Что такое эдс — формула и применение • Мир электрики
На чтение: 2 минОбновлено: Рубрика: Основы электротехникиАвтор: admin
Содержание
- Что такое ЭДС
- Формулы и расчеты
- 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.
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
( 1 оценка, среднее 2 из 5 )
0
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Источник ЭДС Приемник — Студопедия
Поделись
+
RПР
RВН UВН
Рис. 11. Электрическая схема для исследования режимов работы источника ЭДС.
ЭДС Е источника является непосредственной причиной возникновения тока
в замкнутой цепи. Допустим, что направление тока I совпадает с направлением
ЭДС Е. Направление ЭДС – это направление возрастания потенциала внутри источника ( от – к + ) и обозначается стрелкой внутри него.
Ток в цепи можно определить по закону Ома (здесь и во всех последующих формулах сопротивлением соединительных проводов будем пренебрегать):
, (1)
где Е – ЭДС источника – постоянная величина, независящая от режима работы источника; RВН — внутреннее сопротивление источника – так же
RПР – сопротивление приемника (нагрузки).
Перепишем уравнение (1) в следующем виде:
Е = RВН ∙I + RПР ∙I = UВН + U, (2)
где UВН = RВН ∙I – падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника; а
U = UПР = RПР ∙I – напряжение на зажимах источника ЭДС равное напряжению на приемнике.
Учитывая выражение (2) найдем напряжение на зажимах источника ЭДС:
U = Е – RВН ∙I = Е – UВН
|
Зависимость между напряжением U и током I, протекающим через источник ЭДС, представленная выражением (3), называется
внешней характеристикой источника. Внешняя характеристика источника U(I) полностью определяет свойства этого источника и для большинства реальных источников эта характеристика может быть представлена прямой линией (рис. 12).
UХ=E
|
4 [А]
0 IН IС=IКЗ/2 IКЗ I
Рис. 12. Внешняя характеристика источника ЭДС.
Из всех возможных режимов работы источника ЭДС отметим четыре наиболее важные (рис.12):
Точка 1 – холостой ход,
Точка 2 – номинальный режим,
Точка 3 – согласованный режим,
Точка 4 – короткое замыкание.
Проанализируем каждый из перечисленных выше режимов работы источника ЭДС.
Режим холостого хода (т.1) – это режим, при котором сопротивление приемника стремится к бесконечности (RПР = ∞) — на практике это соответствует разрыву электрической цепи, следовательно, ток холостого хода равен нулю (IХ =0). Выражение (3) преобразуется: UХ = Е – RВН∙IХ, (4)
Поскольку на холостом ходу IХ =0 следовательно, напряжение UХ на зажимах источника при пассивной нагрузке будет наибольшим и равным ЭДС Е источника:
UХ = Е
Из опыта холостого хода можно определить ЭДС Е показаниям вольтметра, подключив его непосредственно к разомкнутым зажимам источника ЭДС.
Номинальный режим (т.2) источника характеризуется тем, что напряжение, ток и мощность его соответствуют тем значениям, на которые он рассчитан заводами-изготовителями. При этом гарантируются наилучшие условия работы источника ЭДС (экономичность, долговечность и др.). Величины, определяющие номинальный режим, обычно указывают в паспорте, каталоге или на щитке, прикрепленном к устройству.
При номинальном режиме:
Для достижения номинального режима на практике UНдолжно составлять (0,9¸0,95)E
Согласованный режим (т.3) — это режим, при котором источник отдает в приемник (во внешнюю цепь) максимальную мощность РMAX. Для достижения данного режима работы источника необходимо подобрать величину сопротивления приемника RПР равным внутреннему сопротивлению источника RВН, то есть RПР = RВН (6)
Действительно, мощность, выделяемая в приемнике равна:
, где , (см.
Следовательно, ;
Проведем анализ последней формулы:
Если RПР = 0, то РПР = =0
RПР = ¥, то РПР = ,
поэтому легко сделать вывод, что РПРимеет экстремум.
Как известно, положение экстремума любой функции можно определить из условия: , в нашем случае , следовательно,
,
,
Таким образом, при согласованном режиме для выделения в приемнике максимальной мощности РПР МАХ, необходимо выполнить условие: RПР = RВН
При согласованном режиме: UС = Е – RВН
Из формулы (7) определим ток, протекающий в цепи при согласованном режиме:
(8)
Мощность, выделяемая источником равна:
(9)
а мощность, выделяемая в приемнике:
(10)
Коэффициент полезного действия (КПД) источника при данном режиме:
(11)
Из формулы (11) видно, что 50% энергии источник отдает в приемник, а остальные 50% теряется в самом источнике (на его внутреннем сопротивлении).
