Теоретическое сведение
Электрическим током называют направленное движение электрических зарядов. Электрический ток принято характеризовать силой тока
Единица измерения силы тока – ампер (А). Если за любые равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковое количество электричества (электрический заряд), то такой ток называют постоянным. Условно за направление электрического тока в проводнике принимают направление движения положительных зарядов (рис. 1, а). Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника
Плотность тока является вектором В 1826 г. экспериментально установлен закон Ома для однородного участка электрической цепи (эл. схема на рис. 1, б или участки ad, dc, cb на рис.1, а), который гласит, что сила тока в однородном проводнике прямо пропорциональна напряжению
Сопротивление проводника зависит от материала, из которого изготовлен проводник, его линейных размеров и формы:
где Если в выражение (4) подставить в закон Ома для однородного участка электрической цепи (3), то получим
Учитывая, что
а также применив формулу (2), уравнение (5) преобразуем в выражение, которое представляет собой закон Ома в дифференциальной форме для однородного участка электрической цепи:
где В виду того, что носители положительного заряда в каждой точке движутся в направлении вектора
Для того, чтобы поддерживать ток в проводнике достаточно длительное время, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом (носители заряда считаем положительными) непрерывно отводить приносимые положительные заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить, т.е. необходимо установить круговорот положительных зарядов, при котором они двигались бы по замкнутой траектории. В замкнутой электрической цепи есть участки, на которых положительные заряды движутся в сторону возрастания потенциала, т.е. против электростатического поля. Перемещение таких зарядов возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними. Природа сторонних сил различная, т.к. их появление обусловлено переменными магнитными полями, а также химическими, диффузионными, световыми процессами, происходящими в источниках тока. Основной характеристикой сторонних сил является их электродвижущая сила (ЭДС) – это физическая величина, численно равная работе сторонних сил
где Если источник тока замкнуть на внешнюю нагрузку, равномерно распределенную по контуру, то потенциал будет падать по линейному закону по мере удаления от положительного электрода батареи (рис. 2). Рис. 2
Превращение энергии электрического тока во внутреннюю вызывает нагревание проводника. Дж. Джоуль и Э. Ленц экспериментально установили, что количество тепла, выделяющегося в проводнике, пропорционально квадрату силы тока в проводнике
Используя закон Джоуля-Ленца, выведен закон Ома для неоднородного участка электрической цепи, в котором учтено действие электростатических и сторонних сил на движущийся положительный заряд. Согласно закону сохранения энергии количество тепла, выделенного в неоднородной электрической цепи (эл. схема на рис. 1, в), равно сумме работы сил электрического поля и работы сторонних сил источника тока:
где
Учитывая, что общее сопротивление на неоднородном участке электрической цепи складывают из внешнего
Принимая во внимание формулу (1), преобразуем выражение в вид:
Сократим полученное выражение на заряд
При использовании этого закона необходимо учитывать правило знаков: направление обхода участка цепи задает индексация потенциалов. ЭДС источника тока
Если цепь замкнута, т.е. На практике ЭДС источника тока Рис. 5
Сущность метода компенсации заключается в том, что измеряемую ЭДС неизвестного источника тока Обозначим величины потенциалов на концах реохорда через
Согласно закону Ома
где Рис. 6
Приравняв выражения (9) и (10) получим
Чтобы не производить для определения неизвестного ЭДС источника тока
В условиях компенсации ток течет только по цепи, включающей потенциометр. При этом сила тока будет одинакова. Разделим равенства (10) на (11), сократив на силу тока
В виду того, что потенциометр изготовлен из однородного провода, электрическое сопротивление которого определяют по формуле (4), можно данную формулу поставить в выражение (12) и найти ЭДС исследуемого источника тока
где Необходимо также учитывать, что нормальные элементы быстро выходят из строя при пропускании через них больших токов, поэтому в цепь гальванометра вводят дополнительное сопротивление
|