7.3.
Соединение
проводников
и
источников
тока
Последовательным
называется
такое
соединение
проводни
-
ков
,
при
котором
конец
предыдущего
проводника
соединяется
с
на
-
чалом
последующего
(
рис
. 7.5).
Сила
тока
в
этом
случае
на
любом
участке
цепи
одинакова
J = J
1
= J
2
= ... = J
n
= const. (7.18)
Используя
закон
Ома
легко
пока
-
зать
,
что
при
последовательном
соединении
сопротивлений
их
эквивалентное
(
общее
)
сопротив
-
ление
определяется
равенством
R =
R
1
+
R
2
+ ... +
R
n
=
i
n
1
R
i
.
(7.19)
Е
r
– +
J =
R
r
Е
R
Рис
. 7.4
R
1
R
2
R
n
...
Рис
. 7.5
Е
Е
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
101
Параллельное
соединение
име
-
ет
место
,
когда
одни
концы
всех
про
-
водников
образуют
один
узел
,
а
другие
–
второй
(
рис
. 7.6).
В
этом
варианте
J + J
1
+ J
2
+ ... +
J
n
,
а
общее
сопротивление
разветвлен
-
ной
цепи
R
определяется
по
формуле
n
2
1
R
1
...
R
1
R
1
R
1
i
n
1
i
R
1
.
(7.20)
Параллельное
и
последовательное
соединение
источников
тока
.
Рассмотрим
на
примерах
последовательное
(
рис
. 7.7)
и
парал
-
лельное
(
рис
. 7.8)
соединение
одинаковых
источников
тока
.
В
данном
случае
при
последовательном
соединении
сопро
-
тивлений
имеем
:
Е
общее
= n
Е
, r
общее
= nr,
(7.21)
при
параллельном
Е
общее
=
Е
, r
общее
=
n
r
,
(7.22)
Если
э
.
д
.
с
.
и
внутренние
сопротивления
источников
тока
от
-
личаются
,
то
при
последовательном
соединении
Е
общее
=
Е
1
+
Е
2
+ ... +
Е
n
, r
общее
= r
1
+ r
2
+ ... + r
n
, (7.23)
J
J
1
J
2
J
n
R
1
R
2
R
n
J
Рис
. 7.6
Е
, r
...
Е
, r
1 2
n
1 2
n
Рис
. 7.7.
Рис
. 7.8
Конспект
лекций
102
при
параллельном
–
ситуация
требует
специального
рассмотрения
,
которое
выходит
за
рамки
школьной
программы
.
7.4.
Закон
Джоуля
-
Ленца
.
Мощность
тока
Мы
уже
указывали
,
что
при
переносе
заряда
q
вдоль
провод
-
ника
,
имеющего
на
концах
разность
потенциалов
U
=
1
–
2
,
сила
электрического
поля
совершает
над
зарядом
работу
А
= qU.
За
время
t,
таким
образом
,
силы
поля
совершают
работу
А
= qU = JUt .
(7.24)
С
учетом
закона
Ома
(7.9)
имеем
А
= JUt = J
2
Rt =
R
U
2
t .
(7.25)
Мощность
N =
t
А
,
развиваемая
током
на
участке
цепи
с
со
-
противлением
R,
в
данном
случае
определяется
как
N = JU =
J
2
R
=
R
U
2
.
(7.26)
КПД
электрогенератора
в
обычной
замкнутой
цепи
,
содержа
-
щей
только
сопротивления
рассчитывается
из
соотношений
=
Е
U
J
Е
JU
r
R
R
r)
(R
J
R
J
N
N
2
2
затр
.
пол
.
.
(7.27)
Если
постоянный
электрический
ток
течет
по
цепи
,
которая
состоит
из
неподвижных
металлических
проводников
,
то
работа
тока
полностью
расходуется
на
нагревание
проводников
.
Отсюда
,
с
учетом
(7.25),
получаем
закон
Джоуля
-
Ленца
для
участка
цепи
постоянного
тока
:
количество
теплоты
,
выделяемое
постоянным
электрическим
током
в
участке
цепи
,
равно
произведению
квадрата
силы
тока
на
время
его
прохождения
и
электрическое
сопротивление
рассматри
-
ваемого
участка
цепи
.
