uabooks.top

Valószínűleg sokan vásároltatok már elemet vagy akkumulátort. A legelterjedtebbekre 1,5 V van írva. Tudjátok-e, hogy mit jelent ez? Ne siessetek a felelettel, amíg el nem olvastátok ezt a paragrafust.

Milyen erőket nevezünk külső erőknek?

Ha a fémhuzal végein potenciálkülönbséget hoznak létre, például ha egyik végéhez a kondenzátor pozitív, a másikhoz a negatív lemezét csatlakoztatják, az F_c Coulomb-féle erők hatására az elektronok irányított mozgásba kezdenek és a vezetőben áram jön létre. Viszont az ilyen áram gyorsan megszűnik (4.1. ábra)

Ahhoz, hogy az áram a vezetőben hosszabb ideig fennmaradjon, az elektronokat valamilyen módon folyamatosan kellene „áthúzni” a negatív töltéssel rendelkező lemezre. Ez a folyamat viszont nem mehet végbe a Coulomb-féle erők hatására, amelyek épp ellenkezőleg, gátolják az elektronok mozgását, mivel az azonos töltések taszítják egymást. Ezért másféle — nem elektrosztatikus (nem Coulomb-féle) - eredetű erőre van szükség.

A töltött részecskékre ható, tetszőleges, nem Coulomb-féle erőket, külső erőknek nevezik.

Külső erők dolgoznak például az áramforrások belsejében (4.2. ábra). A külső erők természete nagyon sokrétű: létrejöhetnek kémiai reakció eredményeként (galvánelemekben és akkumulátorokban), mágneses tér változásakor (elektromágneses generátorokban), fényhatások eredményeként (napelemekben).

Vezető csatlakoztatása az áramforráshoz zárt vonalat hoz létre, amelyet zárt elektromos áramkörnek nevezünk (4.3. ábra). Az áramkör belső szakaszán külső erők „dolgoznak”, amelyek fenntartják az áramforrás pólusain az állandó potenciálkülönbséget. Az áramkör külső szakaszán a Coulomb-féle erők a szabad töltött részecskék irányított áramlását hozzák létre - a fogyasztóban és az összekötő vezetékekben egyenáram folyik.

A külső erők hatása olyan szivattyúhoz hasonlít, amelyik a vizet a nehézségi erővel ellentétes irányba mozgatja, és bizonyos magasságba emeli fel. Viszont lefelé a víz már a nehézségi erő hatására mozog, hasonlóan ahhoz, ahogyan a szabad töltött részecskék a Coulomb-féle erők hatására az áramkör külső szakaszán mozognak (4.4. ábra). Vizsgáljátok meg a 4.4. ábrát! Határozzátok meg az áramforrás, az összekötő huzalok és a fogyasztó mechanikai analógiáját!

2 Elektromotoros erő

A külső erők az áramforrás belsejében a töltések húzogatása során munkát végeznek. A külső erők munkáját az áramforrás fő jellemzője, az elektromotoros erő (EME) jellemzi.

Az áramforrás áf elektromotoros ereje - skaláris fizikai mennyiség, amely az áramforrás energetikai tulajdonságait jellemzi, és egyenlő az A_k külső erőknek a pozitív töltések áramforrásban történő elmozdításakor végzett munkájának és a q töltések értékének az arányával:

Az EME mértékegysége a Sí rendszerben —

volt:

Az áramforrás EME 1 V, ha az áramforrás belsejében ható külső erők 1 J munkát végeznek az egységnyi +1 C pozitív töltés negatív pólustól pozitív pólusig történő elmozdításakor.

Milyen munkát végeztek a külső erők a 4.5. ábrán látható áramforrás belsejében, ha telefonálás közben az áramkörben +5 C töltés mozdult el?

Ohm törvénye a teljes áramkörre

Megvizsgáljuk a legegyszerűbb teljes áramkört (4.6. ábra). A külső szakasza (összekötő vezetékek és izzószál) R ellenállással rendelkezik. Az áramkör belső szakasza (áramforrás) elektromotoros erővel és r ellenállással rendelkezik. Az

áramforrás ellenállását az áramforrás belső ellenállásának nevezik.

