Elektromotorna sila, pri ljudeh EMF, kot tudi napetost se meri v voltih, vendar je popolnoma drugačne narave.
EMF v smislu hidravlike
Mislim, da že poznate vodni stolp iz prejšnjega članka o
Predpostavimo, da je stolp popolnoma napolnjen z vodo. Na dnu stolpa smo izvrtali luknjo in vanjo zarezali cev, po kateri teče voda do vaše hiše.
Sosed je hotel zalivati kumare, vi ste se odločili oprati avto, mama je začela prati perilo in voila! Voda je postajala vse manjša in kmalu je popolnoma presahnila ... Kaj se je zgodilo? Stolpu je zmanjkalo vode...
Čas praznjenja stolpa je odvisen od kapacitete samega stolpa, pa tudi od tega, koliko porabnikov bo vodo porabilo.
Enako lahko rečemo o kondenzatorju radijskega elementa:
Recimo, da smo ga polnili iz 1,5 voltne baterije in se je napolnil. Narišimo nabit kondenzator takole:
Toda takoj, ko nanj priključimo obremenitev (naj bo LED obremenitev) z zapiranjem tipke S, bo v prvih delih sekunde LED močno zasvetila, nato pa tiho ugasnila ... in dokler popolnoma ne ugasne . Čas ugasnitve LED bo odvisen od kapacitivnosti kondenzatorja, pa tudi od tega, kakšno obremenitev pritrdimo na napolnjen kondenzator.
Kot sem rekel, je to enako preprostemu napolnjenemu stolpu in porabnikom, ki uporabljajo vodo.
Toda zakaj potem našim stolpom nikoli ne zmanjka vode? Da, ker deluje. črpalka za dovod vode! Od kod ta črpalka črpa vodo? Iz vodnjaka, ki je bil izvrtan za pridobivanje podtalnice. Včasih se imenuje tudi arteški.
Takoj, ko je stolp popolnoma napolnjen z vodo, se črpalka izklopi. V naših vodnih stolpih črpalka vedno vzdržuje najvišji nivo vode.
Torej, spomnimo se, kaj je stres? Po analogiji s hidravliko je to nivo vode v vodnem stolpu. Poln stolp je največji nivo vode, kar pomeni največjo napetost. V stolpu ni vode - ničelna napetost.
EMF električnega toka
Kot se spomnite iz prejšnjih člankov, so molekule vode »elektroni«. Za nastanek električnega toka se morajo elektroni gibati v isto smer. Da pa se premikata v isto smer, morata obstajati napetost in nekakšna obremenitev. To pomeni, da je voda v stolpu napetost, ljudje, ki porabijo vodo za svoje potrebe, pa so breme, saj ustvarjajo tok vode iz cevi, ki se nahaja ob vznožju stolpa. In tok ni nič drugega kot moč toka.
Upoštevati je treba tudi pogoj, da mora biti voda vedno na najvišji ravni, ne glede na to, koliko ljudi jo hkrati porabi za svoje potrebe, sicer bo stolp prazen. Za vodni stolp je to rešilno orodje vodna črpalka. Kaj pa električni tok?
Za električni tok mora obstajati nekakšna sila, ki bi dolgo potiskala elektrone v eno smer. Se pravi, ta sila mora premikati elektrone! Elektromotorna sila! Ja točno! ELEKTROMOTORNA SILA! Lahko ga imenujete skrajšano EMF - E elektro D videnje OD mulj. Meri se v voltih, tako kot napetost, in je označena predvsem s črko E.
Ali to pomeni, da imajo tudi naše baterije takšno »črpalko«? Obstaja in pravilneje bi bilo, da bi jo imenovali "elektronska črpalka"). Ampak tega seveda nihče ne reče. Preprosto pravijo - EMF. Zanima me kje je ta pumpa skrita v akumulatorju? To je preprosto elektrokemična reakcija, zaradi katere se ohranja "nivo vode" v bateriji, potem pa se kljub temu ta črpalka obrabi in napetost v bateriji začne padati, ker "črpalka" nima časa črpati vodo. Na koncu se popolnoma pokvari in napetost na akumulatorju pade skoraj na nič.
Realni vir EMF
Vir električne energije je vir EMF z notranjim uporom R ext. To so lahko poljubne kemične baterije, na primer baterije in akumulatorji.
Njihova notranja struktura v smislu EMF izgleda nekako takole:
Kje E je EMF in R ekst je notranji upor baterije
Kakšne sklepe je torej mogoče potegniti iz tega?
