Эдс где плюс где минус на схеме
Перейти к содержимому

Эдс где плюс где минус на схеме

  • автор:

№1 Электрическая цепь и ее элементы.

Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи и потребления электрической энергии. Пример простейшей электрической цепи показан на рис. 1.1. Кружок со стрелкой внутри и стоящей рядом буквой Е (рис. 1.1, а) обозначает так называемый источник ЭДС (его еще называют источником напряжения). Это идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение постоянно по величине, равно ЭДС реального источника и не зависит от протекающего по нему тока. Стрелка показывает направление возрастания потенциала внутри источника. Плюс находится у острия, минус – у хвоста стрелки. Ток во внешней цепи протекает по направлению стрелки ЭДС – от плюса источника к минусу. Внутреннее сопротивление реального источника R0 соединяется последовательно с ЭДС Е, и в совокупности они образуют схему замещения реального источника (на рис. 1.1, а обведена пунктиром).

Рис. 1.1 — Простейшая электрическая цепь

Другое представление схемы генератора осуществляется в виде параллельного соединения источника тока и сопротивления R0 (рис. 1.1, б). Под источником тока понимают также идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого бесконечно велико, и который вырабатывает ток J, не зависящий от величины нагрузки R и равный частному от деления ЭДС реального источника на его внутреннее сопротивление J = E/R0. На схеме он изображается кружком с двойной стрелкой, рядом с которым ставится буква J (рис. 1.1, б).

В схеме рис. 1.1, а ЭДС равна сумме напряжений на нагрузке и внутреннем сопротивлении источника:

Последнее выражение представляет так называемую внешнюю характеристику генератора. Оно говорит о том, что напряжение на его зажимах меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении (рис. 1.2). Чем больше ток и внутреннее сопротивление генератора, тем меньше выдаваемое им напряжение. При холостом ходе генератора (при I = 0) напряжение, измеренное на его разомкнутых зажимах равно ЭДС: U = E.

Рис. 1.2 — Внешняя характеристика генератора

На практике часто приходится сталкиваться с элементами схемы, показанными на рис. 1.3. Разница между ними заключается во взаимном направлении стрелок ЭДС и напряжения. В первом случае (рис. 1.3, а), когда эти стрелки направлены противоположно друг другу, напряжение определяется как разность потенциалов положительного и отрицательного зажимов источника и поэтому положительно. При одинаковых направлениях стрелок E и U (рис. 1.3, б) напряжение равно разности отрицательного и положительного потенциалов, а потому оно отрицательно: U = – E.

Рис. 1.3 — Напряжение на зажимах источника

Пример 1.1. Напряжение холостого хода батареи равно 16,4 В. Чему равно ее внутреннее сопротивление, если при токе во внешней цепи, равном 8 А, напряжение на ее зажимах равно 15,2 В?

Решение. В соответствии с уравнением из схумы (1.1), показанной на рис. 1.4 (а), следует:

Схема 1.4 (б) дает:

Рис. 1.4 — Разомкнутая(а) и замкнутая(б) цепи

При решении задачи мы полагали, что измерение проводилось идеальным вольтметром, имеющим бесконечно большое сопротивление. При конечной величине сопротивления вольтметра в измерение вносится погрешность.

Пример 1.2. ЭДС батареи измеряется вольтметром, имеющим сопротивление Rv. Чему равно показание вольтметра при трех различных значениях его сопротивления, если E = 80 В, R0 = 100 Ом?

Рис. 1.5 — Измерение ЭДС вольтметром

Решение. Показание вольтметра Uv равно падению напряжения на его сопротивление (рис. 1.5)

Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения. Как следует из формулы (1.2), только при RV →∞ показание вольтметра равно ЭДС: UV = E.

Нагрузкой в схеме на рис. 1.1 служит сопротивление R. Напряжение на его зажимах связано с током законом Ома

где G – проводимость, величина, обратная сопротивлению R; единица измерения – cименс (См).

При G = const выражение (1.3) представляет собой уравнение прямой, проходящей через начало координат. Его график (рис. 1.6) называется вольтамперной характеристикой. Элементы электрической цепи, имеющие аналогичную (прямолинейную) вольтамперную характеристику, называются линейными. Электрическая цепь, состоящая только из линейных элементов, также называется линейной.

