Dalam fisika, konsep gaya gerak listrik(disingkat - EMF) digunakan sebagai karakteristik energi utama dari sumber arus.

Gaya gerak listrik (EMF)

Gaya gerak listrik (EMF) - kemampuan sumber energi untuk menciptakan dan mempertahankan perbedaan potensial pada klem.

EMF- diukur dalam volt

Tegangan pada terminal sumber selalu lebih kecil EMF oleh jatuh tegangan.

Gaya gerak listrik

U RH = E – U R0

U RH adalah tegangan pada terminal sumber. Diukur dengan sirkuit eksternal tertutup.

E - EMF - diukur di pabrik.

Gaya gerak listrik (EMF) adalah besaran fisis, yang sama dengan hasil bagi pembagian kerja yang, ketika memindahkan muatan listrik, dilakukan oleh gaya eksternal dalam rangkaian tertutup, terhadap muatan itu sendiri.

Perlu dicatat bahwa gaya gerak listrik dalam sumber arus juga terjadi tanpa adanya arus itu sendiri, yaitu ketika rangkaian terbuka. Situasi ini biasanya disebut "menganggur", dan nilainya sendiri EMF ketika sama dengan perbedaan potensial yang tersedia di terminal sumber arus.

Gaya gerak listrik kimia

Bahan kimia gaya gerak listrik hadir dalam baterai, baterai galvanik dalam proses korosi. Bergantung pada prinsip di mana pengoperasian sumber daya tertentu dibangun, mereka disebut baterai atau sel galvanik.

Salah satu karakteristik pembeda utama sel galvanik adalah bahwa sumber arus ini, dapat dikatakan, sekali pakai. Selama fungsinya, zat aktif yang melepaskan energi listrik, sebagai akibat dari reaksi kimia, meluruh hampir sepenuhnya. Itu sebabnya jika sel galvanik benar-benar habis, maka tidak mungkin lagi menggunakannya sebagai sumber arus.

Tidak seperti sel galvanik, baterai dapat digunakan kembali. Hal ini dimungkinkan karena reaksi kimia yang berlangsung di dalamnya bersifat reversibel.

gaya gerak listrik elektromagnetik

elektromagnetik EMF terjadi selama pengoperasian perangkat seperti dinamo, motor listrik, tersedak, transformator, dll.

Esensinya adalah sebagai berikut: ketika konduktor ditempatkan dalam medan magnet dan mereka dipindahkan di dalamnya sedemikian rupa sehingga garis gaya magnet berpotongan, bimbingan terjadi. EMF. Jika rangkaian ditutup, maka arus listrik terjadi di dalamnya.

Dalam fisika, fenomena yang dijelaskan di atas disebut induksi elektromagnetik. gaya gerak listrik, yang diinduksi dalam hal ini, disebut EMF induksi.

Perlu dicatat bahwa menunjuk EMF Induksi terjadi tidak hanya dalam kasus-kasus ketika konduktor bergerak dalam medan magnet, tetapi juga ketika tetap diam, tetapi pada saat yang sama besarnya medan magnet itu sendiri berubah.

Gaya gerak listrik fotolistrik

Varietas ini gaya gerak listrik terjadi ketika ada efek fotolistrik eksternal atau internal.

Dalam fisika, efek fotolistrik (photoelectric effect) berarti sekelompok fenomena yang terjadi ketika cahaya bekerja pada suatu zat, dan pada saat yang sama elektron dipancarkan di dalamnya. Ini disebut efek fotolistrik eksternal. Namun, jika itu muncul gaya gerak listrik atau konduktivitas listrik suatu zat berubah, maka mereka berbicara tentang efek fotolistrik internal.

Sekarang, efek fotolistrik eksternal dan internal sangat banyak digunakan untuk merancang dan memproduksi sejumlah besar penerima radiasi cahaya yang mengubah sinyal cahaya menjadi sinyal listrik. Semua perangkat ini disebut fotosel dan digunakan baik dalam teknologi maupun dalam berbagai penelitian ilmiah. Secara khusus, fotosel digunakan untuk membuat pengukuran optik yang paling objektif.

Kekuatan pendorong elektrostatik

Adapun jenis ini gaya gerak listrik, maka, misalnya, terjadi selama gesekan mekanis yang terjadi di unit elektrofor (peragaan laboratorium khusus dan perangkat tambahan), itu juga terjadi di awan petir.

Generator Wimshurst (ini adalah nama lain untuk mesin elektrofor) menggunakan fenomena seperti induksi elektrostatik untuk operasinya. Selama operasinya, muatan listrik menumpuk di kutub, di stoples Leyden, dan perbedaan potensial dapat mencapai nilai yang sangat besar (hingga beberapa ratus ribu volt).

