А.Н. Матвеев - Электричество и магнетизм (1115536), страница 46
Текст из файла (страница 46)
д. с. состоит не в том, чтобы создавать во всех проводниках непосредственно соответствуюи(ее электрическое поле, а в том, чтобы обеспечить такое распределение поверхностных зарядов на проводниках, которое создает нужное электрическое поле внутри них. А это и обеспечивает существование постоянного тока. Поскольку взаимодействие между зарядами осуществляется посредством электромагнитных сил, процесс образования постоянного тока в цепи после ее замыкания характеризуется скоростью распространения электромагнитных волн, зависящей от распределения емкостей, индухтивностей и других характеристик цепи. В свободном пространстве скорость распространения электромагнитных взаимодействий равна скорости света.
Изменение потенциала вдоль проводника с током. Поскольку в проводнике при наличии постоянного тока Е ф О, потенциал изменяется вдоль проводника, т. е. в отличие от электростатики потенциал не является постоянным во всех точках проводника. Однако ноле внутри проводника создается неподвижными, постоянными но вренени поверхностными зарядами и поэтому так же, как в электростатике, является нотенчиальным. Следовательно, разность потенциалов между двумя точками проводника (рис. 109) по формуле (14.28) равна 202 4. Постоянный электрический ток оп ~р(2) — чг(1) = — ) Е г!1, (25.7) о) где интеграл вычисляется по любому пути, соединяющему точки 1 и 2. Для удобства вычислений целесообразно в качестве пути выбрать одну из линий тока, соединяющих некоторую точку в сечении 1 проводника, с соответствующей точкой в сечении 2.
Вдоль линии тока Е и г1! коллинеарны и поэтому Е.М = Еб), причем положительный знак обусловливается тем, что ток течет в направлении от большего потенциала к меньшему. Кроме того, если площадь сечения проводника постоянна, то вдоль проводника Е = сопки Следовательно (см, (25.7)1, ,р(1) — <р(2) = Е1, (25.8) где ! — длина проводника между сечениями 1 и 2. Разггость потенциалов между сечениями называется напряжением и обозначается П,г — — Чг(1) — ф(2).
Из дифференциальной формулировки закона Ома (/ = 7Е) находим Е = 1)'у = Ф/(78) = 1г'(78), (25.9) где 1 — сила тока. С учетом (25.9) соотношение (25.8) принимает вид 1'!г 11/(у ) 1~~гг (25.10) где йгг = Ц78) — омическое сопРотивление Участка пРоводника. ФоРмУ- ла (25.10) является законом Ома для участка проводника. 8 26.
Сторонние э. д. с. Обсуждается роль сторонних э. д. с. в Челяк тока и описываются конкретные источники сторонних э. д. с. Сущность сторонних э. д. с. Сторонняя электродвижугцая сила ие может иметь электростатического происхождения по той простой причине, что электростатическое поле является потенциальным. Следовательно, работа поля по замкнутому контуру, по которому течет ток, равна нулю, т. е. при этом условии ток не мог бы существовать, поскольку он должен совершать работу для преодоления омического сопротивления проводников.
Существование постоянного тока доказывает, что сторонние электродвижуигие силы имеют неэлектростатвческое происхождение. Сторонняя электродвижущая сила может быть, в частности, механической нлн электрической силой, но не силой электростатического происхождения. Например, такой э. д. с. является сила, действующая на заряд в электрическом поле, возникающем по закону электромагнитной индукции Фарадея (см, гл. 8). б 2б. Стороннис э.дл, 203 Щ еханическая сторонняя э.
д. с. Схема простейшего источника тока, в котором сторонняя э. д. с. имеет механическое происхождение, изображена на рнс. 110. Между электродами А и В имеется нейтральная среда с равным числом положительных и отрицательных зарядов, Сторонняя сила незлектростатического происхождения перемещает положительные заряды к электроду В, а отрицательные — к электроду А. В результате этого электрод А заряжается отрицательно, а электрод  — положительно. Во внешней цепи от В к А течет электрический ток, производящий соответствующую работу.
Необходимая для этого энергия сообщается системе сторонними силами, которые затрачивают работу для разделения зарядов между электродами А и В и доставки этих зарядов на электроды против сил электрического поля с напряженностью Е, существующего между электродами. Ток между электродами А и В внутри источника з.
д. с. замыкает ток во внешней цепи. Если направление тока характеризовать относительно электродов, то во внешней цепи ток течет от положительного электрода к отрицательному, а внутри источника тока — от отрицательного элеклзрода к лолоэкительному. Практической реализацией механической сторонней э. д, с. является электростатическая машина, схема которой показана на рнс. 111. Заряды Д~ и Д создают электростатическое поле в пространстве между ними.
Изолированные друг от друга проводящие пластины С и )У движутся по окружности вокруг осн О под влиянием сторонних механических сил. В положении 1 пластины оказываются соединенными между собой неподвижным проводником 1сплошная линна со стрелками на концах). В результате электростатической нндукпии пластины С и )У в этом положении заряжаются соответственно отрицательно и положительно. При дальнейшем вращении нх контакт с проводником прерывается н в положении 2 пластины изолированы друг от друга, но несут на себе разноименные заряды.
В положении 110 Схема действия сторонних эл.с. мсхзничссхого происхоикспмз В 01Н 1!1 Схема элехзростзтичсской мишины ° Стиранной з. д. с. позыва. ется смла нозлвитросчагнчоского пронсхождоннв, лронзводпщая раздолвнив зародов. Работа, соворщовмаи в ио. ни прн прокождвним злвкгрнчвсиога тока, рвана работе сторонник з. д. с. Плотность посзаинного тока по сечению проводника раслродолвиа, вообще говоря,нвровнонормо. На поворхности проводника с гаком нмвютсл повари ностныв заряды, иилвющмвси исчочникоин злонгричоского полз, югеров стщвствтвт в проводнике и обослочивооч наличие постоянного тока. 204 4.
Постоянный электрический ток 112 11З Элемент Вольта Возникновение резиеети потеи- Киатоэ между твердым телом и жилкостью ф Поверхностные заряды на различных участках проводника когут иметь различные знаки. Роль зарядов на полюсах источника староннюе з. д.
с. состоит нв ° тон, чтобы создавать во все» проводниках непосредственно соответствующее электрическое поле, а в тан, чтобы обеспечить такое распределение по. веркнастнык зарядов на проводниках, которое создает нужное электрическое поле внутри ннх. Обьеиныв заряды возникают лищь в неоднороднык проводниках. 3 они вступают в контакт с электродами А н В, на которые переходит заряд с С н Гх Между электродами по цепи ВСА течет электрический ток. Если имеется одна пара врашаюшнхся проводников С)7, то ток по цепи протекает импульсами, по два импульса за оборот. Если же взять достаточно большое число пар пластин С, Р, чтобы они вступали в контакт с электродами А, В последовательно с ничтожно малыми перерывами, то по внешней цепи течет практически постоянный ток. Такая машина реализует стороннюю э. д. с. механического происхождения, возникаюшую за счет механических сил, обеспечиваюших движение пластин С, )1 по окружности.
Цепь взаимопреврашений энергии здесь выглядит следующим образом. Сторонние механические силы, перемещая пластины С, )), производят работу против сил электрического поля, существующего между зарядами Д', Д, и переносят заряды иа пластинах С, 0 к электродам А, В. В результате этого изменяется энергия электрического поля, т. е. происходит превращение энергии из механической формы в энергию электрического поля. Затем эта энергия в результате протекания тока по цепи ВСА преврашается в джоулеву теплоту и другие формы энергии, обусловленные работой тока во внешней цепи.
Гальванические элементы. Очень распространенными истсчниками постоянного тока являются гальванические элементы н аккумуляторы. Электрический ток был открыт и 1791 г. Л. Гальвани (1737 — 1798). Однако Гальвани не сумел дать правильное толкование своим опытам. Это сделал в 1792 г. А. Вольта (1745-1827). Элементы постоянного тока, о которых идет здесь речь, получили название по имени Гальвани. Разность потенциалов )см. 8 2) возникает не только при контакте твердых тел, но н твердых тел с жидкостями. Прн этом могут происходить химические реакции.
Например, если цинковую пластину Уп опустить в раствор серной кислоты Н2ЯОе, то цинк й 26 Сторонние э.д с. 205 растворяется (рис. 112). Однако в раствор уходят не нейтральные атомы цинка, а положительные ионы Хп' ", в результате чего раствор заряжается положительно, а цинковая шьастина — отрицательно. При этом между раствором и пластиной возникает разность потенциалов. При некотором потенциале металла относительно раствора, называемом электрохнмнческим, переход ионов цинка в раствор прекращается.
Он зависит от свойств металла, жидкости н от концентрации ионов металла в растворе. При контакте металла с водой металл заряжается более отрицательно, чем при контакте металла с раствором соли, содержащим ионы металла. При большой концентрации ионов в растворе может произойти обратный процесс, прн котором положительные ионы начнут осаждаться на металле н он зарядится положительно. Таким образом, нри различных комбинациях металлов, эюидкоетей и концентраций ионов в растворах могут возникать различные электрохимичеекие потенциалы. Поскольху электрохимнческий потенциал зависит от концентрации ионов металла, условились брать раствор, содержащий в 1 л раствора моль ионов металла, деленный на валентность иона. Электрохимический потенциал металла относительно такого раствора называется абсолютным нормальным злектрохимическим потенциалом.
Например, для растворов в серной кислоте этот потенциал для Хп равен — 0,5 В, а для Сп равен +0,6 В. Есин два различных металла погружены в раствор, то между ними возникает разность потенциалов, равная разности их злектрохимических потенциалов. Совокупность двух меоимлов и раствора называется гальваническим зле,иентом, а разность потенциалов лгеледу металлами— электродвиэюущей силой элемента.
'"-йлемент Вольта. Он состоит из медной и цинковой пластинок, погруженных в раствор серной кислоты (рнс. 113). Принимая во внимание элехтрохимические потенциалы цинка и меди, заключаем, что э. д, с. элемента Вольта равна [0,6 — ( — 0,5Ц В = 1,1 В. Область действия сторонних з. д. с, Не следует думать, что сторонние э. д. с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
