Что такое эдс — формула и применение • Мир электрики

На чтение: 2 минОбновлено: 01.07.2021Рубрика: Основы электротехникиАвтор: admin

Содержание

1. Что такое ЭДС
2. Формулы и расчеты
3. Где применяется

В электротехнике источники питания электрических цепей характеризуются электродвижущей силой (ЭДС).

Что такое ЭДС

Во внешней цепи электрического контура электрические заряды двигаются от плюса источника к минусу и создают электрический ток. Для поддержания его непрерывности в цепи источник должен обладать силой, которая смогла бы перемещать заряды от более низкого к более высокому потенциалу. Такой силой неэлектрического происхождения и является ЭДС источника.

Например, ЭДС гальванического элемента.

В соответствии с этим, ЭДС (E) можно вычислить как:

E=A/q, где:

• A –работа в джоулях;
• q — заряд в кулонах.

Величина ЭДС в системе СИ измеряется в вольтах (В).

Формулы и расчеты

ЭДС представляет собой работу, которую совершают сторонние силы для перемещения единичного заряда по электрической цепи

Схема замкнутой электрической цепи включает внешнюю часть, характеризуемую сопротивлением R, и внутреннюю часть с сопротивлением источника Rвн. Непрерывный ток (Iн) в цепи будет течь в результате действия ЭДС, которая преодолевает как внешнее, так и внутреннее сопротивление цепи.

Ток в цепи определяется по формуле (закон Ома):

Iн= E/(R+Rвн).

При этом напряжение на клеммах источника (U₁₂) будет отличаться от ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника.

U₁₂ = E — Iн*Rвн.

Если цепь разомкнута и ток в ней равен 0, то ЭДС источника будет равна напряжению U₁₂.

Разработчики источников питания стараются уменьшать внутренние сопротивление Rвн, так как это может позволить получить от источника больший ток.

Где применяется

В технике применяются различные виды ЭДС:

• Химическая. Используется в батарейках и аккумуляторах.
• Термоэлектрическая. Возникает при нагревании контактов разнородных металлов. Используется в холодильниках, термопарах.
• Индукционная. Образуется при пересечении проводником магнитного поля. Эффект используется в электродвигателях, генераторах, трансформаторах.
• Фотоэлектрическая. Применяется для создания фотоэлементов.
• Пьезоэлектрическая. При растяжении или сжатии материала. Используется для изготовления датчиков, кварцевых генераторов.

Таким образом, ЭДС необходима для поддержания постоянного тока и находит применений в различных видах техники.

Рейтинг

( 2 оценки, среднее 2 из 5 )

0

admin/ автор статьи

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:

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

Содержание

• 1 Что такое ЭДС в физике – физический смысл
• 2 Что такое ЭДС в электротехнике?
• 3 Расшифровка ЭДС
• 4 В чём измеряется ЭДС – единица измерения
• 5 Чем отличается ЭДС от напряжения?
• 6 ЭДС электромагнитной индукции
• 7 ЭДС источника тока
• 8 ЭДС индукции в движущихся проводниках
• 9 ЭДС катушки индуктивности
• 10 ЭДС гальванического элемента
• 11 Мощность через ЭДС
• 12 ЭДС через магнитный поток
• 13 Напряжение через ЭДС
• 14 Как обозначается ЭДС на схеме?
• 15 Как можно повысить точность измерения ЭДС источника тока?

В статье понятным и простым языком объясняется явление ЭДС. Представлена краткая историческая справка, рассмотрены типы ЭДС и её связь с параметрами электрической цепи. Текст подкреплён элементарными формулами.

Что такое ЭДС в физике – физический смысл

Электрический ток будет проходить через проводник только в том случае, если единовременно соблюдаются два простых условия:

1. В проводнике присутствуют свободные электроны (например, в металлах электронов, не связанных с атомом, большинство).
2. В проводнике присутствует сила, вынуждающая электроны двигаться.

Допустим, на концы электрода подали разные по знаку заряды, которые под действием кулоновской силы начинают притягиваться друг к другу.

Однако без сторонних сил электрическое поле, появившееся в результате такого взаимодействия, исчезнет, как только электроны придут в равновесие, поэтому для поддержания в проводнике электрического тока нужен источник питания, например батарейка.

ВАЖНО: электроны могут перемещаться только силами неэлектрического происхождения (сторонними силами), ярким примером которых являются химические процессы, происходящие в батарее.

При замыкании цепи «проводник – источник тока» электроны вновь начнут движение друг к другу, но как только положительный заряд приблизится к отрицательному, сторонние силы перенесут его обратно.

Так, работа этих сторонних сил по переносу единичного положительного заряда называется ЭДС.

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.

В чём измеряется ЭДС – единица измерения

Уже было отмечено, что ЭДС – отношение работы к заряду, то есть:

Единица измерения E = 1 джоуль (Дж) / 1 кулон (Кл) = 1 вольт (В).

Таким образом, ЭДС, как напряжение, измеряется в вольтах. Причём на практике часто используют более крупные и мелкие единицы:

• киловольт (кВ): 1 кВ = 10³ В;
• милливольт (мВ): 1мВ = 10^-3 В;
• микровольт (мкВ): 1 мкВ = 10^-6 В.

Чем отличается ЭДС от напряжения?

Известно, что напряжение характеризует работу электрического поля по переносу положительного заряда и измеряется в вольтах. Таким образом, на первый взгляд ЭДС и напряжение мало чем отличаются друг от друга, однако различие между этими понятиями есть и весьма существенное.

Схема с ЭДС

В реальной электрической цепи присутствует внутреннее сопротивление, на котором происходит падение напряжения. Причём, если разомкнуть цепь и соединить вольтметр с батареей, он покажет значение ЭДС – 1,5 В, но при подключении нагрузки, например лампочки, на клеммах будет меньшее значение. Эти процессы описываются законом Ома для полной цепи.

То есть основная разница между величинами состоит в том, что напряжение зависит от нагрузки и тока в цепи, а ЭДС – от источника питания.

СПРАВКА: в идеальной электрической цепи, где отсутствует внутреннее сопротивление, между напряжением и ЭДС не будет разницы.

ЭДС электромагнитной индукции

29 августа 1831 года Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию – явление возникновения электрического тока при движении замкнутого проводящего контура в магнитном поле или при изменении в течение времени этого поля.

Фарадей в ходе эксперимента обнаружил, что возникающая ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потока через поверхность замкнутого контура, но не зависит от причины этого изменения.

E_инд = — dФ / dt,

Где E_инд – ЭДС индукции,

Ф – магнитный поток, измеряемый в веберах (Вб),

T – время.

Знак дифференциала d характеризует изменение величин, а минус перед отношением отражает правило Ленца, согласно которому индукционный ток, вызванный ЭДС индукции, направлен таким образом, чтобы противодействовать изменению магнитного потока.

ЭДС источника тока

Электродвижущая сила источника тока характеризует его способность создавать и поддерживать разность потенциалов на зажимах.

ВНИМАНИЕ: ЭДС может возникнуть в источнике и при разомкнутой цепи, при этом данную ситуацию называют «холостым ходом», а величина силы приравнивается к разнице потенциалов.

ЭДС индукции в движущихся проводниках

Пусть в однородном магнитном поле с постоянной скоростью движется проводник. Тогда на каждый свободный электрон проводника будет действовать сила Лоренца, под действием которой отрицательные частицы начнут движение. В результате один из концов проводника зарядится отрицательно, второй – положительно, то есть возникнет разница потенциалов. Исходя из этого можно сделать вывод, что данный проводник в такой ситуации будет представлять собой источник тока, а разность потенциалов на его концах, по сути, представляет собой ЭДС.

E_инд = B∙l∙v∙sinα,

Где B – вектор индукции магнитного поля,

l – длина проводника,

v – скорость его перемещения в магнитном поле,

α – угол направления движения к направлению действия поля, то есть угол между B и v.

ЭДС катушки индуктивности

Особенность катушки – способность создавать магнитное поле, если по её проводу течёт электрический ток, что называется индуктивностью.

Схема ЭДС с катушкой индуктивности

Допустим, собрана схема с катушкой с железным сердечником и лампочкой, подключенной параллельно. Если сначала замкнуть цепь, дав току, протекающему в неё, установиться, а потом резко разомкнуть, лампочка резко вспыхнет. Что свидетельствует о том, что при отключении цепи от источника питания ток из катушки перешёл в лампу. То есть ток в катушке был и имел вокруг себя магнитное поле, после исчезновения которого возникла ЭДС.

Такая электродвижущая сила называется ЭДС самоиндукции, так как она появилась от собственного магнитного поля катушки.

ЭДС гальванического элемента

Гальванический элемент – это источник тока, создающий его из химической энергии. Рассмотрим элемент Даниэля-Якоби, представляющий собой цинковую и медную пластины в соответствующих растворах сульфатов, соединённые между собой электролитом. Если соединить пластины металлическим стержнем, начнётся перераспределение зарядов: свободные электроны будут перемещаться к электроду с менее отрицательным зарядом (медной пластине). То есть возникнет электрический ток. Его работа будет максимальной в том случае, когда процессы на электродах (окисление и восстановление вследствие изменения числа электронов) будут протекать бесконечно медленно.

ЭДС гальванического элемента – максимальная разность потенциалов, возможная в такой ситуации.

Мощность через ЭДС

Известно, что мощность тока – это работа, совершаемая в единицу времени, то есть:

P = A / Δt,

Где P – мощность.

Кроме этого, существует формула для вычисления мощности на участке цепи, связывающая эту величину с напряжением и током:

P = U∙I,

Где U – напряжение,

I – ток.

В случае, если участок цепи содержит источник тока, имеющий ЭДС, формула будет иметь вид:

P = (u₁—u₂)∙I + E∙I,

Где u₁—u₂ – разность потенциалов.

ЭДС через магнитный поток

Было отмечено, что Фарадей установил соотношение зависимости ЭДС от магнитного потока:

E = — ΔФ / Δt.

Известно, что магнитный поток можно найти, опираясь на выражение:

Ф = B∙S∙cosα,

Где S – площадь поверхности, через которую проходит поток,

α – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности.

Для некоторого упрощения допустим, что плоскость контура располагается перпендикулярно к магнитному полю, то есть α = 0. Учитывая, что ΔФ = Ф₂ — Ф₁ = B∙(S₂ — S₁), формула ЭДС может иметь вид:

E = — B∙(S₂ — S₁) / Δt.

Напряжение через ЭДС

Согласно закону Ома для участка цепи:

I = U / R,

Где R – сопротивление.

Этот же закон для полной цепи имеет вид:

I = E / (R+r),

Где r – сопротивление источника питания.

Пусть количество электронов, произведённых источником тока, равно количеству зарядов, которые «ушли» в цепь. Тогда справедливо равенство:

U / R = E / (R+r).

Путём элементарных математических действий можно получить связь напряжения и ЭДС:

U = E∙R / (R+r).

СПРАВКА: для идеальной цепи: U = E.

Как обозначается ЭДС на схеме?

Источник ЭДС обычно изображается буквой «Е», расположенной рядом со стрелкой, помещённой в круг. Рассмотрим несколько схем, встречающихся на практике.

Как обозначается ЭДС на схеме

На рисунке под буквой «а» изображён идеальный источник ЭДС, под «б» – реальный источник, обладающий внутренним сопротивлением, под «в» – элементарная электрическая цепь: реальный источник ЭДС и потребитель.

Как можно повысить точность измерения ЭДС источника тока?

Одним из способов повышения точности является проведение серии измерений, что позволит снизить риск случайных ошибок. Кроме этого, в серию испытания можно включить измерение разности потенциалов, тока, внутреннего сопротивления источника, а после вычислить среднее значение требуемой величины.

Наиболее простой способ повышение точности – использование вольтметра высокого класса точности.

Читайте также. Похожие записи.

• Закон Ома простыми словами — формулировка для участка и полной цепи
• Что такое сила трения в физике — определение, формула, виды
• Закон Кулона: основной закон электростатики кратко и понятно
• Все законы Кирхгофа — формулы и определения первого и второго закона для тока и напряжения
• Все что нужно знать про преобразователи
• Термовоздушная паяльная станция с лабораторным блоком питания AOYUE 768

Поделитесь статьей:

comments powered by HyperComments

Что такое «ЭМП»? Понимание компонентов электромагнитных полей

Автор: Эрик Джонсон, BSEE, MBA

Об авторе:

Эрик Джонсон является генеральным директором High Tech Health. Он имеет степень бакалавра электротехники Калифорнийского университета в Дэвисе и степень магистра делового администрирования Колорадского университета в Боулдере.

Он является членом Бета Гамма Сигма. До прихода в High Tech Health он работал в нескольких полупроводниковых компаниях в Силиконовой долине в качестве члена групп разработчиков, работающих над полупроводниковыми продуктами для аналоговых, цифровых и смешанных сигналов.

Что такое ЭМП?: электрические поля, магнитные поля и радиочастотные волны.

Что такое ЭДС? ЭМП (электромагнитные поля) описывают, как заряженные частицы (например, электроны) влияют друг на друга на расстоянии. ЭМП присутствует в 100% электронных или электрических устройств.

ЭМП (электромагнитные поля) лучше всего рассматривать как три вещи: низкочастотные электрические поля, низкочастотные магнитные поля и высокочастотное электромагнитное излучение или «радиочастотные» (РЧ) волны. Любой продукт с низким уровнем ЭДС должен решать каждую из этих трех задач.

Частота этих полей и волн является важным отличием. Если поле не меняется со временем, говорят, что оно статично или имеет нулевую частоту. Поля или волны, которые изменяются со временем, имеют частоту, описываемую количеством циклов в секунду, измеряемым в герцах (Гц).

Электрические и магнитные поля ниже примерно 100 кГц (100 000 Гц) существуют независимо друг от друга. Иногда аббревиатура ELF (чрезвычайно низкая частота) используется для обозначения электрических и магнитных полей, которые существуют независимо друг от друга. Приблизительно выше 100 кГц электрические и магнитные поля соединяются вместе и ведут себя как единое целое. Инженеры называют эти радиоволны или электромагнитные волны, но их легче понять как «свет».

Хотя ЭМП «излучается» из своего источника (например, свет, исходящий от фонарика), это НЕ то же самое, что «излучение». Радиация — это то, как мы описываем распад радиоактивных материалов, таких как те, которые используются в ядерной энергетике. Излучение не имеет ничего общего с этим обсуждением ЭМП.

Электрические поля

Электрическое напряжение (измеряется в вольтах: В) создает электрические поля (измеряется в вольтах на метр: В/м). Типичная электрическая розетка в США работает при напряжении 120 В с частотой 60 Гц. Независимо от того, используете ли вы розетку или нет, электрические поля будут излучаться при наличии напряжения. Электрические поля, связанные с этим напряжением, будут в основном иметь частоту 60 Гц, но также и несколько кратные этому значению, примерно до 300 Гц (это связано с нелинейной математикой, которую я не буду здесь обсуждать).

Пример: Воздух не проводит электричество. НО, если электрическое поле достаточно большое (очень большое), то изолирующие свойства воздуха нарушаются и он проводит электричество. Вот что происходит, когда мы видим молнию.

Магнитные поля

Электрический ток (измеряется в амперах: A) создает магнитные поля (измеряется в гауссах: G или в теслах: T). 1 миллигаусс (0,001 Гс) равен 0,1 микротесла (0,0000001 Тл). Я буду использовать миллигаусс (мГ) для дальнейшего обсуждения. Большинство вещей, которые нас будут интересовать, будут измеряться от 0 до нескольких сотен мГс. Каждый раз, когда течет электричество, этот электрический ток создает магнитные поля.

Пример : Магниты с одинаковой полярностью отталкиваются друг от друга, а противоположные магнитные поля притягиваются. Магнит на холодильник имеет статическое магнитное поле (магнитное поле без частоты). Сама земля имеет статическое магнитное поле, и именно оно движет стрелку компаса.

Примечание: что такое мощность?

 

Мощность — это скорость передачи энергии во времени, измеряемая в ваттах (Вт), которую можно рассчитать путем умножения вольт на ампер («амперы»). P = V x I. Поскольку наши настенные розетки всегда имеют одинаковое напряжение (120 В в США), ток пропорционален мощности: чем больше энергии что-то потребляет, тем больше тока оно будет потреблять. Чем больше ток он потребляет, тем сильнее будут присутствующие магнитные поля. Энергия, которую мы используем от наших настенных розеток, отвечает за электрические и магнитные поля, которым мы все обычно подвергаемся.

 

Вопрос : Если у меня есть два нагревателя по 300 Вт, один из которых работает на 120 В, а другой на 240 В, как будут отличаться поля, исходящие от этих нагревателей?

 

Ответ : Чтобы иметь эквивалентную мощность, нагреватель на 120 В будет потреблять в два раза больше тока, чем нагреватель на 240 В. Нагреватель на 120 В будет излучать ½ электрического поля, но в два раза больше магнитного поля. С другой стороны, нагреватель на 240 В будет иметь удвоенное электрическое поле, но вдвое меньшее магнитное поле.

РЧ («Радиочастота») Волны

РЧ или радиочастота — это общий термин, который инженеры используют для обозначения связанных магнитных и электрических полей, представляющих собой ЭМП выше примерно 100 кГц. Их легче понять как «свет». Мы даем разные названия разным диапазонам частот. Видимый свет — это просто РЧ в определенном диапазоне. Как можно догадаться из словосочетания «радиочастоты», оно охватывает диапазон частот, которые используются для радиосвязи и аппаратуры связи. Примеры в порядке увеличения частоты (уменьшения длины волны):

• Радиоволны
• Частоты, используемые в сотовой связи
• Частоты, используемые в электронике Wi-Fi и Bluetooth
• Микроволны
• Инфракрасный свет (от дальнего до среднего и ближнего инфракрасного)
• Видимый свет (все цвета от красного до фиолетового)
• Ультрафиолетовый свет
• Рентгеновское излучение
• Гамма-излучение

Когда электрический ток (например, внутри электронных устройств) колеблется на радиочастотах, он может излучаться своими проводами в космос в виде радиочастотных электромагнитных волн. .

Большинство производителей инфракрасных саун на самом деле не понимают, что такое ЭМП. Они используют неправильную терминологию (прочитайте наш пост в блоге «ELF») и большинство из них полностью игнорируют электрические поля, так как их гораздо труднее смягчить. Если вы зададите любой другой компании вопрос «что такое ЭДС?» или «почему вы не упоминаете свои измерения электрического поля?» Разница между ними и High Tech Health будет очевидна. Прочтите о важности для здоровья инфракрасной сауны с низким электромагнитным полем и о нашем запатентованном инфракрасном обогревателе с тройным антиполем.

Электродвижущая сила — Academic Kids

From Academic Kids

Электродвижущая сила (ЭДС) — это мера мощности источника электрической энергии. Единицей ЭДС является вольт (энергия на единицу электрического заряда), поэтому термин «сила» вводит в заблуждение. Таким образом, расширение аббревиатуры считается устаревшим или, в лучшем случае, досадным историческим артефактом. (Термин приписывается Алессандро Вольта). Тем не менее, иногда полезно представить ЭДС как аналог силы или давления, например, при создании механической или жидкостной аналогии электрической цепи.

Термин «электродвижущая сила» первоначально относился к силе, с которой положительные и отрицательные заряды могли быть разделены (т. смысл). (см. Оксфордский словарь английского языка , «электродвижущая сила».) В объяснении Максвеллом в 1865 году того, что сейчас называется уравнениями Максвелла, термин «электродвижущая сила» использовался для того, что сейчас называется электрическим полем.

Обычно ЭДС возникает в результате химической реакции (например, батарея или топливный элемент), поглощения лучистой или тепловой энергии (например, солнечный элемент или термопара) или электромагнитной индукции (например, генератор или генератор переменного тока) . Электромагнитная индукция является средством преобразования механической энергии, т. е. энергии движения, в электрическую энергию. Возникающая таким образом ЭДС часто обозначается как ЭДС движения .

ЭДС движения в конечном итоге возникает из-за электрического эффекта изменяющегося магнитного поля. При наличии изменяющегося магнитного поля электрический потенциал и, следовательно, разность потенциалов (обычно называемая напряжением) не определены (см. первое) — отсюда и необходимость в различном понятии ЭДС и разности потенциалов. Технически ЭДС представляет собой эффективную разность потенциалов, включенную в цепь, чтобы сделать справедливым закон напряжения Кирхгофа: это именно величина из закона индукции Фарадея, при которой линейный интеграл электрического поля вокруг цепи не равен нулю. Тогда ЭДС равна L d i /d t , где i — ток, а L — индуктивность цепи.

Учитывая эту ЭДС и сопротивление цепи, мгновенный ток можно вычислить, например, с помощью закона Ома или, в более общем случае, путем решения дифференциальных уравнений, возникающих из законов Кирхгофа.

Независимо от того, как она генерируется, ЭДС вызывает электрический ток в цепи, подключенной к клеммам источника. Например, химическая реакция, которая разделяет электрический заряд на две клеммы батареи, продолжается до тех пор, пока существует внешняя цепь, по которой электроны могут течь от клеммы «-» к клемме «+» и, таким образом, рекомбинировать с положительными ионами. .

Однако, если внешняя цепь не подключена, электрический ток не может существовать. Таким образом, между выводами источника должно существовать электрическое поле, точно компенсирующее генерируемую ЭДС. Источником этого поля является электрический заряд, выделяемый механизмом, генерирующим ЭДС.