Če se baterija ne oprime nobene obremenitve, kot je žarnica z žarilno nitko itd., bo posledično moč toka v takem vezju enaka nič. Poenostavljen diagram bi bil:
Toda če kljub temu na baterijo pritrdimo žarnico z žarilno nitko, se bo naše vezje sklenilo in v vezju bo stekel tok:
Če narišete graf odvisnosti moči v tokovnem tokokrogu od napetosti na bateriji, potem bo videti takole:
Kakšen je zaključek? Da bi izmerili EMF akumulatorja, moramo le vzeti dober multimeter z visokim vhodnim uporom in izmeriti napetost na sponkah akumulatorja.
Idealen vir EMF
Recimo, da ima naša baterija ničelni notranji upor, potem se izkaže, da je R ext \u003d 0.
Zlahka je uganiti, da bo v tem primeru tudi padec napetosti na ničelnem uporu enak nič. Posledično bo naš graf videti takole:
Kot rezultat smo dobili samo vir EMF. Zato je vir EMF idealen vir energije, pri katerem napetost na sponkah ni odvisna od jakosti toka v vezju. To pomeni, da ne glede na to, kakšno obremenitev bi pritrdili na takšen vir EMF, bo v našem primeru še vedno dajal zahtevano napetost brez padca. Sam vir EMF je označen na naslednji način:
V praksi idealnega vira emf ni.
Vrste EMF
– elektrokemični(EMS baterij in akumulatorjev)
– fotoelektrični učinek(pridobivanje električnega toka iz sončne energije)
– indukcija(generatorji na principu elektromagnetne indukcije)
– Seebeckov učinek ali termoEMF(pojav električnega toka v zaprtem krogu, sestavljenem iz zaporedno povezanih različnih prevodnikov, katerih kontakti so pri različnih temperaturah)
– piezoemf(prejemanje EMF od )
EMF. Številčno se elektromotorna sila meri z delom, ki ga opravi vir električne energije pri prenosu enega samega pozitivnega naboja po zaprtem krogu. Če je vir energije, opravlja delo A, zagotavlja prenos skozi zaprt krog polnjenja q, potem njegova elektromotorna sila ( E) bo enako
Enota SI za elektromotorno silo je volt (v). Vir električne energije ima emf 1 volt, če se pri premikanju skozi celoten zaprt krog naboja 1 kulona opravi delo enako 1 džulu. Fizikalna narava elektromotornih sil v različnih virih je zelo različna.
samoindukcija- pojav indukcije EMF v zaprtem prevodnem tokokrogu, ko se spremeni tok, ki teče skozi tokokrog. Ko se tok spremeni jaz v tokokrogu se sorazmerno spreminja tudi magnetni pretok B skozi površino, ki jo omejuje ta kontura. Sprememba tega magnetnega pretoka zaradi zakona elektromagnetne indukcije povzroči vzbujanje induktivne emf v tem vezju E. Ta pojav imenujemo samoindukcija.
Koncept je povezan s konceptom medsebojne indukcije, saj je njen poseben primer.
Moč. Moč je opravljeno delo na časovno enoto Moč je opravljeno delo na časovno enoto, to je za prenos naboja na el. vezje ali v zaprtem vezju porabi energijo, ki je enaka A \u003d U * Q, ker je količina električne energije enaka zmnožku jakosti toka, potem Q \u003d I * t, sledi A \u003d U * I * t. P=A/t=U*Q/t=U*I=I*t*R=P=U*I(I)
1W=1000mV, 1kW=1000V, formula bilance moči Pr=Pp+Po. Moč pr-generatorja (EMF)
Pr=E*I, Pp=I*U uporabna moč, to je moč, ki se porabi brez izgube. Po=I^2*R-izgubljena moč. Da bi vezje delovalo, je potrebno vzdrževati ravnovesje moči v električnem vezju.
12.Ohmov zakon za odsek vezja.
Jakost toka v odseku vezja je neposredno sorazmerna z napetostjo na koncih tega prevodnika in obratno sorazmerna z njegovim uporom:
I=U/R;
1)U=I*R, 2)R=U/R
13.Ohmov zakon za popolno vezje.
Jakost toka v vezju je sorazmerna z EMF, ki deluje v vezju, in obratno sorazmerna z vsoto uporov vezja in notranjega upora vira.
EMF vira napetosti (V), - tok v vezju (A), - upornost vseh zunanjih elementov vezja (Ohm), - notranji upor vira napetosti (Ohm) .1) E \u003d I (R + r)? 2)R+r=E/I
14.Zaporedna, vzporedna vezava uporov, ekvivalentni upor. Porazdelitev tokov in napetosti.
Pri zaporedni povezavi
več uporov konec prvega upor povezan z začetkom drugega, konec drugega - z začetkom tretjega itd. S tako povezavo prehaja skozi vse elemente serijskega vezja
isti tok I.
