دسته‌ها
جریان الکتریکی جریان الکتریکی و مدارهای جریان مستقیم فیزیک سوم دبیرستان فیزیک یازدهم

نیروی محرکه الکتریکی

برای بالا بردن آب از سطح تا ارتفاع معینی، نیاز به یک تلمبه یا پمپ آب است. بدین صورت، آب انرژی پتانسیل لازم برای جریان یافتن و انجام کار معین را کسب می کند (مانند شکل بالا). به همین ترتیب برای ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی، نیاز به یک منبع نیروی محرکه الکتریکی داریم.

به صورت مشابه، برای اینکه بارهای الکتریکی را از یک مقاومت الکتریکی عبور دهیم، لازم است بین دو سر مقاومت اختلاف پتانسیل اعمال کنیم. این کار را می توان توسط باتری انجام داد. به وسیله ای که با انجام کار روی بارهای الکتریکی، جریان ثابتی از بارهای الکتریکی در مدار ایجاد می کنند، منبع نیروی محرکه الکتریکی می گویند. ( مانند پمپ آب در مثال بالا) . منبع نیروی محرکه الکتریکی (مثلا باتری)،  بارهای الکتریکی مثبت را در خلاف جهت میدان الکتریکی از پتانسیل پایین تر به پتانسیل بالاتر می برند. بنابر این آنها انرژی پتانسیل بالایی پیدا می کنند و تمایل دارند تا با حرکت، خود را به پتانسیل پایین تر برسانند  و بنابر این جریان در مدار برقرار می شود.

ph2 s2 emf2 01 نیروی محرکه  الکتریکی

نیروی محرکه الکتریکی

انرژی لازم برای ایجاد اختلاف پتانسیل در منبع نیروی محرکه از روش های مختلفی به دست می آید مثلا از طریق واکنش های شیمیایی در باتری. از منابع نیروی محرکه الکتریکی می توان پیل های سوختی و سلول های خورشیدی را نام برد.

منبع نیروی محرکه الکتریکی، وسیله ایست که با انجام کار روی بار الکتریکی، اختلاف پتانسیل را ثابت نگه می دارد .

نیروی محرکه الکتریکی (emf)، عبارت است از کاری که روی واحد بار مثبت انجام می شود تا آن را از پایانه ای با پتانسیل کمتر به پایانه ای با پتانسیل بیشتر ببرد .

ph2 s2 emf2 02 نیروی محرکه  الکتریکی

یکای کمیت نیروی محرکه ی الکتریکی همان یکای اختلاف پتانسیل الکتریکی یعنی ولت است  (۱V=1J/1C). اگر نیروی محرکه یک باتری ۱٫۵ ولت باشد، به این معناست که باتری روی هر کولن باری که از آن می گذرد ۱٫۵ ژول کار انجام می دهد و به این ترتیب انرژی پتانسیل الکتریکی آن را ۱٫۵ ژول افزایش می دهد.

منبع نیروی محرکه ی الکتریکی را در مدارها به صورت زیر نشان می دهند :

ph3 s3 jaryan movaled01 نیروی محرکه  الکتریکی

و اختلاف پتانسیل الکتریکی دو سر مولد از رابطه زیر بدست می آید :

ph3 s3 jaryan movaled02 نیروی محرکه  الکتریکی

که در این رابطه r مقاومت درونی مولد است و I شدت جریانی است که مولد ایجاد کرده است . و جمله ی Ir ، افت پتانسیل در مولد است .

البته در صورتی که جریان اصلی مدار در خلاف جهت جریان مولدی باشد ، اختلاف پتانسیل آن از رابطه زیر بدست می آید :

ph3 s3 jaryan movaled03 نیروی محرکه  الکتریکی

در صورتی که مولدی r نداشته باشد، به ان مولد آرمانی گوییم و آنرا در مدار به صورت زیر نشان می دهند.

ph2 s2 emf2 03 نیروی محرکه  الکتریکی

با توجه به اینکه هر مولد دارای مقاومت درونی است و در آن افت پتانسیل روی می دهد ، می توان برای آن بازده تعریف کرد :

ph3 s3 jaryan movaled04 نیروی محرکه  الکتریکی

اگر یک مدار تک حلقه مطابق شکل زیر داشته باشیم که در آن R مقاومت معادل مدار است.

ph3 s3 jaryan movaled05 نیروی محرکه  الکتریکی

انرژی ایجاد شده توسط یاتری را مقاومت معادل مدار مصرف می کند (در صورتی که سیم های رابط بدون مقاومت باشند). یعنی:

ph2 s2 emf2 04 نیروی محرکه  الکتریکی

جریان در این مدار از رابطه زیر بدست می آید.

ph3 s3 jaryan movaled06 نیروی محرکه  الکتریکی

نمودار تغییرات اختلاف پتانسیل دو سر مولد بر حسب جریان گذرنده از آن برای مولدی که خودش جریان در مدار را ایجاد می کند، به صورت زیر خواهد بود.

ph2 s2 emf2 06 نیروی محرکه  الکتریکی

شیب خط این نمودار (-r) است.

نمودار تغییرات اختلاف پتانسیل دو سر مولد بر حسب جریان گذرنده از آن برای مولدی که مخالف جهت جریان اصلی مدار بسته شده است، به صورت زیر خواهد بود.(مخصوص رشته ریاضی و فیزیک)

ph2 s2 emf2 05 نیروی محرکه  الکتریکی

شیب خط این نمودار (+r) است.

 

ویدیو آموزشی نیروی محرکه الکتریکی

این ویدیو آموزشی مخصوص دانش آموزان پایه یازدهم رشته علوم تجربی است که البته دانش آموزان رشته ریاضی و فیزیک هم می توانند از آن استفاده کنند. دانش آموزان رشته ریاضی حتما ویدیو موجود در مبحث جمع جبری اختلاف پتانسیل ها را برای این مبحث مشاهده کنند.

این ویدیو توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

 

مثال ۱ :

ph3 s3 jaryan movaled08 نیروی محرکه  الکتریکی

حل مثال ۱ :

 

ph2 s2 emf2 07 نیروی محرکه  الکتریکی

توان خروجی منبع نیروی محرکه الکتریکی

توان خروجی مولد از رابطه ی زیر بدست می آید.

ph2 s2 emf2 14 نیروی محرکه  الکتریکی

جمله اول این رابطه ، توان تولیدی مولد است و جمله دوم توان تلف شده توسط مقاومت درونی مولد است .

در صورتی که جریان اصلی مدار در جهت جریان مولد نباشد ، این رابطه به صورت زیر خواهد بود :

ph2 s2 emf2 15 نیروی محرکه  الکتریکی

 

در واقع می توان گفت این مولد از مدار انرژی می گیرد . همانند زمانی که باتری موبایل خود را شارژ می کنید ، چنین اتفاقی می افتد و باتری از مدار اصلی انرژی می گیرد.

پیشنهاد می کنیم مبحث توان مصرفی مقاومت را مطالعه کنید.

مثال۲ : در مدار شکل زیر ، توان هر یک از اجزای مدار را حساب کنید :

ph3 s3 jaryan movaled12 نیروی محرکه  الکتریکی

حل مثال ۲ :

ph2 s2 emf2 08 نیروی محرکه  الکتریکی

این همان اتفاقی است که هنگام اتصال یک باتری به شارژر روی می دهد. شارژر به باتری انرژی الکتریکی می دهد. بخشی از این انرژی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود و بقیه آن در مقاومت درون باتری  تلف می شود و باتری را گرم می کند.

همان طور که انتظار داریم این نتیجه همچنین با پایستگی انرژی سازگار است:

ph2 s2 emf2 09 نیروی محرکه  الکتریکی

 

نمودار توان خروجی مولد بر حسب جریان گذرنده از آن

با توجه به رابطه توان خروجی مولدی که به مدار انرژی می دهد، می دانیم این رابطه، معادله یک سهمی با تقعر رو به پایین است.

ph2 s2 emf2 10 نیروی محرکه  الکتریکی

چون عرض از میدا این معادله درجه ۲ صفر است، نمودار از نقطه صفر شروع می شود. برای محاسبه اعداد محور I کافیست توان را صفر قرار دهیم.

ph2 s2 emf2 11 نیروی محرکه  الکتریکی

برای پیدا کردن جریانی که در آن توان بیشینه مولد داریم،  با توجه به تقارن سهمی کافیست وسط دو نقطه بالا را انتخاب کنیم یا اینکه از معادله توان بر حسب زمان مشتق بزنیم. و در نهایت برای محاسبه توان بیشینه مقدار I=ε/۲r را در رابطه توان خروجی قرار دهیم.

ph2 s2 emf2 12 نیروی محرکه  الکتریکی

زمانی توان مفید مولد بیشینه می شود که مقاومت معادل مدار برابر با مقاومت درونی مولد باشد.

ph2 s2 emf2 16 نیروی محرکه  الکتریکی

 

مثال ۳ : نمودار تغییرات توان بر حسب جریان برای یک مولد به صورت شکل روبه رو است. نیروی محرکه ی مولد بر حسب ولت و مقاومت درونی بر حسب اهم به ترتیب چقدر است؟

ph2 s2 emf2 17 نیروی محرکه  الکتریکی

 

حل مثال ۳ :

ph2 s2 emf2 13 نیروی محرکه  الکتریکی

ویدیو آموزشی توان خروجی باتری

به ویدیو آموزشی زیر در مورد این مبحث که توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است، توجه کنید.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

تمرین ها

توجه: با توجه به مرتبط بودن مباحث این فصل، برای پاسخ به تمرین های زیر باید با مباحث توان مصرفی مقاومت الکتریکی، به هم بستن مقاومت ها آشنایی داشته باشید.

تمرین ۱ : در مدار شکل روبرو :

الف) اگر ولت سنج ۱۴ ولت را نشان دهد ، آمپرسنج چه عددی را نشان می دهد ؟

ب) توان ورودی به باتری E1 چند وات است ؟

ph3 s3 jaryan movaled17 نیروی محرکه  الکتریکی

تمرین ۲: در مدار شکل زیر ، شدت جریان در جهت نشان داده شده ۲ آمپر است .

الف) نیروی محرکه E2 چند ولت است ؟

ب) توان خروجی مولد E1 چند وات است ؟

ph3 s3 jaryan movaled18 نیروی محرکه  الکتریکی

تمرین ۳: در مدار روبرو ، مقاومت R چند اهم باشد تا توان مفید مولد بیشینه شود ؟

ph3 s3 jaryan movaled19 نیروی محرکه  الکتریکی

تمرین ۴: در مدار مقابل وات سنج چند ولت را نشان می دهد ؟

ph3 s3 jaryan movaled20 نیروی محرکه  الکتریکی

تمرین ۵: در مدار شکل زیر، اگر نیروی محرکه مولد ۵ برابر افت پتانسیل داخل باتری باشد. نسبت مقاومت خارجی مولد به مقاومت داخلی ، R/r کدام است؟

ph3 s3 jaryan movaled21 نیروی محرکه  الکتریکی

تمرین ۶: در شکل مقابل مقاومتR  را تغییر می دهیم. وقتی آمپرسنج ۲A را نشان می دهد ولت سنج ۲۰ ولت و وقتی آمپرسنج ۳A را نشان می دهد ولت سنج ۱۸ ولت را نشان می دهد. نیروی محرکه ی مولد چند ولت است؟

ph3 s3 jaryan movaled22 نیروی محرکه  الکتریکی

تمرین ۷: در مدار مقابل ولت سنج چند ولت را نشان می دهد؟

ph3 s3 jaryan movaled23 نیروی محرکه  الکتریکی

تمرین ۸: در مدار روبه‌رو، اگر توان تلف شده در مقاومت درونی مولد برابر ۸ وات باشد، مقاومت R چند اهم است؟

ph3 s3 jaryan movaled24 نیروی محرکه  الکتریکی


دانلود PDF جزوه بالا و پاسخ تمرین ها



از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

6 دیدگاه دربارهٔ «نیروی محرکه الکتریکی»

سلام خسته نباشید
عالی بود. هم روش تدریس و هم تمرینات و هم گذاشتن جواب تمرینات. با سپاس از شما استاد عزیز

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *