Зертханалық жұмыс №7 Ток көзінің ЭҚК-ін және оның ішкі кедергісі. Физика, 10 сынып, қосымша материал 2.

18.5.Ток көздері. Бөгде күштер

          Тізбектегі потенциалдар айырмасын ұстап тұратын, яғни электр тогын демеп тұратын ток көздері (кернеу көздері) болып табылады.

          Энергияның кез-келген түрін электр энергиясына айналдыратын қондырғыларды ток көздері деп атайды. Ток көздеріне гальвани элементтері, аккумуляторлар, күн батареялары, термобатареялар және т.б. жатады.

Гальвани элементтерінде химиялық энергия электр энергиясына, күн батареясында сәулелік энергия электр энергиясына түрленеді.

 болғанда  ток сыртқы тізбекте ток көзінің оң полюсінен теріс полюсіне қарай  бағытталады.

          Ток көзінің ішінде электр өрісіне қарсы зарядтарды қозғалысқа келтіретін, электр өрісінің күшіне қарсы бағытталған бөгде күштер жұмыс атқарады.

          Табиғаты жағынан электрлік емес күштердің барлығын бөгде күштер деп атайды.

Бөгде күштердің бірлік оң зарядты орын ауыстырғанда атқаратын жұмысын электр қозғаушы күш (Э.Қ.К.) деп атайды. Өлшем бірлігі .

Бөгде күштер әсер етпейтін тізбектің бөлігін біртекті, ал бөгде күштер әсер ететін тізбектің бөлігін біртексіз деп атайды.

Ток көздерінің кедергілерін ішкі кедергі деп атайды.

 18.6.Толық тізбек үшін Ом заңы

 Тізбектегі бөгде күштердің жұмысы сыртқы және ішкі (ток көзінің ішінде) тізбектерде бөлініп шығатын жылу мөлшерлерінің қосындысына тең болады:

-екенін ескерсек, алатынымыз

,

,

мұндағы: - сыртқы тізбектің кедергісі, - ток көзінің ішкі кедергісі.

Осы алынған өрнекті толық тізбек үшін Ом заңы деп атайды.

          Тізбектегі ток күші ток көзінің электр қозғаушы күшіне тура пропорционал және тізбектің толық кедергісіне кері пропорционал болады.

Ток көзінің қысқаштарындағы потенциалдар айырмасын анықтайық.

Сыртқы тізбекке түсірілген кернеу , мұндағы ток күшін толық тізбек үшін Ом заңымен  өрнектегенде, алатынымыз 

Соныменен ток көзінің қысқаштарындағы кернеу келесі формуламен анықталады:

Сыртқы тізбек тұйықталмаған жағдайда (,) ток көзінің қысқаштарындағы кернеу ток көзінің ЭҚК-не тең болады.

18.7.Электр ток қуаты. ПӘК-і

Қуат жұмыстың атқарылу шапшаңдығына тең болады.

,

өлшем бірлігі

Тізбектегі толық қуат, яғни ток көзінің өндіретін қуаты келесі формуламен анықталады:

Осы формулаға толық тізбек үшін Ом заңындағы ток күшінің мәнін қойып, толық қуаттың келесі өрнегін аламыз:

Сыртқы тізбекте толық қуаттың бір бөлігі ғана бөлінеді. Сыртқы тізбекте бөлінетін қуат келесі өрнекпен анықталады:

Сыртқы тізбекте бөлінетін қуатты пайдалы қуат деп атайды.

Сыртқы тізбекте бөлінетін қуаттың ең үлкен мәнін анықтайық.

Жоғары математика курсынан функцияның ең үлкен мәнін табу үшін одан айнымалы шама бойынша дифференциал алып, оны нольге теңейтіні белгілі. Сондықтан

Тізбектің сыртқы кедергісі ішкі кедергіге тең болғанда сыртқы тізбекте бөлінетін қуаттың мәні ең үлкен болады.

Пайдалы әсер коэффициенті сыртқы тізбекте бөлінетін қуаттың толық қуатқа қатынасына тең болады.

     немесе    .

Бақылау сұрақтары

1.  Электр тогы дегеніміз не? Ток тығыздығы дегеніміз не?

2.  Тізбектің бөлігі және толық тізбек үшін Ом заңдарын беріңіз.

3.  Ортада ток болуы үшін қандай шарттар орындалуы керек?

4.  Дифференциал түріндегі Ом заңын қорытып шығарыңыз.

5.  Джоуль-Ленц заңы қалай айтылады?

6.  Жылу мөлшерінің көлемдік тығыздығы дегеніміз не?

7.  Қандай ток көздерін білесіз?

8.  Бөгде күштердің жұмысы нені анықтайды?

9.  Электр тогының қуаты. П.Ә.К.-і.

Электр қозғаушы күш. Электрлік кедергі

Қоғамымыздың материалдық және техникалық базасын жасаудың басты бағыты өнеркәсіп пен ауыл шаруашылығындағы техникалық прогрестің негізі – болып отырған электрлендіруді интенсивті қарқынмен дамыту болып табылады.

Электротехника – электр және магнит құбылыстарын практикалық мақсатқа қолдану тәсілдерін зерттейтін ғылым.

Электротехниканың ең маңызды салаларының бірі - электроэнергетика. Электроэнергетика электр энергиясын (басқа энергия түрлерінен) өндіру энергияны алыс қашықтықтарға жеткізу, оны тұтынушылар арасында үлестіру және электр энергиясын басқа энергия түрлеріне – механикалық, жылулық, химиялық т.б. айналдыру мәселелерін қарайды.

Электроника – вакуум, газ, тағы басқа орталардағы электр құбылыстарын пайдалануға негізделген электротехника тарауы. Электроника электр энергиясын түрлендіру, станоктар мен үздіксіз линияларды басқару және оларды бақылау жұмыстарын атқаратын аппаратурада электрондық шамдардың шала өткізгіш және иондық аспаптардың, фотоэлементтердің, күн батареяларының т.б. құрылғылардың техникалық пайдалану мәселелерін қарастырады.

Егер электрониканың пайда болғанына ондаған жылдар ғана өтсе, ал электр техникасы мен электр энергетикасының пайда болғанына едәуір мерзім өтіп отыр.

Қазіргі уақытта электрлендіру негізінде өндіріс процестерін көмплексті механикаландыру мен автоматтандыру кеңінен енгізіліп отыр. Электр технология саласы, электржылулық және электролиздік жолмен металдарды алу және оларды өңдеу қарқынды дамуда. Әр жыл сайы жаңадан әр түрлі машиналардың автоматтық линиялары, цехтар мен завод-автоматтар іске қосылуда. Электр энергиясы көмегімен металдар пісіріліп, жоғары жиілікті токтар мен болаттар шыңдалуда.

Қазіргі электроника есептеуіш машиналарына, әр түрлі автоматтарға, өндіріс процестерін автоматтандыратын және оларды бақылайтын жүйелерге қажетті шағын (миниатюралық) құрылғылар (микросхемалар) алуға мүмкіндік туғызып отыр.

Өндірістік және технологиялық процестерді автоматтандыру электрондық, шала өткізгіштік және иондық аспаптарды кеңінен қолдану арқылы жүргізіледі. Олар осы процестерді реттеуге бақылау және басқаруға арналған.

Электронды есептегіш машиналарының қарқынды дамуы автоматтық басқару жүйелерін жетілдіруге және халық шаруашылығына аса қажетті ғылыми экономикалық т.б. есептерді шешуге мүмкіндік береді. Информацияны алуға, өңдеуге, жеткізіп беруге және кескіндеуге арналған электр техникасы құрылары автоматтың басқару жүйелері техникалық құралдарының маңызды элементтері болып табылады.

Халық шаруашылығының әр түрлі салаларында электр техникалық және электрондық құрылғылардың кеңінен қолдану білікті мамандарсыз мүмкін болмас еді.

Мамандар электр техникасының негізгі заңдарын, тұрақты және айнымалы ток қозғалтқыштарының трансформаторлардың, электр өлшеуіш аспаптардың, электр вакуумдік және шала өткізгіштік аспаптардың құрылысы мен жұмыс жасау принциптерін біліп, оларды практикада шебер пайдалана алуы керек. Бұл мәселелер жөнінде негізгі мәліметтер ұсынылып отырған кітапта баяндалады.  

Тұрақты ток

Қарапайым электр тізбегі (1-сурет) электр энергиясының көзінен Е, энергия тұтынушыдан Т және энергия көзі мен тұтынушыны байланыстыратын екі өткізгіш жалғастырушы сымдардан С₁ және С₂ тұрады. Жалғастырушы өткізгіш сымдар электр энергиясының көзіне оң (+) және теріс (–) полюстер деп аталынатын екі қысқыштар арқылы қосылады.

Электр энергиясының көзі механикалық, химиялық, жылулық тағы басқа энергия түрлерін электр энергиясына түрлендіреді. Тұтынушыда электр энергиясы басқа энергия түрлеріне – механикалық, жылулық, химиялық, жарық т.б. айналады. Электр энергиясының көзіне генераторлар қандай да болмасын механикалық қозғалтқыштармен қозғалысқа келетін электр машиналары, аккумуляторлар және гальваникалық элементтер (бұлардың шартты белгілері 2-суретте көрсетілген) жатады. Электр тұтынушылары ретінде жарықтандырғыш шамдар, электр қозғалтқыштары, электрқыздырғыш аспаптар т.б. пайдаланылады.

Гальваникалық элементтерде, аккумуляторларда бірінші жағдайда гальваникалық элементтер батареяларын, екінші жағдайда аккумулятор батареяларын кұру үшін бір-бірімен жалғастырылады. Электр энергиясының көзі оған өткізгіш сымдар арқылы қосылған энергия тұтынушымен бірге тұйықталған электр тізбегін құрады. Тұйықталған электр тізбегінде үздіксіз зарядтар қозғалысы пайда болады, оны электр тогы деп атайды.

Металл өткізгіштеріндегі тұрақты ток еркін электрондардың тұйық тізбек арқылы қалыптасып бағытталған козғалысы болып табылады. Схемаларда ток пен кернеудің оң бағыттарын плюстен минуске қарай бағдарланған нұсқамалар арқылы шартты түрде белгілеу қабылданған.

Бір-бірінен белгілі қашықтықта орналасқан екі өткізгіштердегі ток осы өткізгіштерге әсер ететін механикалық күш туғызады. Ток өлшемінің бірлігі ампер (А) болады. Халықаралық бірліктер жүйесінде (СИ) ампер – өзгермейтін ток, ол ұзындығы шексіз, өте болмашы дөңгелек қималы қатар түзу сызық бойымен вакуумде бір-бірінен 1 м қашықтықта орналасқан екі өткізгіштерден өткен кезде, осы өткізгіштер арасында әрбір метр ұзындығына шаққанда 2.10^-7 Н (Ньютон) күш тудырады.

Халықаралық бірліктер жүйесінде күш бірлігі-ньютон (Н) болады.

Элеткр тогы өткізгіштің кесе-көлденең қимасы арқылы белгілі уақыт   бірлігінде өткен   (кулонмен өлшенетін) электр  мөлшерін анықтайды.

Егер өткізгіштен 1 А ток өтсе, онда осы өткізгіштің көлденең кимасы арқылы 1 с ішінде 1 Кл электр мөлшері өтеді.

Жалғастырғыш өткізгіш сымдар мен энергия тұтынушы сыртқы электр тізбегін құрады. Бұл тізбекте ток энергия көзінің қысқыштары арасындағы потенциалдар айырымының әсерінен пайда болады және ол потенциалы жоғарырақ нүктеден (оң қысқыш) потенциалы төмендеу нүктеге (теріс қысқыш) қарай бағытталған. Потенциалдар айырымы сияқты потенциал да вольтпен (В) көрсетіледі.

Электр қозғаушы күш (ЭҚК)

Тұйықталған тізбектегі электр тогы энергия көзінің электр қозғаушы күші әсерінен ағады. Тізбекте ток жоқ болған жағдайда да яғни тізбек ажыратылған кезде де энергия көзінде эл, қоз. күші пайда болады. Тізбекте ток жоқ болған жағдайда да ЭҚК энергия көзінін, қысқыштарындағы потенциалдар айырымына тең. Потенциалдар айырымы сияқты, ЭҚК вольтпен (В) көрсетіледі.

Тұйықталған электр тізбегінде де, ажыратылған тізбетке де ЭҚК энергия көзінің қысқыштарындағы потенциалдар айырымын үзбей ұстап тұрады. Тұйықталған тізбекте ток үздіксіз ағуы үшін энергия көзі ішіндегі зарядтар козғалысы электр өрісі күшінің әсеріне қарама-қарсы бағытталған болуы керек. Зарядтардың мұндай қозғалысы сырттан берілген күштердің әсерінен болады.

ЭҚК бар екендігіне көз жеткізу үшін энергия көзінің полюстеріне жалғастырушы өткізгіш сымдар орнына вольтметр деп аталатын аспапты қосса болғаны. Ол кезде вольтметрдің нұсқама тілі (стрелкасы) белгілі бір бұрышқа ауытқиды.

Энергия көзінің ЭҚК көп болған сайын вольтметр нұсқама тілінің ауытқуы да солғұрлым көп болады.

Бірақ вольтметр төменде көрсетілетіндей, ЭҚК көрсетпейді, ол ток көзінің қысқыштарындағы кернеуді көрсетеді. Кернеу ЭҚК сияқты вольтпен (В), киловольтпен (кВ), милливольтпен (мВ) өлшенеді.

Электр кедергісі

Кез келген өткізгіштегі электр зарядтарының бағытталған қозғалысына оның молекулалары мен атомдары бөгет жасайды. Сондықтан токтың етуіне сыртқы тізбекте, энергия көзінің өзі де кедергілер туғызады. Электр тізбегінің электр тогы етуіне қарсы әрекеттілігін электр кедергісі (қысқаша кедергі) деп атайды.

Тұйықталған электр тізбегіне қосылған электр энергиясының көзі электр энергиясын сыртқы және ішкі тізбектер кедергілерін жеңу үшін жұмсайды.

Электр кедергісі Қ (г) әрпімен белгіленеді. Схемаларда кедергілер 3а-суретте көрсетілгендей бейнеленеді. Электр тізбегіне қосылатын және кедергілері бар құрылғыларды резисторлар деп атайды.

Кедергінің өлшем бірлігі ом болады. Өткізгіш сымында тұрақты потенциал айырымы 1 В болған кезде одан 1 А ток өтсе, онда өткізгіш сымның электр кедергісі 1 Ом болады, яғни 1 Ом = 1В/1А. Үлкен кедергілерді өлшеу үшін омнан мың және миллион есе көп бірліктер қолданылады. Олар кило ом (кОм) және мегаом (МОм) деп аталады; 1 кОм = 1000 Ом; 1 МОм = 1000000 Ом.

Өткізгіштердің электр тогына көрсететін кедергісі олар жасалынған материалға сонымен қоса оның ұзындығы мен көлденең қимасының ауданына байланысты болады. Егер бір материалдан жасалынған екі өткізгішті салыстырсақ, онда көлденең қима аудандары тең болған жағдайда, ұзындау өткізгіштің кедергісі үлкен болады, ал ұзындығы бірдей өткізгіштердің кайсысының көлденең қима ауданы үлкен болса, оның кедергісі аз болады. |

Өткізгіш материалдың электрлік қасиеттерін бағалауға меншікті кедергі (р) қолданылады.

Меншікті кедергі – ұзындығы 1 м, көлденең кима ауданы 1 мм² өткізгіш сымның кедергісі. Егер меншікті кедергісі р материалынан жасалған өткізгіштің ұзындығы l метр, көлденең қима ауданы S мм² болса, онда барлықөткізгіш кедергісі R = р/S.

Өткізгіштер кедергісі температураға тәуелді болады және де металл өткізгіштердің кедергісі арта түседі.

Әр металл үшін кедергінің температуралық коэффициенті а деп анықталған, ол өткізгіш температурасын 1°С-қа өзгерткен кезде оның бастапқы кедергісінің 1 Омына шаққандағы өсімін анықтайды. Әр түрлі Т₂ және Т₁температуралы R₂ және R₁ кедергілердің ара қатынасы былайша анықталады:

R₂ = R₁ [1 + a (T₂ – T₁)]

Бұл ара қатынас температура 100°С төмен болғанда ғана орнында алатынын ескеру қажет.

Реттелетін кедергілерді реостаттар деп атайды. Реостаттар үлкен меншікті кедергілері бар сымдардан, мысалы, нихромнан жасалынады. Реостаттар кедергісі біркелкі немесе сатылап өзгерілуі мүмкін. Схемаларда реостаттар 3, б-суретінде көрсетілгендей шартты белгілермен бейнеленеді.

Өткізгіштердің электр тогын өткізу қабілеттілігі өткізгіштілікпен g сипатталады, оның мәні кедергіге кері пропорционал. Өткізгіштіліктің бірлік өлшемі – сименс (1/Ом – См).

Сонымен, кедергі мен өткізгіштілік арасындағы қатынас мынадай:

g = 1/R және R = 1/g

Өткізгіш материалының меншікті кедергісіне кері шама меншіктікті өткізгіштілік деп аталады да оны γ әрпімен белгілейді.

Сонымен, заттың меншікті кедергісі мен меншікті өткізгіштілігі арасында мынадай қатынастар болады: γ = 1/р және р = 1/γ.

Қарама-қарсы таңбалы зарядтар тасыйтын екi ток өткiзетiн денелердi алайық. Егер осы денелердi өткiзгiш арқылы қоссақ, сол зарядтардың электр өрiсiнiң әсерiнен өткiзгiште электр тогы пайда болады (5.5 сурет). Бiрақ бұл ток өте қысқа уақыт болады. Екi дене арасындағы электр өрiсi әлсiзденедi де, ақыр аяғында денелердiң потенциалдары теңесуiнiң нәтижесiнде жоқ болады.

Ток тұрақты болуы үшiн өткiзгiштiң ұштарындағы потенциалдардың айырымы тұрақты болуы қажет, яғни өткiзгiште өзгермейтiн электр өрiсi болуы керек. Ол үшiн денелердiң зарядтарға әсер ететiн электростатикалық күшiнiң бағытына қарама-қарсы бағытта зарядтарды бiр денеден екiншi денеге тасымалдайтын ерекше құрылғы – ток көзi керек. Мұндай құрылғыда зарядтарға, электр күштерден басқа тегi электрлiк емес күштер әсер ету тиiс (5.5 сурет). Мұндай күштердi бөгде күштер дейдi.

Тұйық контурдағы электр қозғаушы күш (қысқаша ЭҚК) зарядты контурдың бойымен орын ауыстыруындағы бөгде күштердiң жұмысының сол зарядқа қатынасын анықтайды:

. (5.13)

Толық тiзбек үшiн Ом заңы. ЭҚК-i ε, кедергiсi r (iшкi кедергi) ток көзiнен кедергiсi R болатын сыртқы тiзбек бөлiгiнен тұратын тұйық тiзбектек үшiн Ом заңы

 (5.14)

формуласымен өрнектеледi (5.6 сурет). Тұйық тiзбектегi ток күшi ток көзiнiң ЭҚК-нiң, тiзбектiң сыртқы және iшкi кедергiлер қосындысына қатынасына тең.