруги між пластинками 1 і 2.

Розібраний досвід дозволяє нам усвідомити ще одну дуже важливу обставину. Якби рідина, в яку ми кидаємо кульки, була ідеальним діелектриком, то, розірвавши ланцюг між пластинками 1 і 2 та підключивши кінці проводів до стрижня і корпусу електрометрії, ми могли б прямо виміряти напругу між електродами 1 і 2, яке у міру падіння кульок та накопичення зарядів на електродах весь час зростала б. До яких пір тривав би цей процес накопичення зарядів і наростання напруги між електродами? Очевидно, що в міру зростання заряду і посилення поля між електродами все більше зростають сили електричного поля, що перешкоджають падінню кульок. Якби рідина була ідеальним діелектриком, то врешті-решт сили електричного поля врівноважили б силу тяжіння, падіння кульок і наростання різниці потенціалів між електродами припинилися б. Ми бачимо, таким чином, що різниця потенціалів на затискачах разомкнутого генератора (в даному випадку генератором є стакан з падаючими кульками) зростає до тих пір, поки створювані нею електричні сили не урівноважать сторонні сили. Це має місце і у випадку будь-якого іншого генератора електричного струму. Тому в якості міри електрорушійної сили, що діє в генераторі, слід прийняти ту різницю потенціалів, яка створюється нею на затискачах разомкнутого генератора.

Необхідно підкреслити, що е. д. с. генератора наміряв різницею потенціалів на його затискачах за умови, що ланцюг розімкнути. Якщо джерело струму посилає в яку-небудь ланцюг струм, то напруга на електродах залежить від сили цього струму і воно тим менше, чим більше сила струму. Тому один і той же джерело, залежно від сили отбираемого струму, може володіти різною напругою на електродах. Максимальне з цих напруг, існуюче при розімкнутого ланцюга, і показує е. д. с. джерела.

Сказане зберігає сенс і в механічної аналогії. Припустимо, що водопровідна мережа відключена, і запитаємо себе, до якого рівня насос може накачувати воду в вежу? Очевидно, це буде відбуватися доти, поки сили тиску стовпа води в башті, що протидіють роботі насоса, що не урівноважать силу, з якою насос жене воду. Таким чином, висота стовпа води або, точніше, тиск цього стовпа при відключеному водопроводі є мірою «водопідйомною сили» насоса. Якщо ж водопровідна мережа включена, т. Е. Відбувається не тільки приплив води в башту, але і її відтік, то рівень води і тиск завжди будуть нижчими, ніж при відключеному водопроводі.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Магнітна підвіска