Рис. 1.6 — Вольтамперная характеристика линейного сопротивления

Полагая в уравнении G=1/R (1.3), получим U = IR. Последнее выражение справедливо, когда стрелки напряжения и тока у резистора направлены в одну сторону (рис. 1.7, а). При изменении на схеме направления любой из стрелок в правой части закона Ома следует ставить минус (рис. 1.7, б). Здесь при определении напряжения на элементе мы «идем по стрелке» напряжения против стрелки тока.

Рис. 1.6 — Напряжение и ток в сопротивлении

Рядом с буквой U можно ставить два индекса, обозначающие точки, между которыми определяется напряжение; например, Uab – напряжение между точками а и b. При этом направление стрелки напряжения на схеме определяется порядком следования индексов – от а к b (от первого индекса ко второму).

Эдс где плюс где минус на схеме

Если же процессы окисления и восстановления пространственно разделить, то любую окислительно-восстановительную реакцию можно использовать для получения электрической энергии. Такие устройства называют химическими источниками тока (ХИТ). Простейший ХИТ – гальваническая ячейка (рис. 7.1) – представляет собой сосуды, в которых два электрода, помещенные в раствор соответствующих электролитов, соединены солевым мостиком (проводником второго рода *) , представляющим собой стеклянную трубку, заполненную раствором такого электролита, катионы и анионы которого характеризуются одинаковой подвижностью. При замыкании внешней цепи проводником первого рода начинается окислительно-восстановительная реакция, о чем свидетельствует возникновение электродвижущей силы (ЭДС).

*) В проводниках второго рода носителями заряда служат ионы, в отличие от электронов в проводниках первого рода.

Реакция CuSO4 + Zn = Cu + ZnSO4 в электрохимическом варианте является основой гальванического элемента Даниэля–Якоби, схема которого

(–)Zn¦Zn 2+ ||Cu 2+ ¦Cu(+)

отражает современную систему обозначений для гальванических элементов. Слева записывается анод Zn¦Zn 2+ , на котором возникает избыток электронов и происходит процесс окисления – отрицательный полюс (–). Справа – катод Cu 2+ ¦Cu – электрод с недостатком электронов, положительный полюс (+). Одна вертикальная черта изображает фазовый раздел между металлом и раствором электролита. Двойная вертикальная линия отделяет анодное пространство от катодного.

1
Рисунок 7.1

Гальванический элемент Даниэля–Якоби

Электроны по внешнему участку цепи, металлическому проводнику, переходят от отрицательного полюса к положительному. Внешнюю цепь на схеме не изображают. В круглых скобках знаками плюс и минус обозначают полюсы электродов.

Рассмотрим системы металл–растворитель и металл–электролит. В этих гетерогенных системах в зависимости от природы металла и электролита возможен переход ионов металла в раствор или ионов металла из раствора на поверхность металла. Эти процессы определяются отношением энтальпии отрыва иона от кристаллической решетки металла () и энтальпии сольватации этого иона M ∙ solv(solv).

В результате на фазовой границе металл–электролит устанавливается равновесие:

Если концентрация ионов металла в растворе меньше равновесной, то при погружении металла в раствор равновесие смещается вправо, что приводит к отрицательному заряду на металле по отношению к раствору. Если малоактивный металл погружен в раствор соли с концентрацией больше равновесной, то происходит переход ионов из раствора на металл, заряженный положительно (рис. 7.2). В любом случае возникает двойной электрический слой, и появляется разность электрических потенциалов, или гальвани-потенциал.

Система, состоящая из металла, погруженного в раствор электролита, называется электродом, то есть электроды в электрохимии – это системы из двух токопроводящих тел: проводников 1 и 2 рода . Абсолютное значение разности потенциалов на границе двух фаз разной природы металл│электролит измерить нельзя, однако можно измерить разность потенциалов двух различных электродов.

2
Рисунок 7.2

Схема двойного электрического слоя (а) и (б); распределение заряда в объеме электролита (в)

Значения электродных потенциалов определяются относительно некоторого электрода, потенциал которого условно принят за нулевой. Таким эталонным электродом выбран водородный в стандартных условиях. Его устройство таково: платиновый электрод, покрытый мелкодисперсной платиной (платиновой чернью), погруженный в раствор серной кислоты с активностью ионов водорода 1 моль∙л –1 , обдувается струей газообразного водорода под давлением 100 кПа; при этих условиях и при K

Платиновая чернь адсорбирует водород, который электрохимически взаимодействует с H + по уравнению

Для гальванического элемента

(–)Pt, H2¦2H + ||M¦M(+),

в котором протекает окислительно-восстановительная реакция
запишем уравнение изотермы

Учитывая, что для стандартного водородного электрода активности ионов H + и газа H2 равны 1, а , после преобразования получим уравнение Нернста для электродного процесса:

В этом уравнении – ЭДС реакции, – число электронов, участвующих в электронной реакции, – число Фарадея .

Уравнение (7.1) выражает зависимость электродного потенциала от концентрации (активности) ионов и температуры и называется уравнением Нернста для отдельного электрода .

Отметив, что – активность окисленной формы реагента (оф), M – активность его восстановленной формы (вф), уравнение Нернста можно записать в следующем виде:

Перейдя от натуральных логарифмов к десятичным и подставив численные значения , и , получим удобную для расчетов форму уравнения Нернста:

Активность твердого вещества () принимается равной единице, поэтому в случае рассматриваемого нами металлического электрода (M) уравнение Нернста упрощается:

Потенциал электрода, как видно из этого уравнения, зависит от активности ионов которые являются потенциалопределяющими. Разность потенциалов стандартного водородного электрода и какого-нибудь другого электрода, измеренная при стандартных условиях, называется стандартным электродным потенциалом и обозначается .

Следует подчеркнуть, что:

  1. Уравнение Нернста отдельного электрода условились писать для процесса восстановления независимо от того, в какую сторону сдвинуто равновесие, то есть под знаком логарифма в уравнении Нернста в числителе стоит окисленная форма реагента, в знаменателе – восстановленная.
  2. В дробном индексе при и над чертой ставится окисленная форма полуэлемента, под чертой – восстановленная.
  3. Активности твердых веществ в уравнение Нернста не входят.

Значения некоторых стандартных окислительно-восстановительных потенциалов гальванических элементов, расположенных в порядке их возрастания, представлены в таб. 7.1.

Положительный окислительно-восстановительный потенциал электрода Cu 2+ │Cu () показывает, что в стандартных условиях водород окисляется ионами меди, медный электрод по отношению к водороду является катодом, электроны по внешней цепи переходят от водорода к меди:

Отрицательный потенциал Zn 2+ │Zn ( B) означает, что в стандартных условиях цинковый электрод может быть только анодом, его окислительные функции по отношению к водородному электроду 2H + │H2 отрицательные. Цинк здесь восстанавливает катионы водорода, электроны во внешней цепи перетекают от цинка к водороду:

Суммируя эти реакции, получим

то есть электрод с более положительным значением стандартного электродного потенциала является окислителем по отношению к электроду с менее положительным значением .

Электрическая цепь и ее элементы

1.1. Электрическая цепь и ее элементы
Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи и потребления электрической энергии. Пример простейшей электрической цепи показан на рис. 1.1. Кружок со стрелкой внутри и стоящей рядом буквой Е (рис. 1.1, а) обозначает так называемый источник ЭДС (его еще называют источником напряжения). Это идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение постоянно по величине, равно ЭДС реального источника и не зависит от протекающего по нему тока. Стрелка показывает направление возрастания потенциала внутри источника. Плюс находится у острия, минус – у хвоста стрелки. Ток во внешней цепи протекает по направлению стрелки ЭДС – от плюса источника к минусу. Внутреннее сопротивление реального источника R0 соединяется последовательно с ЭДС Е, и в совокупности они образуют схему замещения реального источника (на рис. 1.1, а обведена пунктиром).
а) б)

Рис. 1.1. Простейшая электрическая цепь
Другое представление схемы генератора осуществляется в виде параллельного соединения источника тока и сопротивления R0 (рис. 1.1, б). Под источником тока понимают также идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого бесконечно велико, и который вырабатывает ток J, не зависящий от величины нагрузки R и равный частному от деления ЭДС реального источника на его внутреннее сопротивление J = E/R0. На схеме он изображается кружком с двойной стрелкой, рядом с которым ставится буква J (рис. 1.1, б).
В схеме рис. 1.1, а ЭДС равна сумме напряжений на нагрузке и внутреннем сопротивлении источника:
Е = U + IR0.
Отсюда
U = E – IR0. (1.1)

Последнее выражение представляет так называемую внешнюю характеристику генератора. Оно говорит о том, что напряжение на его зажимах меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении (рис. 1.2). Чем больше ток и внутреннее сопротивление генератора, тем меньше выдаваемое им напряжение. При холостом ходе генератора (при I = 0) напряжение, измеренное на его разомкнутых зажимах равно ЭДС: U = E.

Рис. 1.3. Напряжение на зажимах источника

На практике часто приходится сталкиваться с элементами схемы, показанными на рис. 1.3. Разница между ними заключается во взаимном направлении стрелок ЭДС и напряжения. В первом случае (рис. 1.3, а), когда эти стрелки направлены противоположно друг другу, напряжение определяется как разность потенциалов положительного и отрицательного зажимов источника и поэтому положительно. При одинаковых направлениях стрелок E и U (рис. 1.3, б) напряжение равно разности отрицательного и положительного потенциалов, а потому оно отрицательно:
U = – E.

Пример 1.1. Напряжение холостого хода батареи равно 16,4 В. Чему равно ее внутреннее сопротивление, если при токе во внешней цепи, равном 8 А, напряжение на ее зажимах равно 15,2 В?
Р е ш е н и е. В соответствии с уравнением (1.1) из схемы, показанной на рис. 1.4, а, следует U = UX = E = 16,4 В.
Схема 1.4, б дает Ом.
а б

Рис. 1.4. Разомкнутая (а) и замкнутая (б) цепи
При решении задачи мы полагали, что измерение проводилось идеальным вольтметром, имеющим бесконечно большое сопротивление. При конечной величине сопротивления вольтметра в измерение вносится погрешность.

Пример 1.2. ЭДС батареи измеряется вольтметром, имеющим сопротивление RV. Чему равно показание вольтметра при трех различных значениях его сопротивления, если Е = 80 В, = 100 Ом?
Р е ш е н и е. Показание вольтметра UV равно падению напряжения на его сопротивлении (рис. 1.5):

а) RV = 100 кОм:

б) RV = 2,5 кОм:

в) RV = 400 Ом:

Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения. Как следует из формулы (1.2), только при RV ? показание вольтметра равно ЭДС: UV = E.
Нагрузкой в схеме на рис. 1.1 служит сопротивление R. Напряжение на его зажимах связано с током законом Ома
I = GU, (1.3)
где G – проводимость, величина, обратная сопротивлению R; единица измерения – cименс (См).

При G = const выражение (1.3) представляет собой уравнение прямой, проходящей через начало координат. Его график (рис. 1.6) называется вольтамперной характеристикой. Элементы электрической цепи, имеющие аналогичную (прямолинейную) вольтамперную характеристику, называются линейными. Электрическая цепь, состоящая только из линейных элементов, также называется линейной.

Рис. 1.6. Вольтамперная характеристика линейного сопротивления

Полагая в уравнении (1.3) , получим U = IR. Последнее выражение справедливо, когда стрелки напряжения и тока у резистора направлены в одну сторону (рис. 1.7, а). При изменении на схеме направления любой из стрелок в правой части закона Ома следует ставить минус (рис. 1.7, б). Здесь при определении напряжения на элементе мы «идем по стрелке» напряжения против стрелки тока.

Рядом с буквой U можно ставить два индекса, обозначающие точки, между которыми определяется напряжение; например, Uab – напряжение между точками а и b. При этом направление стрелки напряжения на схеме определяется порядком следования индексов – от а к b (от первого индекса ко второму).

Рис. 1.7. Напряжение и ток в сопротивлении

Эдс где плюс где минус на схеме

То, что надо выучить к ЕГЭ по физике. И математика к ОГЭ с самого начала (пункт 5). Вопросы смело задавайте в комментарии к этой странице (пункт 6). (Сайт будет дополняться до весны 2024, учите по мере заполнения).

  1. Что такое ЭДС?
    ЭДС это аббревиатура от электродвижущая сила.
  2. Для чего нужно ЭДС? Сделайте рисунок.
    Электродвижущая сила нужна для поддержания постоянного тока в цепи. На рис. 99 изображено движение положительного заряда в цепи.
    Посмотрите на рис. 99.

    Рис. 99. ЭДС.
    а) Движение положительного заряда в цепи при постоянном токе в ней.
    Жирная точка, подписанная плюсом — точка, откуда начинают движение положительные заряды под действием кулоновских сил.
    Жирная точка, подписанная минусом — точка, где заканчивают движение положительные заряды под действием кулоновских сил.
    Пунктиром отмечена область, в которой положительные заряды движутся против действия кулоновских сил под действием сторонних (не кулоновских, то есть каких-то других) сил.
    Кружок с плюсом внутри обозначает движущийся положительный заряд (на данном рисунке положительный заряд движется по часовой стрелке).