Согласованный режим допустим и желателен в системах телемеханики, автоматики, телефонии и т.д., где необходимо выделение в приемнике максимально возможной мощности Р
Для систем электроснабжения такой режим невозможен, потому что мощности источников энергии исчисляются мегаВаттами (МВт) и 50% потери в источниках будут чрезмерно велики.
Режим короткого замыкания (т.4) характеризуется тем, что сопротивление приемника становится равным нулю RПР = 0. Как правило, на практике это связано с перемыканием приемника электрической энергии проводником с очень малым сопротивлением (RПРОВОД = 0) – так называемое промышленное короткое замыкание, зачастую вызванное неправильной эксплуатацией электротехнических устройств, как например, электрические двигатели, трансформаторы, бытовая техника и т. д.
При RПР = 0 формула (3) трансформируется в следующее выражение:
0 = Е – RВН ∙IКЗ ,(12)
так как UКЗ = RПР ∙IКЗ = 0 ∙IКЗ = 0
Как следует из выражения (12) ток короткого замыкания равен: (13)
Анализируя выражение (13), можно сделать следующий вывод: при Е = const
(см. формулу 1) ток короткого замыкания (IКЗ) может достигать очень больших величин из-за малого внутреннего сопротивления источника ЭДС, значительно превышающего номинальные токи (IКЗ >> IН), поэтому режим короткого замыкания, как правило, является очень опасным и нежелательным режимом как для источника, так и для приемника. Однако в некоторых случаях режим короткого замыкания является номинальным для таких электротехнических устройств, как например, сварочные трансформаторы и генераторы, трансформаторы тока и др.
Действительно, современные источники ЭДС изготавливают с достаточно малыми внутренними сопротивлениями RВН. В идеальном случае RВН = 0, следовательно,
U = E — 0∙I = E, т.е. напряжение на зажимах такого источника не зависит от величины нагрузки (рис. 13, прямая а) и его называют идеальным источником ЭДС.
U, [В]
E
|
а
в
U’
U»< U’
с
[A]
0 IНАГР I»КЗ I’КЗ I
Рис. 13. Внешние характеристики источников ЭДС Е.
а – для идеального источника ЭДС с RВН = 0;
в –для реальногоисточникаЭДСс R’ВН ¹ 0;
с– для реального источника ЭДС с R»ВН > R’ВН.
На рис. 13 показаны три внешние характеристики источников постоянной
ЭДС Е с различными внутренними сопротивлениями RВН. Анализируя кривые а, в и сследует отметить, что в большинстве случаев предпочтительно иметь источник с внешней характеристикой – прямая а, затем прямая в и наихудший вариант –
прямая с. Это объясняется тем, что чем больше падение напряжения внутри источника UВН, тем меньше напряжение на его зажимах (см. формулу 3 и рис. 13), а именно U = Е > U’ > U», при условии, что во всех трех случаях ток
нагрузки IНАГР (что соответствует суммарной потребляемой мощности приемников) одинаковый.
Согласно ГОСТа 721-77 напряжение на источниках постоянной ЭДС Е и на приемниках должно быть строго регламентировано (установлен номинальный ряд). Так, для источников постоянной ЭДС Е этот ряд: UН = 115 В, 230 В, 460 В и т.д., а для приемников на 5% ниже, что соответствует UН = 110 В, 220 В, 440 В и т.д.
При питании приемников таким напряжением, завод-изготовитель гарантирует наилучшие условия их работы (экономичность, долговечность и др.).
Если считать, что точка 1 прямой в соответствует номинальному напряжению приемников U’, то при подключении тех же приемников к источнику с внешней характеристикой – прямая с, напряжение на приемниках становится ниже номинального U» < U’ — точка 2.Это приводит к нарушению нормальной работы приемника, например, если в качестве приемников взять электрические лампочки или обогревательные приборы, то они будут работать в полнакала.
Из опытов холостого хода и короткого замыкания можно определить экспериментальным путем используя формулу (13) внутреннее сопротивление источника ЭДС Е:
(14)
где Е – определяется по показанию вольтметра из опыта холостого хода, а
IКЗ –по показанию амперметра из опыта короткого замыкания.
Заметки об ЭДС клетки
Большинство учащихся не знакомы с понятием электродвижущей силы или ЭДС. Однако оно неразрывно связано с более известным представлением о напряжении. Понимание различий между ними и того, что означает ЭМП, дает нам навыки, необходимые для решения различных задач физики и электроники. Также будет рассмотрено понятие внутреннего сопротивления батареи. ЭДС показывает напряжение батареи без учета внутреннего сопротивления. Формула ЭДС будет объяснена на примерах в этой статье. Давайте учиться этому вместе!
Что такое электромагнитное поле (ЭМП)?Когда через батарею не протекает ток, электродвижущая сила определяется как разность потенциалов на клеммах. Хотя может показаться, что это не имеет значения, каждая батарея имеет внутреннее сопротивление. Его можно сравнить с типичным сопротивлением в том смысле, что оно снижает ток в цепи, но находится внутри батареи.
Энергия, передаваемая батареей или элементом на кулон (Q) проходящего через него заряда, известна как электродвижущая сила. Когда по цепи не протекает ток, величина ЭДС равна V (разность потенциалов) на клеммах ячейки 9.0003
В чем разница между ЭДС и разностью потенциалов?ЭДС – это количество энергии, преобразованное в электрическую энергию на кулон заряда. Разность потенциалов, с другой стороны, представляет собой количество электрической энергии, преобразованной в другие виды энергии на кулон заряда. Источники ЭДС включают элемент, солнечный элемент, батарею, генератор, термопару, динамо-машину и так далее.
Формула ЭДС — это формула, используемая для расчета ЭДС.Для расчета ЭДС используются два основных уравнения. Количество джоулей энергии, которое поглощает каждый кулон заряда при прохождении через ячейку, является основным определением.
ε=E/Q
ε = ЭДС (электродвижущая сила)
E = Энергия цепи.
Q = заряд цепи
Мы можем рассчитать результирующую энергию и количество заряда, протекающего через элемент, если мы знаем результирующую энергию и количество заряда, прошедшего через элемент. Это самый простой метод расчета ЭДС.
Вместо этого мы можем использовать определение V = IR, аналогичное закону Ома. Итак, вот формула:
ε=IR+Ir
ε=V+Ir
I = Ток
Электродвижущая сила элемента.
В цепи R = сопротивление.
r= Внутреннее сопротивление элемента.
В= Напряжение
Это показывает, что если мы знаем напряжение на клеммах, протекающий ток и внутреннее сопротивление элемента, мы можем вычислить ЭДС.
ЭДС ячейкиЭлектродвижущая сила ячейки, также известная как ЭДС, представляет собой самую высокую разность потенциалов, существующую между двумя электродами ячейки. Суммарное напряжение между полуреакциями окисления и восстановления также известно как это.
Типы электрохимических элементов Гальванический элемент (гальванический элемент)Гальванический элемент, также известный как гальванический элемент, представляет собой устройство, использующее спонтанную окислительно-восстановительную реакцию для выработки электричества.
В этом эксперименте используется реакция металлического цинка с водным раствором сульфата меди.
Zn(s)+Cu 2+ (водн.)→Zn 2+ (водн.)+Cu(s)
Состоит из цинкового и медного электродов, погруженных в сульфат цинка и растворы медного купороса соответственно. Анод – это цинковый электрод, а катод – медный электрод. Металлический цинковый стержень (анод) погружен в раствор сульфата цинка в емкости слева. Медный стержень (катод) погружен в раствор медного купороса в емкости справа. Цинковый и медный электроды соединены медным соединением. Солевой мостик соединяет раствор в анодном и катодном отделениях с раствором сульфата калия.
В анодном отсеке происходит полуреакция окисления.
Zn(s)→Zn 2+ (водн.)+2e −
Катодная реакция протекает следующим образом:
Электроны переходят от цинкового электрода к медному катоду. Zn 2+ образуется при растворении цинка в анодном растворе.
В катодной полуячейке ионы поглощают электроны и превращают их в атомы Cu. Одновременно SO 4 2-
ионы перемещаются из катодной полуэлемента в анодную полуэлемент через солевой мостик. Zn 2+ — аналогичный случай.
Ионы перемещаются от анодной полуячейки к катодной полуячейке. Ионы переносятся из одной полуэлемента в другую, замыкая цепь, обеспечивая стабильный источник питания. Ячейка будет продолжать работать до тех пор, пока либо металлический цинк, либо ионы меди не будут исчерпаны.
Daniel CellЭто то же самое, что и гальванический элемент. Медно-цинковый элемент также аналогичен гальваническому элементу. Единственное отличие состоит в том, что в ячейке Даниэля в качестве электродов может использоваться только цинк и медь, тогда как в гальванических ячейках в качестве электродов могут использоваться различные металлы.
