Все об электродвижущей силе — определение, расшифровка, единица измерения и формул

Магнитный поток

Известно, что пропускание тока через проводник сопровождается формированием электромагнитного поля. На этом принципе основана работа динамиков, запорных устройств, приводов реле, других приспособлений. Изменением параметров источника питания получают необходимые силовые усилия для перемещения (удержания) совмещенных деталей, обладающих ферромагнитными свойствами.

Однако действительно и обратное утверждение. Если между полюсами постоянного магнита перемещать рамку из проводящего материала по соответствующему замкнутому контуру, начнется перемещение заряженных частиц. Подключив соответствующие приборы, можно регистрировать изменение тока (напряжения). В ходе элементарного эксперимента можно выяснить увеличение эффекта в следующих ситуациях:

  • перпендикулярное расположение проводника/силовых линий;
  • ускорение перемещений.

На картинке выше показано, как определять направление тока в проводнике с помощью простого правила.

В чем разница между электродвижущей силой (ЭДС) и напряжением

Напряжение — это следствие прохождения электрического тока по цепи. Оно возникает на участках с сопротивлением на пути у электрического тока. Любая материя имеет сопротивление (кроме сверхпроводников), поэтому на всем пути у электрического тока есть напряжение, которое его толкает по цепи. Где-то оно больше, где-то меньше, это зависит от сопротивления конкретного участка.


Электродвижущая сила (ЭДС) — это сила, которая перемещает заряды по замкнутой цепи.

Давайте разберем пример по аналогии с замкнутой цепью.

Подадим через трубу воду. Она будет создавать давление на стенках труб. А от чего идет это давление? От воды? Нет. Это давление является частью напора, которая двигает воду через трубу. И напор — это и есть ЭДС. Напряжение же в этом примере — это давление на стенках труб. То есть, вода сама по себе не пойдет по трубе, если не будет напора. И давление не возникнет в трубе, если не будет напора. Конечно, в этом примере не все так точно, но он помогает намного проще разобраться в сути.

Сумма всех напряжений на цепи = ЭДС. Это второй закон Кирхгофа. Электродвижущая сила — это и есть причина движения электронов по цепи.

У ЭДС сторонние силы (химические реакции, солнечная энергия, механическая работа и т.п.) выполняют работу по перемещению заряда по замкнутой цепи от своего отрицательного потенциала к положительному. Проще говоря, ЭДС — это завод по производству электрического тока.

А напряжение — это часть ЭДС на участках замкнутой цепи. Напряжение, в отличие от ЭДС, выполняет электрическую работу по перемещению зарядов по цепи. Например, при последовательном соединении оно может быть везде разным. И оно появляется из-за того, что у электронов возникают препятствия на своем пути. И чем сильнее это препятствие, тем больше полю нужно потратить энергии для перемещения заряда.

То есть, именно от электрического тока и сопротивления зависит то, какое падение напряжения (часть ЭДС) будет на нагрузке: U=RI.

А ЭДС в свою очередь — это источник всех напряжений в цепи. Без ЭДС нет и электрического тока. Как и напряжения.

Грубо говоря, ЭДС плавно размазывается по всей электрической цепи в виде напряжения, когда цепь замкнута. Когда цепь не замкнута — в ней нет напряжения. Напряжение выполняет только электрическую работу по перемещению зарядов по цепи. Но без замыкания цепи нет и напряжения.

Напряжение само по себе невозможно померить без замыкания цепи. Вы не сможете измерить вольтметром или мультиметром не замкнутый источник. Просто потому, что измерительный прибор замыкает цепь и измеряет проходящий через него ток. Этот ток перемножается с выбранным шунтом (сопротивлением) и получается измеренное напряжение.

Здесь нет никакого противоречия. Разница потенциалов источника (ЭДС) делает работу по перемещению зарядов по цепи. Эта работа распределяется по всем участкам цепи, в зависимости от сопротивлений. И только когда цепь замкнута и электроны могут идти по цепи (им есть куда идти) — возникает напряжение. Поэтому измерить напряжение без замыкания цепи невозможно. И невозможно даже в теории посчитать напряжение без замыкания цепи. Чтобы узнать напряжение, нужно знать или мощность или силу тока. Данные о силе тока или о мощности можно узнать только после замыкании цепи. пусть даже и в теории.

Почему тогда на батарейках или аккумуляторах, или в любом другом источнике указывается напряжение, а не ЭДС? Дело в том, что в идеальном источнике нет внутреннего сопротивления. В качестве внутреннего сопротивления могут быть контакты, материалы, химические реакции, реактивные сопротивления.

И так как они имеют сопротивление, то при прохождении через них электрического тока, на них появляется напряжение. Поэтому, в вольтах на клеммах источника тока указывается как напряжение, а не электродвижущая сила.

Практически нулевое сопротивление может быть только у сверхпроводников.

Эта путаница в понятиях часто вводит в заблуждение, такие как «Если напряжение — это следствие прохождение тока, то почему напряжение — это причина движения зарядов?». Причина прохождения электрического тока в цепи это ЭДС. Следствие прохождения тока по цепи на отельных участках — это возникновение напряжения. Напряжение всей цепи равно ЭДС.

Например, электродвижущая сила какого-нибудь аккумулятора равна 4,88 В, а напряжение на его клеммах 4,85 В. Стоит ли использовать значения электродвижущей силы, если несколько процентов вольт все равно останутся на клеммах источника?

В бытовом плане не принято использовать термин ЭДС, в этом нет особой необходимости. Но если вы рассчитываете схемы, собираете их или паяете, то сопротивление источника питания — очень важный параметр. Согласование сопротивлений влияет на всю работу схемы. И это касается не только источников питания, но и всей аналоговой и цифровой техники.

Теория относительности и напряжение

Допустим, есть три шарика.

Один из них заряжен на +15В, второй на +5В, а третий — 0. Кто из них будет положительнее, а кто отрицательнее? Вся материя состоит из молекул. Молекулы в свою очередь состоят из атомов.

Атомы имеют различные свойства, но у каждого есть протон и электрон и почти у каждого в добавок к перечисленному — нейтрон. Что определяет заряд атома? Это компенсирование зарядов электронов и протонов. Электрон это минус, а протон — плюс. Если есть недостаток электронов, то атом положительно заряжен, если переизбыток — отрицательно. Почему так происходит? Это результат физических свойств атомов, окружающей среды и взаимодействия с другими материалами. Например, валентные электроны могут покидать атомы, тем самым делая его положительным.

Третий шарик, который нейтрален (у него протоны и электроны скомпенсированы) будет отрицательным по отношению к первым двум. Потому, что относительно тех шариков, у этого шарика больше электронов. Положительные стремятся заполучить их и притягиваются к нему. А что насчет двух положительных шариков? Тот, кто менее положительный — становится отрицательным. Если вычесть значение второго шарика из остальных, то получится следующая ситуация: у первого шарика +10В, у второго 0В, а у третьего -5В.

Относительно первого шарика остальные два стали отрицательными, и разница потенциалов увеличилась. Поэтому, если два каких-либо тела оба положительно (или отрицательно) заряжены с разницей, они могут быть относительно друг друга разноименными.

Это не противоречит закону Кулона. Два положительных (или отрицательных) шарика будут отталкиваться друг от друга, когда они одинаково заряжены. То есть, если есть два шарика +5В и +5В они начнут отталкиваться, но если они будут +4В и +5В — начнут притягиваться, пока не компенсируют заряды друг друга до одного значения (+4,5 В). Относительно 0 они все так же остаются положительно заряженными телами.

Post Views: 882

Электродвижущая сила

Подробности Просмотров: 381

«Физика — 10 класс»

Любой источник тока характеризуется электродвижущей силой, или сокращённо ЭДС. Так, на круглой батарейке для карманного фонарика написано: 1,5 В.
Что это значит?

Если соединить проводником два разноимённо заряженных шарика, то заряды быстро нейтрализуют друг друга, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электрическое поле исчезнет (рис. 15.9, а).

Сторонние силы.

Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, кроме электрических сил, должны действовать силы неэлектростатического происхождения (рис. 15.9, б). Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т. е. кулоновских), называют сторонними силами.

Вывод о необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи станет ещё очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии.

Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нём заряженных частиц по замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводник нагревается. Следовательно, в цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий её в цепь. В нём, помимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторонние, непотенциальные силы. Работа этих сил вдоль замкнутого контура должна быть отлична от нуля.

Именно в процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока энергию и отдают её затем проводникам электрической цепи.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.

При замыкании цепи создаётся электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле (см. рис. 15.9, б).

Природа сторонних сил.

Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонние силы — это силы, действующие со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.

В гальваническом элементе, например в элементе Вольта, действуют химические силы.

Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещённых в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. (Медь очень мало растворяется в серной кислоте.) Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая и обусловливает ток во внешней электрической цепи.

Электродвижущая сила.

Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращённо ЭДС).

Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к абсолютной величине этого заряда:

Электродвижущую силу, как и напряжение, выражают в вольтах.

Разность потенциалов на клеммах батареи при разомкнутой цепи равна электродвижущей силе. ЭДС одного элемента батареи обычно 1—2 В.

Можно говорить также об электродвижущей силе и на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всём контуре, а только на данном участке.

Электродвижущая сила гальванического элемента есть величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.

Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Законы постоянного тока — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Электрический ток. Сила тока — Закон Ома для участка цепи. Сопротивление — Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединения проводников — Примеры решения задач по теме «Закон Ома. Последовательное и параллельное соединения проводников» — Работа и мощность постоянного тока — Электродвижущая сила — Закон Ома для полной цепи — Примеры решения задач по теме «Работа и мощность постоянного тока. Закон Ома для полной цепи»

От электростатики к электрокинетике

Между концом XVIII и началом XIX века работы таких учёных, как Кулон, Лагранж и Пуассон, заложили математические основы определения электростатических величин. Прогресс в понимании электричества на этом историческом этапе очевиден. Франклин уже ввёл понятие «количество электрической субстанции», но пока ещё и он, ни его преемники не смогли его измерить.

От электростатики к электрокинетике

Следуя за экспериментами Гальвани, Вольта пытался найти подтверждения того, что «гальванические жидкости» животного были одной природы со статическим электричеством. В поисках истины он обнаружил, что когда два электрода из разных металлов контактируют через электролит, оба заряжаются и остаются заряженными несмотря на замыкание контура нагрузкой. Это явление не соответствовало существующим представлениям об электричестве потому, что электростатические заряды в подобном случае должны были рекомбинировать.

Вольта ввёл новое определение силы, действующей в направлении разделения зарядов и поддержании их в таком состоянии. Он назвал её электродвижущей. Подобное объяснение описания работы батареи не вписывалось в теоретические основы физики того времени. В Кулоновской парадигме первой трети XIX века э. д. с. Вольта определялась способностью одних тел вырабатывать электричество в других.

Важнейший вклад в объяснение работы электрических цепей внёс Ом. Результаты ряда экспериментов привели его к построению теории электропроводности. Он ввёл величину «напряжение» и определил её как разность потенциалов на контактах. Подобно Фурье, который в своей теории различал количество тепла и температуру в теплопередаче, Ом создал модель по аналогии, связывающую количество перемещаемого заряда, напряжение и электропроводность. Закон Ома не противоречил накопленным знаниям об электростатическом электричестве.

Вам это будет интересно Особенности присвоения 4 группы по электробезопасности

Затем, благодаря Максвеллу и Фарадею, пояснительные модели тока получили новую теорию поля. Это позволило разработать связанную с полем концепцию энергии как для статических потенциалов, так и для электродвижущей силы. Основные даты эволюции понятия ЭДС:

  • 1800 г. — создание Вольтой гальванической батареи;
  • 1826 г. — Ом формулирует свой закон для полной цепи;
  • 1831 г. — обнаружение электромагнитной индукции Фарадеем.

ЭДС электрического тока

Как вы помните из прошлых статей, молекулы воды – это “электроны”. Для возникновения электрического тока, электроны должны двигаться в одном направлении. Но чтобы они двигались в одном направлении, должно быть напряжение и какая-нибудь нагрузка. То есть вода в башне – это напряжение, а люди, которые тратят воду для своих нужд – это нагрузка, так как они создают поток воды из трубы, которая находится у подножия водобашни. А поток – это не что иное, как сила тока.

Также должно соблюдаться условие, что вода должна всегда быть на максимальной отметке, независимо от того, сколько людей тратит ее для своих нужд одновременно, иначе башня опустошится. Для водобашни этим спасительным средством является водонасос. А для электрического тока?

Для электрического тока должна быть какая-то сила, которая бы толкала электроны в одном направлении в течение продолжительного времени. То есть эта сила должна двигать электроны! Электродвижущая сила! Да, именно так! ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА!  Можно назвать ее сокращенно ЭДС – Электро Движущая Сила. Измеряется она в вольтах, как и напряжение, и обозначается в основном буквой E.

Значит, в наших батарейках тоже есть такой “насос”? Есть, и правильней было бы его назвать “насос подачи электронов”). Но, конечно, так никто не говорит.  Говорят просто  – ЭДС. Интересно, а где спрятан этот насос в батарейке? Это просто-напросто электрохимическая реакция, из-за которой держится “уровень воды” в батарейке, но потом все-таки этот насос изнашивается и напряжение в батарейке начинает проседать, потому как “насос” не успевает качать воду. В конце концов он полностью ломается и напряжение на батарейке стает практически ноль.

От чего зависит ЭДС в обмотках трансформатора?

В прошлой статье я указал, что мгновенное значение ЭДС  в обмотке трансформатора определяется числом витков ω провода в ней и скоростью изменения магнитного потока dΦ/dt

где ω – число витков обмотки трансформатора,

dФВ/dt – скорость изменения магнитного потока.

Однако в большинстве случаев нам интересно не мгновенное значение ЭДС, а действующее. Поэтому выведем выражение, определяющее действующее значение ЭДС в обмотках трансформатора. Это можно сделать аналитически проинтегрировав функцию изменения магнитного потока dΦ/dt, либо же путем нахождения среднего значения ЭДС Ecp и коэффициента формы ЭДС kф. Я буду выводить выражение вторым способом.

Магнитный поток протекая в сердечнике трансформатора изменяется в соответствии с некоторой периодичной функцией имеет два амплитудных значения максимальное +Фm и минимальное –Фm, тогда полное изменение магнитного потока за полупериод Т/2 будет иметь значение

Тогда среднее значение ЭДС Еср в обмотке трансформатора будет иметь вид

где ω – число витков обмотки трансформатора,

Т/2 – полупериод изменения функции магнитного потока,

f – частота изменения магнитного потока,

Фm – амплитуда магнитного потока.

Действующее значение ЭДС и её среднее значение связывает коэффициент формы кривой ЭДС kф, тогда действующее значение ЭДС в обмотке трансформатора будет определяться следующим выражением

где kф – коэффициент формы ЭДС,

f – частота изменения ЭДС,

ω – число витков обмотки трансформатора,

B – магнитная индукция в сердечнике,

Sc – площадь сечения сердечника трансформатора.

Приведём примеры действующего значение ЭДС для синусоидального, прямоугольного (меандр) и треугольного изменения

Из вышесказанного следует, что при условии постоянства электромагнитной индукции B, ЭДС пропорциональна конструктивным параметрам трансформатора сечению магнитопровода Sc и количеству витков ω. Правильный выбор величины электромагнитной индукции В является одной из ключевых задач при проектировании трансформатора. Кроме того, с ростом частоты f увеличивается ЭДС, поэтому для реализации одинаковой ЭДС с ростом частоты требуются меньшие размеры и вес трансформатора. Данный фактор является основным преимуществом трансформаторов высокой частоты, которые чаще всего применяются в настоящее время.

Обозначение и единицы измерения

ЭДС в формулах обозначают вектором Е. Подразумевается напряженность, которую создают сторонние силы. Соответствующим образом эту величину можно оценивать по разнице потенциалов. По действующим международным стандартам (СИ), единица измерения – один вольт. Большие и малые значения указывают с применением кратных приставок: «микро», «кило» и др.

Фотоэлектрическая электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда наличествует или внешний, или внутренний фотоэффект.

В физике под фотоэффектом (фотоэлектрическим эффектом) подразумевается та группа явлений, которая возникает тогда, когда на вещество воздействует свет, и при этом в нем происходит эмиссия электронов. Это называют внешним фотоэффектом. Если же при этом появляется электродвижущая сила или изменяется электропроводимость вещества, то говорят о внутреннем фотоэффекте.

Сейчас и внешний, и внутренний фотоэффекты очень широко используются для проектирования и производства огромного количества таких приемников светового излучения, которые преобразуют световые сигналы в электрические. Все эти устройства называются фотоэлементами и используются как в технике, так и при проведении разнообразных научных исследований. В частности, именно фотоэлементы используются для того, чтобы производить наиболее объективные оптические измерения.

ЭДС источника тока[ | ]

Если на участке цепи не действуют сторонние силы (однородный участок цепи

) и, значит, источника тока на нём нет, то, как это следует из закона Ома для неоднородного участка цепи, выполняется:
φ 1 − φ 2 = I R . {\displaystyle \varphi _{1}-\varphi _{2}=IR.}
Значит, если в качестве точки 1 выбрать анод источника, а в качестве точки 2 — его катод, то для разности между потенциалами анода φ a {\displaystyle \varphi _{a}} и катода φ k {\displaystyle \varphi _{k}} можно записать:

φ a − φ k = I R e , {\displaystyle \varphi _{a}-\varphi _{k}=IR_{e},}

где как и ранее R e {\displaystyle R_{e}} — сопротивление внешнего участка цепи.

Из этого соотношения и закона Ома для замкнутой цепи, записанного в виде E = I R e + I r {\displaystyle {\mathcal {E}}=IR_{e}+Ir} нетрудно получить

φ a − φ k E = R e R e + r {\displaystyle {\frac {\varphi _{a}-\varphi _{k}}{\mathcal {E}}}={\frac {R_{e}}{R_{e}+r}}} и затем φ a − φ k = R e R e + r E . {\displaystyle \varphi _{a}-\varphi _{k}={\frac {R_{e}}{R_{e}+r}}{\mathcal {E}}.}

Из полученного соотношения следуют два вывода:

  1. Во всех случаях, когда по цепи течёт ток, разность потенциалов между клеммами источника тока φ a − φ k {\displaystyle \varphi _{a}-\varphi _{k}} меньше, чем ЭДС источника.
  2. В предельном случае, когда R e {\displaystyle R_{e}} бесконечно (цепь разорвана), выполняется E = φ a − φ k . {\displaystyle {\mathcal {E}}=\varphi _{a}-\varphi _{k}.}

Таким образом, ЭДС источника тока равна разности потенциалов между его клеммами в состоянии, когда источник отключён от цепи[1].

Эдс гальванического элемента – формула

Электродвижущую силу батарейки можно вычислить двумя способами:

  • Выполнить расчет с применением уравнения Нернста. Нужно будет рассчитать электродные потенциалы каждого электрода, входящего в ГЭ. Затем вычислить ЭДС по формуле .
  • Посчитать ЭДС формуле Нернста для суммарной ток образующей реакции, протекающей при работе ГЭ.

Уравнение Нернста

Таким образом вооружившись данными формулами рассчитать электродвижущую силу батарейки будет проще.

Неэлектростатический характер ЭДС[ | ]

Внутри источника ЭДС ток течёт в направлении, противоположном нормальному. Это невозможно без дополнительной силы неэлектростатической природы, преодолевающей силу электрического отталкивания
Как показано на рисунке, электрический ток, нормальное направление которого — от «плюса» к «минусу», внутри источника ЭДС (например, внутри гальванического элемента) течёт в противоположном направлении. Направление от «плюса» к «минусу» совпадает с направлением электростатической силы, действующей на положительные заряды. Поэтому для того, чтобы заставить ток течь в противоположном направлении, необходима дополнительная сила неэлектростатической природы (центробежная сила, сила Лоренца, силы химической природы, сила со стороны вихревого электрического поля) которая бы преодолевала силу со стороны электростатического поля. Диссипативные силы, хотя и противодействуют электростатическому полю, не могут заставить ток течь в противоположном направлении, поэтому они не входят в состав сторонних сил, работа которых используется в определении ЭДС.

Термоионная электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда с поверхности разогретых электродов происходит термоэмиссия заряженных частиц. Термоионная эмиссия на практике применяется достаточно широко, например, на ней основана работа практически всех радиоламп.

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)

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.
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...