ЭДС и напряжение в электрической цепи

Многие люди (в то числе и некоторые электрики) путают понятие электродвижущей силы (ЭДС) и напряжения. Хотя эти понятия имеют отличия. Несмотря на то, что они незначительные, не специалисту сложно в них разобраться. Не маловажную роль в этом играет единица измерения. Напряжение и ЭДС измеряются в одних единицах – Вольтах. На этом отличия не заканчиваются, подробно обо всем мы рассказали в статье!

Что такое электродвижущая сила

Подробно этот вопрос мы рассмотрели в отдельной статье: https://samelectrik.ru/chto-takoe-eds-obyasnenie-prostymi-slovami.html

Под ЭДС понимается физическая величина, характеризующая работу каких-либо сторонних сил, находящихся в источниках питания постоянного или переменного тока. При этом, если имеется замкнутый контур, то можно сказать, что ЭДС равна работе сил по перемещению положительного заряда к отрицательному по замкнутой цепи. Или простыми словами, ЭДС источника тока представляет работу, необходимую для перемещения единичного заряда между полюсами.

При этом если источник тока имеющего бесконечную мощность, а внутреннее сопротивление будет отсутствовать (позиция А на рисунке), то ЭДС можно рассчитать по закону Ома для участка цепи, т.к. напряжение и электродвижущая сила в этом случае равны.

I=U/R,

где U – напряжение, а в рассмотренном примере — ЭДС.

Однако, реальный источник питания имеет конечное внутреннее сопротивление. Поэтому такой расчет нельзя применять на практике. В этом случае для определения ЭДС пользуются формулой для полной цепи.

I=E/(R+r),

где E (также обозначается как «ԑ») — ЭДС; R – сопротивление нагрузки, r – внутреннее сопротивление источника электропитания, I – ток в цепи.

Однако, эта формула не учитывает сопротивление проводников цепи. При этом необходимо понимать, что внутри источника постоянного тока и во внешней цепи, ток течет в разных направлениях. Разница заключается в том, что внутри элемента он течет от минуса к плюсу, то во внешней цепи от плюса к минусу.

Это наглядно представлено на ниже приведенном рисунке:

При этом электродвижущая сила измеряется вольтметром, в случае, когда нет нагрузки, т.е. источник питания работает в режиме холостого хода.

Чтобы найти ЭДС через напряжение и сопротивление нагрузки нужно найти внутреннее сопротивление источника питания, для этого измеряют напряжение дважды при разных токах нагрузки, после чего находят внутреннее сопротивление. Ниже приведен порядок вычисления по формулам, далее R1, R2 — сопротивление нагрузки для первого и второго измерения соответственно, остальные величины аналогично, U1, U2 – напряжения источника на его зажимах под нагрузкой.

Итак, нам известен ток, тогда он равен:

I1=E/(R1+r)

I2=E/(R2+r)

При этом:

R1=U1/I1

R2=U2/I2

Если подставить в первые уравнения, то:

I1=E/( (U1/I1)+r)

I2=E/( (U2/I2)+r)

Теперь разделим левые и правые части друг на друга:

(I1/I2)= [E/( (U1/I1)+r)]/[E/( (U2/I2)+r)]

После вычисления относительно сопротивления источника тока получим:

r=(U1-U2)/(I1-I2)

Внутреннее сопротивление r:

r= (U1+U2)/I,

где U1, U2 — напряжение на зажимах источника при разном токе нагрузки, I — ток в цепи.

Тогда ЭДС равно:

E=I*(R+r) или E=U1+I1*r

Что такое напряжение

Электрическое напряжение (обозначается как U) – это физическая величина, которая отражает количественную характеристику работы электрического поля по переносу заряда из точки А в точку В. Соответственно напряжение может быть между двумя точками цепи, но в отличии от ЭДС оно может быть между двумя выводами какого-то из элементов цепи. Напомним, что ЭДС характеризует работу, выполненную сторонними силами, то есть работу самого источника тока или ЭДС по переносу заряда через всю цепь, а не на конкретном элементе.