Ue=U1+U2+U3. Zato je napetost U na sponkah vira enaka vsoti napetosti na vsakem zaporedno vezanem uporu.
Re=R1+R2+R3, Ie=I1=I2=I3, Ue=U1+U2+U3.
Pri zaporedni povezavi se upor vezja poveča.
Vzporedna vezava uporov. Vzporedna vezava uporov je taka vezava, pri kateri so začetki uporov povezani z enim priključkom vira, konci pa z drugim priključkom.
Skupni upor vzporedno povezanih uporov je določen s formulo
Skupni upor vzporedno povezanih uporov je vedno manjši od najmanjšega upora, vključenega v to povezavo.
ko so upori povezani vzporedno, so napetosti med njimi enake. Ue=U1=U2=U3 V vezje teče tok I, iz njega pa izhajajo tokovi I 1, I 2, I 3. Ker se gibljivi električni naboji ne kopičijo v točki, je očitno, da je skupni naboj, ki teče do točke razvejanja, enak celotnemu naboju, ki teče stran od nje: Ie=I1+I2+I3 Zato lahko tretjo lastnost vzporedne povezave formuliramo na naslednji način: Velikost toka v nerazvejanem delu vezja je enaka vsoti tokov v vzporednih vejah. Za dva vzporedna upora:
Električni tokokrog sestoji iz tokovnega vira, porabnikov električne energije, povezovalnih vodnikov in ključa, ki služi za odpiranje in zapiranje tokokroga ter drugih elementov (slika 1).
Imenujejo se risbe, ki prikazujejo, kako povezati električne naprave v vezju električni diagrami. Naprave na diagramih so označene s konvencionalnimi znaki.
Kot smo že omenili, je za vzdrževanje električnega toka v vezju potrebno, da na njegovih koncih (slika 2) obstaja konstantna potencialna razlika φ A- φ b. Naj na začetku φ A > φ B, potem prenos pozitivnega naboja q iz točke AMPAK točno AT bo povzročilo zmanjšanje potencialne razlike med njima. Da bi ohranili konstantno potencialno razliko, je potrebno prenesti popolnoma enak naboj iz B v A. Če v smeri AMPAK → AT naboji se premikajo pod delovanjem sil elektrostatičnega polja, nato v smeri AT → AMPAK gibanje nabojev poteka proti silam elektrostatičnega polja, tj. pod delovanjem sil neelektrostatične narave, tako imenovanih tretjih sil. Ta pogoj je izpolnjen v viru toka, ki podpira gibanje električnih nabojev. V večini trenutnih virov se premikajo samo elektroni, v galvanskih celicah - ioni obeh znakov.
Viri električnega toka so lahko različni po svoji zasnovi, vendar v vsakem od njih poteka delo za ločevanje pozitivno in negativno nabitih delcev. Ločitev nabojev se zgodi pod dejanjem zunanje sile. Sile tretjih oseb delujejo le znotraj tokovnega vira in so lahko posledica kemičnih procesov (baterije, galvanski členi), delovanja svetlobe (fotocelice), spreminjanja magnetnih polj (generatorji) itd.
Za vsak vir toka je značilna elektromotorna sila - EMF.
elektromotorna sila ε vir toka je fizikalna skalarna količina, ki je enaka delu zunanjih sil za premikanje enote pozitivnega naboja vzdolž sklenjenega tokokroga
Enota SI za elektromotorno silo je volt (V).
EMF je energetska značilnost tokovnega vira.
V tokovnem viru med delom na ločevanju nabitih delcev pride do transformacije mehanskih, svetlobnih, notranjih itd. energije v elektriko. Ločeni delci se kopičijo na polih tokovnega vira (mesta, na katera so porabniki priključeni s sponkami ali sponkami). En pol tokovnega vira je nabit pozitivno, drugi pa negativno. Med poloma tokovnega vira nastane elektrostatično polje. Če sta poli tokovnega vira povezani z vodnikom, potem v takem električnem tokokrogu nastane električni tok. V tem primeru se narava polja spremeni, preneha biti elektrostatična.
Slika 3 shematično prikazuje negativni priključek tokovnega vira in odsek konca kovinske žice, ki je nanj pritrjen v obliki sferičnega vodnika. Črtkana črta prikazuje nekaj črt poljske jakosti terminala, preden je žica vstavljena vanj, puščice pa kažejo sile, ki delujejo na proste elektrone žice, ki se nahajajo na točkah, označenih s številkami. Elektroni na različnih točkah preseka žice pod delovanjem Coulombovih sil končnega polja pridobijo gibanje ne le vzdolž osi žice. Na primer, elektron, ki se nahaja v točki 1 , se vključuje v »aktualno« gibanje. Toda blizu točk 2, 3, 4, 5 elektroni se lahko kopičijo na površini žice. Poleg tega površinska porazdelitev elektronov po dolžini žice ne bo enakomerna. Zato bo povezava žice s priključkom tokovnega vira povzročila premikanje nekaterih elektronov vzdolž žice in kopičenje elektronov na površini. Neenakomerna porazdelitev elektronov na njegovi površini zagotavlja neekvipotencialnost te površine, prisotnost komponent električne poljske jakosti, usmerjene vzdolž površine prevodnika. To je polje prerazporejenih elektronov samega prevodnika in zagotavlja urejeno gibanje drugih elektronov. Če se porazdelitev elektronov po površini prevodnika s časom ne spremeni, se imenuje takšno polje stacionarno električno polje. Tako glavno vlogo pri ustvarjanju stacionarnega električnega polja igrajo naboji, ki se nahajajo na polih tokovnega vira. Ko je električni tokokrog zaprt, medsebojno delovanje teh nabojev s prostimi naboji prevodnika vodi do pojava nekompenziranih površinskih nabojev na celotni površini prevodnika. Ti naboji ustvarjajo stacionarno električno polje znotraj prevodnika po vsej njegovi dolžini. To polje znotraj prevodnika je enakomerno, napetostne črte pa so usmerjene vzdolž osi prevodnika (slika 4). Postopek vzpostavitve električnega polja vzdolž prevodnika poteka s hitrostjo c≈ 3 10 8 m/s.
Tako kot elektrostatično polje je potencialno. Toda med temi področji obstajajo pomembne razlike:
1. elektrostatično polje - polje stalnih nabojev. Vir stacionarnega električnega polja so gibljivi naboji, skupno število nabojev in vzorec njihove porazdelitve v določenem prostoru pa se s časom ne spreminjata;
2. Zunaj prevodnika obstaja elektrostatično polje. Jakost elektrostatičnega polja je znotraj volumna prevodnika vedno enaka 0, na vsaki točki zunanje površine prevodnika pa je usmerjena pravokotno na to površino. Stacionarno električno polje obstaja zunaj in znotraj prevodnika. Jakost mirujočega električnega polja znotraj prostornine prevodnika ni enaka nič, na površini in znotraj prostornine pa so komponente jakosti, ki niso pravokotne na površino prevodnika;
3. potenciali različnih točk vodnika, skozi katere teče enosmerni tok, so različni (površina in prostornina vodnika nista ekvipotencialna). Potenciali vseh točk na površini vodnika v elektrostatičnem polju so enaki (površina in prostornina prevodnika sta ekvipotencialna);
4. Elektrostatičnega polja ne spremlja pojav magnetnega polja, stacionarno električno polje pa spremlja njegov pojav in je z njim neločljivo povezano.
Teme kodifikatorja USE: elektromotorna sila, notranji upor tokovnega vira, Ohmov zakon za celoten električni krog.
Do sedaj smo pri študiju električnega toka obravnavali usmerjeno gibanje prostih nabojev v zunanje vezje, to je v vodnikih, priključenih na sponke tokovnega vira.
Kot vemo, pozitivni naboj:
Gre v zunanje vezje s pozitivnega priključka vira;
Premika se v zunanjem tokokrogu pod vplivom mirujočega električnega polja, ki ga ustvarjajo drugi gibljivi naboji;
Pride do negativnega terminala vira in zaključi svojo pot v zunanjem tokokrogu.
Zdaj mora naš pozitivni naboj zapreti svojo pot in se vrniti na pozitivni terminal. Da bi to naredil, mora premagati zadnji segment poti - znotraj tokovnega vira od negativnega terminala do pozitivnega. Toda pomislite: on sploh noče iti tja! Negativni terminal ga privlači k sebi, pozitivni terminal ga odbija od sebe in posledično na naš naboj znotraj vira deluje električna sila, usmerjena proti gibanje naboja (tj. v nasprotni smeri toka).
sila tretje osebe
Vendar tok teče skozi vezje; zato obstaja sila, ki "vleče" naboj skozi vir kljub nasprotovanju električnega polja sponk (slika 1).
riž. 1. Moč tretje osebe
Ta sila se imenuje zunanja sila; Zahvaljujoč njej deluje trenutni vir. Zunanja sila nima nobene zveze s stacionarnim električnim poljem – rečeno je, da ima neelektrični izvor; pri baterijah na primer nastane zaradi poteka ustreznih kemičnih reakcij.
Označimo z delom zunanje sile, da premakne pozitivni naboj q znotraj tokovnega vira z negativnega pola na pozitivni. To delo je pozitivno, saj smer zunanje sile sovpada s smerjo gibanja naboja. Imenuje se tudi delo zunanje sile delovanje tokovnega vira.
