17.2. Электродвижущая сила — Лекции по физике

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то, как было уже установлено, перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратиться. Для того чтобы поддерживать ток достаточно долго, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом (носители тока предполагаются положительными) непрерывно отводить приносимые сюда током заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить. Т.е. необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути (17.1). Циркуляция вектора напряженности электростатического поля, как известно равна нулю. Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала, должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания , т.е. против сил электростатического поля. Перемещение, зарядов на этих участках возможно лишь с помощью сил не электростатического происхождения, называемых

сторонними силами. Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных, веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порожденными меняющимися во времени магнитными полями и т.д.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Эта работа складываеться из работы, совершаемой против электрического поля внутри источника тока (А_ист и работы, совершаемой против сил сопративления среды (А’), т.е. А

ст=А_ист+А’

Величина, равная отношению работы, которую совершают сторонние силы при перемещении точечного положительного заряда вдоль всей цепи, включая и источник тока, к заряду , называется электродвижущей силой источника тока:

(17.3)

Работа против сил электрического поля, по определению равна

Если полюсы источника разомкнуты, то и тогда

т.е. эдс источника тока при разомкнутой внешней цепи равна разности потенциалов, которая создается на его полюсах. Таким образом, размерность эдс совпадает с размерностью потенциала. Поэтому измеряется в тех же единицах, что и — в вольтах. Стороннюю силу

F_ст, действующую на заряд, можно представить в виде

F_ст=E*q

Векторную величину Е* называют напряженностью поля сторонних сил. Работу сторонних сил над зарядом q на всём протяжении замкнутой цепи можно выразить следующим образом:

Разделив эту работу на q , получим эдс, действующую в цепи:

(17.4)

Таким образом, эдс, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

Для участка цепи электродвижущая сила, действующая на некотором участке 1 -2 , очевидно равна

Кроме сторонних сил на заряд действуют силы электростатического поля

Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд q, равна

Работа, совершаемая этой силой над зарядом q на участке цепи 1-2, дается выражением

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, так что

Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением U на данном участке цепи. Из уравнения следует, что

При отсутствии сторонних сил напряжение U совпадает с разностью потенциалов

4.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила

Смещение под действием электрического поля зарядов в проводнике всегда происходит таким образом, что электрическое поле в проводнике исчезает и ток прекращается. Для протекания тока в течение продолжительного времени на заряды в электрической цепи должны действовать силы, отличные по природе от сил электростатического поля, такие силы получили название сторонних сил.

Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей тока в неоднородной среде, электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми переменными во времени магнитными полями, и т. д. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником электрического тока.

Сторонние силы характеризуют работой, которую они совершают над перемещаемыми по электрической цепи носителями заряда. Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в электрической цепи или на ее участке.

Представим стороннюю силу , действующую на заряд q, в виде

,

где векторная величина представляет

напряженность поля сторонних сил. Тогда на участке цепи ЭДС равна

.

Интеграл, вычисленный для замкнутой цепи, дает ЭДС, действующую в этой цепи,

.

Последнее выражение дает самое общее определение ЭДС и пригодно для любых случаев. Если известно, какие силы вызывают движение зарядов в данном источнике, то всегда можно найти напряженность поля сторонних сил и вычислить ЭДС источника. Физическая природа электродвижущих сил в разных источниках весьма различна.

Рассмотрим пример. Пусть имеется металлический диск радиуса R (рис. 4.2), вращающийся с угловой скоростью . Диск включен в электрическую цепь при помощи скользящих контактов, касающихся оси диска и его окружности. Центростремительная сила , где m — масса электрона; r — расстояние от оси диска. Эта сила действует на электрон и поэтому , возникающая ЭДС равна

.

---

Вопросы

1) Какие силы называют сторонними и какова их роль в цепи постоянного тока
2) Являются ли сторонние силы консервативными, а поле сторонних сил потенциальным
3) Поясните физический смысл электродвижущей силы, напряжения и разности потенциалов на участке электрической цепи
4) Покажите, что на однородном участке цепи электрический ток течет в сторону уменьшения потенциала

Электродвижущая сила источника тока | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Тема:

Электричество

За счет любых видов энергии сторонние силы выполняют работу по разделению за­ряженных частиц. Для характеристики этой работы вводится понятие электродвижущей силы (ЭДС) источника.

Электродвижущая сила источника опре­деляется работой сторонних сил в источнике при разделении заряженных частиц с сум­марным зарядом в одну единицу:

Ɛ = A_ст. / q; [Дж/Кл = В].

Электродвижущая сила является харак­теристикой источника и не зависит от того, какая внешняя нагрузка присоединяется к его полюсам.

Если к полюсам источника присоединить нагрузку, например проводник с сопротив­лением R, то в замкнутой цепи установится определенной силы ток.

Рис. 5.18. Замкнутая электрическая цепь с источником тока

Проследим за движением положительно заряженной частицы в замкнутой цепи (рис. 5.18), поскольку в качестве направле­ния тока принимается направление движе­ния именно положительно заряженных час­тиц. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Во внешней части цепи (проводник R) эта частица движется вдоль линий напря­женности электрического поля в провод­нике и под действием этого поля. Внутри же источника эта частица движется от по­люса B к полюсу A против напряженности электрического поля — под действием сто­ронних сил.

Действие источника электрического тока в замкнутой цепи аналогично роли насоса в замкнутой цепи жидкости — источник «пе­рекачивает» заряженные частицы от полюса с низшим потенциалом к полюсу с высшим потенциалом.

На этой странице материал по темам:

• Электродвижущая сила конспект

• Как рассчитать электрическую емкость тора

• Электродвижущая сила краткий конспект

• Конспект электродв жущая сила

• Источники электродвижущей силы? краткий ответ

Вопросы по этому материалу:

• Что такое электродвижущая сила источника тока?

• Как и почему движутся заряженные частицы в замкнутой цепи, в которую входят источник тока и нагрузка?

Урок 28. Лекция 28-1. ЭДС источника. Соединения проводников и источников.

Кратковременный ток в проводнике можно получить, если соединить этим проводником два заряженных проводящих тела, которые имеют различный потенциал. Ток в проводнике исчезнет, когда потенциал тел станет одинаковым. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем и длительное время поддерживать электрическое поле.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. При перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил 

неэлектростатического происхождения. Поле внутри проводников, составляющих замкнутую цепь должен поддерживать источник  электрической энергии.

Устройства, способные создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. называются источниками постоянного тока.

Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

В цепь включают также потребители электрической энергии, в которых ток выполняет полезную работу. Кроме того, в цепь включают соединительные провода и выключатель (рубильник) для замыкания и размыкания цепи. Простая электрическая цепь состоит из источника тока, потребителя, подводящих проводов и выключателя.

Цепь постоянного тока можно разбить на определенные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (то есть участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

На рисунке изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd) является однородным.

Часть цепи, в которой заряды движутся по направлению действия электрических сил (a-d-c-b)называют внешней, а часть цепи, в которой заряды движутся в сторону действия сторонних сил (a-b), называют внутренней.

Те точки, в которых внешняя цепь граничит с внутренней называют полюсами. У одного из полюсов имеется самый большой потенциал, а у другого самый маленький потенциал по сравнению с другими точками цепи. Полюс с наибольшим потенциалом называют положительным и обозначают знаком «+», а полюс с наименьшим потенциалом называют отрицательным и обозначают знаком «-».

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы.

Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи источника постоянного тока — устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи. Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами. При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.

Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах [В].

Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи.

Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источникаи обозначают r.