Это определение можно выразить простым языком. Напряжение источников постоянного тока – это сила, которая перемещает свободные электроны от одного атома к другому в определенном направлении.

Для переменного тока используют следующие понятия:

• мгновенное напряжение — это разность потенциалов между точками в данный промежуток времени;
• амплитудное значение – представляет максимальную величину по модулю мгновенного значения напряжения за промежуток времени;
• среднее значение – постоянная составляющая напряжения;
• среднеквадратичное и средневыпрямленное.

Напряжение участка цепи зависит от материала проводника, сопротивления нагрузки и температуры. Так же как и электродвижущая сила измеряется в Вольтах.

Часто для понимания физического смысла напряжения, его сравнивают с водонапорной башней. Столб воды отождествляют с напряжением, а поток с током.

При этом столб воды в башне постепенно уменьшается, что характеризует понижение напряжения и уменьшения силы тока.

Так в чем же отличие

Для лучшего понимания, в чем состоит разница электродвижущей силы от напряжения, рассмотрим пример. Имеется источник электрической энергии бесконечной мощности, в котором отсутствует внутреннее сопротивление. В электрической цепи смонтирована нагрузка. В этом случае будет справедливо утверждение, что ЭДС и напряжение тождественно равны, т.е между этими понятиями отсутствует разница.

Однако, это идеальные условия, которые в реальной жизни не встречаются. Эти условия используют исключительно при расчетах. В реальной жизни учитывается внутреннее сопротивление источника питания. В этом случае ЭДС и напряжение имеют отличия.

На рисунке представлено, какая разница будет в значениях электродвижущей силы и напряжении в реальных условиях. Вышеприведенная формула закона Ома для полной цепи описывает все процессы. При разомкнутой цепи на клеммах батарейки будет значение 1,5 Вольта. Это значение ЭДС. Подключив нагрузку, в данном случае это лампочка, на ней будет напряжение 1 вольт.

Разница от идеального источника заключается в наличии внутреннего сопротивления источника питания. На этом сопротивлении и происходит падение напряжения. Эти процессы описывает закон Ома для полной цепи.

Если измерительный прибор на зажимах источника электроэнергии показывает значение 1,5 Вольта, это будет электродвижущая сила, но повторим, при условии отсутствия нагрузки.

При подключении нагрузки на клеммах будет заведомо меньшее значение. Это и есть напряжение.

Вывод

Из вышесказанного можно сделать вывод, что основная разница между ЭДС и напряжением состоит:

1. Электродвижущая сила зависит от источника питания, а напряжение зависит от подключенной нагрузки и тока, протекающего по цепи.
2. Электродвижущая сила это физическая величина, характеризующая работу сторонних сил неэлектрического происхождения, происходящих в цепях постоянного и переменного тока.
3. Напряжение и ЭДС имеет единую единицу измерения – Вольт.
4. U -величина физическая, равная работе эффективного электрического поля, производимой при переносе единичного пробного заряда из точки А в точку В.

Таким образом, кратко, если представить U в виде столба воды, то ЭДС можно представить что это насос, поддерживающий уровень воды на постоянном уровне. Надеемся, после прочтения статьи Вам стало понятно основное отличие!

Материалы по теме:

Эдс и напряжение: что это и в чем разница

Сейчас ЭДС и напряжение, воспринимается многими в качестве идентичных понятий, у которых, если и предусмотрены некоторые отличительные особенности, то они являются столь незначительными, что вряд ли заслуживают вашего к себе внимания.

С одной стороны, такое положение дел имеет место быть, ведь те аспекты, которые отличают между собой два этих понятия являются столь незначительными, что заметить их вряд ли удастся даже более-менее опытным пользователям. Тем не менее, таковые все же предусмотрены и говорить о том, что ЭДС и напряжение являются совершенно одинаковыми — тоже нельзя.