V zunanjem vezju ni zunanje sile, zato je delo zunanje sile za premikanje naboja v zunanjem vezju enako nič. Zato se delo zunanje sile pri premikanju naboja po celotnem vezju zmanjša na delo premikanja tega naboja samo znotraj tokovnega vira. Tako je to tudi delo zunanje sile pri premikanju naboja v celotni verigi.
Vidimo, da je zunanja sila nepotencialna - njeno delo pri premikanju naboja po zaprti poti ni enako nič. Prav ta nepotencialnost zagotavlja kroženje električnega toka; potencialno električno polje, kot smo rekli prej, ne more podpirati konstantnega toka.
Izkušnje kažejo, da je delo premo sorazmerno s premikanim nabojem. Zato razmerje ni več odvisno od naboja in je kvantitativna značilnost tokovnega vira. To razmerje je označeno z:
(1)
Ta vrednost se imenuje elektromotorna sila(EMF) vir toka. Kot lahko vidite, se EMF meri v voltih (V), zato je ime "elektromotorna sila" zelo neposrečeno. Vendar je že dolgo zakoreninjen, zato se morate s tem sprijazniti.
Ko na bateriji vidite napis: "1,5 V", vedite, da je to ravno EMF. Ali je ta vrednost enaka napetosti, ki jo ustvari baterija v zunanjem tokokrogu? Izkazalo se je, da ne! Zdaj bomo razumeli, zakaj.
Ohmov zakon za popolno vezje
Vsak trenutni vir ima svoj upor, ki se imenuje notranji upor ta vir. Tako ima tokovni vir dve pomembni značilnosti: EMF in notranji upor.
Naj bo tokovni vir z EMF enak in notranji upor povezan z uporom (ki se v tem primeru imenuje zunanji upor, oz zunanja obremenitev, oz tovor). Vse to skupaj se imenuje popolna veriga(slika 2).
riž. 2. Celotna veriga
Naša naloga je najti tok v vezju in napetost na uporu.
Sčasoma gre naboj skozi vezje. Po formuli (1) tokovni vir opravi delo:
(2)
Ker je jakost toka konstantna, se delo vira v celoti pretvori v toploto, ki se sprošča na uporih in. Ta količina toplote je določena z Joule-Lenzovim zakonom:
(3)
Torej, , in enačimo desne dele formul (2) in (3):
Po zmanjšanju na dobimo:
Tako smo našli tok v vezju:
(4)
Formula (4) se imenuje Ohmov zakon za popolno vezje.
Če izvorne sponke povežete z žico zanemarljivega upora, potem dobite kratek stik. V tem primeru bo največji tok tekel skozi vir - tok kratkega stika:
Zaradi majhnosti notranjega upora je lahko kratkostični tok zelo velik. Na primer, baterija svinčnika se hkrati segreje, tako da vam opeče roke.
Če poznamo jakost toka (formula (4)), lahko poiščemo napetost na uporu z uporabo Ohmovega zakona za odsek vezja:
(5)
Ta napetost je potencialna razlika med točkama in (slika 2). Potencial točke je enak potencialu pozitivnega terminala vira; potencial točke je enak potencialu negativnega terminala. Zato se imenuje tudi stres (5). napetost na izvornih sponkah.
Iz formule (5) vidimo, kaj se bo zgodilo v resničnem vezju - navsezadnje je pomnoženo z ulomkom, manjšim od ena. Toda obstajata dva primera, ko.
1. Idealen vir toka. To je ime vira z ničelnim notranjim uporom. Pri daje formula (5) .
2. Odprto vezje. Upoštevajte sam tokovni vir, zunaj električnega tokokroga. V tem primeru lahko domnevamo, da je zunanji upor neskončno velik: . Potem se vrednost ne razlikuje od , formula (5) pa nam spet daje .
Pomen tega rezultata je preprost: če vir ni priključen na vezje, bo voltmeter, priključen na poli vira, pokazal svoj EMF.
Učinkovitost električnega tokokroga
Ni težko razumeti, zakaj se upor imenuje tovor. Predstavljajte si, da je žarnica. Toplota, ki jo ustvari žarnica, je uporaben, saj zaradi te toplote žarnica izpolnjuje svoj namen – daje svetlobo.
Označimo količino toplote, ki se sprosti na tovoru v času.
Če je tok v tokokrogu , potem
Določena količina toplote se sprosti tudi pri trenutnem viru:
Skupna količina toplote, sproščene v tokokrogu, je:
Učinkovitost električnega tokokroga je razmerje med koristno toploto in skupno:
Učinkovitost vezja je enaka enotnosti le, če je vir toka idealen.
Ohmov zakon za heterogeno območje
Ohmov preprost zakon velja za tako imenovani homogeni odsek vezja - to je odsek, na katerem ni tokovnih virov. Sedaj bomo dobili splošnejše relacije, iz katerih sledita Ohmov zakon za homogeni odsek in zgoraj dobljeni Ohmov zakon za celotno verigo.
Odsek vezja se imenuje heterogenače ima vir toka. Z drugimi besedami, nehomogen odsek je odsek z EMF.
Na sl. 3 prikazuje nehomogen odsek, ki vsebuje upor in tokovni vir. EMF vira je , njegov notranji upor se šteje za nič (če je notranji upor vira , lahko preprosto zamenjate upor z uporom ).
riž. 3. EMF "pomaga" toku:
Jakost toka v odseku je enaka, tok teče od točke do točke. Ta tok ni nujno posledica enega vira. Obravnavano območje je praviloma del vezja (ni prikazano na sliki), v tem vezju pa so lahko prisotni drugi viri toka. Zato je tok rezultat kumulativnega delovanja vse vire v vezju.
Naj bodo potenciali točk in enaki oz. Še enkrat poudarjamo, da govorimo o potencialu stacionarnega električnega polja, ki nastane zaradi delovanja vseh virov vezja - ne samo vira, ki pripada temu odseku, ampak tudi, morda, na voljo zunaj tega odseka.
Napetost na našem območju je: Sčasoma gre naboj skozi odsek, medtem ko stacionarno električno polje opravi delo:
Poleg tega pozitivno delo opravi trenutni vir (navsezadnje je naboj prešel skozi njega!):
Jakost toka je konstantna, zato se celotno delo za napredovanje naboja, ki ga na mestu izvaja stacionarno električno polje in sile zunanjega vira, popolnoma pretvori v toploto:.
Tu nadomestimo izraze za in Joule–Lenzov zakon:
Zmanjšanje za , dobimo Ohmov zakon za nehomogen odsek vezja:
(6)
ali kar je isto:
(7)
Bodite pozorni na znak plus pred njim. Razlog za to smo že navedli - trenutni vir v tem primeru deluje pozitivno delo, "vleče" naboj v sebi od negativnega terminala do pozitivnega. Preprosto povedano, vir "pomaga" toku toka od točke do točke.
Opazimo dve posledici izpeljanih formul (6) in (7).
1. Če je mesto homogeno, potem . Nato iz formule (6) dobimo - Ohmov zakon za homogeni odsek verige.
2. Recimo, da ima tokovni vir notranji upor. To je, kot smo že omenili, enakovredno zamenjavi z:
Zdaj pa zaključimo naš razdelek s povezovanjem točk in . Dobimo celotno verigo, obravnavano zgoraj. V tem primeru se izkaže, da se bo prejšnja formula spremenila tudi v Ohmov zakon za celotno verigo:
Tako Ohmov zakon za homogeni odsek in Ohmov zakon za celotno vezje sledita Ohmovemu zakonu za nehomogen odsek.
Lahko pride do drugega primera povezave, ko vir "preprečuje" pretok toka skozi odsek. Takšna situacija je prikazana na sl. štiri . Tu je tok, ki prihaja od do, usmerjen proti delovanju zunanjih sil vira.
riž. 4. EMF "moti" tok:
Kako je to mogoče? Zelo preprosto je: drugi viri, ki so na voljo v vezju zunaj obravnavanega odseka, "preglasijo" vir v odseku in prisilijo tok, da teče proti. Točno to se zgodi, ko daš telefon na polnjenje: adapter, priključen na vtičnico, povzroči gibanje nabojev proti zunanjim silam baterije telefona in s tem se baterija napolni!
Kaj se bo zdaj spremenilo pri izpeljavi naših formul? Samo ena stvar - delo zunanjih sil bo postalo negativno:
Potem bo imel Ohmov zakon za nehomogen odsek obliko:
(8)
kjer je, kot prej, napetost na odseku.
Sestavimo formuli (7) in (8) in zapišimo Ohmov zakon za odsek z EMF takole:
Tok teče od točke do točke. Če smer toka sovpada s smerjo zunanjih sil, potem je spredaj postavljen "plus"; če sta ti smeri nasprotni, se postavi "minus".
V gradivu bomo razumeli koncept indukcije EMF v situacijah njegovega pojava. Induktivnost obravnavamo tudi kot ključni parameter za pojav magnetnega pretoka, ko se v prevodniku pojavi električno polje.
Elektromagnetna indukcija je ustvarjanje električnega toka s pomočjo magnetnih polj, ki se spreminjajo skozi čas. Zahvaljujoč odkritjem Faradaya in Lenza so bili vzorci oblikovani v zakone, ki so uvedli simetrijo v razumevanje elektromagnetnih tokov. Maxwellova teorija je združila znanje o električnem toku in magnetnih tokovih. Zahvaljujoč odkritju Hertza je človeštvo spoznalo telekomunikacije.
Okrog vodnika z električnim tokom se pojavi elektromagnetno polje, vzporedno pa se pojavi tudi nasprotni pojav - elektromagnetna indukcija. Upoštevajte magnetni tok kot primer: če okvir prevodnika postavimo v električno polje z indukcijo in ga premikamo od zgoraj navzdol vzdolž silnic magnetnega polja ali v desno ali levo pravokotno nanje, potem bo magnetni tok, ki poteka skozi okvir, enak konstantna.
Ko se okvir vrti okoli svoje osi, se čez nekaj časa magnetni tok spremeni za določeno količino. Posledično se v okvirju pojavi EMF indukcije in pojavi se električni tok, ki se imenuje indukcija.
EMF indukcija
Podrobno preučimo, kaj je koncept EMF indukcije. Ko je vodnik postavljen v magnetno polje in se premika s presečiščem silnic polja, se v prevodniku pojavi elektromotorna sila, imenovana indukcijska EMF. Do tega pride tudi, če prevodnik miruje, magnetno polje pa se premika in seka s silnicami prevodnika.
Ko se vodnik, kjer se pojavi emf, zapre na zunanji tokokrog, zaradi prisotnosti te emf začne skozi tokokrog teči indukcijski tok. Elektromagnetna indukcija vključuje pojav indukcije EMF v prevodniku v trenutku, ko ga prečkajo magnetne silnice.
Elektromagnetna indukcija je obratni proces pretvorbe mehanske energije v električni tok. Ta koncept in njegovi zakoni se pogosto uporabljajo v elektrotehniki, večina električnih strojev temelji na tem pojavu.
Faradayev in Lenzov zakon
Zakoni Faradayja in Lenza odražajo vzorce pojavljanja elektromagnetne indukcije.
Faraday je ugotovil, da se magnetni učinki pojavijo kot posledica sprememb v magnetnem toku skozi čas. V trenutku prečkanja vodnika z izmeničnim magnetnim tokom se v njem pojavi elektromotorna sila, ki vodi do pojava električnega toka. Tako trajni magnet kot elektromagnet lahko ustvarjata tok.
Znanstvenik je ugotovil, da se jakost toka poveča s hitro spremembo števila silnic, ki prečkajo vezje. To pomeni, da je EMF elektromagnetne indukcije neposredno sorazmeren s hitrostjo magnetnega toka.
Po Faradayevem zakonu so formule indukcijskega EMF definirane na naslednji način:
Znak minus označuje razmerje med polarnostjo inducirane emf, smerjo toka in spreminjajočo se hitrostjo.
Po Lenzovem zakonu je mogoče karakterizirati elektromotorno silo glede na njeno smer. Vsaka sprememba magnetnega pretoka v tuljavi vodi do pojava EMF indukcije, s hitro spremembo pa opazimo naraščajoč EMF.
Če ima tuljava, kjer je EMF indukcije, kratek stik z zunanjim tokokrogom, potem skozi njo teče indukcijski tok, zaradi česar se okoli prevodnika pojavi magnetno polje in tuljava pridobi lastnosti solenoida . Posledično se okoli tuljave oblikuje magnetno polje.
E.Kh. Lenz je vzpostavil vzorec, po katerem se določata smer indukcijskega toka v tuljavi in indukcijski EMF. Zakon določa, da indukcijski EMF v tuljavi, ko se spremeni magnetni tok, tvori usmerjen tok v tuljavi, v katerem dani magnetni tok tuljave omogoča izogibanje spremembam zunanjega magnetnega toka.
Lenzov zakon velja za vse situacije indukcije električnega toka v prevodnikih, ne glede na njihovo konfiguracijo in način spreminjanja zunanjega magnetnega polja.
Gibanje žice v magnetnem polju
Vrednost inducirane emf se določi glede na dolžino prevodnika, ki ga prečkajo silnice polja. Z večjim številom poljskih črt se poveča vrednost inducirane emf. S povečanjem magnetnega polja in indukcije se v prevodniku pojavi večja vrednost EMF. Tako je vrednost EMF indukcije v prevodniku, ki se giblje v magnetnem polju, neposredno odvisna od indukcije magnetnega polja, dolžine prevodnika in hitrosti njegovega gibanja.
Ta odvisnost se odraža v formuli E = Blv, kjer je E indukcijska emf; B - vrednost magnetne indukcije; I - dolžina prevodnika; v je hitrost njegovega gibanja.
Upoštevajte, da se v prevodniku, ki se giblje v magnetnem polju, indukcijski EMF pojavi šele, ko prečka magnetne silnice. Če se prevodnik giblje vzdolž silnice, se ne inducira EMF. Iz tega razloga formula velja samo v primerih, ko je gibanje prevodnika usmerjeno pravokotno na silnice.
Smer induciranega EMF in električnega toka v prevodniku je določena s smerjo gibanja samega prevodnika. Za določitev smeri je bilo razvito pravilo desne roke. Če držite dlan desne roke tako, da poljske črte vstopijo v njeno smer, palec pa kaže smer gibanja prevodnika, potem preostali štirje prsti kažejo smer inducirane emf in smer električnega toka. v dirigentu.
Vrtljiva tuljava
Delovanje generatorja električnega toka temelji na vrtenju tuljave v magnetnem toku, kjer je določeno število ovojev. EMF se inducira v električnem tokokrogu vedno, ko ga prečka magnetni tok, ki temelji na formuli magnetnega pretoka Ф \u003d B x S x cos α (magnetna indukcija, pomnožena s površino, skozi katero prehaja magnetni tok, in kosinus kota, ki ga tvorita smerni vektor in pravokotne ravninske črte).
Po formuli na F vplivajo spremembe situacij:
- ko se spremeni magnetni tok, se spremeni vektor smeri;
- območje, zaprto v konturi, se spremeni;
- spremembe kota.
Dovoljeno je inducirati EMF s stacionarnim magnetom ali konstantnim tokom, vendar preprosto, ko se tuljava vrti okoli svoje osi znotraj magnetnega polja. V tem primeru se magnetni tok spreminja s spremembo kota. Tuljava v procesu vrtenja prečka črte sile magnetnega pretoka, posledično se pojavi EMF. Pri enakomernem vrtenju se pojavi periodična sprememba magnetnega pretoka. Tudi število poljskih črt, ki se prečkajo vsako sekundo, postane enako vrednostim v rednih intervalih.
V praksi pri generatorjih izmeničnega toka tuljava miruje, elektromagnet pa se vrti okoli nje.
EMF samoindukcija
Ko skozi tuljavo teče izmenični električni tok, nastane izmenično magnetno polje, za katerega je značilno spreminjanje magnetnega toka, ki inducira EMF. Ta pojav imenujemo samoindukcija.
Zaradi dejstva, da je magnetni tok sorazmeren z jakostjo električnega toka, je formula EMF samoindukcije videti takole:
Ф = L x I, kjer je L induktivnost, ki se meri v H. Njegova vrednost je določena s številom zavojev na enoto dolžine in vrednostjo njihovega preseka.
Medsebojna indukcija
Ko sta dve tuljavi nameščeni ena poleg druge, opazujeta EMF medsebojne indukcije, ki je določena s konfiguracijo obeh tokokrogov in njuno medsebojno orientacijo. Z naraščajočo ločitvijo tokokrogov se vrednost medsebojne induktivnosti zmanjšuje, saj se zmanjša skupni magnetni pretok za obe tuljavi.
Podrobneje razmislimo o procesu nastanka medsebojne indukcije. Tuljavi sta dve, skozi žico ene z N1 ovoji teče tok I1, ki ustvarja magnetni tok in gre skozi drugo tuljavo z N2 ovojev.
Vrednost medsebojne induktivnosti druge tuljave glede na prvo:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Vrednost magnetnega pretoka:
F21 = (M21/N2) x I1.
Inducirana emf se izračuna po formuli:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
V prvi tuljavi je vrednost inducirane emf:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Pomembno je vedeti, da je elektromotorna sila, ki jo povzroči medsebojna induktivnost v eni od tuljav, v vsakem primeru premo sorazmerna s spremembo električnega toka v drugi tuljavi.
Potem velja, da je medsebojna induktivnost enaka:
M12 = M21 = M.
Posledično je E1 = - M x dI2/dt in E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), kjer je K sklopitveni koeficient med dvema vrednostma induktivnosti.
Medsebojna induktivnost se pogosto uporablja v transformatorjih, ki omogočajo spreminjanje vrednosti izmeničnega električnega toka. Naprava je par tuljav, ki sta navita na skupno jedro. Tok v prvi tuljavi tvori spreminjajoči se magnetni tok v magnetnem krogu in tok v drugi tuljavi. Z manj obrati v prvi tuljavi kot v drugi se napetost poveča in s tem z večjim številom ovojev v prvem navitju se napetost zmanjša.
Poleg ustvarjanja in transformacije električne energije se pojav magnetne indukcije uporablja v drugih napravah. Na primer pri vlakih z magnetno levitacijo, ki se premikajo brez neposrednega stika s tokom v tirnicah, vendar nekaj centimetrov višje zaradi elektromagnetnega odbijanja.
