e là gì? d.s.?

42

A. Kikoin

emf là gì?

Vào đầu thế kỷ 19, nhà khoa học người Ý Alexandro Volleta đã tạo ra một thiết bị có khả năng duy trì dòng điện không đổi trong một mạch dẫn kín. Ông gọi thiết bị này là thiết bị điện động. Sau này nó được gọi là tế bào điện. Volta tin, và không phải không có lý, rằng có một số lực tác dụng lên thiết bị này khiến các điện tích chuyển động. Có lẽ đó là lý do tại sao đặc điểm chính của thiết bị do Volt phát minh và tất cả các thiết bị tương tự khác bắt đầu được gọi bằng thuật ngữ “sức điện động”. Đó là những gì họ gọi nó ngày nay.

Tuy nhiên, trong thực tế có một suất điện động - emf?

Để hiểu vấn đề này, chúng ta hãy nhớ lại ngắn gọn những thông tin cơ bản về các khái niệm như dòng điện và hệ điện trường.

Hệ thống dòng điện và điện trường

Dòng điện là chuyển động có trật tự, tức là chuyển động có hướng của các điện tích giống hệt nhau. Trong kim loại, hạt mang điện chuyển động có hướng là electron. Những hạt này được “định hướng” bởi trường điện được tạo ra trong kim loại. Điện trường là trường được tạo ra bởi các điện tích đứng yên. Đặc điểm chính của trường điện là tính định hướng $\vec{E}$.

Trong điện trường, công thực hiện khi di chuyển một điện tích từ điểm này sang điểm khác của điện trường không phụ thuộc vào quỹ đạo mà điện tích di chuyển giữa các điểm này. Theo đó, công do điện trường thực hiện trên một điện tích khi nó di chuyển dọc theo một đường kín bằng không.

Công mà một trường thực hiện khi di chuyển một điện tích giữa hai điểm được gọi là hướng điện giữa các điểm này của điện trường.

Qua quá trình cơ học, người ta biết rằng khối lượng công có liên quan đến một đại lượng khác - thế năng. Cụ thể, công thực hiện khi một vật chuyển động bằng độ biến thiên thế năng của vật đó với dấu ngược lại trong quá trình chuyển động đó.

Để xác định giá trị thế năng của điện tích tại một điểm nhất định trong trường, bạn cần chọn “mức 0” - điểm mà tại đó thế năng được lấy bằng 0. Trong kỹ thuật điện, mức 0 được coi là điểm bất kỳ được kết nối bằng dây dẫn với Trái đất. Trong vật lý, họ thường chọn bất kỳ điểm nào ở xa vô hạn so với điện tích tạo ra trường.

Vì công thực hiện khi di chuyển một điện tích giữa hai điểm trong trường tĩnh điện không phụ thuộc vào quỹ đạo mà điện tích tác dụng nên thế năng của điện tích tại một điểm nhất định trong trường không phụ thuộc vào cách thức (theo đường nào) điện tích đi đến một điểm nhất định. Năng lượng này, được gọi là đơn vị điện tích dương, có thể đóng vai trò là đặc tính của một điểm trường nhất định. Đây là tiềm năng tại một điểm nhất định trong lĩnh vực này. Vì vậy, điện thế tại một điểm nhất định là

43

ke về cơ bản là điện áp giữa điểm này và điểm điện thế bằng 0.

Như vậy, điện áp giữa hai điểm là hiệu điện thế giữa các điểm đó. (Cần lưu ý rằng điều này chỉ đúng với trường tĩnh điện. Cũng có những điện trường điều này không đúng.)

Một điện tích dương trong điện trường chuyển động theo hướng vectơ cường độ trường. Trong trường hợp này, trường thực hiện công dương và do đó thế năng của điện tích giảm. Điều này có nghĩa là điện tích dương trong trường tĩnh điện sẽ chuyển từ điện thế cao hơn sang điện thế thấp hơn. Ngược lại, điện tích âm trong trường chuyển từ điện thế thấp sang điện thế cao.