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Работа сторонних сил по перемещению единичного заряда равна по определению электродвижущей силе ε₁₂, действующей на данном участке. Поэтому полная работа по перемещению единичного заряда равна 

Величину U₁₂ , равную работе по перемещению единичного заряда, принято называть напряжением на участке цепи 1–2.

Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то,  согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение , где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir — напряжение на внутреннем участке цепи.

Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

На рисунке изображена замкнутая цепь постоянного тока.

 

Продолжение лекции

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:

Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

Как вы знаете, для существования электрического тока, необходимо наличие электрического поля. Причем, это поле должно постоянно поддерживаться неким источником тока. Сегодня мы поговорим об основной характеристике источника тока, которая называется электродвижущей силой (или, сокращенно, ЭДС). Для начала рассмотрим простой опыт: возьмем два противоположно заряженных шарика и соединим их проводником. В этом случае, в проводнике возникнет электрический ток, но он будет очень кратковременным. Дело в том, что очень скоро произойдет перераспределение заряда, и потенциалы шариков уравняются. Значит, перестанет существовать электрическое поле.

Из этого можно сделать вывод, что для поддержания постоянного тока необходимо наличие неких сил неэлектрического происхождения, чтобы эти силы могли перемещать заряды против поля. Такие силы называются сторонними силами. То есть, сторонние силы — это любые силы, которые действуют на электрические заряды, но при этом не являются силами электрического происхождения. Например, это могут быть силы, действующие на заряды со стороны магнитного поля — это используется в генераторах.

В батареях или аккумуляторах работу по разделению электрических зарядов выполняют химические реакции.

Еще один аргумент, который мы можем привести — это то, что работа кулоновских сил при перемещении заряда по замкнутому контуру, равна нулю. А это значит, что какие-то другие силы должны обеспечивать ненулевую работу для поддержания разности потенциалов.

Устройство для поддержания электрического тока, называется источником тока. В любом источнике тока сторонние силы действуют на заряды, совершая работу против кулоновских сил. Стало быть, характеристикой источника должна быть величина, не зависящая от величины заряда. Эта величина называется электродвижущей силой. Электродвижущая сила равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру, к величине этого заряда:

Из формулы видно, что электродвижущая сила, как и напряжение, измеряется в вольтах:

Теперь, когда мы познакомились с ЭДС, мы можем перейти к изучению закона Ома для полной цепи. Полной цепью называется замкнутая цепь, включающая в себя источник тока. Для удобства, мы рассмотрим простейшую электрическую цепь, состоящую только из источника тока, резистора и соединительных проводов:

Как мы уже сказали, источник тока характеризуется ЭДС. Тем не менее, любой источник тока обладает определенным сопротивлением, которое называется внутренним сопротивлением. Закон Ома для полной цепи представляет собой связь между ЭДС, внутренним и внешним сопротивлением и силой тока в цепи. Для того, чтобы установить эту связь, воспользуемся законом сохранения энергии. Запишем, что работа сторонних сил равна произведению ЭДС источника и величины заряда:

Как вы знаете, каждый участок цепи выделяет то или иное количество теплоты. По закону Джоуля-Ленца, это количество теплоты вычисляется по формуле:

Исходя из закона сохранения энергии, мы можем приравнять это количество теплоты к работе сторонних сил:

Закон Ома для полной цепи звучит так: сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи:

Вывести закон Ома для полной цепи можно, рассуждая несколько иначе. Как мы знаем, при последовательном соединении полное напряжение цепи равно сумме падений напряжений на всех участках цепи:

Мы видим, что произведение силы тока и сопротивления резистора есть не что иное, как напряжение на этом резисторе. А произведение силы тока и внутреннего сопротивления — это падение напряжения на самом источнике:

Надо сказать, что внутреннее сопротивление источника во многих случаях пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи. В этом случае, мы можем считать, что напряжение на зажимах источника примерно равно ЭДС (то есть падение напряжения на источнике считается приблизительно равным нулю):

Тем не менее, именно внутренним сопротивлением определяется сила тока в цепи при коротком замыкании. Напомним, что при коротком замыкании, внешнее сопротивление становится почти нулевым, поэтому в цепи резко возрастает сила тока:

Рассмотрим теперь цепь, содержащую несколько последовательно соединенных источников тока.

В этом случае, ЭДС всей цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных источников.

В таких случаях необходимо выбрать так называемое «направление обхода тока». Это направление выбирается условно (в нашем случае — против часовой стрелки). Тогда, ,поскольку они стремятся вызвать ток в направлении обхода.

А,поскольку они стремятся вызвать ток в направлении, противоположном направлению обхода. Отрицательная ЭДС означает, что сторонние силы внутри источника совершают отрицательную работу. Таким образом, ЭДС нашей цепи будет равна:

В соответствии с правилами последовательного соединения, суммарное сопротивление цепи равно сумме внешнего сопротивления и внутренних сопротивлений всех источников тока:

Пример решения задачи.

Задача. К источнику тока с внутренним сопротивлением 1 Ом подключили резистор с сопротивлением 15 Ом. После этого в цепь включили амперметр, который показал, что сила тока равна 5 А. Найдите работу сторонних сил внутри источника, совершенную за 2 минуты.

ЭДС и напряжение источника электрической энергии

 

Для того чтобы разобраться что такое электродвижущая сила источника электрической энергии, необходимо вспомнить, что представляет собой электрический ток и за счёт чего происходит его движение в электрической цепи.

Известно, электрический ток движется в цепи за счёт разницы потенциалов. Для того чтобы движение тока не прекращалось, нужно непрерывно обеспечивать эту разницу потенциалов между полюсами источника напряжения, к которому подключена цепь.

Подобное явление можно сравнить с трубкой, которая соединена с двумя резервуарами с водой. Если в этих резервуарах будет разный уровень воды, то она непременно начнёт перетекать через трубку из одного сосуда в другой и наоборот; так если разница в уровне воды между сосудами будет постоянной, то и движение воды не прекратиться.

Данный пример помогает понять, что происходит в электрической цепи. Электрическая энергия, действующая внутри источника, постоянно поддерживает электрический ток. Таким образом, обеспечивается непрерывная работа.

Понятие «Электродвижущая сила»

В данном случае, электродвижущая сила (ЭДС) – это сила, которая поддерживает разницу потенциалов на разных полюсах источника энергии, она вызывает и поддерживает движение тока, а также преодолевает внутренне сопротивление проводника и т. д.

Ток может протекать по проводнику столь же долго, сколь существует разница потенциалов. Свободные электроны приходят в постоянное движение между телами, которые соединены в электрическую цепь.

Электродвижущая сила – величина физическая, т. е., её можно измерить и использовать как одну из характеристик электрической цепи. В источниках постоянного, либо переменного тока ЭДС характеризует работу непотенциальных сил. Это работа сторонних или непотенциальных сил в замкнутом контуре, когда они перемещают одиночный электрический заряд вдоль всего контура.

Возникновение электродвижущей силы

Существует различные виды источников электрической энергии. Каждый из них можно охарактеризовать по-разному, у каждого вида свои принципиальные особенности. Эти особенности влияют на возникновение электродвижущей силы, причины данного явления весьма специфичны, т. е. зависят от вида источника.

В чём же главная суть различий? К примеру, если мы берём химические источники электрической энергии, такие как аккумуляторы, другие гальванические элементы, то электродвижущая сила становится результатом химической реакции. Если рассмотреть генераторы, то здесь причиной является электромагнитная индукция, а в различных термических элементах основой является тепловая энергия. От этого возникает электрический ток.