Что собой представляет ЭДС и почему его часто путают с напряжением?

ЭДС, или электродвижущая сила, как ее принято называть во многих учебниках, представляет собой такую физическую величину, которая характеризует работу каких-либо сторонних сил, присутствующих в источниках постоянного, либо-же переменного тока.
Если говорить об замкнутом проводящем контуре, то следовало бы отметить то, что в случае с ним, ЭДС будет равняться работе сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль вышеупомянутого контура. Путают электродвижущую силу и напряжение — не просто так. Как известно, два этих понятия, на сегодняшний день,

измеряются в вольтах. При этом, об ЭДС мы можем говорить на любом участке цели, ведь по сути дела — это удельная работа сторонних сил, которые действуют не во всем контуре, а только на каком-то, определенном участке.

Отдельного внимания с вашей стороны, заслуживает то, что у ЭДС гальванического элемента, предусматривается работа сторонних сил, работающих во время перемещения единичного положительного заряда от одного полюса к совершенно другому. Работа этих сторонних сил, напрямую зависит от формы траектории, но не может быть выражена через разность потенциалов. Последнее обуславливается тем, что сторонние силы — не являются потенциальными. Несмотря на то, что напряжение, представляет собой одно из самых незамысловатых понятий, многие потребители до конца не понимают того, что оно собой представляет. Если этого не понимаете и вы, то считаем должным навести для вас некоторые примеры.

Возьмем для наглядности обыкновенный резервуар с водой. Из такого резервуара, должна будет выходить обыкновенная труба. Так вот, высота водяного столба или давление, простыми словами и будет представлять собой напряжение, в то время, как скоростью потока вода, будет являться электрический ток. Ввиду вышесказанного, чем больше будет предусматривается воды в баке, тем большим будет его давление и напряжение, соответственно.

Главные отличия ЭДС от напряжения

Электродвижущей силой, называют напряжение, которое согласно своему определению, является отношением работы сторонних сил, касательно перенесению положительного заряда непосредственно к самой величине этого заряда. Напряжением, в свою очередь, считается уже отношение работы электрического поля, касательно перенесения так называемого электрического заряда. Так, к примеру, если в вашем автомобиле предусмотрен аккумулятор, то его ЭДС всегда будет равна 13 Вольтам. Ну а вот если к вышеупомянутому прибору вы при включенных фарах присоедините еще и вольтметр — прибор, предназначающийся для измерения напряжения, то последний показатель окажется гораздо меньшим, чем 13 Вт. Такая, возможно несколько странноватая тенденция, обуславливается тем, что в аккумуляторе, в качестве сторонних сил, воспринимается именно действие химической реакции. При этом, в автомобиле предусмотрен также и генератор, который во время работы двигателя вырабатывает простой электрический ток.

Ввиду вышесказанного, мы и можем говорить об основных отличительных особенностях ЭДС и напряжения:

1. ЭДС будет зависеть от самого источника. Ну а вот если говорить мы будет об напряжение, то его показатель, напрямую зависит от того, что подключение и какой ток сейчас течет по цепи.
2. ЭДС — это физическая величина, которая нужна для того, чтобы характеризовать работу некулоновских сил, а напряжение характеризует работа тока, касательно перемещения заряда последним.
3. Понятия эти являются разными еще и потому что электродвижущая сила, предназначается для магнитной индукции, в то время, как напряжение, чаще всего используется по отношению к постоянному току.

ЭДС и напряжение 2020

ЭДС (электродвижущая сила) — это напряжение на концах источника, когда ток отсутствует. Когда цепь закрыта и ток течет, то на концах источника есть напряжение, которое меньше, чем ЭДС. Это является следствием внутреннего сопротивления самого источника, что приводит к этому падению напряжения.

Что такое EMF?

Электрически заряженные тела могут быть получены путем отделения электронов от атомов путем потребления какой-либо другой энергии, например. механический, легкий или химический. Такое разделение существует в электрических источниках. Из-за энергетической активности в источнике генерируется ЭДС, что дополнительно вызывает избыток отрицательного заряда (отрицательный полюс) и отсутствие отрицательного заряда (положительный полюс). В электротехнике понятие ЭДС определяет работу, требуемую для разделения носителей заряда в источнике электрического тока, в котором сила, действующая на заряды на концах источника, не является прямым следствием поля. EMF определяется как количество выполненных работ (A) в преобразовании энергии и количество электричества (Q), которое проходит через генератор E = A / Q. Устройство такое же, как и для напряжения (V-вольт). Устройство, которое подает электрическую цепь и производит электродвижущую силу, называется источником электродвижущей силы или более короткой EMS (электродвижущим источником).

Что такое напряжение?

Существует разница в электрических состояниях на полюсах (клеммах) источника. На отрицательном полюсе имеется избыток электронов и нехватка электронов на положительном. В замкнутой цепи тока электроны движутся от отрицательной половины к положительной половине через проводники и приборы. Разность электрических потенциалов называется электрическим напряжением [U]. Электрическое напряжение равно количеству работ, выполняемых электрической силой при перемещении заряда из одной точки поля в другую и этой зарядке. Электрическое напряжение измеряется вольтах [V]. Измеритель напряжения называется вольтметром.

Разница между ЭДС и напряжением

1. Определение

Электродвижущая сила обозначает выработанное напряжение внутри электрических источников. Напряжение определяется как разность электрического потенциала между двумя точками, и эта разница на полюсах электрического источника получается путем удаления электронов из одной части источника и передачи их в другую.

1. выражение

Электродвижущая сила источника равна работе, которую необходимо сделать некоторой внешней силе, чтобы переместить блок заряда с одного полюса источника на другой, но через источник. Напряжение во внешней части схемы очень равно работе, которая должна выполняться электрической силой для перемещения блока заряда с одного полюса источника на другой, но через провод.

1. формула

Электродвижущая сила рассчитывается следующим образом: E = I * (R + r). Напряжение рассчитывается V = I * R (I — ток, R — со

Чем различаются ЭДС и напряжение источника питания

 

 

Чем отличается ЭДС (электродвижущая сила) от напряжения? Рассмотрим сразу на конкретном примере. Берем батарейку, на которой написано 1,5 вольт. Подключаем к ней вольтметр, как показано на рисунке 1, чтобы проверить, действительно ли батарейка исправна.

 

Рисунок 1

 

Вольтметр показывает 1,5 В. Значит, батарейка исправна. Подключаем ее к маленькой лампочке. Лампочка светится. Теперь параллельно лампочке подключаем вольтметр, чтобы проверить: действительно ли на лампочку приходится 1,5 В. Получается схема, показанная на рисунке 2.

 

Рисунок 2

 

И тут оказывается, что вольтметр показывает, например, 1 В. Куда потрачены 0,5 В (которые разность между 1,5 В и 1 В)?

Дело в том, что любой реальный источник питания имеет внутреннее сопротивление (обозначается буквой r). Оно во многих случаях снижает характеристики источников питания, но изготовить источник питания вообще без внутреннего сопротивления невозможно. Поэтому нашу батарейку можно представить как идеальный источник питания и резистор, сопротивление которого соответствует внутреннему сопротивлению батарейки (рисунок 3).

 

Рисунок 3

 

 

Так вот, ЭДС в данном примере – это 1,5 В, Напряжение источника питания – 1 В, а разница 0,5 В была рассеяна на внутреннем сопротивлении источника питания.

ЭДС – это максимальное количество вольт, которое источник питания может выдать в цепь. Это постоянная для исправного источника питания величина. А напряжение источника питания зависит от того, что к нему подключено. (Здесь мы говорим только о тех типах источников питания, которые изучаются в рамках школьной программы).

В нашем примере лампочка с сопротивлением R и резистор соединены последовательно, поэтому ток в цепи можно найти по формуле

 

 

И тогда напряжение на лампочке равно

 

 

Получается, чем больше сопротивление лампочки, тем больше вольт приходится на нее, и тем меньше вольт бесполезно теряется в батарейке. Это касается не только лампочки и батарейки, но и любой цепи, состоящей из источника питания и нагрузки. Чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше разница между напряжением и ЭДС. Если сопротивление нагрузки очень большое, то напряжение практически равно ЭДС. Сопротивление вольтметра всегда очень большое, поэтому в схеме на рисунке 1 он показал значение 1,5 В.

Пониманию смысла ЭДС мешает то, что в быту мы этот термин практически не употребляем. Мы говорим в магазине: «Дайте мне батарейку с напряжением 1,5 вольта», хотя правильно говорить: «Дайте мне батарейку с ЭДС 1,5 вольта». Но так уж повелось…

Похожая статья: чем отличается напряжение от потенциала.

—

Понравилась статья? Размести ссылку на сайт в социальных сетях

ЭДС и напряжение

Дата публикации: 27 марта 2013.
Категория: Электротехника.

Чтобы электрический ток проходил по цепи продолжительное время, нужно непрерывно поддерживать на полюсах источника напряжения разность потенциалов. Аналогично этому, если соединить трубкой два сосуда с различными уровнями воды, то вода будет переходить из одного сосуда в другой до тех пор, пока уровни в сосудах не сравняются. Доливая воду в один сосуд и отводя ее из другого, можно добиться того, что движение воды по трубке между сосудами будет продолжаться непрерывно.

При работе источника электрической энергии электроны с анода переходят на катод.

Отсюда можно заключить, что внутри источника электрической энергии действует сила, которая должна непрерывно поддерживать ток в цепи, то есть иначе говоря, должна обеспечивать работу этого источника.

Причина, которая устанавливает и поддерживает разность потенциалов, вызывает ток в цепи, преодолевая ее внешнее и внутреннее сопротивление, называется электродвижущей силой (сокращенно э. д. с.) и обозначается буквой E.

Электродвижущая сила источников электрической энергии возникает под влиянием причин, специфических для каждого из них.

В химических источниках электрической энергии (гальванических элементах, аккумуляторах) э. д. с. получается в результате химических реакций, в генераторах э. д. с. возникает вследствие электромагнитной индукции, в термоэлементах – за счет тепловой энергии.

Рисунок 1. Внешний вид вольтметра

Разность потенциалов, вызывающее прохождение тока через сопротивление участка электрической цепи, называется напряжением между концами этого участка. Электродвижущая сила и напряжение измеряются в вольтах. Для измерения э. д. с. и напряжения служат приборы – вольтметры (рисунок 1).

Тысячные доли вольта – милливольты – измеряются милливольтметрами, тысячи вольт – киловольты – киловольтметрами.

Чтобы измерить э. д. с. источника электрической энергии необходимо вольтметр включить к зажимам этого источника при разомкнутой внешней цепи (рисунок 2). Для измерения напряжения на каком-либо участке электрической цепи вольтметр нужно включить к концам этого участка (рисунок 3).

Рисунок 2. Измерение вольтметром электродвижущей силы элемента	Рисунок 3. Измерение вольтметром напряжений на различных участках электрической цепи

 

Видео 1. Что такое электродвижущая сила (э. д. с.)

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» – 9-е издание, исправленное – Москва: Высшая школа, 1964 – 560с.

Чем отличается ЭДС от напряжения.

Помниться, еще в школе на уроке физике, нас учитель поправлял, что подключаем источник ЭДС. С этим возникало много путаницы. Самая главная путаница возникает из-за того, что и напряжение, и ЭДС измеряются в вольтах. Но предлагаю по порядку. Тема не сложная, но требует внимания.

1.  Электродвижущая сила (эдс), физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура
подробнее в БЭС здесь

Это значит, что источниками ЭДС являются процессы напрямую не связанные с электростатикой, но порождающие движение заряда в электрической цепи.

• Так например, механически вращая обмотки ротора в магнитном поле, мы будем в них формировать индукционную ЭДС. В каждом витке, при прохождении поля будет наводится своя ЭДС, которая в итоге будет суммироваться с ЭДС других витков.
• В любом аккумуляторе, батарейке существует ЭДС вызванная химическим процессом.
• В некоторых датчиках используется спайка двух разных металлов, которые при нагреве также выдают ЭДС. Термоэлектрические преобразователи.
• Пьезоэффект, основан на этом же, есть вещества, при механическом воздействии на которые, они способны выдавать ЭДС, например кварц.
• Фотоэффект также относится к источнику ЭДС.

Если источник ЭДС способен переместить

Как видим, используя различные виды материалов и способы их взаимодействия, мы можем как итог получать электродвижущую силу, способную сформировать движение зарядов и как следствие сформировать электрический ток в цепи.

Условно считается что ЭДС — это работа в 1 джоуль совершенная перемещением заряда по цепи в 1 кулон и измеряется в вольтах ЕДС=Джоуль/Кулон =вольт.

А теперь перейдем к напряжению. Напряжение, точно так же измеряется в вольтах, и напряжение — это разница потенциалов между двумя точками, но эти потенциалы рассматриваются в электростатическом поле. То есть перемещая из точки А в точку Б заряд в 1 кулон, мы будем совершать работу в 1 джоуль, при условии, что разница между точками в 1 вольт. Теперь логичный вопрос, а откуда взялось электрическое поле, а это электрическое поле как раз может быть получено источником ЭДС.

Если сравнивать с водонапорной башней. то можно показать такую картинку

На картинке видна разница между ЭДС и напряжением. Слева вода движется за счет напряжения, справа за счет ЭДС. Подробнее расказано в видео

Если Вам понравилась публикация, подписывайтесь на канал, за Ваши лайки чаще показывают Наши публикации.

Для поиска публикаций через поисковые системы, просто вводите слово Вивитроника.

Если есть вопросы или по желания, то пишите, через Обратную связь.

19. Эдс, разность потенциалов и напряжение.

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (н епотенциальных) сил висточниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил (). В замкнутом контуре () тогда ЭДС будет равна:

, где — элемент длины контура.

Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называетсяэлектромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением

где — поток магнитного поля через замкнутую поверхность , ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре (см. правило Ленца).

Электрическое напряжение между двумя точками электрической цепи или электрического поля, равно работе электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки в другую. В потенциальном электрическом поле эта работа не зависит от пути, по которому перемещается заряд; в этом случае Э. н. между двумя точками совпадает с разностью потенциалов между ними.

Если поле непотенциально, то напряжение зависит от того пути, по которому перемещается заряд между точками. Непотенциальные силы, называются сторонними, действуют внутри любого источника постоянного тока (генератора, аккумулятора, гальванического элемента и др.). Под напряжением на зажимах источника тока всегда понимают работу электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль пути, лежащего вне источника; в этом случае Э. н. равно разности потенциалов на зажимах источника и определяется законом Ома: U = IR—E, где I — сила тока, R — внутреннее сопротивление источника, а E — его электродвижущая сила (эдс). При разомкнутой цепи (I = 0) напряжение по модулю равно эдс источника. Поэтому эдс источника часто определяют как Э. н. на его зажимах при разомкнутой цепи.

В случае переменного тока Э. н. обычно характеризуется действующим (эффективным) значением, которое представляет собой среднеквадратичное за период значение напряжения. Напряжение на зажимах источника переменного тока или катушки индуктивности измеряется работой электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль пути, лежащего вне источника или катушки. Вихревое (непотенциальное) электрическое поле на этом пути практически отсутствует, и напряжение равно разности потенциалов.

Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

Наименование и обозначение производной единицы СИ:

международное – volt, V

русское – вольт, В

Выражение через основные и производные единицы СИ:

1 V = 1 W / A