Dòng điện một chiều và công của trường tĩnh điện

Bây giờ chúng ta xét một mạch kín có dòng điện chạy qua. Chúng ta sẽ chuyển sang ví dụ quen thuộc nhất về dòng điện trong mạch gồm các dây dẫn kim loại. Trong các dây dẫn này, các điện tích chuyển động (các hạt mang dòng điện) là các điện tử tự do. Đây là những chất điện tử đã được tách ra khỏi nguyên tử và do đó trở nên “tự do”.
Sự tự do của họ nằm ở chỗ dưới tác dụng của điện trường, họ có thể chuyển động trong kim loại. Bản thân các nguyên tử bị mất điện tích là các ion tích điện dương tạo thành mạng tinh thể của kim loại. Như bạn đã biết, dòng điện là hướng chuyển động của các điện tích giống nhau. Các điện tích này được “định hướng” bởi lực do trường tĩnh điện tạo ra trong kim loại tác dụng lên chúng. Chuyển động trong kim loại, các electron tương tác với nhau và truyền cho chúng năng lượng mà chúng thu được trong điện trường. (Chúng ta biết điều này từ kinh nghiệm - kim loại nóng lên khi có dòng điện chạy qua.) Năng lượng mà các electron thu được rất bằng công thực hiện bởi điện trường tác dụng lên các electron. Vì vậy, công việc này không phải là số không. Nhưng, như đã biết, công của trường tĩnh điện khi một điện tích chuyển động dọc theo một mạch kín là bằng không. Điều này có nghĩa là chuyển động của các điện tử dọc theo một mạch kín không thể chỉ xảy ra dưới tác động của trường tĩnh điện. Và nếu có một dòng điện trong mạch, thì điều này có nghĩa là ở đâu đó trong mạch đã tạo ra một trường khác, không tĩnh điện, công của nó tác dụng lên các điện tích dọc theo một đường kín không bằng 0. Ở đây chắc chắn phải có một loại lực không đổi nào đó tác dụng so với lực tĩnh điện. Điểm chung của họ được gọi là lực lượng phụ. Công của các lực này rất indo và các electron bù đắp năng lượng mà chúng mất đi khi tương tác với chúng. Vì vậy, cuối cùng, chính những lực này đã duy trì dòng điện không đổi trong mạch.

Vai trò của các thế lực bên ngoài

Để hiểu vai trò của các lực bên trong mạch điện một chiều, trước tiên chúng ta hãy xem xét mạch điện áp thấp, chẳng hạn như mạch trong Hình 1. Giả sử rằng bằng cách nào đó, tại một thời điểm nào đó, đầu A của mạch tích lũy quá nhiều điện tử, do đó nó trở nên tích điện âm. Khi đó ở đầu kia của chuỗi có một lượng điện tích dương dư thừa. Bên trong kim loại sẽ tồn tại một trường tĩnh điện và các electron tự do sẽ chạy từ A đến B. Do đó, trong kim loại sẽ có dòng điện chạy từ B đến A. Nhưng dòng điện này không đổi. Trong một thời gian rất ngắn, lượng electron dư ở A sẽ biến mất và lượng điện tích dương dư ở B cũng biến mất. Từ trường trong kim loại sẽ biến mất cùng với đó là dòng điện.

Nhưng chúng ta hãy tưởng tượng rằng trong khoảng giữa A và B có một điểm nhất định

44

một nàng tiên có phép thuật và hiệu quả đến mức cô ấy có thể di chuyển mọi electron từ $B$ quay lại $A$.
Khi đó, rõ ràng, $A$ sẽ duy trì điện tích giải phóng không đổi và $B$ sẽ duy trì điện tích dương không đổi. Kim loại sẽ duy trì điện trường không đổi và dòng điện không đổi.