7.5.
Электрический
ток
в
растворах
и
расплавах
электролитов
.
Закон
электролиза
Е
Е
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
103
Растворы
некоторых
химических
соединений
в
воде
либо
в
других
растворителях
,
а
также
расплавы
,
проводящие
электрический
ток
,
получили
название
электролитов
.
К
электролитам
можно
отне
-
сти
растворы
многих
солей
,
кислот
,
щелочей
,
а
также
расплавы
солей
и
окислов
металлов
.
Проводимость
электролитов
является
ионной
.
Это
связано
с
диссоциацией
молекул
в
среде
с
высокой
диэлектрической
проницае
-
мостью
на
составляющие
их
положительные
и
отрицательные
ионы
.
Например
: CuS
О
4
Cu
2+
+
SO
4
2-
, NaCl
Na
+
Cl
–
и
т
.
д
. (7.28)
Процесс
выделения
со
-
ставных
частей
химических
соединений
на
электродах
при
прохождении
электрического
тока
через
электролит
назы
-
вается
электролизом
(
рис
. 7.9).
Катионы
(
положитель
-
ные
ионы
)
и
анионы
(
отрица
-
тельные
ионы
)
на
поверхности
соответственно
катода
К
и
ано
-
да
А
нейтрализуются
.
Регламентирует
электролиз
закон
Фарадея
,
который
опреде
-
ляет
массу
вещества
,
выделяемую
на
электродах
при
электролизе
:
масса
вещества
m,
выделившегося
на
электроде
при
электролизе
,
прямо
пропорциональна
заряду
q,
прошедшему
через
электролит
,
то
есть
m = kq = kJt
,
(7.29)
где
k
–
электрохимический
эквивалент
вещества
.
7.6.
Электродинамика
в
примерах
Пример
№
1.
При
электролизе
по
схеме
(
рис
. 7.9)
за
время
t=20
мин
на
катоде
выделилось
m=0,6
г
меди
(
электрохимический
эк
-
вивалент
меди
k = 3,3
10
-7
кг
/
Кл
).
С
учетом
,
что
э
.
д
.
с
.
источника
тока
Е
= 150
В
,
а
его
внутреннее
сопротивление
r = 20
Ом
,
рассчитать
на
-
пряжение
U
на
клеммах
источника
тока
.
– +
К
А
Рис
. 7.9
Конспект
лекций
104
Решение
.
Из
закона
Фарадея
для
электролиза
находим
силу
тока
в
цепи
J =
kt
m
.
Согласно
закону
Ома
(7.17)
имеем
U =
Е
– Jr =
Е
–
kt
mr
= 120
В
.
Пример
№
2.
Найти
общее
сопротивление
цепи
,
изображенной
на
рис
. 7.10.
Решение
.
Точки
с
одинаковым
потенциалом
можно
соединить
непосредст
-
венно
,
убрав
длинные
провода
,
сопротивлением
которых
пре
-
небрегаем
.
В
результате
имеем
рис
. 7.11,
откуда
R
об
=
R
4
.
Пример
№
3.
Парал
-
лельно
амперметру
,
имеюще
-
му
сопротивление
R
A
=1
Ом
,
включен
медный
провод
(
шунт
)
длиной
l = 20
см
и
диаметром
d = 1
мм
.
Определить
величину
тока
в
цепи
,
если
амперметр
показывает
силу
тока
J
A
= 0,2
А
.
Удель
-
ное
сопротивление
меди
= 0,017
мкОм
м
.
Решение
.
Падение
напряжения
на
шунте
и
амперметре
равны
,
т
.
е
. J
A
R
A
= J
1
l/S.
Ток
шунта
J
1
= J
A
R
A
d
2
/(4
l)
и
ток
в
цепи
J = J
A
+ J
1
= J
A
+ J
A
R
A
d
2
/(4
l) = 46,4 A.
R R R R
Рис
. 7.10
R
R
параллельное
соединение
проводников
R
Рис
. 7.11
R
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
105
7.7.
