Сторонние силы. Закон Ома для полной цепи

Обязательным условием существования электрического тока в цепи является наличие источника тока, в котором действуют силы неэлектрического происхождения – сторонние силы.

Сторонние силы совершают работу по переносу положительных зарядов из точки с меньшим потенциалом в точку с большим потенциалом:

(38)

(39)

, (40)

, тогда , отсюда ЭДС:

. (41)

 

Рис. 48.

ЭДС – физическая величина, численно равная работе сторонних сил по переносу единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи.

Опыт 5.2. ФотоЭДС.

Цель работы: изучить явление фотоЭДС.

Оборудование:

1. Солнечная батарея

2. Электродвигатель

Ход работы.

Подсоединим кусочек солнечной батареи, составленной из полупроводниковых фотоэлементов, к маленькому электродвигателю. Мы видим, что при освещении батареи светом от яркой лампы возникает фотоЭДС, и мотор начинает вращаться.

Вывод: на современных космических станциях для получения электроэнергии обычно используют солнечные батареи, составленные из полупроводниковых фотоэлементов.

Рассмотрим участок цепи, содержащий источник ЭДС.

Рис. 49.

По закону сохранения и превращения энергии суммарная работа по переносу заряда вдоль электрической цепи складывается из работы электростатического поля и работы сторонних сил:

,

(42)

– закон Ома для участка цепи, содержащей ЭДС.

т.к. U = IR, то (43)

Знак “+” и “-“ соответствует различным направлениям тока на участке цепи.

Если рассмотреть замкнутую цепь, то работа электростатического поля равна нулю, электрический ток проходит через резистор R:

Рис. 50.

(44)

где R + r – полное сопротивление цепи.

. (45)

Ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника тока, G – полная проводимость цепи.

Опыт 5.3. Закон Ома для полной цепи

Оборудование:

1. Амперметр

2. Вольтметр

3. Ключ

4. Источник тока

5. Реостат

Ход работы:

Включаем источник питания и видим, что при разомкнутом ключе показания на вольтметре равны 5. Вольтметр показывает значение ЭДС. Потом мы замыкаем ключ и видим падение напряжения на источнике тока и реостате. Теперь при замкнутом ключе будем двигать ползунок реостата. Смотрим зависимость напряжения от силы тока. Чем больше сила тока, тем меньше напряжение. Далее находим внутреннее сопротивление источника тока.

Контрольные вопросы к §5

1) Дайте определение электрическому току?

2) Запишите формулу силы тока.

3) Чем измеряется сила тока?

4) Дайте определение постоянному току?

5) Дайте определение пульсирующему току?

6) Дайте определение переменному току?

7) Запишите формулу плотности тока.

8) Дайте определение плотности тока?

9)Запишите формулу напряжения

10) Дайте определение напряжению?

11) Запишите формулу сопротивляемости.

12) В чем измеряется сопротивляемость?

13) Запишите формулу ЭДС.

14) Перечислите оборудование в опыте 5.1 «Закон Ома для участка цепи»

15) Какой вывод следует из опыта 5.1 «Закон Ома для участка цепи»

16)Запишите формулу работы сторонних сил.

17) Дайте определение ЭДС?

18) Запишите формулу закона Ома для участка цепи.

19) Запишите формулу полного сопротивления цепи.

20) Запишите формулу закона Ома для полной цепи.

Сопротивление проводников. Сверхпроводимость. Электронная теория проводимости металлов. Законы Ома и Джоуля – Ленца в дифференциальной форме

6.1 Сопротивление проводников.

6.2 Сверхпроводимость.

6.3 Электронная теория проводимости металлов.

6.4 Законы Ома и Джоуля – Ленца в дифференциальной форме.

Сопротивление проводников

Опыт 6.1. Сопротивление проводников.

Цель работы: изучить зависимость сопротивления проводников.

Оборудование:

1. 3 проволоки (две хромелевые, одна молибденовая)

2. Вольтметр

3. Амперметр

4. Источник постоянного напряжения

 

Рис.51.

Ход работы.

Основной частью установки является панель, на которой натянуты три спирали. Две спирали, левая и центральная, выполнены из хромеля (сплав никеля с хромом), а правая спираль сделана из молибдена. При этом площадь поперечного сечения всех проволок, из которых навиты спирали, одинакова. Длина каждой из проволок, количество витков и их диаметр так же совпадают. Последовательно в цепь подключен амперметр. Вольтметр подключен к концам спиралей.

1. К источнику постоянного напряжения подключают правую спираль из молибдена. Замыкают цепь и увеличивают напряжение на концах спиралей. Исходя и показаний приборов, при напряжении 3В ток спирали составляет 3А. Это значит, что сопротивление молибденовой спирали равно 1Ом (3В/3А=1Ом).

2. Переключают источник тока на левую хромелевую спираль. Здесь, при напряжении 15 В и токе в 1 А сопротивление равно 15 Ом (15В/1 А=15Ом).

Сопротивление проволоки из хромеля в 15 раз больше, чем сопротивление проволоки из молибдена. Это значит, что удельное сопротивление хромеля больше, чем удельное сопротивление молибдена в 15 раз.

3. Две спирали из хромеля соединяют последовательно. Выставляют напряжение в 15В. Амперметр показывает, что ток через эти две спирали составляет 0, 5А. Отсюда следует, что сопротивление равно 30Ом (15В/0, 5А=30Ом). Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине.

4. Спирали соединяют параллельно. Напряжение вновь 15 В. Ток в цепи равен 2А. Это значит, что сопротивление двух параллельных спиралей составляет 7, 5Ом (15В/2А=7, 5Ом). Сопротивление двух параллельно включенных спиралей оказалось меньше, чем сопротивление одной спирали. Обратите внимание на то, что, когда мы соединяем две спирали параллельно, мы увеличиваем вдвое поперечное сечение проводника. При увеличении поперечного сечения вдвое сопротивление уменьшилось в 2 раза. Значит сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Выводы:

1. Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине.

2. Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Сопротивление проводников объясняется тем, что:

1. При движении электронов между узлами кристаллической решетки происходят соударения, т.к. атомы (ионы) кристаллической решетки колеблются около положения равновесия. Чем выше температура проводника, тем больше амплитуда колебания атомов (ионов), тем больше сопротивление проводника. Это можно показать опытным путем. Лампочку и проводник соединяют последовательно. При нагревании проводника накал лампочки уменьшается, это значит, что сопротивление в цепи возрастает. При остывании проводника накал лампочки увеличивается, что указывает на уменьшение сопротивления цепи.

Рис. 52.

2. Т.к. кристаллическая решетка состоит из ионов, внутри проводника возникает периодическое электрическое поле. Потенциал этого поля тоже изменяется по периодическому закону, поэтому упорядоченное движение электронов нарушается.

Экспериментально установлено, что сопротивление проводников R зависит от температуры по закону:

(46)

где α, β, γ = const.

Опыт 6.2. Зависимость сопротивления от температуры проводника.

Цель: изучить зависимость сопротивления от температуры.

Оборудование:

1. Резистор из железной проволоки

2. Электрическая лампочка

3. Ключ

4. Газовая горелка

Ход работы.

Резистор, изготовленный из железной проволоки, включен в цепь, содержащую электрическую лампочку. При замыкании ключа начинает идти ток, и лампочка загорается. Если внести этот резистор в пламя газовой горелки, то проволока быстро прогревается до красного каления, сопротивление ее резко увеличивается, и лампочка притухает. После того, как резистор вынут из пламени горелки, он быстро охлаждается, и лампа начинает гореть так же, как и в начале.

Вывод: сопротивление проводников зависит от температуры; в частности, у металлических проводников эта зависимость близка к линейной

Рис. 53.

Однако на практике коэффициенты b и g столь малы, что ими пренебрегают. Если выразить эту зависимость графически, то можно заметить, что при абсолютном нуле сопротивление проводников должно упасть до нуля. Однако это далеко не всегда так. В формуле зависимости сопротивления от температуры a называется температурным коэффициентом сопротивления (т.к.с.) и индивидуален для каждого проводника. Для выяснения физического смысла a поступим следующим образом:

 

(47)

(48)

 

Из (48) вычтем (47) и получим . Итак:

(49)

– физическая величина, численно равная относительному изменению сопротивления проводника при изменении его температуры на 1°С.

Сверхпроводимость

В 1911 году Камерлинг - Онессом было открыто явление сверхпроводимости, когда при охлаждении проводника ниже критической температуры его сопротивление практически уменьшалось до нуля. В установке Камерлинг - Онесса в сосуде Дьюара с жидким гелием находился ртутный замкнутый виток, в котором индуцировался электрический ток, затем судили о величине этого тока по интенсивности магнитного поля около сосуда.

Схема опыта Камерлинг – Онесса(Рис. 54)

Рис. 54.

Первая фаза опыта.

Ключ К₁ замкнут, а ключ К₂ – разомкнут. В цепи идет ток.

Вторая фаза опыта.

Отключаем источник тока путем размыкания ключа К₁, при одновременном замыкании ключа К₂. В течение длительного времени фиксируется ток в цепи, погруженной в жидкий гелий.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: