Źródła siły elektromotorycznej = pompy prądu

Transkrypt

1 Źródła siły elektromotorycznej = pompy prądu komórki elektrochemiczne ogniwo Volty akumulator generatory elektryczne baterie I urządzenia termoelektryczne E I I Prądnica (dynamo) termopara fotoogniwa ogniwa paliwowe

2 Akumulator kwasowo zasadowy przykład źródła siły elektromotorycznej Reakcja na negatywnej elektrodzie Reakcja na pozytywnej elektrodzie płytka dodatnia jest początkowo pokryta dwutlenkiem ołowiu Powyższe reakcje wyczerpują kwas siarkowy (H 2 SO 4 ) w roztworze i osadzają siarczan ołowiu (PbSO 4 ) na elektrodach. Wyczerpanie kwasu siarkowego ostatecznie zatrzymuje reakcję - akumulator jest następnie rozładowywany. Akumulator można ponownie naładować odwracając reakcje.

3 Idealne źródło siły elektromotorycznej Siła pochodzenia nieelektrostatycznego F n wykonuje pracę przenosząc ładunek q z punktu o niższym potencjale do punktu o wyższym potencjale: W Fn = qε Elektrostatyczna energia potencjalna ładunku q wzrasta o wartość: ΔV ab ΔU = qδv ab Dla idealnego źródła praca wykonana przez siłę zewnętrzną (F n ) jest równa zmianie energii potencjalnej ładunku. W konsekwencji zachodzi równość: ε = ΔV ab gdzie ε n a z y w a n y j e s t s i ł ą elektromotoryczna (nazwa historyczna).

4 Idealne źródło siły elektromotorycznej Siła elektromotoryczna przy otwartym obwodzie ε = ΔV ab ΔV ab R Siła elektromotoryczna przy zamkniętym obwodzie ε = ΔV ab = IR

5 Opór wewnętrzny źródła siły elektromotorycznej b a Wewnętrzna rezystancja źródła powoduje spadek napięcia pomiędzy punktami a i b podczas przepływu prądu: ε Ir = ΔV ab ε Ir = IR I = ε R + r Dla źródeł rzeczywistych napięcie wyjściowe ΔV ab źródła równe jest sile elektromotorycznej tylko w sytuacji, gdy żaden prąd nie płynie przez źródło (obwód jest otwarty). Źródło siły elektromotorycznej (np. bateria) ulega wyczerpaniu w wyniku wzrostu z czasem jego wewnętrznej rezystancji, a nie w wyniku spadku siły elektromotorycznej, który jest na ogół mały! Przykład w zimne poranki akumulator dostarcza zbyt mało prądu aby wykonać rozruch silnika z powodu wzrostu oporu wewnętrznego (zależnego od temperatury), a nie z powodu spadku siły elektromotorycznej.

6 Łączenie źródeł siły elektromotorycznej Szeregowe: Zastępcza siła elektromotoryczna i rezystancja wewnętrzna: Zastępcza siła elektromotoryczna i rezystancja wewnętrzna: Równoległe:

7 OBWODY ELEKTRYCZNE węzły, oczka i gałęzie gałąź węzeł oczko ε + - Węzłem obwodu nazywamy punkt, w którym schodzą się co najmniej trzy prądy. Gałęzią obwodu nazywamy taki odcinek łączący dwa węzły, w którym prąd ma taką samą wartość. Oczkiem obwodu nazywamy połączenie gałęzi tworzące kontur zamknięty mający tę własność, że po usunięciu któregokolwiek elementu kontur przestaje być zamknięty.

8 Analiza obwodów elektrycznych prądu stałego prawa Kirchhoffa I prawo Kirchhoffa Dla węzła obwodu elektrycznego suma algebraiczna natężeń prądów wpływających(+) i wypływających( ) jest równa zeru (zasada zachowania ładunku).

9 II prawo Kirchhoffa Dla oczka obwodu elektrycznego algebraiczna suma napięć źródłowych (ε) i odbiornikowych (ΔV) jest równa 0 (zasada zachowania energii). ε 1 ΔV 1 ΔV 2 ε 2 ΔV 3 ΔV 4 ZASTOSOWANIE PRAWA: Zaznaczyć kierunki prądu w każdym oczku obwodu (wybór kierunków dowolny) Zaznaczyć wszystkie wzrosty potencjału jakie napotyka się obchodząc pętlę; pamiętaj, że prąd płynie zawsze w kierunku niższego potencjału. Ostatnim etapem jest obejść (zgonie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) każdą pętlę i napisać sumę wzrostów (lub spadków) potencjałów, przyrównując ją do zera. Dla oczka na rysunku uzyskujemy: ε 1 ΔV 2 + ΔV 3 + ΔV 4 ε 2 ΔV 1 = 0

10 Analiza obwodów elektrycznych prądu stałego przykład I 1 I 2 I 1 I 3 I 2 I 1 r 1 I 3 r 2 I 2 R I 1 I 3 I 2 I 1 I 2 I 1 + I 2 = I 3 I 1 r 1 ε 1 + ε 2 + I 3 r 2 = 0 I 3 r 2 ε 2 I 2 R = 0 Trzy równania i trzy niewiadome (I 1, I 2 i I 3 ) pozwalają znaleźć wartości prądów oraz ich kierunki (plus/minus).

11 Analiza obwodów elektrycznych prądu stałego z kondensatorem W obwodach prądu stałego prąd nie płynie przez gałąź zawierającą kondensator. C I I R R 2 I r ε

12 Moc w obwodach elektrycznych U a = qv a U b = qv b Ładunek przepływając przez element obwodu (np. rezystor, kondensator, cewka) zmniejsza swoją energię potencjalną (z wyjątkiem źródła siły elektromotorycznej, gdzie występuję odwrotna sytuacja). Średnia energia kinetyczna ładunku pozostaje jednak stała. Utracona energia potencjalna nie jest więc pożytkowana na wzrost prędkości ładunku, ale oddawana jest do otoczenia w innej formie, np. w postaci ciepła (wskutek zderzeń ładunku z cząstkami przewodnika) lub w postaci ciepła i światła (np. żarówki) lub w postaci pola elektrycznego (kondensator) lub w postaci pola magnetycznego (cewka indukcyjna). Bezwzględna zmiana energii potencjalnej: ΔU = U b U a = qδv ab = (IΔt)ΔV ab Moc elektryczna, czyli tempo zmiany energii potencjalnej ΔU/Δt: P = ΔV ab I Jest to tempo oddawania energii do otoczenia na elementach obwodu (np. rezystor, kondensator, cewka) lub pobierania energii z zewnątrz w źródle siły elektromotorycznej.

13 Moc oddawana na rezystorze P = ΔV ab I = I 2 R = ΔV 2 ab R Ciepło Joule a

14 Trzy żarówki o mocy nominalnej 25 W przy napięciu 230 V. 25 W 25 W 25 W - + Wszystkie żarówki wydzielają jednakowa moc.

15 25 W 25 W 25 W - + Żarówki połączone równolegle wydzielają mniejszą moc niż przy połączeniu szeregowym, ponieważ prąd przez nie płynący jest mniejszy.

16 Trzy żarówki: dwie o mocy nominalnej 25 W przy napięciu 230 V oraz jedna o mocy nominalnej 40 W przy napięciu 230 V. Żarówka o większej mocy charakteryzuje się mniejszą rezystancją. 25 W 25 W 40 W - + W połączeniu równoległym żarówka o większej mocy nominalnej świeci jaśniej, ponieważ jej opór jest mniejszy i płynie przez nią większy prąd.

17 25 W 25 W 40 W - + W połączeniu szeregowym żarówka o większej mocy nominalnej świeci słabiej, ponieważ przy tym samym prądzie jej opór jest mniejszy.