Измерение электродвижущей силы

Электродвижущая сила измеряется в вольтах, также как и напряжение. Эти величины связаны между собой. Однако ЭДС можно измерять на отдельном участке электрической цепи, тогда будут измеряться работы не всех сил, действующих на этом контуре, а только те, которые есть на отдельно взятом участке цепи.

Разность потенциалов, являющуюся причиной возникновения и прохождения тока по цепи, также можно назвать напряжением. Однако, если ЭДС – работа сторонних сил, которая совершается при перемещении единичного заряда, то она не может быть охарактеризована с помощью разницы потенциалов, т. е., напряжения, так как работа зависит от траектории движения заряда, эти силы непотенциальны. В этом различие таких понятий как напряжение и электродвижущая сила.

Данная особенность учитывается при измерении ЭДС и напряжения. В обоих случаях используют вольтметры. Для того чтобы измерить ЭДС нужно при разомкнутой внешней цепи подключить вольтметр к концам источника энергии. Если требуется измерить напряжение на выбранном участке электрической цепи, то вольтметр должен быть подключён параллельно к концам конкретного участка.

ЭДС и напряжение источника электрической энергии могут быть независимо от величины электрического тока в цепи; в разомкнутой цепи ток равен нулю. Однако если генератор или аккумулятор будут работать, то они возбуждают ЭДС, а значит, между концами возникает напряжение.

Источники электродвижущей силы (ЭДС)

Текущее электричество

Текущее электричество определяется как электрический заряд в движении. Поток тока состоит из потока отрицательных зарядов электронов от атома к атому, как показано на Рис. 1 .

Рисунок 1 Текущая электроэнергия.

Внешняя сила, вызывающая поток электронов, называется электродвижущей силой (ЭДС) или напряжением , которое подается батареей.Отрицательная клемма батареи имеет избыток электронов, а положительная клемма имеет недостаток электронов. Поскольку на плюсовой клемме батареи не хватает электронов, она притягивает электроны из проводника. Точно так же отрицательный вывод с избытком электронов отталкивает электроны в проводник.

Классификация электрического тока

Текущее электричество классифицируется как постоянный (DC) или переменный (AC) ток в зависимости от источника напряжения.

Напряжение постоянного тока создает поток электронов только в одном направлении. Напряжение переменного тока создает поток электронов, который изменяется как по направлению, так и по величине.

Типичные символы и формы сигналов для источников постоянного и переменного напряжения показаны на Рисунок 2 . Батарея является обычным источником постоянного напряжения, а электрическая розетка — наиболее распространенным источником переменного напряжения.

Все источники напряжения имеют общую характеристику избытка электронов на одном выводе и недостатка на другом выводе.Это приводит к разнице электрического потенциала между двумя выводами.

Рисунок 2 Электричество постоянного и переменного тока.

Идентификация полярности (+ или -) — это один из способов отличить источник напряжения. Полярность можно определить в цепях постоянного тока, но в цепях переменного тока ток постоянно меняет направление; следовательно, полярность не может быть идентифицирована.

Источники электродвижущей силы

Для движения электронов должен быть источник электродвижущей силы (ЭДС) или напряжения.Этот источник напряжения может быть получен из множества различных источников первичной энергии. Эти первичные источники поставляют энергию в одной форме, которая затем преобразуется в электрическую.

Первичные источники электродвижущей силы включают трение, свет, химическую реакцию, тепло, давление и механико-магнитное действие.

Легкая

Солнечная фотоэлектрическая система питания преобразует солнечный свет непосредственно в электрическую энергию с помощью солнечных или фотоэлектрических (PV) элементов. Они сделаны из полупроводникового, светочувствительного материала, который делает электроны доступными при воздействии световой энергии ( Рисунок 3 ).

Солнечные элементы работают на фотоэлектрическом эффекте, который возникает, когда свет, падающий на двухслойный полупроводниковый материал, создает постоянное напряжение между двумя слоями. Выходное напряжение прямо пропорционально количеству световой энергии, падающей на поверхность элемента. Один из лучших солнечных элементов — кремниевый.

Один элемент может производить до 400 мВ (милливольт) с током в миллиамперном диапазоне и может использоваться при создании более крупных солнечных панелей.Малогабаритные солнечные элементы часто используются в качестве датчиков в системах автоматического управления и для питания электронных устройств, таких как калькуляторы.

Рисунок 3 Производство электроэнергии из солнечного света.

Солнечный модуль или панель состоит из солнечных элементов, электрически соединенных между собой и герметизированных, как показано на Рис. 4 . Солнечные панели обычно имеют лист стекла на стороне, обращенной к солнцу, и полупрозрачный полимерный барьер, позволяющий проходить свету, защищая полупроводник от дождя, снега и града.Солнечные панели можно сгруппировать вместе, чтобы сформировать массив, способный передавать большие объемы электроэнергии.

Рисунок 4 Солнечный модуль или панель.

Солнечная система , соединенная с сетью. соединяет вашу солнечную энергетическую систему с электросетью. Это позволяет вам отправлять любую избыточную мощность, которую вы производите, обратно в электрическую компанию через план, известный как чистые измерения.

Ночью или в пасмурные дни вы просто возвращаетесь к покупке электроэнергии у коммунальной компании.При установке этого типа солнечной системы вырабатываемая вами электроэнергия либо компенсирует ваше использование, либо, если вы производите больше, чем потребляете, возвращается в электрическую сеть, пополняя ваш счет за коммунальные услуги.

Следует помнить один ключевой момент: фотоэлектрическая система, подключенная к сети, должна быть отключена при отключении электроэнергии от коммунальной компании. Это в первую очередь требование безопасности, чтобы гарантировать, что мощность не будет подаваться обратно в сеть, пока обслуживающий персонал восстанавливает ее.

На рисунке 5 показаны части типичной сетевой фотоэлектрической системы.В этих системах используются солнечные модули вместе с преобразователем постоянного тока в переменный. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный и синхронизирует мощность, вырабатываемую солнечными модулями, с электричеством, поступающим от коммунальной компании.

Операция проста. Когда солнце светит, солнечная батарея вырабатывает постоянное напряжение. Инвертор автоматически подключается к электросети и подает в сеть переменный ток.

Рисунок 5 Фотоэлектрическая система с привязкой к сети.

Автономные фотоэлектрические солнечные системы используются в тех случаях, когда инженерные сети недоступны, нежелательны или слишком дороги для прокладки.В автономных солнечных системах солнечные панели используются для производства электроэнергии постоянного тока, которая затем хранится в батарее (, рис. 6, ).

Инвертор преобразует мощность постоянного тока, хранящуюся в батареях, в мощность переменного тока, которая используется в жилых или коммерческих учреждениях. Обычно автономные системы включают в себя резервный генератор энергии для зарядки батарей, если они становятся слишком низкими, и контроллер заряда для регулирования мощности, поступающей от фотоэлектрической панели в аккумуляторную батарею.

Рисунок 6 Автономная фотоэлектрическая система.

Химическая реакция

Батарея или гальванический элемент преобразует химическую энергию непосредственно в электрическую ( Рисунок 7 ). По сути, батарея состоит из двух электродов и раствора электролита. Один электрод подключается к (+) или положительной клемме, а другой — к (-) или отрицательной клемме.

Рисунок 7 Аккумулятор преобразует химическую энергию непосредственно в электрическую.

Когда аккумулятор подключается к замкнутой электрической цепи, химическая энергия преобразуется в электрическую. Химическое воздействие внутри ячейки заставляет раствор электролита реагировать с двумя электродами. В результате электроны переносятся с одного электрода на другой. Это создает положительный заряд на электроде, который теряет электроны, и отрицательный заряд на электроде, который получает электроны. Хотя аккумулятор является популярным портативным источником постоянного тока низкого напряжения, его относительно высокая стоимость энергии ограничивает возможности его применения.

Тепло

Тепловая энергия может быть напрямую преобразована в электрическую с помощью устройства, называемого термопарой. Термопары работают по принципу, согласно которому при соединении двух разнородных металлов создается предсказуемое постоянное напряжение, которое связано с разницей в температуре между горячим и холодным спаями (, рис. 8, ).

Когда к горячему спаю прикладывается тепло, электроны перемещаются от одного металла к другому, создавая отрицательный заряд на одном и положительный — на другом.Термопара часто используется в качестве датчика температуры для устройств измерения температуры. Вольтметр , откалиброванный в градусах, подключен к выводам внешней термопары для индикации температуры.

Рисунок 8 Термопара преобразует тепловую энергию в электрическую.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрическое вещество — это вещество, которое производит электрический заряд при приложении механического давления. Некоторые кристаллы, например кварц, являются пьезоэлектрическими.Это означает, что при сжатии или ударе они генерируют электрический заряд.

Одним из распространенных применений пьезоэлектричества является пьезоэлектрический газовый воспламенитель, показанный на рис. 9 . Когда вы нажимаете кнопку, от поверхности пьезокристалла поднимается небольшой пружинный молоток. Когда молот достигает вершины, он ударяет по кристаллу, создавая высокое напряжение. Это напряжение достаточно велико, чтобы вызвать искру, воспламеняющую газ. Пьезоэлектрические воспламенители используются в большинстве газовых печей и плит.

Рисунок 9 Пьезоэлектрический газовый запальник.

Механико-магнитный

Большая часть потребляемой нами электроэнергии производится с помощью электрогенератора , который преобразует магнитно-механическую энергию в электрическую. Основные компоненты и принцип работы генератора переменного тока показаны на рисунке 10.

Когда якорь вращается в магнитном поле, в обмотке якоря индуцируется напряжение. К якорю прикреплены контактные кольца, которые вращаются вместе с ним.Угольные щетки скользят по контактным кольцам, проводя ток от якоря.

Якорь — это любое количество проводящих проводов, намотанных в петли, которые вращаются под действием магнитного поля. Для простоты показан один цикл. Хотя этот генератор вырабатывает электричество переменного тока, он может быть разработан для выработки электричества переменного или постоянного тока.

Рисунок 10 Генератор переменного тока.

Каждый генератор должен приводиться в действие турбиной, дизельным двигателем или какой-либо другой машиной, вырабатывающей механическую энергию.Первичный двигатель — это термин, используемый для обозначения механического устройства, приводящего в действие генератор.

Чтобы получить больше электроэнергии от генератора, первичный двигатель должен подавать больше механической энергии. Например, ветряных генераторов устанавливаются в местах с сильным продолжительным ветром ( Рисунок 11 ). Ветер толкает лопасти вентилятора ветряной турбины, вращая вентилятор и вал, который приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество. Электричество либо используется, либо хранится в батареях.

Рисунок 11 Ветрогенератор.

Контрольные вопросы

1. Определите электрический ток .
2. Какая внешняя сила вызывает поток электронов?
3. В каком направлении текут электроны относительно полярности приложенного напряжения?
4. Сравните электрический ток в цепи постоянного и переменного тока.
5. Почему полярность обычно определяется на источниках постоянного, а не переменного напряжения?
6. Как фотоэлектрический элемент вырабатывает электричество?
7. Сравните работу сетевых и автономных фотоэлектрических солнечных систем.
8. Какова функция инвертора в солнечной энергетической системе?
9. Назовите три основных компонента батареи.
10. Как термопара вырабатывает электричество?
11. Как пьезоэлектрическое вещество производит электричество?
12. Как электрогенератор производит электричество?
13. Какой тип первичного двигателя используется в составе ветряного генератора?

Ответы

1. Электрический ток — это поток электронов.
2. Внешняя сила, вызывающая поток электронов, называется электродвижущей силой или напряжением.
3. Электроны текут с отрицательной полярности на положительную.
4. В цепи постоянного тока ток течет только в одном направлении. В цепи переменного тока ток меняет направление.
5. Полярность обычно определяется в цепи постоянного тока, потому что она не меняется. Полярность в цепи переменного тока обычно не определяется, потому что она постоянно меняется.
6. Фотоэлектрический элемент вырабатывает электричество путем преобразования световой энергии в постоянное напряжение.
7. ФЭ-система, подключенная к сети, подключена к электросети и позволяет продавать энергию обратно электроэнергетической компании. Автономная фотоэлектрическая система работает отдельно от линий электроснабжения.
8. Инвертор преобразует постоянное напряжение системы в переменный ток, необходимый для работы системы или подключения к линиям энергоснабжения.
9. Батарея состоит из двух электродов и раствора электролита.
10. Термопара вырабатывает электричество постоянного тока из тепловой энергии, когда существует разница в температуре между двумя термопарами (которые представляют собой соединение двух разнородных металлов.)
11. Пьезоэлектрическое вещество производит электричество постоянного тока путем преобразования механической силы в электричество.
12. Электрический генератор вырабатывает электричество из механической энергии, которая вызывает вращение катушек проводов через магнитное поле, которое создает ток в катушках.
13. Основным двигателем ветрогенератора является ветер.

Источники электродвижущей силы

Физика — это лучшее понимание природы и ее свойств.Лучший способ вызвать интерес к физике — это наблюдать за природой и учиться через нее. Однако студенты редко это делают и считают физику сложным предметом для изучения. Понятия физики помогают понять действия и продукты, которые мы используем в повседневной жизни. Хорошим примером является концепция электродвижущей силы, поскольку мы не можем представить жизнь без электроснабжения. Но мы редко наблюдаем физику, лежащую в основе электроснабжения. Здесь мы обсуждаем электродвижущую силу и некоторые ее источники.

Что такое электродвижущая сила?

Название может создать впечатление, что электродвижущая сила — это разновидность силы. На самом деле, это не. Проще говоря, электродвижущая сила — это энергия, которая может вызвать протекание тока в электрической цепи или устройстве, и сокращенно называется ЭДС.

Электродвижущая сила может быть определена как энергия на единицу заряда, заставляющая заряд перемещаться по цепи, также известной как напряжение. Это мера энергии, которая вызывает прохождение тока через цепь или проводник, выраженную в вольтах или джоулях на заряд.

Основные источники электродвижущей силы

Любое устройство, вырабатывающее электрическую энергию, можно назвать электродвижущей силой. Некоторые из примеров электродвижущей силы включают электрохимические элементы, термоэлектрические устройства, солнечные элементы, электрические генераторы, трансформаторы и т. Д.

Электрохимические элементы : это устройство, которое способно вырабатывать электрическую энергию посредством химических реакций. Основная структура электрохимической ячейки состоит из анода и катода.Электрохимические ячейки делятся на гальванические и электролитические.

Электрические генераторы : это устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую. Он индуцирует электродвижущую силу, вращая катушку в магнитном поле. Генераторы заставляют электрические заряды проходить через внешнюю электрическую цепь.

Термоэлектрические устройства : термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда на каждой стороне разная температура.

Солнечные элементы : Как следует из названия, солнечные элементы преобразуют энергию света в электрическую. Его также называют фотоэлектрическим элементом.

Learning Physics

Запись на курсы физики поможет студенту вызвать интерес, поскольку ему или ей уделяется индивидуальное внимание. Убедитесь, что вы записали ребенка в хорошие центры обучения физике JC, чтобы получить желаемый результат.

Физика — Электродвижущая сила — Бирмингемский университет

Электродвижущая сила (ЭДС) равна разности потенциалов на клеммах при отсутствии тока.ЭДС и разность потенциалов на клеммах ( В, ) измеряются в вольтах, но это не одно и то же. ЭДС ( ϵ ) — это количество энергии ( E ), обеспечиваемое батареей на каждый проходящий кулон заряда ( Q ).

Как рассчитать ЭДС?

ЭДС можно записать через внутреннее сопротивление батареи ( r ) где: ϵ = I (r + R )

Что из закона Ома, мы можем затем изменить это с точки зрения оконечного сопротивления: ϵ = В + Ir

ЭДС ячейки может быть определена путем измерения напряжения на ячейке с помощью вольтметра и тока в цепи с помощью амперметра для различных сопротивлений.Затем мы можем настроить схему для определения ЭДС, как показано ниже.

ЭДС и внутреннее сопротивление электрических элементов и батарей

Исследование ЭМП

Как закон Фарадея соотносится с ЭМП?

Закон Фарадея гласит, что любое изменение магнитного поля катушки будет индуцировать в катушке ЭДС (а следовательно, и ток). Он пропорционален минус скорости изменения магнитного потока ( ϕ ) (примечание N — количество витков в катушке).

Используя закон Фарадея, общество извлекло выгоду из таких важных технологий, как трансформаторы, которые используются для передачи электроэнергии в национальной энергосистеме Великобритании, которая теперь является необходимостью в наших домах. Также он используется в электрических генераторах и двигателях, таких как плотины гидроэлектростанций, которые производят электричество, которое сейчас является неотъемлемой частью наших современных технологических потребностей. Текущий исследовательский проект MAG-DRIVE в Бирмингеме направлен на поиск способов разработки и улучшения материалов с постоянными магнитами, которые можно использовать в электромобилях следующего поколения.ЭМП также генерируется солнечными батареями, поэтому они важны для исследований в области возобновляемых источников энергии.

Лабораторные признания

Исследователи подкаста In the Laboratory Confessions рассказывают о своем лабораторном опыте в контексте практических экзаменов A Level. Эпизоды, посвященные правильному использованию цифровых инструментов (простое гармоническое движение), правильному построению принципиальных схем (удельное сопротивление в проводе) и использованию источников питания постоянного тока (конденсаторов), имеют отношение к эксперименту по ЭДС, ниже вы можете услышать удельное сопротивление. в проводном подкасте.

Как мы интерпретируем наши данные?

По мере увеличения сопротивления переменного резистора величина тока будет уменьшаться. График зависимости напряжения от тока должен давать линейную зависимость, где градиент линии дает отрицательное внутреннее сопротивление ячейки ( -r ), а точка пересечения дает ЭДС (напряжение, при котором ток равен 0).

Выполнение нескольких измерений при разных значениях сопротивления даст больше точек на графике V-I, что сделает подбор более надежным.Также рекомендуется повторить измерения, так как ячейка будет постепенно стекать, что повлияет на показания. Во избежание разряда элемента / батареи ее следует отключать между измерениями. В качестве альтернативы в схему можно включить выключатель. Также не рекомендуется использовать аккумуляторные батареи, так как они имеют низкое внутреннее сопротивление.

Несмотря на то, что этот эксперимент довольно прост, он поможет вам отличить конечную разницу от ЭДС, что может быть сложной концепцией для понимания учащимися.Поскольку люди становятся все более зависимыми от электричества, исследования, связанные с ЭМП, важны для развития и технического прогресса электричества.

Следующие шаги

Эти ссылки предоставляются только для удобства и в информационных целях; они не означают одобрения или одобрения Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте. Бирмингемский университет не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок.Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы относительно его содержания.

Электродвижущая сила (ЭДС) — Физический ключ

Начнем с пары реальных примеров, связанных с электродвижущей силой (ЭДС). Когда вы непрерывно подбрасываете теннисный мяч вверх, мяч не продолжает свое движение (подниматься и опускаться), если вы остановитесь, чтобы бросить мяч. Ваша рука, которая снова толкает мяч, действует как насос, поднимая мяч от более низкой до более высокой потенциальной энергии.

Точно так же в водяном фонтане вода перекачивается от более низкой к более высокой потенциальной энергии, так что фонтан может продолжать свой цикл. Если нет такого насоса, не будет и фонтана. Подобное происходит в электрической цепи. Если нет насоса, который поднимает заряды «вверх» от более низкой к более высокой потенциальной энергии для создания постоянной разности потенциалов, в цепи не будет никакого тока.

Рисунок 1 В фонтане вода снова перекачивается в более высокую потенциальную энергию, и фонтан может продолжать свой цикл.

Если электрическое поле приложено к проводнику фиксированной длины, который не является частью электрической цепи. Свободные электроны движутся до тех пор, пока не появится противоположное электрическое поле, компенсирующее приложенное электрическое поле, и в проводнике не исчезнет ток. Ток невозможен в неполной цепи. Итак, для установившегося тока должна быть замкнутая электрическая цепь. Если у нас есть замкнутая цепь, в ней должно быть электрическое поле, иначе нет тока.

Когда заряд течет в электрической цепи, его потенциальная энергия теряется.Потерянная потенциальная энергия передается атомам материала, проводящего ток, и расходуется на нагрев материала. На Рисунке 2, показанном ниже, учитывая, что провода имеют нулевое сопротивление, потенциальная энергия уменьшается по мере прохождения зарядов через резистор с сопротивлением R.

Мы часто пренебрегаем сопротивлением реальных проводов, но настоящие провода имеют сопротивление. Обычно сопротивление реальных проводов незначительно по сравнению с фактическим сопротивлением нагрузки в электрической цепи, и мы пренебрегаем сопротивлением проводов в таких случаях.

Потенциальная энергия заряда в точке цепи равна потенциальной энергии, когда заряд снова достигает той же точки. Итак, должно быть устройство, которое поднимает заряды с более низкой потенциальной энергии на более высокую. Устройство, которое действует как насос для подъема зарядов от более низкой к более высокой потенциальной энергии, называется источником ЭДС. Самый известный пример источника ЭДС — аккумулятор.

Рисунок 2 Источник ЭДС (аккумулятор) подключен к сопротивлению в электрической цепи.

Источник ЭДС имеет выводы пониженной и высшей потенциальной энергии. Положительный вывод, представленный знаком $ + $, представляет собой вывод с более высоким потенциалом, а тот, который представлен знаком $ — $, является выводом с более низким потенциалом, как показано на Рисунке 2 выше. Электрическое поле создается фиксированной разностью потенциалов между выводами источника ЭДС.

Значит, в цепи должно быть устройство (источник ЭДС), которое обеспечивает фиксированную разность потенциалов в электрической цепи. Короче говоря, потенциальная энергия уменьшается по мере того, как заряд течет в цепи, и в цепи должна быть часть, которая снова поднимает заряды «в гору», чтобы заряды могли продолжать цикл.

Электродвижущая сила (ЭДС) — это не сила, а энергия. Термин электродвижущая сила неточен, поскольку это не сила, а энергия; это все равно что называть энергию силой. Только по каким-то историческим причинам мы все еще должны произносить это имя как в удельном весе, который не имеет ничего общего с гравитацией.

Электродвижущая сила (efm) — это энергия или разность потенциалов или напряжение, которое поднимает заряды от более низкой к более высокой потенциальной энергии.

Источник, создающий электродвижущую силу (ЭДС), называется источником ЭДС, например, аккумулятор.Батарея действует как зарядный насос в электрической цепи, аналогично водяному насосу в фонтане. Батареи преобразуют химическую энергию в электрическую. Батареи выполняют свою работу за счет окислительно-восстановительных реакций, также называемых окислительно-восстановительными реакциями. Когда электроны переносятся от атома, этот атом называется окисленным, а атом, получивший электроны, называется восстановленным.

Аккумулятор является одним из источников ЭДС, а не ЭДС. ЭДС — это энергия, приходящаяся на единицу заряда (разность потенциалов или напряжение), чтобы поднять заряд против электрического поля.Электродвижущая сила разделяет положительные и отрицательные заряды и поддерживает фиксированную разность потенциалов на выводах источника ЭДС. Электродвижущая сила позволяет нам преобразовывать другие формы энергии, такие как механическая, химическая, тепловая и т. Д., В электрическую энергию.

В идеальном источнике ЭДС разность потенциалов на его выводах не изменяется при любых условиях. На рисунке 3 показан идеальный источник ЭДС (схематическая диаграмма), который имеет две клеммы: одна — клемма с более высоким потенциалом (положительная клемма) $ a $, а другая — клемма с более низким потенциалом (отрицательная клемма) $ b $, как показано. на рисунке 3.Когда заряд перемещается от более низкого к более высокому потенциалу внутри источника, то есть от $ b $ к $ a $, на заряд действуют две силы. Первая — это электростатическая сила $ \ vec F _ {\ text {e}} $, которая тянет заряд к более низкому потенциалу, а другая — неэлектростатическая сила $ \ vec F _ {\ text {ne}} $, которая толкает заряд к более высокому потенциалу.

Рис. 3. Работа, совершаемая направленной вверх силой $ \ vec F _ {\ text {ne}} $ (неэлектростатическая сила) на единицу заряда, является ЭДС.

Неэлектростатическая сила может быть результатом чего угодно, и ее происхождение зависит от источника ЭДС.В батарее неэлектростатическая сила возникает в результате химических реакций. Работа, совершаемая неэлектростатической силой от клеммы с более низким потенциалом к ​​клемме с более высоким потенциалом внутри источника, называется ЭДС. В идеальном источнике ЭДС обе силы уравновешивают друг друга; заряды перемещаются от более низкого потенциала к более высокому с постоянной скоростью.

Таким образом, все, что поднимает заряды вверх от более низкой к более высокой потенциальной энергии для создания фиксированной разности потенциалов, является ЭДС. Электродвижущая сила не позволяет зарядам проходить через клеммы внутри источника.Электростатическая сила пытается перенести заряды от более высокого к более низкому потенциалу, но неэлектростатическая сила не позволяет зарядам падать в сторону более низкого потенциала.

Направление тока в источнике — от более низкого к более высокому потенциалу, противоположному направлению тока в проводнике. Это потому, что мы поднимаем заряды с более низкого потенциала на более высокий. Обратите внимание, что направление тока всегда рассматривается как направление потока положительного заряда, а ток не является вектором, который мы знаем в электрическом токе.

Когда батарея (источник ЭДС) подключена к электрической цепи, заряд перетекает из положения с более высоким потенциалом в положение с более низким потенциалом, и потенциальная энергия непрерывно уменьшается. Сниженная потенциальная энергия передается на сопротивление цепи, что увеличивает вибрацию атомов и, таким образом, расходуется на нагрев материала, несущего ток. Обратите внимание, что заряд не набирает кинетическую энергию при движении.

Для идеального источника ЭДС разность потенциалов на выводах не изменяется, даже если в электрической цепи есть ток, но это не относится к реальным источникам ЭДС.Если в электрической цепи есть ток, разность потенциалов (напряжение) на выводах источника ЭДС уменьшается из-за внутреннего сопротивления внутри источника ЭДС, то есть заряд также течет в материале источника ЭДС и испытывает внутреннее сопротивление, поэтому реальная разность потенциалов всегда меньше ЭДС.

Электродвижущая сила (ЭДС) — это разность потенциалов на клеммах ее источника при отсутствии тока в электрической цепи.

Если у вас есть батарея $ 1.5 \ text {V} $, которая не подключена к какой-либо полной цепи, значение $ 1.5 \ text {V} $ — это ЭДС. Когда эта батарея подключена к полной цепи, фактическое напряжение не равно $ 1.5 \ text {V} $, но всегда меньше этого значения из-за внутреннего сопротивления внутри батареи. Разность потенциалов на выводах источника ЭДС при наличии тока в электрической цепи называется напряжением на выводах. И это напряжение на клеммах всегда меньше, чем ЭДС (напряжение при отсутствии тока в электрической цепи).

Рисунок 4 Электрическая схема с источником ЭДС и сопротивлением нагрузки.

В электрической цепи, показанной на рисунке 4 выше, если $ I $ — это ток, а $ r $ — внутреннее сопротивление, падение потенциала в источнике ЭДС составляет $ Ir $. Если $ R $ — внешнее сопротивление в цепи, разность потенциалов на сопротивлении, то есть потенциал в точке $ a $ по отношению к потенциалу в точке $ b $, равна $ V _ {\ text {ab}} = IR $, поэтому ЭДС $ \ mathcal {E} $ составляет

\ [\ mathcal {E} = V _ {\ text {ab}} + Ir = IR + Ir = I (R + r) \]

Приведенное выше уравнение показывает нам, что ток зависит от общего сопротивления цепи, то есть $ I = \ mathcal {E} / (R + r) $.Чем больше сопротивление, тем меньше ток. Напряжение на клеммах $ V _ {\ text {ab}} $ — это напряжение на внешнем сопротивлении $ R $, также называемое сопротивлением нагрузки, и оно равно напряжению на клеммах источника (на клеммах средств источника, включая внутренние сопротивление, в противном случае на приведенном выше рисунке вы можете исключить внутреннее сопротивление), когда в цепи есть ток. Сопротивление соединительных проводов считается незначительным, поэтому сопротивление нагрузки может быть обеспечено либо резистором, либо электрическим устройством.

Рис. 4 График изменения потенциала в цепи.

График изменения потенциала при подключении источника ЭДС для образования полной электрической цепи показан выше. Продвинемся по контуру, начиная с точки $ a $ по часовой стрелке. Заряд завершает свой цикл в точке $ a $ (на положительном выводе). Источник ЭДС работает на заряде и поддерживает фиксированную разность потенциалов между клеммами $ a $ и $ b $. Это означает, что потенциал увеличивается от $ a $ до $ b $, а потенциал $ a $ по отношению к потенциалу $ b $, то есть разность потенциалов равна ЭДС $ \ mathcal {E} $.

Потенциал уменьшается на внутреннем сопротивлении $ r $. Если $ I $ — это ток в цепи, разность потенциалов на внутреннем сопротивлении (падении напряжения) в источнике ЭДС составляет $ Ir $, то есть потенциал уменьшается на величину $ Ir $ во внутреннем сопротивлении. Учитывая, что провода имеют нулевое сопротивление, падение напряжения с $ d $ на $ e $ отсутствует. Потенциал уменьшается на сумму $ IR $ по мере того, как мы движемся через сопротивление $ R $ от $ e $ к $ f $. Сопротивление $ R $ — это фактическое сопротивление нагрузки нашей схемы.

Некоторыми примерами источников ЭДС являются батареи (от химических к электрическим), электрические генераторы (от механических к электрическим), фотоэлектрические элементы (от солнечного света к электрическим) и т. Д. Тепловая энергия, выделяемая при сжигании топлива, также может быть преобразована в электрическую энергию. Тепловая энергия преобразует воду в пар, который затем запускает турбины для запуска электрического генератора для выработки электроэнергии.

Была ли эта статья полезной?

да Нет

Методы производства напряжения — Основное электричество

Если имеется избыток электронов на одном конце проводника и недостаток на другом конце, течет ток.Некоторые устройства создают эту разницу в заряде, поэтому ток течет. Эти устройства являются источниками электродвижущей силы.

EMF определяется как:

Энергия, передаваемая на единицу при преобразовании одного вида энергии в электрическую.

«Потенциальная разница» — это еще один термин, который почти такой же, но имеет небольшую разницу.

Разница потенциалов определяется как:

Энергия, передаваемая на единицу при преобразовании электрической энергии в другой вид энергии.

Мы обсудим это более подробно чуть позже.

Шесть наиболее распространенных типов ЭМП:

1. Трение
2. Химическая промышленность
3. Давление
4. Тепло
5. Свет
6. Магнетизм

ЭДС трения

Когда два разнородных материала трутся друг о друга, один материал может передавать часть своих электронов другому.

Это трибоэлектрический эффект, который подобен тому, что мы обсуждали в главе о структуре атома, когда переносятся электроны, в результате чего один объект становится отрицательно заряженным (избыток электронов), а другой — положительно заряженным (недостаток электронов).Эта ситуация может привести к электростатическому разряду, когда сила притяжения становится настолько большой, что электроны притягиваются к положительно заряженному объекту.

Это притяжение создает дугу, наиболее часто наблюдаемую при молнии. Облака накапливают заряд по мере движения капель воды. Затем заряд притягивается к положительно заряженной земле и ЗАП!

Рисунок 4. Изображение молнии от Griffenstorm. Распространяется по международной лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0.

Конечно, гораздо веселее положить кошку в коробку, полную пенополистирола, и наблюдать, как она прилипает.

Рисунок 5. Изображение статического электричества Cat, сделанное Шоном МакГратом. Распространяется по лицензии Creative Commons CC-BY 2.0.

Химический EMF

Это принцип работы батарей.

Рисунок 6. Батареи

Не вдаваясь слишком глубоко в химию, в основном, батареи работают в процессе ионизации.

Что такое ион? Это частица, к которой добавлен или удален электрон (положительный или отрицательный).

При ионизации добавляются химические вещества, которые имеют частицы с отрицательным зарядом и частицы с положительным зарядом. Добавлены металлические пластины, которые принимают на себя эти заряды. Это допускает разницу и создает ЭДС.

Давление ЭДС

Этот процесс также известен как пьезоэлектричество.

Рис. 7. Ignitor

Пьезоэлектричество — это электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово пьезоэлектричество означает электричество, возникающее в результате давления.

Когда к некоторым объектам прилагается давление, давление смещает положительные и отрицательные заряды в нейтральном в остальном объекте.

Самым известным применением является электрическая прикуриватель: нажатие на кнопку заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая электрический ток достаточно высокого напряжения, который течет через небольшой искровой промежуток, нагревая и таким образом воспламеняя газ. Переносные источники зажигания, используемые для зажигания газовых плит, работают таким же образом, и многие типы газовых горелок теперь имеют встроенные пьезоэлектрические системы зажигания.

Другое применение — звукосниматель для микрофона или гитары. Звук попадает в кристалл и генерирует напряжение.

Тепловая ЭДС

Этот процесс известен как термоэлектрический эффект.

Рисунок 8. Термопара

Подводя итог, можно сказать, что когда два разнородных металла находятся при разных температурах и соприкасаются, они создают ЭДС.

Это потому, что электроны с горячей стороны (отрицательной) хотят перейти на холодную сторону (положительную).

Очень распространенное использование этого принципа — термопара в вашей печи

Когда контрольная лампа горит, она генерирует напряжение на термопаре.Это напряжение позволяет реле включаться и пропускать газ, когда этого требует печь. Если контрольная лампа не горит, напряжение отсутствует. Следовательно, реле не будет включаться, и печь может запросить газ, но не получит его.

Свет ЭДС

Это фотоэлектрический эффект. Фотоэлектрические элементы (фотоэлементы) используются в качестве источников ЭМП.

Рис. 9. Солнечные панели

Фотоэлектрические элементы изготовлены из специальных материалов, называемых полупроводниками, например кремния, который в настоящее время используется наиболее часто.

Сколько валентных электронов в полупроводнике? Четыре.

Добавляется примесь, чтобы получить свободный электрон.

В основном, когда свет попадает на элемент, определенная его часть поглощается полупроводниковым материалом.

Это означает, что энергия поглощенного света передается полупроводнику.

Энергия высвобождает электроны, позволяя им свободно течь.

В наши дни мы видим, что эта технология используется повсеместно, поскольку для получения энергии не требуется ископаемое топливо.

ЭДС магнетизма

Отсюда большая часть нашей энергии. Магниты создают линии магнитного потока. Когда эти силовые линии перерезаются проводником, возникает ЭДС. Паровые турбины, когенерационные установки, ветряные мельницы и плотины гидроэлектростанций используют эту технологию.

Ниже приведен пример плотины гидроэлектростанции.

Все шесть этих источников ЭМП достигают одного и того же:

• Передают энергию электронам.
• Подтолкните электроны к электростатическому полю.
• Вызывает избыток электронов на одном выводе источника и недостаток электронов на другом выводе.

Это похоже на сжатие пружины. Энергия, запасенная в сжатой пружине, может быть использована позже для выполнения работы. То же самое и с отдельными зарядами: они накапливают энергию, которую потом можно использовать для работы.

Видео о методах создания напряжения

Хотя это видео может быть немного старым, это фантастическое объяснение различных методов генерации напряжения.

Атрибуции

Видео

Electricity-Voltage от PublicResourceOrg находится под лицензией Creative Commons Attribution License.

Электродвижущая сила | Encyclopedia.com

шторм

просмотров обновлено 23 мая 2018

В электрической цепи электродвижущая сила — это работа, выполняемая источником над электрическим зарядом. Поскольку на самом деле это не сила, а количество энергии, этот термин на самом деле неправильный.Электродвижущая сила чаще обозначается инициалами EMF. ЭДС иногда используется как синоним электрического потенциала или разницы в заряде батареи или источника напряжения. В цепи без тока разность потенциалов называется ЭДС. Однако электрический потенциал не является синонимом ЭДС; первое относится только к работе, совершаемой над единицей электрического заряда, движущейся против электрического поля, тогда как ЭДС может включать в себя немагнитные, химические и другие виды работы над зарядом.

Электрические источники, преобразующие энергию из другой формы, называются очагами ЭДС. В случае замкнутой цепи такой источник выполняет работу над электрическими зарядами, проталкивая их по цепи. В месте возникновения ЭДС заряды перемещаются от низкого электрического потенциала к более высокому электрическому потенциалу.

Вода, текущая вниз по желобу, является хорошей аналогией для зарядов в электрической цепи. Вода начинается на вершине холма с определенным количеством потенциальной энергии, точно так же, как заряды в цепи начинаются с высокого электрического потенциала у батареи.Когда вода начинает течь вниз, ее потенциальная энергия падает, так же как падает электрический потенциал зарядов, когда они движутся по цепи. Внизу холма потенциальная энергия минимальна, и необходимо выполнить работу, чтобы перекачать ее на вершину холма, чтобы снова пройти через лоток. Точно так же в электрической цепи основание ЭДС выполняет работу над зарядами, чтобы довести их до более высокого потенциала после прохождения через цепь.

The Gale Encyclopedia of Science

gale

просмотров обновлено 18 мая 2018

В электрической цепи электродвижущая сила — это работа , выполненная источником на электрическом заряде.Поскольку на самом деле это не сила, этот термин на самом деле неправильный; его чаще называют инициалами EMF. ЭДС — это еще один термин для обозначения электрического потенциала или разницы в заряде батареи или источника напряжения. В цепи без тока разность потенциалов называется ЭДС.

Электрические источники, которые преобразуют энергию из другой формы, называются местами ЭДС. В случае замкнутой цепи такой источник выполняет работу над электрическими зарядами, проталкивая их по цепи.В месте возникновения ЭДС заряды перемещаются от низкого электрического потенциала к более высокому электрическому потенциалу.

Вода , текущая вниз по желобу, является хорошей аналогией для зарядов в электрической цепи. Вода начинается на вершине холма с определенным количеством потенциальной энергии, точно так же, как заряды в цепи начинаются с высокого электрического потенциала у батареи. Когда вода начинает течь вниз, ее потенциальная энергия падает, так же как падает электрический потенциал зарядов, когда они движутся по цепи.Внизу холма потенциальная энергия минимальна, и необходимо выполнить работу, чтобы перекачать ее на вершину холма, чтобы снова пройти через лоток. Точно так же в электрической цепи основание ЭДС выполняет работу над зарядами, чтобы довести их до более высокого потенциала после прохождения через цепь.

The Gale Encyclopedia of Science

Oxford

просмотров обновлено 23 мая 2018 Электродвижущая сила ( ЭДС ) Разница потенциалов между клеммами источника электрического тока, измеренная в вольтах.Он равен энергии, выделяемой, когда это напряжение приводит ток в электрическую цепь. См. Также электричество

Всемирная энциклопедия

Электродвижущая сила ЭДС и разность потенциалов »Электроника Примечания

Электродвижущая сила, ЭДС и разность потенциалов — это термины, связанные с электрическим потенциалом, и оба измеряются в вольтах, но они имеют большие различия в том, что они собой представляют.

---

Напряжение включает:
Что такое напряжение Электрическое поле Делитель напряжения / потенциала Электродвижущая сила

---

Может возникнуть путаница между электродвижущей силой, ЭДС и напряжением или разностью потенциалов, PD, в какой-либо точке электрической или электронной схемы.

И ЭДС, и разность потенциалов измеряются в вольтах, но эти два параметра сильно отличаются друг от друга. Эти различия могут быть важны в некоторых аспектах проектирования электрических и электронных схем

.

Это помогает понять, что это такое, чтобы уменьшить путаницу и использовать правильные термины и терминологию там, где это необходимо.

Что такое электродвижущая сила, ЭДС

Это помогает определить, что такое электродвижущая сила, прежде чем смотреть дальше.

Определение электродвижущей силы:

Электродвижущая сила определяется как характеристика любого источника энергии, способного приводить электрический заряд в цепь — это сила в источнике напряжения, которая управляет током в цепи. В международной метрической системе он обозначается аббревиатурой E, но также широко используется аббревиатура EMF.

Из этого видно, что ЭДС — это напряжение в источнике, которое обеспечивает движущую силу для проталкивания тока по цепи.Электродвижущая сила — это основная электрическая сила, которая фактически управляет током в цепи.

Что такое разность потенциалов

Разность потенциалов в любой точке электрической или электронной цепи — это напряжение в любой данной точке по отношению к другой точке в цепи.

Можно получить более строгое определение разности потенциалов, и хотя существует много определений разности потенциалов, приведенное ниже может дать хорошее представление.

Определение разницы потенциалов:

Разность потенциалов между двумя точками в электрической или электронной цепи представляет собой работу или энергию, высвобождаемую при передаче единичного количества электричества из одной точки в другую.

Фактически, разность потенциалов — это разность электрических потенциалов между двумя точками. Энергия высвобождается, когда заряд перемещается из точки с более высоким потенциалом в точку с более низким потенциалом.Часто это происходит в виде тепла. Возьмем, к примеру, ток, протекающий через резистор, при котором выделяется некоторое количество тепла, когда ток течет от точки с более высоким потенциалом к ​​точке с более низким потенциалом.

Это означает, что потенциал — это напряжение в данной точке цепи, а не источник силы, перемещающей его по цепи.

Ключевой момент, о котором следует помнить, заключается в том, что ЭДС является причиной, то есть движущей силой, тогда как разность потенциалов является результатом ЭДС.

Пример ЭДС и PD

Чтобы объяснить разницу между ЭДС и ЧР, рассмотрим пример простой батареи, используемой для питания цепи. Обычно на внешней упаковке самой батареи указывается напряжение: часто 1,5 В для одноэлементных щелочных элементов и т.п. Однако обнаружено, что, когда батарея используется, ее напряжение будет падать, особенно когда применяются большие нагрузки, и когда она становится старше и использовалась. Даже если элемент или батарея новые, при подаче тока будет наблюдаться некоторое падение напряжения.Причина этого в том, что внутри клетки есть некоторое сопротивление.

Отсюда можно определить ЭДС как управляющий потенциал в любом электрическом или электронном источнике независимо от любого внутреннего сопротивления. Фактически это напряжение на выходе источника, то есть батареи и т. Д., Когда оно измеряется с очень высоким импедансом и без нагрузки. Это внутреннее напряжение ячейки.

Напряжение и электродвижущая сила, ЭДС

Разность потенциалов в любой точке — это фактический потенциал, видимый в любой данной точке цепи.Это не зависит от отсутствия нагрузки. Фактически, ЭДС или источник и разность потенциалов одинаковы, когда к источнику не приложена нагрузка. При приложении нагрузки разность потенциалов будет падать, но ЭДС останется прежней.

Краткое описание сходства и различий между EMF и PD

Стоит свести в таблицу основные различия между электродвижущей силой и разностью потенциалов, поскольку это подчеркивает сходства и различия.

Сходства и различия ЭДС и разницы потенциалов
Электродвижущая сила (ЭДС)	Потенциальная разница (PD)
ЭДС — это движущая электрическая сила от элемента или генератора.	Разница потенциалов возникает из-за прохождения тока через сопротивление в цепи.
Причина — ЭДС.	Возможная разница — это эффект.
ЭДС присутствует даже тогда, когда через аккумулятор не проходит ток.	Разность потенциалов на проводнике равна нулю при отсутствии тока.
Единицей измерения ЭДС является вольт.	Единицей измерения разности потенциалов является вольт.
ЭДС остается постоянной.	Разность потенциалов не остается постоянной — она ​​зависит от условий цепи.
Обозначение — E.	Обозначение — V.
Не зависит от сопротивления цепи.	Зависит от сопротивления между двумя точками измерения.

ЭДС и разность потенциалов имеют много общего, но они также имеют некоторые существенные различия.По сути, ЭДС является движущей силой в цепи, тогда как разность потенциалов является результатом ЭДС в цепи, к которой подключен источник.

Другие основные концепции электроники:
Напряжение Текущий Мощность Сопротивление Емкость Индуктивность Трансформеры Децибел, дБ Законы Кирхгофа Q, добротность РЧ шум
Вернуться в меню «Основные понятия электроники».