    \vec_~- кулоновская сила (сила, с которой на заряд действует электрическое поле).1
    \vec_~- равнодействующая сторонних сил.
    б) Схематическое изображение источника тока и подключённой к нему внешней цепи.
    Источник тока изображён с помощью длинной и короткой параллельных палочек;
    буква
    ε обозначает источник тока и его ЭДС.
    Плюс около большой палочки источника тока и минус около маленькой указывают, что потенциал, создаваемый источником тока со стороны большой палочки больше создаваемого им потенциала со стороны маленькой палочки.
    Пунктирный прямоугольник визуально отделяет внутреннюю часть цепи внутри этого прямоугольника от внешней снаружи него. (Часть цепи внутри этого пунктирного прямоугольника называется внутренней цепью, а часть цепи снаружи него — внешней цепью)
    в) Менее подробное схематическое изображение источника тока и подключённой к нему внешней цепи.
    Источник тока изображён с помощью длинной и короткой параллельных палочек;
    буква
    ε обозначает источник тока и его ЭДС, а буква r~- его внутреннее сопротивление.
    Буква
    R обозначает внешнее сопротивление цепи и его электрическое сопротивление.
    Буква
    I рядом с загнутой стрелочкой обозначает силу тока, текущего в этой цепи, а эта загнутая стрелочка указывает направление этого тока.
    Из точки, подписанной плюсом в точку, подписанную минусом (потенциал точки, подписанной плюсом больше потенциала точки, подписанной минусом) по часовой стрелке положительные заряды движутся под действием кулоновских сил. Чтобы в цепи не прекращался постоянный ток, эти заряды должны продолжать двигаться дальше, чтобы вернуться в точку, подписанную плюсом, из которой они начали движение (чтобы процесс мог продолжаться достаточно долго). Поэтому в области, отмеченной пунктирным прямоугольником эти заряды должны двигаться под действием сторонних сил.

  3. А причём здесь ЭДС? Поясните формулой.
    Так вот отношение работы сторонних сил к величине заряда, который они переносят от минуса к плюсу во внутренней части цепи и называется электродвижущей силой:
    ε=\large \frac;
    где ε~- электродвижущая сила (ЭДС), внутренней части цепи,
    A_~- работа сторонних сил по переносу заряда q в этой части цепи от минуса к плюсу.
  4. В чём измеряется ЭДС в системе СИ? Поясните, что значит, если ЭДС равен одной этой единице измерения.
    В системе СИ ЭДС измеряется в вольтах: [В]. Если ЭДС источника равно 1~В, это значит, что отношение работы сторонних сил по переносу заряда в этом источнике к величине этого заряда равно 1~В.
  5. Что такое внутренне сопротивление источника тока?
    Внутренне сопротивление источника тока — это сопротивление внутренней части цепи. (Источник тока это и есть такая внутренняя часть цепи, где действуют сторонние силы, способные переносить положительные заряды от минуса к плюсу).
  6. Покажите два варианта изображения источника тока на электрической схеме.
    На рис. 99-б изображён первый вариант изображения источника тока на электрической схеме. Здесь отдельно с помощью длинной и короткой параллельных палочек изображён источник тока (длинная палочка означает плюс, а короткая минус, хотя эти знаки иногда не пишут); буква ε (которую в данном случае часто читают как ЭДС) обозначает источник тока и его ЭДС. И отдельно показано, с помощью изображения обычного резистора, внутренне сопротивление этого источника; буква r обозначает это сопротивление и его величину. На рис. 99-в изображён второй вариант изображения источника тока. Здесь показан только источник тока, буква ε обозначает источник тока и его ЭДС, а буква r обозначает внутреннее сопротивление этого источника тока. (Если буква r не ставится это ещё не значит, что внутреннее сопротивление источника тока равно нулю).

Сноски:

  1. А во внутренней части цепи оно вообще однородно будет? А какая разница?

Ссылки:

  1. Эти же вопросы без ответов.
  2. Следующая тема (Закон Ома для полной цепи).
  3. Предыдущая тема (Сопротивление однородного проводника).
  4. Для комментариев, касающихся не только ЕГЭ по физике или этого сайта.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *