ЭДС и энергия батареи | Печать |
Ученикам - Учебник по физике
12.01.2013 20:27

В предыдущих разделах мы говорили о направлении электрического тока и об измерении его силы. Мы также установили, что энергия передается заряженным частицам и может быть отнята от них в виде тепловой энергии. Не может быть электрического тока без некоторого превращения энергии.
Несомненно, что поток энергии в цепи часто представляет собой сложное явление. Электрическое поле служит посредником, осуществляющим передачу кинетической энергии заряженным частицам во внешней цепи, а внутри батареи заряженные частицы движутся против электрической силы, создаваемой зарядами на зажимах. В оставшейся части этой главы мы более подробно остановимся на электрических полях и энергии. Хотя мы не стремимся к установлению точной картины электрических полей для большинства цепей, но мы достигнем общего понимания превращений энергии в цепях различных видов.
До сих пор в этой главе батареи использовались в качестве источника энергии, рассеиваемой в виде тепловой энергии во внешней цепи. Сколько энергии отдает батарея и от чего зависит это количество? Мы увидим, что батарея, превращающая скрытую химическую энергию в электрическую энергию, обычно передает каждому элементарному заряду одинаковую энергию.
Рассмотрим, например, энергию, передаваемую батареей каждому элементарному заряду в пучке ионов, ускоряющихся на пути от одной заряженной металлической пластины к другой. Поле электрических сил между пластинами однородно и при соединении с батареей величина силы обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Следовательно, произведение силы, действующей на элементарный заряд, на расстояние между пластинами получается всегда одинаковым. Как было только что установлено в разделе Опыты Томсона. Превращения энергии. Электрическая сила. Элементарные заряды, это произведение Fd дает энергию, сообщенную элементарному заряду. Отсюда следует, что, как бы ни изменялось расстояние между пластинами, энергия, сообщаемая каждому элементарному заряду данной батареей, всегда одна и та же.
Измерять можно не только расстояние между пластинами, но и площадь пластин. При этом электрическая сила, действующая на один элементарный заряд между пластинами, не изменяется и, как можно предположить, энергия, передаваемая каждому иону, проходящему между пластинами, остается такой же. При заряжении пластин батарея приводит в движение большое число заряженных частиц, но это не влияет на энергию, передаваемую элементарному заряду, движущемуся через ванну в пучке ионов.
Энергия, сообщаемая элементарному заряду, не зависит от величины силы тока. Применяя более мощный источник водорода или получая из нити накала больше электронов, можно увеличить ионный ток по сравнению с применявшимся в наших предыдущих опытах. Энергия, отнесенная к элементарному заряду, которую дает батарея, не изменяется.
edsМы пользовались ионными токами, так как это легче для понимания, но это не влияет на конечный результат. Если включить измеритель тока и проволоку высокого сопротивления последовательно между положительным и отрицательным полюсами батареи, то можно измерить

немедленно превращается в тепловую энергию в проволоке высокого сопротивления. Измеряя тепло, рассеиваемое в проволоке, можно вычислить энергию, передаваемую батареей и отнесенную к одному элементарному заряду (рис. ). При этом окажется, что энергия, сообщаемая элементарному заряду, в этой цепи такая же, как в ионном пучке между параллельными металлическими пластинами, при условии, что используется одна и та же батарея.
Все эти опыты показывают, что батарея представляет собой устройство, которое сообщает элементарному заряду определенное количество энергии. Например, как было подсчитано в разделе Определение масс протона и электрона, 80-вольтовая батарея сообщает энергию в 1,4*10-17 Дж на элементарный заряд. Энергия, сообщаемая одному элементарному заряду, называется ЭДС батареи. Старое название электродвижущая сила, из начальных букв которого образовался этот сокращенный термин, вводит в заблуждение, так как мы не имеем дела с силой в обычном значении этого слова. Почти все называют теперь энергию,
отнесенную к элементарному заряду, ЭДС, вместо старого названия. Будем обозначать ЭДС буквой E.
Предположим, что взяты три одинаковые батареи, каждая из которых дает ЭДС=1,4*10-17 Дж/Кл. Если их включить в цепь последовательно, то каждая будет давать 1,4*10-17 Дж/Кл. на элементарный заряд. Полная ЭДС, т. е. полное количество энергии, сообщаемое всеми тремя батареями одному элементарному заряду, поэтому должно быть равно
3*(1,4*10-17 Дж/Кл)=4,2* 10-17 Дж/Кл.
Этот результат совпадает с ранее найденным значением, и, конечно, этого следовало ожидать на основании упомянутых в разделе Большие электрические весы опытов с последовательно соединенными батареями и большими электрическими весами. Там при последовательном соединении ста анодных 90-вольтовых батарей сила между двумя параллельными металлическими пластинами возрастала пропорционально числу батарей. Следовательно, энергия, сообщаемая батареями элементарному заряду, также пропорциональна их числу. Теперь мы в состоянии ответить на вопрос: Какое количество энергии сообщает батарея электрической цепи? Эта энергия представляет собой произведение числа переносимых элементарных зарядов на ЭДС батареи: qE=(Кл)*(Дж/Кл)=Дж.
Если элементарные заряды не переносятся, то батарея не расходует энергию. При наличии тока I батарея доставляет энергию со скоростью IE=(Кл/с)*(Дж/Кл)=Дж/с.
Скорость, с которой энергия сообщается цепи, называется отдаваемой мощностью, а единица мощности 1 джоуль в секунду называется ваттом (Вт) по имени Джемса Уатта, изобретателя паровой машины. За промежуток времени t батарея доставляет полную энергию IEt, иными словами, доставляемая батареей энергия равна произведению мощности на время.


Решив создать ребенку собственный детский уголок при нехватке свободной площади, рекомендуем использовать детскую кровать чердак с рабочей зоной, которая при минимальных размерах создаст для ребенка полноценный функциональный уголок.