Работа сторонних сил в цепи постоянного тока и источники ЭДС

Электрическая цепь и электрическая схема

Электрическая цепь – это совокупность элементов и устройств, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых, могут быть описаны с помошью понятий сила тока и напряжение.

Электрическая схема – это документ, составленный в виде изображения, на котором с помощью условных обозначений показаны элементы электрической цепи и их взаимодействие.

Рассмотрим два основных элемента электрической цепи: источник ЭДС и резистор.

ЭДС с точки зрения гидравлики

Думаю, вам уже знакома водонапорная башня из прошлой статьи про напряжение

Допустим, что башня полностью заполнена водой. Снизу башни мы просверлили отверстие и врезали туда трубу, по которой вода бежит к вам домой.

Сосед захотел полить огурцы, вы решили помыть автомобиль, мать затеяла стирку и вуаля! Поток воды стал меньше и меньше, и вскоре совсем иссяк… Что случилось? Закончилась вода в башне…

Время, которое потребуется, чтобы опустошить башню, зависит от емкости самой башни, а также от того, сколько потребителей будут пользоваться водой.

Все то же самое можно сказать и про радиоэлемент конденсатор:

Допустим мы его зарядили от батарейки 1,5 вольта и он принял заряд. Нарисуем заряженный конденсатор вот так:

Но как только мы цепляем к нему нагрузку (пусть нагрузкой будет светодиод) с помощью замыкания ключа S, в первые доли секунд светодиод будет светиться ярко, а потом тихонько угасать… и пока полностью не потухнет. Время угасания светодиода будет зависеть от емкости конденсатора, а также от того, какую нагрузку мы цепляем к заряженному конденсатору.

Как я уже сказал, это равносильно простой наполненной башне и потребителям, которые пользуются водой.

Но почему тогда в наших башнях вода никогда не заканчивается? Да потому что работает насос подачи воды! А откуда этот насос берет воду? Из скважины, которая пробурена для добычи подземных вод. Иногда ее еще называют артезианской.

Как только башня полностью наполнится водой, насос выключается. В наших водобашнях насос всегда поддерживает максимальный уровень воды.

Итак, давайте вспомним, что такое напряжение? По аналогии с гидравликой – это уровень воды в водобашне. Полная башня – это максимальный уровень воды, значит максимальное напряжение. Нет в башне воды – напряжение ноль.

Что такое ЭДС в электротехнике?

В электротехнике ЭДС характеризует источники питания и создаёт и поддерживает в течение длительного периода времени разность потенциалов. Численно ЭДС равна работе, которую должны совершить либо сторонние силы, чтобы переместить положительный заряд внутри источника, либо сам источник, чтобы провести заряд по цепи. Таким образом, формула для вычисления ЭДС имеет вид:

E = A / q,

где E – ЭДС,

А – работа,

q – заряд.

ЭДС необходима для поддержания в цепи постоянного тока, причём в технике применяется несколько видов ЭДС.

Вид	Область применения
Химическая	Батарейки и аккумуляторы
Термоэлектрическая	Холодильники и термопары
Индукционная	Электродвигатели, генераторы и трансформаторы
Фотоэлектрическая	Фотоэлементы
Пьезоэлектрическая	Пьезоэлементы, датчики, кварцевые генераторы

СПРАВКА: в теории существует идеальный источник ЭДС – генератор с нулевым внутренним сопротивлением, мощность которого приравнивается к бесконечности.

Расшифровка ЭДС

Аббревиатура ЭДС общепринятая и расшифровывается как «электродвижущая сила».

СПРАВКА: понятие ЭДС введено Георгом Омом в 1827 году, а её значение определено Густавом Кирхгофом в 1857.

Природа ЭДС

Причина возникновения ЭДС в разных источниках тока разная. По природе возникновения различают следующие типы:

•  Химическая ЭДС.  Возникает в батарейках и аккумуляторах вследствие  химических реакций.
• Термо ЭДС.  Возникает, когда находящиеся при разных температурах контакты  разнородных проводников соединены.
• ЭДС индукции. Возникает в генераторе при  помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет наводиться в проводнике, когда проводник  пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
• Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этой ЭДС способствует явление  внешнего или внутреннего фотоэффекта.
• Пьезоэлектрическая ЭДС. ЭДС возникает при растяжении или сдавливании веществ.

Электромагнитная индукция (самоиндукция)

Начнем с электромагнитной индукции. Это явление описывает закон электромагнитной индукции Фарадея. Физический смысл этого явления состоит в способности электромагнитного поля наводить ЭДС в находящемся рядом проводнике. При этом или поле должно изменяться, например, по величине и направлению векторов, или перемещаться относительно проводника, или должен двигаться проводник относительно этого поля. На концах проводника в этом случае возникает разность потенциалов.

Опыт демонстрирует появление ЭДС в катушке при воздействии изменяющегося магнитного поля постоянного магнита. Есть и другое похожее по смыслу явление — взаимоиндукция. Оно заключается в том, что изменение направления и силы тока одной катушки индуцирует ЭДС на выводах расположенной рядом катушки, широко применяется в различных областях техники, включая электрику и электронику. Оно лежит в основе работы трансформаторов, где магнитный поток одной обмотки наводит ток и напряжение во второй.

В электрике физический эффект под названием ЭДС используется при изготовлении специальных преобразователей переменного тока, обеспечивающих получение нужных значений действующих величин (тока и напряжения). Благодаря явлениям индукции и самоиндукции инженерам удалось разработать множество электротехнических устройств: от обычной катушки индуктивности (дросселя) и вплоть до трансформатора. Понятие взаимоиндукции касается только переменного тока, при протекании которого в контуре или проводнике меняется магнитный поток.

Простое объяснение электродвижущей силы

Предположим, что в нашей деревне имеется водонапорная башня. Она полностью наполнена водой. Будем думать, что это обычная батарейка. Башня — это батарейка!

Вся вода будет оказывать сильное давление на дно нашей башенки. Но сильным оно будет только тогда, когда это строение полностью наполнено H2O.

В итоге чем меньше воды, тем слабее будет давление и напор струи будет меньше. Открыв кран, заметим, что каждую минуту дальность струи будет сокращаться.

В результате этого:

1. Напряжение – это сила с которой вода давит на дно. То есть давление.
2. Нулевое напряжение — это дно башни.

С батареей все аналогично.

Первым делом подключаем источник с энергией в цепь. И соответственно замыкаем ее. Например, вставляем батарею в фонарик и включаем его. Изначально заметим, что устройство горит ярко. Через некоторое время его яркость заметно понизится. То есть электродвижущая сила уменьшилась (вытекла если сравнивать с водой в башне).

Если брать в пример водонапорную башню, то ЭДС это насос качающие воду в башню постоянно. И она там никогда не заканчивается.

Для неоднородного участка цепи

Возможно применение омовских расчетов для неоднородных цепей:

I = (V+E)/R=VAB/R

Если Еcт и Екул совпадут по направлению — ЭДС и напряжение будут иметь одинаковый знак.
Фактически в замкнутом участке сети V=0, поскольку кулоновское поле неактивно.

В связи с чем: I = E /(R+r), где: r — показатель относится источнику тока.

Закон Ома для полной цепи

Любой источник тока обладает своим сопротивлением , которое называется внутренним сопротивлением этого источника. Таким образом, источник тока имеет две важных характеристики: ЭДС и внутреннее сопротивление.

Пусть источник тока с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением подключён к резистору (который в данном случае называется внешним резистором, или внешней нагрузкой, или полезной нагрузкой). Всё это вместе называется полной цепью (рис. 2 ).

Рис. 2. Полная цепь

Наша задача — найти силу тока в цепи и напряжение на резисторе .

За время по цепи проходит заряд . Согласно формуле (1) источник тока совершает при этом работу:

Так как сила тока постоянна, работа источника целиком превращается в теплоту, которая выделяется на сопротивлениях и . Данное количество теплоты определяется законом Джоуля–Ленца:

Итак, , и мы приравниваем правые части формул (2) и (3) :

После сокращения на получаем:

Вот мы и нашли ток в цепи:

Формула (4) называется законом Ома для полной цепи.

Если соединить клеммы источника проводом пренебрежимо малого сопротивления , то получится короткое замыкание. Через источник при этом потечёт максимальный ток — ток короткого замыкания:

Из-за малости внутреннего сопротивления ток короткого замыкания может быть весьма большим. Например, пальчиковая батарейка разогревается при этом так, что обжигает руки.

Зная силу тока (формула (4) ), мы можем найти напряжение на резисторе с помощью закона Ома для участка цепи:

Это напряжение является разностью потенциалов между точками и (рис. 2 ). Потенциал точки равен потенциалу положительной клеммы источника; потенциал точки равен потенциалу отрицательной клеммы. Поэтому напряжение (5) называется также напряжением на клеммах источника.

Мы видим из формулы (5) , что в реальной цепи будет — ведь умножается на дробь, меньшую единицы. Но есть два случая, когда .

1. Идеальный источник тока. Так называется источник с нулевым внутренним сопротивлением. При формула (5) даёт .

2. Разомкнутая цепь. Рассмотрим источник тока сам по себе, вне электрической цепи. В этом случае можно считать, что внешнее сопротивление бесконечно велико: . Тогда величина неотличима от , и формула (5) снова даёт нам .

Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то вольтметр, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС.

Гальванический элемент: схема, принцип работы, применение

Для того чтобы составить схему гальванического элемента, необходимо понять принцип его действий, особенности строения.

Потребители редко обращают внимание на аккумуляторы и батарейки, при этом именно эти источники тока являются самыми востребованными.

Определение и физический смысл

Приложение некоторой разности потенциалов между двумя концами проводника создаст перетекание электронов от одного конца к другому. Но этого недостаточно для поддержания потока зарядов в проводнике. Дрейф электронов приводит к уменьшению потенциала до момента его уравновешивания (прекращение тока). Таким образом, для создания постоянного тока необходимы механизмы, непрерывно возвращающие описанную систему в первоначальную конфигурацию, то есть, препятствующие агрегации зарядов в результате их движения. Для этой цели используются специальные устройства, называемые источники питания.

В качестве иллюстрации их работы удобно рассматривать замкнутый контур из сопротивления и гальванического источника питания (батареи). Если предположить, что внутри батареи тока нет, то описанная проблема объединения зарядов остаётся неразрешённой. Но в цепи с реальным источником питания электроны перемещаются постоянно. Это происходит благодаря тому, что поток ионов протекает и внутри батареи от отрицательного электрода к положительному. Источник энергии, перемещающий эти заряды в батарее — химические реакции. Такая энергия называется электродвижущей силой.

ЭДС является характеристикой любого источника энергии, способного управлять движением электрических зарядов в цепи. В аналогии с замкнутым гидравлическим контуром работа источника э. д. с. соответствует работе насоса для создания давления воды. Поэтому значок, обозначающий эти устройства, неотличим на гидравлических и электрических схемах.

Несмотря на название, электродвижущая сила на самом деле не является силой и измеряется в вольтах. Её численное значение равно работе по перемещению заряда по замкнутой цепи. ЭДС источника выражается формулой E=A/q, в которой:

• E — электродвижущая сила в вольтах;
• A — работа сторонних сил по перемещению заряда в джоулях;
• q — перемещённый заряд в кулонах.

Из этой формулы ЭДС следует, что электродвижущая сила не является свойством цепи или нагрузки, а есть способность генератора электроэнергии к разделению зарядов.

Просадка напряжения

Итак, знакомьтесь, автомобильный аккумулятор!

Для дальнейшего его использования, припаяем к нему два провода: красный на плюс, черный на минус

Наш подопечный готов к бою.

Теперь берем автомобильную лампочку-галогенку и тоже припаяем к ней два проводка с крокодилами. Я припаялся к клеммам на “ближний” свет.

Первым делом давайте замеряем напряжение на клеммах аккумулятора

12,09 вольт. Вполне нормально, так как наш аккумулятор выдает именно 12 вольт. Забегу чуток вперед и скажу, что сейчас мы замерили именно ЭДС.

Подключаем  галогенную лампу к аккумулятору и снова замеряем напряжение:

Видели да? Напряжение на клеммах аккумулятора просело до 11,79 Вольт!

А давайте замеряем, сколько потребляет тока наша лампа в Амперах. Для этого составляем вот такую схемку:

Желтый мультиметр у нас будет замерять напряжение, а красный мультиметр – силу тока. Как замерять с помощью мультиметра силу тока и напряжение, можно прочитать в этой статье.

Смотрим на показания приборов:

Как мы видим, наша лампа потребляет 4,35 Ампер. Напряжение просело до 11,79 Вольт.

Давайте вместо галогенной лампы поставим простую лампочку накаливания на 12 Вольт от мотоцикла

Смотрим показания:

Лампочка потребляет силу тока в 0,69 Ампер. Напряжение просело до 12 Вольт ровно.

Какие выводы можно сделать? Чем больше нагрузка потребляет силу тока, тем больше просаживается напряжение на аккумуляторе.

Формула Закона Джоуля-Ленца

Величину резистора для изготовления блока нагрузки для блока питания компьютера мы рассчитали, но нужно еще определить какой резистор должен быть мощности? Тут поможет другой закон физики, который, независимо друг от друга открыли одновременно два ученых физика. В 1841 году Джеймс Джоуль, а в 1842 году Эмиль Ленц. Этот закон и назвали в их честь – Закон Джоуля-Ленца.

Потребляемая нагрузкой мощность прямо пропорциональна приложенной величине напряжения и протекающей силе тока. Другими словами, при изменении величины напряжения и тока будет пропорционально будет изменяться и потребляемая мощность.

где P – мощность, измеряется в ваттах и обозначается Вт; U – напряжение, измеряется в вольтах и обозначается буквой В; I – сила ток, измеряется в амперах и обозначается буквой А.

Зная напряжения питания и силу тока, потребляемую электроприбором, можно по формуле определить, какую он потребляет мощность. Достаточно ввести данные в окошки ниже приведенного онлайн калькулятора.

Онлайн калькулятор для определения потребляемой мощности
Напряжение, В:
Сила тока, А:

Закон Джоуля-Ленца позволяет также узнать силу тока, потребляемую электроприбором зная его мощность и напряжение питания. Величина потребляемого тока необходима, например, для выбора сечения провода при прокладке электропроводки или для расчета номинала.

Онлайн калькулятор для определения силы тока в зависимости от потребляемой мощности
Потребляемая мощность, Вт:
Напряжение питания, В:

Например, рассчитаем потребляемый ток стиральной машины. По паспорту потребляемая мощность составляет 2200 Вт, напряжение в бытовой электросети составляет 220 В. Подставляем данные в окошки калькулятора, получаем, что стиральная машина потребляет ток величиной 10 А.

Еще один пример, Вы решили в автомобиле установить дополнительную фару или усилитель звука. Зная потребляемую мощность устанавливаемого электроприбора легко рассчитать потребляемый ток и правильно подобрать сечение провода для подключения к электропроводке автомобиля. Допустим, дополнительная фара потребляет мощность 100 Вт (мощность установленной в фару лампочки), бортовое напряжение сети автомобиля 12 В. Подставляем значения мощности и напряжения в окошки калькулятора, получаем, что величина потребляемого тока составит 8,33 А.

Разобравшись всего в двух простейших формулах, Вы легко сможете рассчитать текущие по проводам токи, потребляемую мощность любых электроприборов – практически начнете разбираться в основах электротехники.

Типы ЭДС

– электрохимическая (ЭДС батареек и аккумуляторов)

– фотоэффекта (получение электрического тока от солнечной энергии)

– индукции (генераторы, использующие принцип электромагнитной индукции)

– Эффект Зеебека или термоЭДС (возникновение электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах)

– пьезоЭДС (получение ЭДС от пьезоэлектриков)

Когда закон Ома встречается

Создать идеальные условия непросто. Даже в чистых проводниках электрическое сопротивление изменяется в зависимости от температуры. Его снижение минимизирует активность молекул кристаллической решетки, что упрощает перемещение свободных зарядов. На определенном уровне «заморозки» возникает эффект сверхпроводимости. Обратный эффект (ухудшение проводимости) наблюдается при нагреве.

Вместе с тем, электролиты, металлы и отдельные виды керамики сохраняют электрическое сопротивление вне зависимости от плотности тока. Стабильность параметров при поддержании определенного температурного режима позволяет применять формулы закона Ома без дополнительных коррекций.

Полупроводниковые материалы и газы отличаются изменяющимся электрическим сопротивлением. На этот параметр оказывает существенное влияние интенсивность тока в контрольном объеме. Для вычисления рабочих характеристик нужно применять специализированные методики расчета.

Если рассматривается переменный ток, методику расчета корректируют. В этом случае придется учесть наличие реактивных компонентов. При резистивном характере сопротивления можно применить рассмотренные технологии вычислений, основанные на формулах закона Ома.

I — сила тока

Единица тока — количества заряда ©, которое перемещается за единицу времени. Ампер (A) является общей единицей тока, равной 1 С/сек, а символом его — «I». Ток — внутреннее свойство, поскольку зависит от других аспектов, таких как размер системы. Чтобы точно сравнить величину тока для разных систем, ток нормализуется по площади или массе системы. Это описано следующими выражениями:

J = I / S;
J = I / m

Где:

• J — плотность тока в мм2 или гр;
• I — сила тока (A);
• S — площадь сечения провода мм2;
• m — масса (гр).

4u PRO

Каков физический смысл ЭДС?

1. Сила ускоряющая заряды.
2. Примеров «физического смысла ЭДС» множество. 1. Расмотрим, резинку для белья :), возмемся за оба конца больевой резинки не прилагая усилия. Это будит состояние U(0) . Станем растягивать Это будит состояние U(1). Разница состояний U(1) — U(О) = потенциалом растянутой резинки, т. е —ДвижущейСилы. 2. Расмотрим разрез ГидроЭлектростанции — разница перепада Н (1)-Н (0) уровней воды ГРЭС является тем потенциалом от которой зависит мощность вырабатываемой элетрической энергией.
   Простите за полуночный бред.

Несколько примеров

В качестве заключения предлагаем закрепить полученную информацию на нескольких примерах задач, в которых нужно найти силу тока.

1 задача: Рассчитать I в цепи из двух резисторов при последовательном соединении и при параллельном соединении. R резисторов 1 и 2 Ома, источник питания на 12 Вольт.

Из условия ясно, что нужно привести два варианта ответа для каждого из вариантов соединений. Тогда чтобы найти ток при последовательном соединении, сначала складывают сопротивления схемы, чтобы получить общее.

Тогда рассчитать силу тока можно по закону Ома:

При параллельном соединении двух элементов Rобщее можно рассчитать так:

Тогда дальнейшие вычисления можно проводить так:

2 задача: рассчитать ток при смешанном соединении элементов. На выходе источника питания 24В, а резисторы на: R1=1 Ом, R2=3 Ома, R3=3 Ома.

В первую очередь нужно найти R общее параллельно соединенных R2 и R3, по той же формуле, что мы использовали выше.

Теперь схема примет вид:

Далее находим ток по тому же закону Ома:

Теперь вы знаете, как найти силу тока, зная мощность, сопротивление и напряжение. Надеемся, предоставленные формулы и примеры расчетов помогли вам усвоить материал!