Ha az áramkörben az áramerősség I, akkor Joule—Lenz törvénye alapján az áramkör külső és belső szakaszain együttesen t idő alatt bizonyos mennyiségű hő szabadul fel:

Tisztázzuk, honnan keletkezik

ez az energia.

Az áramkörben egyidejűleg a Cou-lomb-féle és külső erők is „munkálkodnak”:

Viszont a Coulomb-féle erők potenciálisak - a zárt körben végzett munkájuk nulla: A_c=0 (az áramkör külső szakaszán a Coulomb-féle erők pozitív, míg a belső szakaszán - negatív munkát végeznek). Tehát az energia kizárólag a külső erők munkájának eredményeként jön létre:

Jegyezzétek meg!

A különböző elektrotechnikai feladat megoldásához az áramforrásokat telepekbe kapcsolják össze.

Az elektromotoros erő megnövelése érdekében a telepekben az áramforrásokat sorosan kapcsolják össze:

n számú azonos á?₀ elektromotoros erővel és r₀ ellenállással rendelkező áramforrás soros kapcsolása esetén a telep EME-je megnövekszik:

Ezzel egy időben megnő a telep belső ellenállása is: r-nr₀, ezért a soros kapcsolást abban az esetben alkalmazzák, amikor az áramforrás belső ellenállása jóval kisebb az áramkör külső ellenállásánál.

Ha az áramforrás belső ellenállása megegyezik az áramkör külső ellenállásával vagy nagyobb annál, akkor a teljes belső ellenállás csökkenthető a telepet alkotó áramforrások párhuzamos összekötésével:

n számú azonos W₀ elektromotoros erővel és r₀ ellenállással rendelkező áramforrás párhuzamos kapcsolása esetén a telep EME-je változatlan marad:

Hogyan kell összekötni az áramforrásokat, hogy egyidejűleg növekedjen az EME és csökkenjen a belső ellenállás? Megjegyezzük, hogy így épül fel az elektromos rája „áramtelepe” is.

ahol

R + r — az áramkör teljes ellenállása. Ebből az egyenlőségből kapjuk meg Ohm törvényét a teljes áramkörre:

A teljes áramkörben az áramerősség az áramforrás elektromotoros erejének és az áramkör teljes ellenállásának az arányával egyenlő:

Mi a rövidzárlat?

Ukrajnában évente közel 40 ezer tűzeset keletkezik, amelyeket gyakran rövidzárlat okoz.

Ha a feszültség alatt lévő áramkör szakaszának pólusaihoz olyan vezetőt kapcsolnak, amelynek ellenállása kisebb a szakasz ellenállásánál, akkor rövidzárlatról beszélünk.

Rövidzárlat létrejöhet abban az esetben, amikor a fogyasztóhoz csatlakoztatott két vezeték szigetelés nélküli része összeér, illetve az áramkör feszültség alatt lévő elemeinek javítása közben (ez életveszélyes!).

Rövidzárlat esetén az áramerősség a sokszorosára növekszik, ami Joule— Lenz törvénye alapján a vezető jelentős felmelegedését eredményezi, és ez tűz keletkezését okozhatja. Ezért kell az elektromos hálózatba biztosítékokat beépíteni!

Kis ellenállású vezeték (R —> 0) hálózatra kapcsolása szintén rövidzárlatot okozhat. Rövidzárlat esetén az áramerősség értéke az adott áramforrás esetén a legnagyobb, és a következő képlettel határozható meg:

ahol Ш’ — az áramforrás elektromotoros ereje; r — belső ellenállása.

Gyakoroljuk a feladatok megoldását!

Feladat. Galvánelem telephez izzót, kapcsolót, amper- és voltmétert csatlakoztattak (lásd a rajzot). Nyitott kapcsoló esetén a voltméter 5,6 V-ot jelzett. Miután zárták az áramkört, a voltméter 4,8 V-ot, az amperméter pedig 0,8 А-t mutatott. Határozzátok meg az áramforrás EME-jét és belső ellenállását, valamint a forrás hatásfokát az adott terhelés mellett! A műszereket tekintsétek ideálisnak!

2) Az EME és az áramforrás belső ellenállása nem függ a terheléstől, ezért, ismerve az EME-t, az áramkörben lévő feszültséget és áramerősséget zárt kapcsoló esetén, valamint alkalmazva a (*) képletet, meghatározzuk az áramforrás belső ellenállását:

3)A hatásfok meghatározása alapján:

a külső erők munkája

az áramforrás belsejében;

az áram munkája az áramkör külső szakaszán.

Ebből következik, hogy:

Az eredmények elemzése. Láthatjuk, hogy az áramforrás hatásfoka függ a terheléstől. Ez valóban így van: a külső ellenállás csökkenésével megnő az áramerősség az áramkörben, tehát megnövekszik a forrásból felszabaduló hőmennyiség, azaz fölöslegesen vész el.

Összegezés

A töltött részecskékre ható, tetszőleges, nem Coulomb-féle erőket külső erőknek nevezik. Az áramforrás belsejében „dolgozva” a külső erők tartják fenn a feszültséget a pólusokon.

Az áramforrás elektromotoros ereje — skaláris fizikai mennyiség, amely az áramforrás energetikai tulajdonságait jellemzi, és egyenlő az Αγ külső erőknek a pozitív töltések áramforrásban történő elmozdításakor végzett munkája

és a q töltések értékének az arányával:

A teljes áramkörben az áramerősség az áramforrás elektromotoros ereje-nek és az áramkör teljes ellenállásának az arányával egyenlő:

ahol

R és r — az áramkör külső és belső szakaszának az ellenállása. Ez az állítás képezi Ohm törvényét a teljes áramkörre.

Ellenőrző kérdések

1. Mit neveznek külső erőknek? 2. Jellemezzétek az elektromotoros erőt mint fizikai mennyiséget! 3. Az energiamegmaradás és Joule-Lenz törvénye, valamint az EME és az áramerősség meghatározása felhasználásával vezessétek le, majd fogalmazzátok meg Ohm törvényét a teljes áramkörre! 4. Mit neveznek rövidzárlatnak? Mondjatok példákat! 5. Hogyan számítható ki a rövidzárlat áramerőssége? 6. Miért, és hogyan függ az áramforrás hatásfoka annak terhelésétől?

4. gyakorlat

Ha külön nincs feltüntetve, hagyjátok figyelmen kívül az összekötő vezetékek ellenállását!

1. 6 V elektromotoros erejű és 2 Ω belső ellenállású áramforráshoz 10 Ω ellenállású rezisztort kapcsoltak. Határozzátok meg: a) az áramerősséget az áramkörben; b) a feszültséget az áramforrás pólusain!

2. 4 V elektromotoros erejű áramforráshoz

ellenállású izzót kapcsoltak, amely az áramkörben 0,4 A erősségű áramot eredményezett. Határozzátok meg az áramforrás belső ellenállását!

Az áramforrás EME-jének és belső ellenállásának a meghatározására áramkört állítottak össze (1. ábra). Amikor mindkét kapcsolót zárták, az amperméter 1,8 А-t mutatott. Miután az egyik kapcsolót nyitották, az amperméter mutatója 1 A-en állt meg. Milyen eredményeket kaptak?

4. Határozzátok meg mindhárom rezisztor teljesítményét (2. ábra) és az áramforrás hatásfokát ennél a terhelésnél, ha az áramforrás EME-je 12 V, belső ellenállása — 6 Ω!

5. Tudjátok meg, milyen az elektromos rája elektromos szervének a felépítése (3. ábra), mekkora EME-t hoz létre, mekkora elektromos töltésének a teljesítménye, áramerőssége és feszültsége kisülés esetén! A kapott adatok felhasználásával állítsatok össze 2-3 feladatot és oldjátok meg azokat!

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev