7. Электродвижущая сила. Закон Ома. Правила Кирхгофа.

ЭДС – электродвижущая сила

Для того чтобы через рассматриваемый участок проводника проходил ток I, необходимо поддерживать постоянную разность потенциалов между рассматриваемыми точками проводника.

зарядов вдоль всей цепи. Эта работа совершается за счёт СТОРОННИХ СИЛ – сил неэлектростатического происхождения, действующих на заряды со  стороны источника тока.

Природа сторонних сил может быть различной (кроме неподвижных зарядов) :

1) за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами – в гальванических элементах (батарейках), аккумуляторах,

2) электромагнитной – в генераторах. При этом генераторы могут использовать а) механическую энергию – ГЭС, б) ядерную – АЭС, в) тепловую – ТЭС, г) приливов и отливов – ПЭС, д) ветровую – ВЭС и т.д.

3) использование фотоэффекта – фотоЭДС в калькуляторах и солнечных батареях,

4) пьезоэффект – пьезоЭДС, например, в пьезозажигалках,

5) контактная разность потенциалов – термоЭДС в термопарах и т.д.

Под действием поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, за счёт чего на клеммах источника тока поддерживается разность потенциалов и в цепи течёт ток.

Источник тока характеризуется электродвижущей силой – ЭДС

т.е. ЭДС равна циркуляции вектора напряженности сторонних сил. 

Для замкнутой цепи      Aэл.стат.поля = 0           

НАПРЯЖЕНИЕМ U на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи

 Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, т. е. сторонние силы отсутствуют

Законы Ома

1.    Закон Ома для однородного участка цепи

Однородным называется участок не содержащий ЭДС.

где  ρ -  удельное сопротивление проводника -  сопротивление единицы длины проводника. - коэффициент пропорциональности, характеризующий материал проводника. Наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь.

ℓ - длина проводника; S - площадь поперечного сечения проводника.

Зависимость сопротивления проводника от температуры

где R0 - сопротивление при t=0° С; R- сопротивление при температуре t, α - термический коэффициент сопротивления, показывает как меняется сопротивление проводника при изменении температуры на 1 градус. Для чистых металлов при не 

При определенных температурах (0,14-20К),     называемых «критическими» сопротивление многих металлов (например, Al, Pb, Zn и др.) и их сплавов проводника резко уменьшается до 0 и металл переходит в сверхпроводящее состояние, т. е. металл становится абсолютным проводником. Впервые это явление, названное сверхпроводимостью, обнаружено для ртути. Явление сверхпроводимости объясняется на основе квантовой теории. Практическое использование сверхпроводящих материалов (в обмотках сверхпроводящих магнитов, в системах памяти ЭВМ и др.) затруднено из-за их низких критических температур. В настоящее время обнаружены и активно исследуются керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при температуре выше 100К, так называемые высокотемпературные сверхпроводники - ВТСП.

2.Закон Ома для неоднородного участка цепи

НЕОДНОРОДНЫМ называется участок цепи, содержащий ЭДС.

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Любая точка разветвленной цепи, в которой сходится не менее трех проводников, с током называется УЗЛОМ. При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а выходящий – отрицательный.

Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения заряда (заряд, вошедший в узел, равен вышедшему заряду).

ВТОРОЕ ПРАВИЛО КИРХГОФА: в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов  на сопротивления  соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в контуре.

При расчете сложных цепей постоянного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:

1. Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи; действительное направление токов определяется при решении задачи: если искомый ток получится положительным, то его направление было выбрано правильно, отрицательным — его истинное направление противоположно выбранному.

2. Выбрать направление обхода контура и строго его придерживаться; произведе­ние IR положительно, если ток на данном участке совпадает с направлением обхода, и, наоборот, э.д.с., действующие по выбранному направлению обхода, считаются поло­жительными, против — отрицательными.

3. Записывается первое правило для N -1 узла.

4. Записать второе правило Кирхгофа для замкнутых контуров, которые могут быть выделены в цепи. Каждый рассматриваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержащийся в предыдущих контурах.

Число независимых уравнений, составленных в соответствии с первым  и вторым правилом Кирхгофа, оказывается равным числу различных токов, текущих в разветвленной цепи. Поэтому, если заданы ЭДС и сопротивления для всех неразветвленных участков, то могут быть вычислены все токи.