Tuy nhiên, hãy lưu ý rằng nàng tiên của chúng ta phải hoạt động chống lại trường năng lượng. Rốt cuộc, các điện tích trong $A$ và $B$ tạo ra một trường như vậy không chỉ bên trong kim loại mà còn bên ngoài nó. Và trường bên ngoài kim loại trong khoảng từ $A$ đến $B$ cũng có hướng từ $B$ đến $A$. Do đó, nàng tiên phải chuyển các electron từ đầu tích điện dương $B$, nơi các electron bám vào, sang giải phóng đầu tích điện $A$, từ đó chúng đẩy nhau. Tất nhiên, lực lượng nhà máy điện không có khả năng làm được điều này. Vì vậy, nàng tiên thực hiện điều này tác động lên các electron không phải bằng lực điện mà bằng một lực nào khác - ngoại lực. Vai trò của lực bên thứ ba trong mạch điện trở nên rõ ràng: truyền điện tích chống lại lực của nhà máy điện, tách điện tích âm khỏi điện tích dương và “gắn” chúng vào điện tích phóng điện. Các lực bên ngoài tác dụng của chúng đóng mạch và đảm bảo sự ổn định của điểm. Có hai phần trong mạch điện: một phần, nhờ nỗ lực của các nàng tiên, các điện tích của các dấu hiệu khác nhau được tách ra, và phần còn lại (ở phần bên ngoài của mạch) chúng được kết nối lại. Fey hoạt động bằng cách tách các điện tích và tạo ra điện trường. Và cái sau kết nối các điện tích, và bên trong kim loại, công này được chuyển thành làm nóng kim loại. Hoạt động của các nàng tiên lấp đầy hoạt động của Sisyphus, người, theo thần thoại cổ xưa, đặt một hòn đá trên đỉnh núi, khi lên tới đỉnh sẽ lăn xuống. Giống như Sisyphus, nâng một hòn đá, chỉ hoạt động chống lại lực hấp dẫn để hòn đá, đã có được thế năng, có thể lăn xuống núi dưới tác động của trọng lực, nàng tiên của chúng ta, tách các điện tích khác nhau, chỉ hoạt động chống lại các lực của trường năng lượng để thu được thế năng, những điện tích này có thể, dưới tác động của các lực điện, hợp nhất lại. Tuy nhiên, tác phẩm của fen không thể gọi là Sisyphus theo nghĩa người ta thường nói. Rốt cuộc, Sisyphus được gọi là công việc “vô nghĩa”, vô ích. Và công việc của Fen dẫn đến kết quả rõ ràng - dòng điện một chiều chạy qua mạch.

Hãy quay trở lại mạch điện của chúng ta. Tất nhiên, không có nàng tiên phi nhà máy điện nào thực sự tồn tại. Nhưng có những thiết bị đặc biệt trong đó lực phi điện (của bên thứ ba) tác dụng, có khả năng tách các electron tích điện âm khỏi điện tích dương. Những thiết bị này được gọi là nguồn dòng điện, mặc dù trên thực tế chúng không phải là nguồn immi như chúng ta vừa thấy. Chúng khác với các nguồn hiện tại ở các đặc điểm khác của lực trong chúng cũng như nguồn gốc của các quá trình và thiết kế của bản thân các thiết bị. Chúng khác nhau về số lượng bởi một giá trị gọi là suất điện động.

Sức điện động là gì?

Chúng ta hãy xem xét phần không bát phân của mạch điện giữa các điểm $a$ và $b$ (Hình 2), trong đó tồn tại một dòng điện. Vì có dòng điện nên có nghĩa là có điện trường. Giả sử có một điện áp $U$ trong khu vực này, hoặc tương tự, một hiệu điện thế $\varphi_1 - \varphi_2$. Khi đó công thực hiện khi di chuyển điện tích neoctor $q$ từ $a$ đến $b$ bằng $A = qU$.

Bây giờ chúng ta hãy tưởng tượng rằng trong phần $ab$ cũng có một nguồn dòng điện không tác nhân trong đó các phía của lực tác dụng (Hình 3). Bây giờ chúng ta cần cộng công của các ngoại lực vào công của trường nhà máy điện $qU$.

45

Hình 3.

Nếu, khi di chuyển một đơn vị điện tích sang một bên, các lực thực hiện công $\mathcal{E}$, thì công thực hiện trên điện tích $q$ khi di chuyển nó dọc theo diện tích $ab$

$$A = qU + q\mathcal{E}.$$

Nhưng nếu mục tiêu bị đóng (trong Hình 3 thì việc đóng mạch được biểu thị bằng một đường chấm), thì công $qU$ của trường nhà máy điện bằng 0, và do đó $A = q\mathcal{E}$. Từ đây

$$\mathcal{E} = \frac{A}{q}.$$

Đây là công của ngoại lực tại nguồn - đây là nguồn - đây thực chất là nguồn năng lượng. Phía nguồn điện là những khó khăn về nguồn (và duy nhất!) Trong mạch điện của nhà máy điện. Chính chúng, tách các điện tích trái dấu, đồng thời thực hiện công chống lại lực hút giữa chúng, tạo ra hiệu điện thế ở cái gọi là cực của nguồn và điện trường trong các dây dẫn tạo thành mạch điện. Do hoạt động, năng lượng được giải phóng trong mạch - các dây dẫn nóng lên.

Như đã biết, khi nhà máy điện mục tiêu bao gồm các dây dẫn kim loại, định luật Ohm sẽ được áp dụng. Theo định luật này, điện áp $U$ ở hai đầu của một đoạn mạch nhất định bằng tích của cường độ dòng điện trong đoạn đó và điện trở $R$ của đoạn mạch đó:

$$U = IR.$$

Hãy nhớ lại rằng điện áp $U$ là công của trường nhà máy điện lên một đơn vị điện tích dương. Nếu trong khu vực này có nguồn hiện tại có e. d.s. $\mathcal{E}$, thì để làm việc $U$ bạn cần thêm công việc $\mathcal{E}$, vì vậy

$$I(R+r) = U + \mathcal{E}.$$

Chúng tôi đã thêm vào điện trở $R$ của phần điện trở $r$ của chính nguồn hiện tại. Xét cho cùng, điện trở là đại lượng đặc trưng cho quá trình tương tác của electron với các nguyên tử của dây dẫn, do đó nhiệt tỏa ra trong nó. Nhưng một tương tác tương tự cũng xảy ra bên trong nguồn hiện tại, và do đó một số điện trở cũng phải được ấn định cho nó.

Công thức (*) đề cập đến một phần của chuỗi. Đối với một chuỗi hoàn chỉnh (tức là đã đóng) $U=0$ và công thức có dạng

$$I(R+r) = \mathcal{E}.$$

Đây là định luật Ohm cho một mạch hoàn chỉnh.

Từ công thức (**) có thể thấy rõ suất điện động sẽ thay đổi như thế nào. Công thức này có thể có dạng $IR+Ir = \mathcal{E}$. Vì $IR=U$, nên $\mathcal{E}=U+Ir$. Từ đây có thể thấy ngay rằng tại $I=0$ $\mathcal{E}=U$. Điều này có nghĩa là để xác định E.m.f. Một nguồn cần thay đổi hiệu điện thế ở hai cực của nó khi không có dòng điện chạy qua (do mạch hở hoặc do dòng điện từ nguồn được bù bằng dòng điện từ nguồn khác).

Máy phát điện trạm điện

Để làm ví dụ về nguồn dòng, hãy xem xét máy phát điện của nhà máy điện, thường được gọi là máy phát Van de Graaff. Trong hình 4

46

Một sơ đồ của thiết bị này được trình bày. Máy phát điện bao gồm một mái vòm kim loại được gắn trên một giá đỡ cách điện và một băng không dẫn điện “vô tận” được gắn trên hai ròng rọc. Phần trên của băng nằm dưới mái vòm. Với sự trợ giúp của động cơ, dây đai sẽ chuyển động. Ở phần dưới của nó, băng đi qua một số điểm được kết nối với nguồn điện cao áp, bao gồm máy biến áp cao áp và thiết bị ghép nối. Đầu kia của thiết bị được nối đất. Một trường cường độ cao được tạo ra ở đầu và nó “gảy” các điện cực ra khỏi phần băng đi qua phần lớn băng. Phần này của băng nhận được điện tích dương. Nó được đưa lên trên bằng một dải ruy băng, dưới mái vòm. Ở đây băng lại đi qua rất nhiều điểm gắn vào mái vòm. Các điện cực “thoát” từ đầu, và do đó từ vòm, xuống băng mang điện tích dương. Điều này tương đương với việc truyền một điện tích dương gắn trên dải băng sang mái vòm. Và vì điện tích này được truyền vào bề mặt bên trong của mái vòm nên toàn bộ điện tích kèm theo cũng được chuyển sang nó. (Việc truyền điện tích chính xác đến bề mặt bên trong của khoang kim loại là ý tưởng chính của thiết bị máy phát điện.)

Với sự chuyển động liên tục của dây đai, điện tích dương sẽ được truyền liên tục sang vòm sạc dương. (Điện tích âm được truyền xuống Trái đất.) Do đó, điện tích được truyền chống lại lực tĩnh điện: xét cho cùng, vòm tích điện dương sẽ đẩy điện tích dương tác dụng lên nó. Và sự “phản công” như vậy được đảm bảo bởi sự chuyển động của điện tích của cả hai bên. Trong trường hợp này, cuối cùng nó là lực ma sát tĩnh của dây đai và ròng rọc. Công của lực này, so với đơn vị điện tích, là suất điện động của máy phát điện. Một sự khác biệt tiềm năng được thiết lập giữa mái vòm và Trái đất. Và nếu phần bên ngoài của mạch được nối với Trái đất và mái vòm, thì một dòng điện không đổi sẽ xuất hiện trong mạch kín này. Năng lượng để thực hiện công là năng lượng của nguồn điện động cơ.

Theo quy định, máy phát điện được mô tả được sử dụng để nhổ tận gốc các bộ phận tích điện trong chân không, vì có thể tạo ra hiệu điện thế rất cao vài triệu volt giữa mái vòm và Trái đất. Nhưng máy phát điện như vậy không thể tạo ra dòng điện lớn do tốc độ của băng bị hạn chế, chiều rộng tương đối nhỏ và các lý do khác. Chúng tôi đưa ra ví dụ này vì ở đây bản chất và vai trò của các thế lực bên ngoài đặc biệt rõ ràng.

Tế bào điện

Một ví dụ khác là nguyên tố galvanic dài và được chiết xuất tốt, là “thiết bị điện động” đầu tiên trong lịch sử, được phát minh bởi Alexandro Volta.

Pin Volta bao gồm một tấm đồng và kẽm được ngâm trong dung dịch axit sulfuric (Hình 5). Để thu được các quá trình phức tạp xảy ra trong nguyên tố này, chúng ta lưu ý rằng đồng và kẽm rắn được cấu tạo không phải từ các nguyên tử đồng và kẽm mà từ các ion và electron đồng và kẽm tương ứng: mỗi nguyên tử đồng và kẽm trong kim loại mất đi hai electron, các electron này vẫn còn trong kim loại dưới dạng các electron rất tự do đã đề cập trước đó. Và các nguyên tử trở thành các ion mang điện tích dương.

Hình 5.

47

Các ion kẽm và đồng đều mang điện tích kép ($Zn^{++}, Cu^{++}$). Hơn nữa, cần lưu ý rằng trong dung dịch axit sulfuric, một phần đáng kể các phân tử biến thành ba ion - hai ion hydro tích điện dương ($H^+$) và một ion trên nhóm $SO_4^-$ với điện tích âm kép ($SO_4^{--}$):

$$H_2SO_4 \rightarrow H^+ + H^+ + SO_4^{--}$$

Hãy xem điều gì xảy ra khi nhúng các tấm kẽm và đồng vào dung dịch như vậy. Hãy bắt đầu với kẽm.

Khi có mặt dung dịch axit và điện tích siliptic chứa trong đó, lực hút giữa các ion kẽm và electron giảm đi và các ion kẽm bị tách ra khỏi tấm và chuyển vào dung dịch. Cây cuối cùng nhận quá nhiều electron nên trở nên tích điện âm. Nhưng khi các ion $Zn^{++}$ tích tụ trong dung dịch, phần còn lại của các ion này, bị điện tích âm của tấm ép xuống, sẽ tăng trưởng trở lại. Cuối cùng, trạng thái cân bằng xảy ra: số lượng ion rời khỏi kẽm bằng số lượng ion quay trở lại nó. Nhưng cây vẫn tích điện âm. Dung dịch gần tấm nhận được điện tích dương (do các ion dương $Zn^{++}$ có trong đó).

Trong các nhà máy đồng, các quá trình khác nhau xảy ra. Đồng hầu như không tan trong dung dịch axit sunfuric. Khi có mặt trong nhà máy kẽm, các ion kẽm sẽ đẩy các ion hydro dương trong dung dịch, gán chúng cho nhà máy đồng. Ở đây, các ion này rơi vào đồng sẽ lấy đi các electron khỏi nó, trở thành nguyên tử hydro trung tính. tất nhiên đồng sẽ tích điện dương. Do đó, trong phần tử Volta, đồng là dải dương và kẽm là dải âm. Sự khác biệt tiềm năng giữa chúng là sức điện động của phần tử này. Nó bằng 1,1 V.

Nếu bạn kết nối các sọc (electron) của một phần tử bằng dây, thì một dòng điện sẽ xuất hiện trong mạch điện, hướng từ đồng sang kẽm. Điều này có nghĩa là các electron trong nó chuyển từ kẽm, nơi chúng có nhiều, sang đồng, nơi thiếu electron.

Còn bản thân phần tử thì sao? Ở đây, do sự thoát ra của các electron khỏi kẽm, các ion $Zn^{++}$ sẽ bị giữ yếu hơn và chúng sẽ bắt đầu chuyển sang trạng thái hòa tan (kẽm sẽ hòa tan), duy trì điện tích âm cho bản cực. Và do sự xuất hiện của các electron đến tấm đồng, nó sẽ trở nên “hấp dẫn” hơn đối với các ion hydro dương mà các electron này sẽ đi tới. Vì vậy tấm đồng cũng sẽ tích điện dương. Do đó, kết quả cuối cùng của các quá trình này trong nguyên tố này sẽ là sự thoát ra khỏi đồng của các electron và sự xuất hiện của chúng trên kẽm: các electron dường như chuyển từ đồng sang kẽm.

Trong phần tử điện, các mặt bên là các mặt tương tác phân tử trong các tấm kim loại và trong dung dịch. Mặc dù những chất mỏng này có bản chất là điện, nhưng những chất hữu ích không thể được gọi là tĩnh điện (chúng thường được gọi là chất mỏng hóa học). Hoạt động của những chiếc slims này về bản chất là bằng điện! Nguồn năng lượng ở đây là năng lượng được giải phóng trong quá trình trung hòa các ion trong dung dịch và trên cây. Rốt cuộc, để biến một nguyên tử hoặc phân tử thành các ion, cần phải thực hiện công việc hút giữa các điện tích. Do đó, trong quá trình xử lý chuyển đổi các ion thành nguyên tử trung tính, năng lượng sẽ được giải phóng.

Bây giờ bạn đã đọc bài viết này để kiểm tra xem bạn đã hiểu rõ về d. d. s., hãy cố gắng trả lời các câu hỏi.

1. Các đường trượt bên khác với các đường trượt tĩnh điện như thế nào?
2. Vai trò của các đường trượt bên là gì và tại sao chúng lại cần thiết trong mạch điện?
3. Các hạt tích điện chuyển động như thế nào trong nguồn dòng điện và phần bên ngoài của mạch điện?
4. Sự khác biệt giữa hướng điện và hướng điện động là gì?