Электролиты, используемые в ячейке Даниэля, представляют собой сульфат меди (II) и сульфат цинка, тогда как электролиты, используемые в гальванической ячейке, представляют собой соли металлов каждого электрода.
ЗаключениеЭлектрохимический элемент представляет собой устройство, использующее химическую реакцию для выработки электроэнергии. Устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую, известно как преобразователь химической энергии. Электрохимическая ячейка может функционировать только в том случае, если происходит химическая реакция, связанная с обменом электронами. Окислительно-восстановительные реакции — это название для этих типов реакций. Напряжение ячейки — это то, что отличает ее. Независимо от размера ячейки, определенный тип ячейки генерирует одинаковое напряжение. Если элемент работает в идеальных условиях, химический состав элемента определяется напряжением элемента.
Объяснение урока: Ячейки в ряду
В этом объяснении мы узнаем, как рассчитать полную ЭДС набора ячеек которые соединены последовательно.
Ячейка — это источник питания, который подает электрическую энергию в цепь.
На приведенной ниже диаграмме показан символ, используемый для обозначения ячейки в цепи. диаграмма. Символ состоит из двух вертикальных параллельных линий. Одна из линий короче и толще другого.
Каждая строка представляет терминал ячейки. Терминал – это место, где ячейка подключена к остальной части цепи. Ячейка имеет два терминала: один положительно заряженный терминал и один отрицательно заряженный терминал. Чем дольше, более тонкая линия всегда обозначает положительный полюс. Более короткая и толстая линия всегда представляет отрицательную клемму.
Элемент создает в цепи разность электрических потенциалов. потенциал разница в ячейке также известна как электродвижущая сила клетка. Фразу «электродвижущая сила» часто сокращают до «ЭДС». ЭДС ячейки равна разности потенциалов по ячейке и измеряется в единицах вольт, V.
Несмотря на свое название, ЭДС клетки на самом деле не является силой. ЭДС – это мера того, сколько энергии передает клетка на единицу проходящего заряда через это. Клетки передают энергию зарядам, позволяя им течь схема. Итак, ЭДС ячейки может создавать ток в цепи.
Мы можем соединить несколько ячеек вместе. Один из способов сделать это — соединить их в серии . Это означает, что ячейки соединены напрямую, одна за другой. Другая.
Обычно, когда ячейки соединены последовательно, каждая ячейка выравнивается одинаково. Это означает, что положительный вывод одной ячейки должен быть подключен к отрицательный полюс другой клетки.
Это показано на диаграмме ниже. На схеме показаны две ячейки, соединенные в ряд. Ячейки выровнены одинаково, потому что положительный вывод ячейка с левой стороны подключена к отрицательному выводу ячейки на правая сторона.
Обратите внимание, что ячейки можно соединять последовательно, даже если они не выровнены так же. Ячейки могут быть соединены таким образом, что они выровнены в противоположных направлениях. направления, с положительным полюсом одной ячейки, подключенным к положительному терминал другой ячейки. Однако это менее распространено.
В оставшейся части этого объяснения мы будем рассматривать только ячейки, которые соединены последовательно и выровнены одинаково.
Пример 1: Идентификация ячеек в ряду
На какой из следующих диаграмм показаны три ячейки, соединенные последовательно?
Ответ
Ответ B.
На диаграмме B каждая ячейка выровнена одинаково, с положительным клемма одной ячейки соединена с минусовой клеммой следующей. Следовательно, эти ячейки соединены последовательно.
На схеме А показан другой способ соединения ячеек, который называется соединением клетки параллельно. Каждая ячейка ориентирована одинаково, с положительной клемма справа и отрицательная клемма слева, так что мы могли бы подумать что эти ячейки выровнены друг с другом. Однако терминалы этих ячейки не соединены последовательно.
Если мы проследим по проводам от одной ячейки к другой, то увидим, что положительный вывод одной ячейки соединен с положительным выводом другого Другая. Точно так же отрицательный вывод одной ячейки подключается к отрицательный вывод другого.
Это означает, что элементы не соединены последовательно. Для соединения ячеек последовательно положительный вывод одной ячейки должен быть подключен к отрицательный полюс другой клетки.
Мы можем соединить элементы последовательно, чтобы получилась батарея. Аккумулятор просто два или несколько ячеек, соединенных последовательно.
Символ цепи для батареи показывает две ячейки, соединенные последовательно. связь между ячейками представлена пунктирной линией. Хотя только два ячейки показаны в символе схемы, батарея может состоять более чем из двух клетки.
На приведенной ниже схеме показано обозначение цепи аккумулятора.
Пример 2. Идентификация символа цепи батареи
Что из следующего является правильным символом цепи для батареи?
Ответ
Ответ B.
На диаграмме B показан аккумулятор. Ячейки соединены последовательно, т. положительный вывод первой ячейки, соединенный с отрицательным выводом следующий. Пунктирная линия представляет связь между ячейками. Следовательно, это символ батареи.
На диаграмме А показана одна ячейка. На диаграмме C показана лампа накаливания. Диаграмма D показывает переключатель, а E показывает резистор.
Мы уже говорили, что ячейка создает ЭДС в цепи. Когда клетки соединенных последовательно, ЭДС, подводимая к цепи, равна сумме ЭДС отдельных ячеек. Итак, если мы знаем ЭДС каждой ячейки, мы просто добавляем их вверх, чтобы найти полную ЭДС, подведенную к цепи.
Чтобы понять это, вспомним, что каждая клетка передает энергию зарядам в схема. ЭДС каждой клетки является мерой того, сколько энергии эта клетка передает к каждому заряду. При последовательном соединении элементов заряд течет по цепи, и он получает передачу энергии от каждой клетки по очереди. Чтобы вычислить энергию, полученную зарядом, мы складываем энергию, переданную зарядом. каждая ячейка.
Следовательно, чтобы рассчитать полную ЭДС, подводимую к цепи, мы складываем ЭДС каждая ячейка.
Пример 3: Расчет общей ЭДС последовательных элементов
На схеме показаны три последовательно соединенных элемента. Чему равна полная ЭДС обеспечивают клетки?
Ответ
При последовательном соединении элементов ЭДС, подаваемая в цепь, равна сумме ЭДС каждой отдельной ячейки.
На этой диаграмме показаны три ячейки с ЭДС 3 В, 6 В, и 2 В. Чтобы найти полную ЭДС, создаваемую ячейками, мы складываем ЭДС трех отдельные ячейки: 𝑉=3+6+2=11.totalVVVV
Следовательно, общая ЭДС, подаваемая в цепь, равна 11 V.
Пример 4: Расчет полной ЭДС последовательных элементов
На схеме показаны три последовательно соединенных элемента. Суммарная ЭДС на ячейках 8 В. Какова ЭДС, создаваемая третьей ячейкой?
Ответ
При последовательном соединении элементов ЭДС, подаваемая в цепь, равна сумме ЭДС каждой отдельной ячейки.
Мы знаем, что суммарная ЭДС, создаваемая этими ячейками, равна 8 В, и что первое две ячейки обеспечивают ЭДС 4 В и 3 В. Назовем ЭДС обеспечивается третьей ячейкой 𝑉.
Следовательно, мы знаем, что должно выполняться следующее уравнение: 4+3+𝑉=8.VVV
Это упрощает до 7+𝑉=8,ВВ которые мы можем переставить, чтобы найти 𝑉=8−7𝑉=1.VVV
Следовательно, ЭДС третьей ячейки должна быть равна 1 В.
Пример 5: Расчет полной ЭДС последовательных элементов
На схеме показаны четыре одинаковых элемента, соединенных последовательно. Суммарная ЭДС обеспечивается клетками 8 В. Что такое ЭДС обеспечивается одной ячейкой?
Ответ
Четыре ячейки идентичны. Это означает, что каждая ячейка обеспечивает одинаковую ЭДС к цепи.
Обозначим ЭДС одиночной ячейки как 𝑉ячейка.
Суммарная ЭДС, создаваемая ячейками, равна 8 В. У нас четыре ячейки соединены последовательно; следовательно, 𝑉+𝑉+𝑉+𝑉=8.cellcellcellcellV
Это упрощает до 4𝑉=8,ячейкаV которые мы можем переставить, чтобы найти 𝑉=84=2.cellVV
Следовательно, ЭДС, обеспечиваемая одной ячейкой, равна 2 В.
Мы уже знаем, что батарея состоит из двух или более элементов, соединенных последовательно. Следовательно, ЭДС батареи равна сумме ЭДС элементов. в батарее. Мы можем рассчитать ЭДС, создаваемую батареей, сложив ЭДС содержащихся в нем ячеек. Это точно так же, как вычисление суммы ЭДС, обеспечиваемая любым набором ячеек, соединенных последовательно.
Давайте теперь обобщим то, что было изучено в этом объяснителе.
Ключевые моменты
- Ячейка является источником энергии и обеспечивает электродвижущую силу для схема.