Sifat listrik statis adalah bahwa hal itu terjadi ketika, karena kehilangan atau perolehan elektron, keseimbangan intramolekul atau intraatomik terganggu.

Gaya gerak listrik piezoelektrik

Varietas ini gaya gerak listrik terjadi ketika baik meremas atau peregangan zat yang disebut piezoelektrik terjadi. Mereka banyak digunakan dalam desain seperti sensor piezoelektrik, osilator kristal, hidrofon, dan beberapa lainnya.

Ini adalah efek piezoelektrik yang mendasari pengoperasian sensor piezoelektrik. Mereka sendiri termasuk dalam sensor yang disebut tipe generator. Di dalamnya, input adalah gaya yang diterapkan, dan output adalah jumlah listrik.

Adapun perangkat seperti hidrofon, operasinya didasarkan pada prinsip yang disebut efek piezoelektrik langsung, yang dimiliki bahan piezokeramik. Esensinya terletak pada kenyataan bahwa jika tekanan suara diterapkan pada permukaan bahan-bahan ini, maka perbedaan potensial muncul pada elektroda mereka. Apalagi sebanding dengan besarnya tekanan suara.

Salah satu bidang utama penerapan bahan piezoelektrik adalah produksi osilator kuarsa, yang memiliki resonator kuarsa dalam desainnya. Perangkat semacam itu dirancang untuk menerima osilasi dengan frekuensi yang tetap, yang stabil baik dalam waktu maupun dengan perubahan suhu, dan juga memiliki tingkat kebisingan fase yang sangat rendah.

Gaya gerak listrik termionik

Varietas ini gaya gerak listrik terjadi ketika emisi termal partikel bermuatan terjadi dari permukaan elektroda yang dipanaskan. Emisi termionik digunakan cukup luas dalam praktiknya, misalnya, pengoperasian hampir semua tabung radio didasarkan padanya.

Gaya gerak listrik termoelektrik

Varietas ini EMF terjadi ketika pada ujung yang berbeda dari konduktor yang berbeda atau hanya di bagian yang berbeda dari sirkuit, suhu didistribusikan sangat tidak seragam.

termoelektrik gaya gerak listrik digunakan dalam perangkat seperti pirometer, termokopel dan mesin pendingin. Sensor yang operasinya didasarkan pada fenomena ini disebut termoelektrik, dan sebenarnya termokopel terdiri dari elektroda yang disolder bersama, terbuat dari logam yang berbeda. Ketika elemen-elemen ini dipanaskan atau didinginkan, a EMF, yang sebanding dengan perubahan suhu.

Di ujung konduktor, dan karenanya arus, perlu memiliki kekuatan eksternal yang bersifat non-listrik, yang dengannya pemisahan muatan listrik terjadi.

Pasukan pihak ketiga setiap gaya yang bekerja pada partikel bermuatan listrik dalam suatu rangkaian disebut, dengan pengecualian gaya elektrostatik (yaitu, Coulomb).

Kekuatan pihak ketiga menggerakkan partikel bermuatan di dalam semua sumber arus: di generator, di pembangkit listrik, di sel galvanik, baterai, dll.

Ketika sirkuit ditutup, medan listrik dibuat di semua konduktor sirkuit. Di dalam sumber arus, muatan bergerak di bawah aksi gaya eksternal melawan gaya Coulomb (elektron bergerak dari elektroda bermuatan positif ke elektroda negatif), dan di seluruh rangkaian mereka digerakkan oleh medan listrik (lihat gambar di atas). ).

Dalam sumber arus, dalam proses kerja untuk memisahkan partikel bermuatan, berbagai jenis energi diubah menjadi energi listrik. Menurut jenis energi yang dikonversi, jenis gaya gerak listrik berikut dibedakan:

- elektrostatis- dalam mesin elektrofor, di mana energi mekanik diubah menjadi energi listrik selama gesekan;

- termoelektrik- dalam termoelemen, energi internal dari sambungan yang dipanaskan dari dua kabel yang terbuat dari logam yang berbeda diubah menjadi energi listrik;

- fotovoltaik- dalam fotosel. Di sini, energi cahaya diubah menjadi energi listrik: ketika beberapa zat diterangi, misalnya, selenium, tembaga oksida (I), silikon, hilangnya muatan listrik negatif diamati;

- bahan kimia- dalam sel galvanik, baterai, dan sumber lain di mana energi kimia diubah menjadi energi listrik.

Gaya gerak listrik (EMF)- karakteristik sumber arus. Konsep EMF diperkenalkan oleh G. Ohm pada tahun 1827 untuk rangkaian DC. Pada tahun 1857, Kirchhoff mendefinisikan EMF sebagai kerja gaya eksternal selama transfer satu unit muatan listrik sepanjang rangkaian tertutup:

\u003d A st / q,

di mana ɛ - EMF dari sumber saat ini, sebuah st- kerja kekuatan eksternal, Q adalah jumlah biaya yang ditransfer.

Gaya gerak listrik dinyatakan dalam volt.

Kita dapat berbicara tentang gaya gerak listrik di bagian mana pun dari rangkaian. Ini adalah kerja khusus dari gaya-gaya luar (usaha memindahkan muatan satuan) tidak di seluruh rangkaian, tetapi hanya di area ini.

Resistansi internal dari sumber arus.

Misalkan ada rangkaian tertutup sederhana yang terdiri dari sumber arus (misalnya, sel galvanik, baterai atau generator) dan resistor dengan hambatan R. Arus dalam rangkaian tertutup tidak terputus di mana pun, oleh karena itu, ia juga ada di dalam sumber arus. Setiap sumber mewakili beberapa resistensi terhadap arus. Ini disebut resistansi internal sumber arus dan ditandai dengan huruf R.

Di pembangkit R- ini adalah resistansi belitan, dalam sel galvanik - resistansi larutan elektrolit dan elektroda.

Dengan demikian, sumber arus dicirikan oleh nilai EMF dan resistansi internal, yang menentukan kualitasnya. Misalnya, mesin elektrostatik memiliki EMF yang sangat tinggi (hingga puluhan ribu volt), tetapi pada saat yang sama resistansi internalnya sangat besar (hingga ratusan Mohm). Oleh karena itu, mereka tidak cocok untuk menerima arus tinggi. Dalam sel galvanik, EMF hanya sekitar 1 V, tetapi resistansi internal juga kecil (sekitar 1 ohm atau kurang). Hal ini memungkinkan mereka untuk menerima arus yang diukur dalam ampere.

Induksi elektromagnetik - pembangkitan arus listrik oleh medan magnet yang berubah seiring waktu. Penemuan fenomena ini oleh Faraday dan Henry memperkenalkan simetri tertentu ke dunia elektromagnetisme. Maxwell dalam satu teori berhasil mengumpulkan pengetahuan tentang listrik dan magnet. Penelitiannya memprediksi keberadaan gelombang elektromagnetik sebelum pengamatan eksperimental. Hertz membuktikan keberadaan mereka dan membuka era telekomunikasi bagi umat manusia.

Hukum Faraday dan Lenz

Arus listrik menciptakan efek magnetik. Apakah mungkin medan magnet menghasilkan medan listrik? Faraday menemukan bahwa efek yang diinginkan muncul karena perubahan medan magnet dari waktu ke waktu.

Ketika sebuah konduktor dilintasi oleh fluks magnet bolak-balik, gaya gerak listrik diinduksi di dalamnya, menyebabkan arus listrik. Sistem yang menghasilkan arus dapat berupa magnet permanen atau elektromagnet.

Fenomena induksi elektromagnetik diatur oleh dua hukum: hukum Faraday dan Lenz.

Hukum Lenz memungkinkan Anda untuk mengkarakterisasi gaya gerak listrik sehubungan dengan arahnya.

Penting! Arah ggl induksi sedemikian rupa sehingga arus yang ditimbulkannya cenderung menentang penyebab yang menciptakannya.

Faraday memperhatikan bahwa intensitas arus induksi meningkat ketika jumlah garis medan yang melintasi rangkaian berubah lebih cepat. Dengan kata lain, EMF induksi elektromagnetik secara langsung bergantung pada kecepatan fluks magnet yang bergerak.

Rumus ggl induksi didefinisikan sebagai:

E \u003d - dF / dt.

Tanda "-" menunjukkan bagaimana polaritas ggl induksi terkait dengan tanda fluks dan kecepatan yang berubah.

Formulasi umum hukum induksi elektromagnetik diperoleh, dari mana ekspresi untuk kasus-kasus tertentu dapat diturunkan.

Pergerakan kawat dalam medan magnet

Ketika kawat dengan panjang l bergerak dalam medan magnet dengan induksi B, sebuah EMF akan diinduksi di dalamnya, sebanding dengan kecepatan liniernya v. Untuk menghitung EMF digunakan rumus:

• dalam kasus gerakan konduktor tegak lurus terhadap arah medan magnet:

E \u003d - B x l x v;

• dalam kasus gerakan pada sudut yang berbeda :

E \u003d - B x l x v x sin .

EMF dan arus induksi akan diarahkan ke arah yang kita temukan menggunakan aturan tangan kanan: dengan meletakkan tangan tegak lurus terhadap garis medan magnet dan mengarahkan ibu jari ke arah pergerakan konduktor, Anda dapat mengetahui arah EMF dari empat jari yang tersisa diluruskan.

Kumparan berputar

Pengoperasian generator tenaga listrik didasarkan pada putaran rangkaian di MP, yang memiliki N putaran.

EMF diinduksi dalam rangkaian listrik setiap kali fluks magnet melintasinya, sesuai dengan definisi fluks magnet = B x S x cos (induksi magnet dikalikan dengan luas permukaan yang dilalui MP, dan kosinus dari sudut yang dibentuk oleh vektor B dan garis tegak lurus bidang S).

Ini mengikuti dari rumus bahwa F dapat berubah dalam kasus-kasus berikut:

• intensitas perubahan MF - vektor B;
• luas yang dibatasi oleh kontur bervariasi;
• orientasi di antara mereka, yang diberikan oleh sudut, berubah.

Dalam percobaan pertama Faraday, arus induksi diperoleh dengan mengubah medan magnet B. Namun, dimungkinkan untuk menginduksi EMF tanpa menggerakkan magnet atau mengubah arus, tetapi cukup dengan memutar kumparan di sekitar sumbunya di medan magnet. Dalam hal ini, fluks magnet berubah karena perubahan sudut . Kumparan, selama rotasi, melintasi garis MP, timbul ggl.

Jika kumparan berputar seragam, perubahan periodik ini menghasilkan perubahan fluks magnet secara periodik. Atau jumlah garis gaya MF yang dilintasi setiap detik mengambil nilai yang sama dengan interval waktu yang sama.

Penting! GGL induksi berubah dengan orientasi dari waktu ke waktu dari positif ke negatif dan sebaliknya. Representasi grafis dari EMF adalah garis sinusoidal.

Untuk rumus EMF induksi elektromagnetik, ekspresi digunakan:

E \u003d B x x S x N x sin t, di mana:

• S adalah area yang dibatasi oleh satu putaran atau bingkai;
• N adalah jumlah putaran;
• adalah kecepatan sudut dengan mana kumparan berputar;
• B – induksi MF;
• sudut = t.

Dalam prakteknya, pada alternator, seringkali kumparan tetap diam (stator) dan elektromagnet berputar mengelilinginya (rotor).

Induksi diri EMF

Ketika arus bolak-balik melewati kumparan, itu menghasilkan medan magnet bolak-balik, yang memiliki fluks magnet yang berubah yang menginduksi ggl. Efek ini disebut induksi diri.

Karena MP sebanding dengan intensitas arus, maka:

di mana L adalah induktansi (H), ditentukan oleh besaran geometris: jumlah lilitan per satuan panjang dan dimensi penampangnya.

Untuk ggl induksi, rumusnya berbentuk:

E \u003d - L x dI / dt.

Jika dua kumparan terletak berdampingan, maka EMF induksi timbal balik diinduksi di dalamnya, tergantung pada geometri kedua sirkuit dan orientasinya relatif satu sama lain. Ketika pemisahan sirkuit meningkat, induktansi timbal balik berkurang, karena fluks magnet yang menghubungkannya berkurang.

Biarkan ada dua gulungan. Melalui kawat satu kumparan dengan putaran N1, arus I1 mengalir, menciptakan MF yang melewati kumparan dengan putaran N2. Kemudian:

1. Induktansi timbal balik dari kumparan kedua relatif terhadap yang pertama:

M21 = (N2 x F21)/I1;

1. Fluks Magnetik:

F21 = (M21/N2) x I1;

1. Temukan ggl induksi:

E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt;

1. EMF diinduksi secara identik pada kumparan pertama:

E1 = - M12 x dI2/dt;

Penting! Gaya gerak listrik yang disebabkan oleh induktansi timbal balik dalam satu kumparan selalu sebanding dengan perubahan arus listrik di kumparan lainnya.

Induktansi bersama dapat dianggap sama dengan:

M12 = M21 = M.

Dengan demikian, E1 = - M x dI2/dt dan E2 = M x dI1/dt.

M = K (L1 x L2),

di mana K adalah koefisien kopling antara dua induktansi.

Fenomena induktansi timbal balik digunakan dalam transformator - perangkat listrik yang memungkinkan Anda untuk mengubah nilai tegangan arus listrik bolak-balik. Perangkat ini terdiri dari dua kumparan yang dililitkan di sekitar satu inti. Arus yang ada pada yang pertama menciptakan medan magnet yang berubah di sirkuit magnetik dan arus listrik di kumparan lainnya. Jika jumlah belitan belitan pertama kurang dari yang lain, tegangan meningkat dan sebaliknya.

Selain menghasilkan, mengubah listrik, induksi magnetik digunakan di perangkat lain. Misalnya, pada kereta api levitasi magnetik yang tidak bergerak bersentuhan langsung dengan rel, tetapi beberapa sentimeter lebih tinggi karena gaya tolak elektromagnetik.

Video

Topik pengkode USE: gaya gerak listrik, hambatan dalam sumber arus, hukum Ohm untuk rangkaian listrik lengkap.

Sampai sekarang, dalam studi arus listrik, kita telah mempertimbangkan gerak terarah dari muatan bebas dalam sirkuit eksternal, yaitu, dalam konduktor yang terhubung ke terminal sumber arus.

Seperti yang kita ketahui, muatan positif:

Masuk ke sirkuit eksternal dari terminal positif sumber;

Bergerak dalam sirkuit eksternal di bawah pengaruh medan listrik stasioner yang diciptakan oleh muatan bergerak lainnya;

Itu datang ke terminal negatif sumber, menyelesaikan jalurnya di sirkuit eksternal.

Sekarang muatan positif kita perlu menutup lintasannya dan kembali ke terminal positif. Untuk melakukan ini, ia perlu mengatasi segmen terakhir dari jalan - di dalam sumber arus dari terminal negatif ke positif. Tapi pikirkanlah: dia tidak ingin pergi ke sana sama sekali! Terminal negatif menariknya ke dirinya sendiri, terminal positif menolaknya dari dirinya sendiri, dan sebagai hasilnya, gaya listrik bekerja pada muatan kita di dalam sumber, diarahkan melawan gerakan muatan (yaitu melawan arah arus).

kekuatan pihak ketiga

Namun, arus mengalir melalui sirkuit; oleh karena itu, ada gaya yang "menyeret" muatan melalui sumber meskipun ada perlawanan dari medan listrik terminal (Gbr. 1).

Beras. 1. Kekuatan pihak ketiga

Kekuatan ini disebut kekuatan luar; Berkat dia, sumber saat ini berfungsi. Gaya eksternal tidak ada hubungannya dengan medan listrik stasioner - dikatakan memiliki non-listrik asal; dalam baterai, misalnya, itu muncul karena aliran reaksi kimia yang sesuai.

Dilambangkan dengan kerja gaya eksternal untuk memindahkan muatan positif q di dalam sumber arus dari terminal negatif ke terminal positif. Usaha ini positif, karena arah gaya luar bertepatan dengan arah pergerakan muatan. Usaha dari gaya luar disebut juga operasi sumber saat ini.

Tidak ada gaya eksternal di sirkuit eksternal, sehingga pekerjaan gaya eksternal untuk memindahkan muatan di sirkuit eksternal adalah nol. Oleh karena itu, kerja gaya eksternal dalam menggerakkan muatan di sekitar seluruh rangkaian direduksi menjadi kerja memindahkan muatan ini hanya di dalam sumber arus. Jadi, ini juga merupakan pekerjaan gaya eksternal dalam memindahkan muatan di seluruh rantai.

Kita melihat bahwa gaya eksternal adalah non-potensial - kerjanya ketika memindahkan muatan di sepanjang jalur tertutup tidak sama dengan nol. Non-potensial inilah yang memastikan sirkulasi arus listrik; medan listrik potensial, seperti yang kami katakan sebelumnya, tidak dapat mendukung arus konstan.

Pengalaman menunjukkan bahwa usaha berbanding lurus dengan muatan yang dipindahkan. Oleh karena itu, rasio tidak lagi bergantung pada muatan dan merupakan karakteristik kuantitatif dari sumber arus. Hubungan ini ditunjukkan dengan:

(1)

Nilai ini disebut gaya gerak listrik(EMF) sumber arus. Seperti yang Anda lihat, EMF diukur dalam volt (V), jadi nama "gaya gerak listrik" sangat disayangkan. Tapi itu sudah lama di-root, jadi Anda harus tahan dengannya.

Ketika Anda melihat tulisan pada baterai: "1,5 V", maka ketahuilah bahwa ini persis EMF. Apakah nilai ini sama dengan tegangan yang dihasilkan baterai di sirkuit eksternal? Ternyata tidak! Sekarang kita akan mengerti mengapa.

Hukum Ohm untuk rangkaian lengkap

Setiap sumber arus memiliki hambatannya sendiri, yang disebut resistensi internal sumber ini. Dengan demikian, sumber arus memiliki dua karakteristik penting: EMF dan resistansi internal.

Biarkan sumber arus dengan EMF sama dengan , dan resistansi internal dihubungkan ke resistor (yang dalam hal ini disebut resistor eksternal, atau beban eksternal, atau muatan). Semua ini bersama disebut rantai lengkap(Gbr. 2).

Beras. 2. Rantai lengkap

Tugas kita adalah menemukan arus dalam rangkaian dan tegangan melintasi resistor.

Dalam waktu, muatan melewati sirkuit. Menurut rumus (1), sumber saat ini melakukan pekerjaan:

(2)

Karena kekuatan arus konstan, kerja sumber seluruhnya diubah menjadi panas, yang dilepaskan pada hambatan dan. Jumlah panas ini ditentukan oleh hukum Joule-Lenz:

(3)

Jadi, , Dan kita samakan bagian kanan dari rumus (2) dan (3) :

Setelah direduksi menjadi:

Jadi kami menemukan arus di sirkuit:

(4)

Rumus (4) disebut Hukum Ohm untuk rangkaian lengkap.

Jika Anda menghubungkan terminal sumber dengan kabel resistansi yang dapat diabaikan, maka Anda mendapatkan sirkuit pendek. Dalam hal ini, arus maksimum akan mengalir melalui sumber - arus hubung singkat:

Karena kecilnya resistansi internal, arus hubung singkat bisa sangat besar. Misalnya, baterai senter memanas secara bersamaan sehingga membakar tangan Anda.

Mengetahui kekuatan arus (rumus (4)), kita dapat menemukan tegangan melintasi resistor menggunakan hukum Ohm untuk bagian rangkaian:

(5)

Tegangan ini adalah perbedaan potensial antara titik dan (Gbr. 2). Potensi titik sama dengan potensi terminal positif sumber; potensial titik sama dengan potensial terminal negatif. Oleh karena itu, tegangan (5) disebut juga tegangan pada terminal sumber.

Kita lihat dari rumus (5) apa yang akan terjadi di sirkuit nyata - lagi pula, itu dikalikan dengan pecahan kurang dari satu. Tetapi ada dua kasus di mana .

1. Sumber arus ideal. Ini adalah nama sumber dengan resistansi internal nol. Pada , rumus (5) memberikan .

2. Rangkaian terbuka. Pertimbangkan sumber arus itu sendiri, di luar rangkaian listrik. Dalam hal ini, kita dapat mengasumsikan bahwa resistansi eksternal sangat besar: . Kemudian nilainya tidak bisa dibedakan dari , dan rumus (5) kembali memberi kita .

Arti dari hasil ini sederhana: jika sumber tidak terhubung ke rangkaian, maka voltmeter yang terhubung ke kutub sumber akan menunjukkan EMF nya.

Efisiensi sirkuit listrik

Tidak sulit untuk melihat mengapa resistor disebut payload. Bayangkan itu bola lampu. Kalor yang dihasilkan oleh bola lampu adalah berguna, karena berkat kehangatan ini, bola lampu memenuhi tujuannya - memberikan cahaya.

Mari kita tunjukkan jumlah panas yang dilepaskan pada muatan selama waktu tersebut .

Jika arus pada rangkaian adalah , maka

Sejumlah panas juga dilepaskan pada sumber arus:

Jumlah panas yang dilepaskan dalam rangkaian adalah:

Efisiensi sirkuit listrik adalah rasio panas yang berguna untuk total:

Efisiensi rangkaian sama dengan satu hanya jika sumber arus ideal.

Hukum Ohm untuk daerah heterogen

Hukum sederhana Ohm berlaku untuk apa yang disebut bagian homogen dari rangkaian - yaitu, bagian di mana tidak ada sumber arus. Sekarang kita akan memperoleh hubungan yang lebih umum, dari mana hukum Ohm untuk bagian homogen dan hukum Ohm yang diperoleh di atas untuk rangkaian lengkap mengikuti.

Bagian dari rangkaian disebut heterogen jika memiliki sumber arus. Dengan kata lain, bagian tidak homogen adalah bagian dengan EMF.

pada gambar. Gambar 3 menunjukkan bagian tidak homogen yang mengandung resistor dan sumber arus. EMF dari sumbernya adalah , resistansi internalnya dianggap nol (jika resistansi internal sumbernya adalah , Anda cukup mengganti resistor dengan resistor ).

Beras. 3. EMF "membantu" arus:

Kekuatan arus di bagian itu sama, arus mengalir dari titik ke titik. Arus ini belum tentu disebabkan oleh satu sumber. Area yang dipertimbangkan, sebagai aturan, adalah bagian dari sirkuit (tidak ditunjukkan pada gambar), dan sumber arus lain mungkin ada di sirkuit ini. Oleh karena itu, arus adalah hasil dari aksi kumulatif semua sumber di sirkuit.

Membiarkan potensi poin dan sama dengan dan , Masing-masing. Kami menekankan sekali lagi bahwa kita berbicara tentang potensi medan listrik stasioner yang dihasilkan oleh aksi semua sumber rangkaian - tidak hanya sumber yang termasuk dalam bagian ini, tetapi juga, mungkin, tersedia di luar bagian ini.

Tegangan di daerah kami adalah: Dalam waktu, muatan melewati bagian, sementara medan listrik stasioner melakukan pekerjaan:

Selain itu, pekerjaan positif dilakukan oleh sumber saat ini (setelah semua, muatan telah melewatinya!):

Kekuatan saat ini konstan, oleh karena itu, pekerjaan total untuk memajukan muatan, yang dilakukan di lokasi oleh medan listrik stasioner dan kekuatan sumber eksternal, sepenuhnya diubah menjadi panas:.

Kami mengganti di sini ekspresi untuk , dan hukum Joule-Lenz:

Dikurangi dengan , kita peroleh Hukum Ohm untuk bagian yang tidak homogen dari suatu rangkaian:

(6)

atau, yang sama:

(7)

Perhatikan tanda plus di depannya. Kami telah menunjukkan alasannya - sumber saat ini dalam hal ini berfungsi positif bekerja, "menyeret" muatan di dalam dirinya sendiri dari terminal negatif ke positif. Sederhananya, sumber "membantu" arus mengalir dari titik ke titik.

Kami mencatat dua konsekuensi dari rumus turunan (6) dan (7).

1. Jika situsnya homogen, maka . Kemudian dari rumus (6) kita peroleh - hukum Ohm untuk bagian rantai yang homogen.

2. Misalkan sumber arus memiliki hambatan dalam. Ini, seperti yang telah kami sebutkan, setara dengan mengganti dengan:

Sekarang mari kita tutup bagian kita dengan menghubungkan titik dan . Kami mendapatkan rantai lengkap yang dibahas di atas. Dalam hal ini, ternyata rumus sebelumnya juga akan berubah menjadi hukum Ohm untuk rantai lengkap:

Jadi, hukum Ohm untuk bagian yang homogen dan hukum Ohm untuk rangkaian lengkap keduanya mengikuti hukum Ohm untuk bagian yang tidak homogen.

Mungkin ada kasus koneksi lain, ketika sumber "mencegah" arus mengalir melalui bagian. Situasi seperti itu ditunjukkan pada Gambar. 4 . Di sini, arus yang datang dari ke diarahkan melawan aksi kekuatan eksternal dari sumbernya.

Beras. 4. EMF "mengganggu" arus:

Bagaimana ini mungkin? Ini sangat sederhana: sumber lain yang tersedia di sirkuit di luar bagian yang dipertimbangkan "mengalahkan" sumber di bagian itu dan memaksa arus mengalir melawan. Inilah yang terjadi ketika Anda mengisi daya telepon: adaptor yang terhubung ke stopkontak menyebabkan pergerakan muatan melawan kekuatan eksternal baterai telepon, dan dengan demikian baterai terisi!

Apa yang akan berubah sekarang dalam derivasi rumus kita? Hanya satu hal - pekerjaan kekuatan eksternal akan menjadi negatif:

Maka hukum Ohm untuk bagian yang tidak homogen akan berbentuk:

(8)

di mana, seperti sebelumnya, adalah tegangan pada bagian.

Mari kita gabungkan rumus (7) dan (8) dan tuliskan hukum Ohm untuk bagian dengan EMF sebagai berikut:

Arus mengalir dari titik ke titik. Jika arah arus bertepatan dengan arah gaya eksternal, maka "plus" ditempatkan di depan; jika arah ini berlawanan, maka "minus" diletakkan.

Sirkuit listrik terdiri dari sumber arus, konsumen listrik, kabel penghubung dan kunci yang berfungsi untuk membuka dan menutup rangkaian dan elemen lainnya (Gbr. 1).

Gambar yang menunjukkan cara menghubungkan alat-alat listrik dalam suatu rangkaian disebut diagram listrik. Perangkat pada diagram ditunjukkan dengan tanda-tanda konvensional.

Sebagaimana dicatat, untuk mempertahankan arus listrik dalam rangkaian, perlu ada beda potensial yang konstan pada ujungnya (Gbr. 2) φ A- φ B. Biarkan pada saat awal φ A > φ B , maka transfer muatan positif Q dari satu titik TETAPI tepat PADA akan menyebabkan penurunan perbedaan potensial antara mereka. Untuk mempertahankan perbedaan potensial yang konstan, perlu untuk mentransfer muatan yang sama persis dari B di dalam SEBUAH. Jika ke arah TETAPI → PADA muatan bergerak di bawah aksi gaya medan elektrostatik, kemudian ke arah PADA → TETAPI pergerakan muatan terjadi melawan gaya medan elektrostatik, mis. di bawah aksi kekuatan yang bersifat non-elektrostatik, yang disebut kekuatan pihak ketiga. Kondisi ini terpenuhi pada sumber arus yang mendukung pergerakan muatan listrik. Di sebagian besar sumber arus, hanya elektron yang bergerak, dalam sel galvanik - ion dari kedua tanda.

Sumber arus listrik mungkin berbeda dalam desainnya, tetapi di salah satu sumber tersebut ada pekerjaan yang dilakukan untuk memisahkan partikel bermuatan positif dan negatif. Pemisahan muatan terjadi di bawah aksi kekuatan luar. Kekuatan pihak ketiga hanya bekerja di dalam sumber arus dan dapat disebabkan oleh proses kimia (baterai, sel galvanik), aksi cahaya (fotosel), perubahan medan magnet (generator), dll.

Setiap sumber arus dicirikan oleh gaya gerak listrik - EMF.

gaya gerak listrik ε Sumber arus adalah besaran skalar fisik yang sama dengan kerja gaya eksternal untuk memindahkan satu muatan positif sepanjang rangkaian tertutup

Satuan SI untuk gaya gerak listrik adalah volt (V).

EMF adalah karakteristik energi dari sumber arus.

Dalam sumber saat ini, selama bekerja pada pemisahan partikel bermuatan, terjadi transformasi mekanis, cahaya, internal, dll. energi menjadi listrik. Partikel yang terpisah menumpuk di kutub sumber arus (tempat di mana konsumen terhubung menggunakan terminal atau klem). Salah satu kutub dari sumber arus bermuatan positif, yang lain negatif. Medan elektrostatik dibuat di antara kutub sumber arus. Jika kutub sumber arus dihubungkan oleh konduktor, maka arus listrik muncul dalam rangkaian listrik seperti itu. Dalam hal ini, sifat medan berubah, ia berhenti menjadi elektrostatik.

Gambar 3 secara skematis menunjukkan terminal negatif dari sumber arus dan bagian ujung kawat logam yang melekat padanya dalam bentuk konduktor bola. Garis putus-putus menunjukkan beberapa garis kekuatan medan terminal sebelum kawat dimasukkan ke dalamnya, dan panah menunjukkan gaya yang bekerja pada elektron bebas kawat yang terletak di titik-titik yang ditandai dengan angka. Elektron pada titik yang berbeda dari penampang kawat di bawah aksi gaya Coulomb dari medan terminal memperoleh gerakan tidak hanya di sepanjang sumbu kawat. Misalnya, elektron yang terletak di suatu titik 1 , terlibat dalam gerakan "saat ini". Tapi dekat poin 2, 3, 4, 5 elektron memiliki kemampuan untuk terakumulasi pada permukaan kawat. Selain itu, distribusi permukaan elektron sepanjang kawat tidak akan seragam. Oleh karena itu, menghubungkan kabel ke terminal sumber arus akan menyebabkan beberapa elektron bergerak di sepanjang kabel, dan beberapa elektron menumpuk di permukaan. Distribusi elektron yang tidak merata pada permukaannya memastikan non-ekuipotensial permukaan ini, adanya komponen kekuatan medan listrik yang diarahkan di sepanjang permukaan konduktor. Ini adalah bidang redistribusi elektron dari konduktor itu sendiri dan memastikan pergerakan elektron lainnya secara teratur. Jika distribusi elektron di atas permukaan konduktor tidak berubah dari waktu ke waktu, maka medan seperti itu disebut medan listrik stasioner. Dengan demikian, peran utama dalam menciptakan medan listrik stasioner dimainkan oleh muatan yang terletak di kutub sumber arus. Ketika sirkuit listrik ditutup, interaksi muatan ini dengan muatan bebas konduktor menyebabkan munculnya muatan permukaan yang tidak terkompensasi pada seluruh permukaan konduktor. Muatan-muatan inilah yang menciptakan medan listrik stasioner di dalam konduktor sepanjang panjangnya. Medan di dalam konduktor ini seragam, dan garis-garis tegangan diarahkan sepanjang sumbu konduktor (Gbr. 4). Proses pembentukan medan listrik di sepanjang konduktor terjadi pada kecepatan C 3 10 8 m/s.

Seperti medan elektrostatik, itu adalah potensial. Tetapi ada perbedaan yang signifikan antara bidang-bidang ini:

1. medan elektrostatik - medan muatan tetap. Sumber medan listrik stasioner adalah muatan yang bergerak, dan jumlah total muatan serta pola distribusinya dalam ruang tertentu tidak berubah seiring waktu;

2. Medan elektrostatik ada di luar konduktor. Kekuatan medan elektrostatik selalu sama dengan 0 di dalam volume konduktor, dan pada setiap titik permukaan luar konduktor diarahkan tegak lurus ke permukaan ini. Medan listrik stasioner ada baik di luar maupun di dalam konduktor. Intensitas medan listrik stasioner tidak sama dengan nol di dalam volume penghantar, dan di permukaan dan di dalam volume terdapat komponen intensitas yang tidak tegak lurus permukaan penghantar;

3. potensial dari berbagai titik konduktor yang dilalui arus searah berbeda (permukaan dan volume konduktor tidak ekuipotensial). Potensi semua titik pada permukaan konduktor dalam medan elektrostatik adalah sama (permukaan dan volume konduktor adalah ekuipotensial);

4. Medan elektrostatik tidak disertai dengan munculnya medan magnet, tetapi medan listrik stasioner disertai dengan kemunculannya dan terkait erat dengannya.