Глоссарий
Джоуля
-
Ленца
закон
–
количество
теплоты
,
выделяемое
в
проводнике
электрическим
током
пропорционально
квадрату
силы
тока
,
электрическому
сопротивлению
про
-
водника
и
времени
протекания
тока
в
проводнике
.
Ома
закон
–
для
однородного
участка
цепи
сила
тока
пропорциональна
разности
по
-
тенциалов
на
концах
этого
участка
и
обратно
пропорциональна
его
элек
-
трическому
сопротивлению
;
для
замкнутой
цепи
,
содержащей
источник
тока
,
сила
тока
прямопро
-
порциональна
э
.
д
.
с
.
источника
тока
и
обратно
пропорциональна
полному
сопротивлению
цепи
.
Плотность
тока
–
векторная
величина
,
модуль
которой
равен
силе
тока
,
протекающего
через
единичную
площадку
,
ориентирован
-
ную
перпендикулярно
к
направлению
движения
носителей
заряда
,
а
направ
-
ление
совпадает
с
направлением
векто
-
ра
скорости
упорядоченного
движения
положительных
носителей
заряда
.
Сила
тока
–
скалярная
величина
,
численно
равная
заряду
,
переносимому
через
рассмат
-
риваемую
поверхность
в
единицу
времени
.
Фарадея
закон
–
масса
вещества
,
выделившегося
на
электродах
в
процессе
электролиза
,
прямо
пропорциональна
заряду
,
про
-
шедшему
через
электролит
.
Конспект
лекций
106
Электрический
ток
–
упорядоченное
движение
носителей
заряда
или
заряженных
макроскопи
-
ческих
тел
.
Электрическое
напряжение
–
величина
,
численно
равная
работе
,
со
-
вершаемой
электростатическими
и
сто
-
ронними
силами
по
перемещению
еди
-
ничного
положительного
заряда
на
вы
-
деленном
участке
электрической
цепи
.
Электродвижущая
сила
–
величина
,
равная
работе
сторонних
сил
по
перемещению
единичного
по
-
ложительного
заряда
.
Электролиз
–
процесс
выделения
составных
частей
химических
соединений
на
электро
-
дах
при
прохождении
электрического
тока
через
электролит
.
Основные
вопросы
для
повторения
:
1.
Что
называют
электрическим
током
?
2.
Сформулируйте
понятия
сила
тока
и
плотность
электрического
тока
.
Запишите
для
них
выражения
в
виде
формулы
.
В
каких
еди
-
ницах
измеряются
эти
величины
в
СИ
?
3.
Что
такое
сторонние
силы
?
Дайте
определение
электродвижущей
силы
и
напряжения
.
4.
Запишите
закон
Ома
для
однородного
участка
электрической
цепи
и
замкнутой
цепи
,
содержащей
э
.
д
.
с
.
5.
Запишите
закон
Ома
для
неоднородного
участка
электрической
цепи
.
6.
Запишите
формулы
для
расчета
электрического
сопротивления
при
параллельном
и
последовательном
соединении
проводников
.
7.
Сформулируйте
закон
Джоуля
-
Ленца
для
теплового
действия
тока
.
8.
Как
рассчитывается
КПД
источника
тока
?
9.
В
чем
заключается
электролиз
?
10.
Сформулируйте
закон
Фарадея
для
электролиза
.
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
107
Лекция
№
8
8.1.
Магнитное
поле
.
Сила
Лоренца
.
Магнитная
индукция
.
Сила
Ампера
Согласно
классической
теории
электромагнетизма
заряжен
-
ная
частица
так
возмущает
окружающее
пространство
,
что
любая
другая
заряженная
частица
,
помещенная
в
эту
область
испытывает
действие
силы
.
Говорят
,
что
на
частицу
действует
электромагнитное
поле
.
Электрическая
составляющая
такого
поля
связана
с
самим
фактом
присутствия
заряженной
частицы
(
источника
поля
)
в
рас
-
сматриваемой
области
пространства
,
магнитная
–
с
ее
движением
.
Источником
макроскопического
магнитного
поля
являются
проводники
с
током
,
намагниченные
тела
и
движущиеся
электриче
-
ски
заряженные
тела
.
Однако
,
природа
магнитного
поля
едина
,
оно
возникает
в
результате
движения
заряженных
микрочастиц
.
Переменное
магнитное
поле
появляется
также
при
изменении
во
времени
электрического
поля
,
и
наоборот
,
при
изменении
во
вре
-
мени
магнитного
поля
возникает
электрическое
поле
(
см
.
теорию
Дж
.
Максвелла
).
Количественной
характеристикой
силового
действия
электри
-
ческого
поля
на
заряженные
объекты
служит
векторная
величина
Е
–
напряженность
электрического
поля
.
Магнитное
поле
характеризу
-
ется
вектором
индукции
В
,
который
определяет
силу
,
действующую
в
данной
точке
поля
на
движущийся
электрический
заряд
.
Эту
силу
называют
силой
Лоренца
(
Х
.
Лоренц
–
нидерландский
физик
-
теоретик
).
Экспериментально
для
модуля
этой
силы
установлена
сле
-
дующая
зависимость
(
в
СИ
):
F
л
=
В
q
sin
,
(8.1)
где
q
–
модуль
заряда
,
который
двигается
в
магнитном
поле
со
ско
-
ростью
под
углом
к
направлению
магнитного
поля
.
Таким
образом
,
магнитная
индукция
В
численно
равна
силе
F
л
,
действующей
на
единичный
заряд
,
движущийся
с
единичной
ско
-
ростью
в
направлении
,
перпендикулярном
полю
.
Конспект
лекций
108
Сила
Лоренца
F
л
перпендикулярна
векторам
В
(
направление
поля
)
и
v
,
при
этом
направление
этой
силы
совпадает
с
направлением
,
которое
определяется
по
правилу
левой
руки
.
Согласно
этому
пра
-
вилу
,
если
левую
руку
расположить
так
,
что
четыре
вытянутых
паль
-
ца
совпадают
по
направлению
с
вектором
скорости
положительного
заряда
v
(
если
q
0,
то
пальцы
левой
руки
направляют
в
противопо
-
ложную
сторону
или
пользуются
правой
рукой
),
а
составляющая
век
-
тора
магнитной
индукции
В
,
перпендикулярная
скорости
заряда
,
вхо
-
дит
в
ладонь
перпендикулярно
к
ней
,
то
отогнутый
на
90
большой
палец
покажет
направление
силы
Лоренца
,
рис
. 8,1.
В
целом
,
выражение
для
вектора
силы
Лоренца
записывается
через
векторное
произведение
векторов
v
и
В
:
F
л
= q [
v
,
В
]
.
(8.2)
При
движении
заряженной
частицы
перпендикулярно
к
на
-
правлению
магнитного
поля
(
v
В
)
сила
Лоренца
играет
роль
центро
-
стремительной
силы
,
при
этом
траекторией
движения
частицы
явля
-
ется
окружность
.
Если
векторы
v
и
В
направлены
одинаково
,
то
F
л
= 0.
В
общем
случае
,
когда
0
90
,
в
результате
одновременного
движения
по
окружности
и
по
прямой
заряженная
частица
будет
двигаться
по
вин
-
товой
линии
, «
навиваясь
»
на
линии
магнитной
индукции
.
При
наличии
электромагнитного
поля
формула
Лоренца
име
-
ет
вид
F
л
= q
Е
+ q[
v
,
В
].
(8.3)
F
л
В
F
л
В
q
0
B
v
v
q
0
v
B
v
левая
F
л
F
л
рука
Рис
. 8.1
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
109
Если
магнитное
поле
создают
несколько
источников
(n),
то
его
магнитная
индукция
согласно
принципу
суперпозиции
рассчиты
-
вается
как
В
=
i
n
1
В
i
.
(8.4.)
Если
в
магнитное
поле
поместить
проводник
с
током
,
то
на
каждый
носитель
тока
,
движущийся
по
проводнику
со
скоростью
v
,
будет
действовать
сила
Лоренца
.
Действие
этой
силы
от
отдельных
носителей
передается
всему
проводнику
.
В
результате
,
на
каждый
прямолинейный
участок
проводника
длиной
l (
малый
элемент
дли
-
ной
l),
по
которому
течет
ток
J,
в
магнитном
поле
будет
действовать
так
называемая
сила
Ампера
F
А
(
закон
Ампера
,
в
честь
известного
французского
ученого
,
открывшего
этот
закон
,
Андре
Ампера
):
F
А
= J [
l
,
B
],
(8.5)
где
l
–
вектор
,
направление
которого
совпадает
с
направлением
тока
в
проводнике
,
а
модуль
этого
вектора
равен
длине
участка
l.
Направление
этой
силы
определяется
по
правилу
левой
ру
-
ки
:
если
левую
руку
расположить
так
,
чтобы
перпендикулярная
к
проводнику
составляющая
вектора
магнитной
индукции
В
входила
в
ладонь
перпендикулярно
к
ней
,
а
направление
средних
пальцев
сов
-
падало
с
направлением
тока
,
то
отогнутый
на
90
большой
палец
по
-
кажет
направление
действующей
на
проводник
силы
Ампера
F
А
,
рис
.
9.2.
Таким
образом
,
вели
-
чина
магнитной
индукции
магнитного
поля
определяется
как
В
=
sin
l
J
F
A
, (8.6)
где
–
угол
между
направле
-
нием
тока
и
вектора
магнитной
индукции
(
магнитного
поля
).
В
F
А
J
Рис
. 8.2
Конспект
лекций
110
Однородным
постоянным
магнитным
полем
называется
магнитное
поле
,
вектор
В
у
которого
одинаков
во
всех
точках
про
-
странства
и
не
меняется
со
временем
.
В
соответствии
с
законом
Ампера
(8.6)
магнитная
индукция
–
это
величина
,
численно
равная
силе
,
действующей
на
прямолиней
-
ный
проводник
единичной
длины
,
по
которому
течет
ток
единичной
силы
и
который
расположен
перпендикулярно
направлению
магнит
-
ного
поля
.
Единица
магнитной
индукции
получила
название
тесла
(
Тл
): 1
Тл
=1
м
А
Н
(
в
честь
сербского
ученого
Никола
Тесла
).
Индук
-
ция
магнитного
поля
Земли
около
ее
поверхности
составляет
пример
-
но
5
10
-5
Тл
.
Следствием
существования
силы
Ампера
является
появление
момента
сил
,
действующего
на
рамку
с
током
,
помещенную
в
одно
-
родное
магнитное
поле
,
и
приводящего
к
ее
возможному
вращению
.
В
данном
случае
модуль
вектора
магнитной
индукции
равен
отношению
максимального
момента
сил
М
max
,
действующего
со
сто
-
роны
магнитного
поля
на
контур
с
током
,
к
произведению
силы
тока
J
в
контуре
на
его
площадь
S:
В
=
JS
М
max
.
(8.7)
При
этом
,
величина
,
модуль
которой
Р
m
=J
S,
называется
маг
-
нитным
моментом
контура
.
Ампер
экспериментально
обнаружил
,
что
два
параллельных
проводника
взаимодействуют
друг
с
другом
.
При
этом
,
если
токи
в
про
-
водниках
направлены
в
одну
сторо
-
ну
,
то
взаимодействие
имеет
харак
-
тер
притяжения
,
если
в
противопо
-
ложные
–
отталкивания
(
рис
. 8.3).
Ясно
,
что
взаимодействие
про
-
водников
является
результатом
дейст
-
вия
магнитного
поля
одного
тока
на
+
+
–
–
–
+
Рис
. 8.3
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
111
другой
.
Для
взаимодействующих
параллельных
тонких
проводников
(
бесконечной
длины
)
с
током
Ампером
был
установлен
следующий
закон
:
отнесенная
к
единице
длины
проводника
сила
F
1
,
с
которой
эти
проводники
действуют
друг
на
друга
,
определяется
по
формуле
F
1
=
r
J
2J
4
2
1
0
,
(8.8)
где
J
1
и
J
2
–
силы
токов
в
проводниках
, r –
расстояние
между
провод
-
никами
,
0
–
магнитная
постоянная
,
равная
4
10
-7
м
Гн
А
Н
2
,
–
магнитная
проницаемость
среды
,
показывающая
во
сколько
раз
ин
-
дукция
магнитного
поля
в
данной
среде
отличается
от
магнитной
ин
-
дукции
в
вакууме
.
С
законом
Ампера
связано
определение
единицы
силы
тока
в
СИ
:
один
Ампер
равен
силе
постоянного
тока
,
который
при
про
-
хождении
по
двум
прямолинейным
параллельным
проводникам
беско
-
нечной
длины
и
ничтожно
малой
площади
кругового
поперечного
се
-
чения
,
расположенным
в
вакууме
на
расстоянии
1
м
друг
от
друга
,
вызывает
на
каждом
участке
проводника
длиной
1
м
силу
взаимо
-
действия
,
равную
2
10
-7
Н
.
Магнитное
поле
изображается
с
помощью
линий
индукции
,
касательные
к
которым
в
каждой
точке
соответствуют
вектору
В
,
рис
.
8.4.
Для
бесконечно
длинного
проводника
с
током
они
имеют
вид
концентрических
окружностей
,
в
центре
которых
находится
провод
-
ник
.
Пример
:
Конспект
лекций
112
8.2.
Магнитный
поток
.
Электромагнитная
индукция
.
Правило
Ленца
.
Явление
самоиндукции
.
Энергия
магнитного
поля
.
Электродвигатели
и
генераторы
тока
.
Трансформатор
Если
в
однородном
поле
с
индукцией
В
находится
площадка
S
(
площадь
),
ориентированная
так
,
что
единичная
нормаль
n
к
поверх
-
ности
образует
с
направлением
вектора
В
угол
,
то
магнитным
по
-
током
через
рассматриваемую
поверхность
S
называют
скалярную
величину
(
рис
. 8.5)
Ф
= BS cos
.
(8.9)
Введя
вектор
S
= S
n
,
имеем
Ф
=
B
S
.
(8.10)
Модуль
потока
вектора
магнитной
индукции
через
пло
-
щадку
S
численно
равен
количеству
линий
магнитной
индукции
,
пересе
-
кающих
данную
площадку
.
Единицей
магнитного
пото
-
ка
служит
вебер
(
Вб
):1
Вб
=1
Тл
1
м
2
(
Вильгельм
Вебер
–
немецкий
физик
).
Явление
электромагнитной
индукции
заключается
в
воз
-
никновении
электрического
тока
в
замкнутом
проводнике
при
изме
-
нении
магнитного
потока
через
поверхность
,
ограниченную
этим
проводником
.
Этот
ток
получил
название
индукционного
.
Появление
индукционного
тока
связано
с
возникновением
в
рассматриваемых
условиях
в
контуре
электродвижущей
силы
,
называемой
э
.
д
.
с
.
ин
-
дукции
Е
инд
.
.
Э
.
д
.
с
.
индукции
появляется
и
в
незамкнутом
проводнике
J
r
B =
r
2
J
0
c (vfuybn) >
В
Рис
. 8.4
n
B
S
Рис
. 8.5
С
(
магнит
)
Ю
В
.
А
.
Никитенко
,
А
.
П
.
Прунцев
113
при
его
движении
в
магнитном
поле
,
при
котором
проводник
пересе
-
кает
линии
магнитного
поля
.
Явление
электромагнитной
индукции
подтверждает
фунда
-
ментальный
вывод
о
том
,
что
при
всяком
изменении
со
временем
магнитного
поля
в
пространстве
его
окружающем
возникает
вихревое
электрическое
поле
,
которое
существует
независимо
от
того
,
имеется
ли
в
магнитном
поле
проводящий
контур
или
нет
.
Помещенный
кон
-
тур
позволяет
только
обнаружить
вихревое
электрическое
поле
по
вызванному
им
индукционному
току
.
Если
проводник
движется
в
постоянном
магнитном
поле
,
то
на
свободные
заряды
,
находящиеся
в
нем
,
действуют
силы
Лоренца
.
Под
действием
этих
сил
происходит
Достарыңызбен бөлісу: |