Формулы эдс через напряжение сила тока сопротивление



Закон Ома для участка цепи и полной цепи: формулы и определения

Немецкий физик Георг Симон Ом (1787—1854) открыл основной закон электрической цепи.

Закон Ома для участка цепи:

Определение: Cила тока I на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению U на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению R.

1. I — сила тока (в системе СИ измеряется — Ампер)
   • Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
   • Формула: I=\frac
   • U — напряжение (в системе СИ измеряется — Вольт)
     • Падение напряжения на участке проводника равно произведению силы тока в проводнике на сопротивление этого участка.
     • Формула: U=IR
   • R— электрическое сопротивление (в системе СИ измеряется — Ом).
     • Электрическое сопротивление R это отношение напряжения на концах проводника к силе тока, текущего по проводнику.
     • Формула R=\frac

Определение единицы сопротивления — Ом

1 Ом представляет собой электрическое сопротивление участка проводника, по которому при напряжении 1 (Вольт) протекает ток 1 (Ампер).

Закон Ома для полной цепи

Определение: Сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника

Формула I=\frac

• \varepsilon — ЭДС источника напряжения, В;
• I — сила тока в цепи, А;
• R — сопротивление всех внешних элементов цепи, Ом;
• r — внутреннее сопротивление источника напряжения, Ом.

Как запомнить формулы закона Ома

Треугольник Ома поможет запомнить закон. Нужно закрыть искомую величину, и два других символа дадут формулу для её вычисления.

.

• U — электрическое напряжение;
• I — сила тока;
• P — электрическая мощность;
• R — электрическое сопротивление

Смотри также:

Для закрепления своих знаний решай задания и варианты ЕГЭ по физике с ответами и пояснениями.

Источник

3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции

Для поддержания электрического тока в проводнике длительное время, необходимо чтобы от конца проводника, имеющего меньший потенциал (учтем, что носители тока предполагаются положительными зарядами) постоянно убирались доставляемые током заряды, при этом к концу с большим потенциалом заряды постоянно подводились. То есть следует обеспечить круговорот зарядов. В этом круговороте заряды должны перемещаться по замкнутому пути. Движение носителей тока при этом реализуется при помощи сил неэлектростатического происхождения. Такие силы именуются сторонними. Получается, что для поддержания тока нужны сторонние силы, которые действуют на всем протяжении цепи или на отдельных участках цепи.

Формула нахождения эдс

Первым делом разберемся с определением. Что означает эта аббревиатура?

ЭДС или электродвижущая сила – это параметр характеризующий работу любых сил не электрической природы, работающих в цепях где сила тока как постоянного, так и переменного одинакова по всей длине. В сцепленном токопроводящем контуре ЭДС приравнивается работе данных сил по перемещению единого плюсового (положительного) заряда вдоль всего контура.

Ниже на рисунке представлена эдс формула.

Аст – означает работу сторонних сил в джоулях.

q – это переносимый заряд в кулонах.

Сторонние силы – это силы которые выполняют разделение зарядов в источнике и в итоге образуют на его полюсах разность потенциалов.

Для этой силы единицей измерения является вольт. Обозначается в формулах она буквой «E».

Только в момент отсутствия тока в батареи, электродвижущая си-а будет равна напряжению на полюсах.

ЭДС индукции:

ЭДС индукции в контуре, имеющем N витков:

При движении:

Электродвижущая сила индукции в контуре, крутящемся в магнитном поле со скоростью w:

Таблица значений

ЭДС и закон Ома[ | ]

Электродвижущая сила источника связана с электрическим током, протекающим в цепи, соотношениями закона Ома. Закон Ома для неоднородного участка цепи

имеет вид[1]:
φ 1 − φ 2 + E = I R , -\varphi _+>=IR,>
где φ 1 − φ 2 -\varphi _> — разность между значениями потенциала в начале и в конце участка цепи, I — сила тока, текущего по участку, а R — сопротивление участка.

Если точки 1 и 2 совпадают (цепь замкнута), то φ 1 − φ 2 = 0 -\varphi _=0> и предыдущая формула переходит в формулу закона Ома для замкнутой цепи

сопротивление всей цепи.

В общем случае полное сопротивление цепи складывается из сопротивления внешнего по отношению к источнику тока участка цепи ( R e > ) и внутреннего сопротивления самого́ источника тока ( r ). С учётом этого следует:

Простое объяснение электродвижущей силы

Предположим, что в нашей деревне имеется водонапорная башня. Она полностью наполнена водой. Будем думать, что это обычная батарейка. Башня — это батарейка!

Вся вода будет оказывать сильное давление на дно нашей башенки. Но сильным оно будет только тогда, когда это строение полностью наполнено h3O.

В итоге чем меньше воды, тем слабее будет давление и напор струи будет меньше. Открыв кран, заметим, что каждую минуту дальность струи будет сокращаться.

В результате этого:

1. Напряжение – это сила с которой вода давит на дно. То есть давление.
2. Нулевое напряжение — это дно башни.

С батареей все аналогично.

Первым делом подключаем источник с энергией в цепь. И соответственно замыкаем ее. Например, вставляем батарею в фонарик и включаем его. Изначально заметим, что устройство горит ярко. Через некоторое время его яркость заметно понизится. То есть электродвижущая сила уменьшилась (вытекла если сравнивать с водой в башне).

Если брать в пример водонапорную башню, то ЭДС это насос качающие воду в башню постоянно. И она там никогда не заканчивается.

ЭДС источника тока[ | ]

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

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

φ a − φ k = I R e , =IR_,>

где как и ранее R e > — сопротивление внешнего участка цепи.

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

Из полученного соотношения следуют два вывода:

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

Эдс гальванического элемента – формула

Электродвижущую силу батарейки можно вычислить двумя способами:

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

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

Законы Фарадея и Ленца

Электрические токи создают магнитные эффекты. А возможно ли, чтобы магнитное поле порождало электрическое? Фарадей обнаружил, что искомые эффекты возникают вследствие изменения МП во времени.

Когда проводник пересекается переменным магнитным потоком, в нем индуцируется электродвижущая сила, вызывающая электроток. Системой, которая генерирует ток, может быть постоянный магнит или электромагнит.

Явление электромагнитной индукции регулируется двумя законами: Фарадея и Ленца.

Закон Ленца позволяет охарактеризовать электродвижущую силу относительно ее направленности.

Важно! Направление индуцированной ЭДС такое, что вызванный ею ток стремится противостоять создающей его причине.

Фарадей заметил, что интенсивность индуцированного тока растет, когда быстрее изменяется число силовых линий, пересекающих контур. Другими словами, ЭДС электромагнитной индукции находится в прямой зависимости от скорости движущегося магнитного потока.

ЭДС индукции

Формула ЭДС индукции определена как:

Знак «-» показывает, как полярность индуцированной ЭДС связана со знаком потока и меняющейся скоростью.

Получена общая формулировка закона электромагнитной индукции, из которой можно вывести выражения для частных случаев.

Где используются разные виды ЭДС?

1. Пьезоэлектрическая применяется при растяжении или сжатии материала. С помощью нее изготавливают кварцевые генераторы энергии и разные датчики.
2. Химическая используется в гальванических элементах и аккумуляторах.
3. Индукционная появляется в момент пересечения проводником магнитного поля. Ее свойства применяют в трансформаторах, электрических двигателях, генераторах.
4. Термоэлектрическая образуется в момент нагрева контактов разнотипных металлов. Свое применение она нашла в холодильных установках и термопарах.
5. Фото электрическая используется для продуцирования фотоэлементов.

Неэлектростатический характер ЭДС[ | ]

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

Вращающаяся катушка

Обеспечить оптимальное расположение функциональных компонентов при одновременном перемещении сложно, если применять представленный в примере прямой провод. Однако согнув рамку, можно получить простейший генератор электроэнергии. Максимальный эффект обеспечивает увеличение количества проводников на единицу рабочего объема. Соответствующая отмеченным параметрам конструкция – катушка, типичный элемент современного генератора переменного тока.

Для оценки магнитного потока (F) можно применить формулу:

где S – площадь рассматриваемой рабочей поверхности.

Пояснение. При равномерном вращении ротора происходит соответствующее циклическое синусоидальное изменение магнитного потока. Аналогичным образом меняется амплитуда выходного сигнала. Из рисунка понятно, что определенное значение имеет величина зазора между основными функциональными компонентами конструкции.

ЭДС самоиндукции

Линии магнитной индукции

Когда через катушку проходит переменный ток, он генерирует переменное МП, обладающее изменяющимся магнитным потоком, индуцирующим ЭДС. Этот эффект называется самоиндукцией.

Поскольку МП пропорционально интенсивности тока, то:

где L – индуктивность (Гн), определяемая геометрическими величинами: количеством витков на единицу длины и размерами их поперечного сечения.

Для ЭДС индукции формула принимает вид:

Движение провода в магнитном поле

Явление электромагнитной индукции

Когда провод длиной l движется в МП, имеющем индукцию В, внутри него будет наводиться ЭДС, пропорциональная его линейной скорости v. Для расчета ЭДС применяется формула:

• в случае движения проводника перпендикулярно направлению магнитного поля:

• в случае движения под другим углом α:

Е = — В x l x v х sin α.

Индуцированная ЭДС и ток будут направлены в сторону, которую находим, пользуясь правилом правой руки: расположив руку перпендикулярно силовым линиям магнитного поля и указывая большим пальцем в сторону перемещения проводника, можно узнать направление ЭДС по оставшимся четырем распрямленным пальцам.

Перемещение провода в МП

Взаимоиндукция

Резонансная частота: формула

Если две катушки расположены рядом, то в них наводится ЭДС взаимоиндукции, зависящая от геометрии обеих схем и их ориентации относительно друг друга. Когда разделение цепей возрастает, взаимоиндуктивность снижается, так как уменьшается соединяющий их магнитный поток.

Взаимоиндукция

Пусть имеется две катушки. По проводу одной катушки, обладающей N1 витками, протекает ток I1, создающий МП, проходящее через катушку с N2 витками. Тогда:

1. Взаимоиндуктивность второй катушки относительно первой:

М21 = (N2 x F21)/I1;

1. Магнитный поток:

Ф21 = (М21/N2) x I1;

1. Найдем индуцированную ЭДС:

Е2 = — N2 x dФ21/dt = — M21x dI1/dt;

1. Идентично в первой катушке индуцируется ЭДС:

Е1 = — M12 x dI2/dt;

Важно! Электродвижущая сила, вызванная взаимоиндукцией в одной катушке, всегда пропорциональна изменению электротока в другой.

Взаимную индуктивность можно признать равной:

Соответственно, E1 = — M x dI2/dt и E2 = M x dI1/dt.

где К – коэффициент связи между двумя индуктивностями.

Явление взаимоиндукции используется в трансформаторах – электроаппаратах, позволяющих изменить значение напряжения переменного электротока. Аппарат представляет собой две катушки, намотанные вокруг одного сердечника. Ток, присутствующий в первой, создает меняющееся МП в магнитопроводе и электроток в другой катушке. Если количество витковых оборотов первой обмотки меньше, чем другой, напряжение увеличивается, и наоборот.

Кроме генерирования, трансформации электроэнергии магнитная индукция применяется в иных устройствах. Например, в магнитных левитационных поездах, которые двигаются не в непосредственном контакте с рельсами, а на несколько сантиметров выше из-за электромагнитной силы отталкивания.

ИНДУКТИВНОСТЬ

(от лат. inductio — наведение, побуждение), величина, характеризующая магн. св-ва электрич. цепи. Ток, текущий в проводящем контуре, создаёт в окружающем пр-ве магн. поле, причём магнитный поток Ф, пронизывающий контур (сцепленный с ним), прямо пропорционален току I:Ф=LI. Коэфф. пропорциональности L наз. И. или коэфф. самоиндукции контура. И. зависит от размеров и формы контура, а также от магнитной проницаемости окружающей среды. В СИ И. измеряется в генри, в Гаусса системе единиц она имеет размерность длины (1 Гн=109 см).

Через И. выражается эдс самоиндукции ? в контуре, возникающая при изменении в нём тока:

(DI изменение тока за время Dt). И. определяет энергию W магн. поля тока I:

Если провести аналогию между электрич. и механич. явлениями, то магн. энергию следует сопоставить с кинетич. энергией тела T=mv2/2 (m — масса тела, v — его скорость), при этом И. будет играть роль массы, а ток — скорости. Т. о., И. определяет инерц. св-ва тока.

Для увеличения И. применяют катушки индуктивности с железными сердечниками; в результате зависимости магн. проницаемости m ферромагнетиков от напряжённости магн. поля (а следовательно, и от тока) И. таких катушек зависит от I. И. длинного соленоида из N витков с площадью поперечного сечения S и длиной l в среде с магн. проницаемостью m равна (в ед. СИ):

Источник

Что такое электродвижущая сила (ЭДС) и как ее рассчитать

Электродвижущая сила или сокращено ЭДС – это способность источника тока ил по-другому питающий элемент, создавать в электрической цепи разность потенциалов. Элементами питания являются аккумуляторы или батареи. Это скалярная физическая величина, равная работе сторонних сил для перемещения одного заряда с положительной величиной. В данной статье будут рассмотрены теоритические вопросы ЭДС, как она образуется, а также для чего она может быть использована на практике и где используются, а главное как рассчитать ее.

Что такое ЭДС: объяснение простыми словами

Под ЭДС понимается удельная работа сторонних сил по перемещению единичного заряда в контуре электрической цепи . Это понятие в электричестве предполагает множество физических толкований, относящихся к различным областям технических знаний. В электротехнике — это удельная работа сторонних сил, появляющаяся в индуктивных обмотках при наведении в них переменного поля. В химии она означает разность потенциалов, возникающее при электролизе, а также при реакциях, сопровождающихся разделением электрических зарядов.

В физике она соответствует электродвижущей силе, создаваемой на концах электрической термопары, например. Чтобы объяснить суть ЭДС простыми словами – потребуется рассмотреть каждый из вариантов ее трактовки. Прежде чем перейти к основной части статьи отметим, что ЭДС и напряжение очень близкие по смыслу понятия, но всё же несколько отличаются. Если сказать кратко, то ЭДС — на источнике питания без нагрузки, а когда к нему подключают нагрузку — это уже напряжение. Потому что количество вольт на ИП под нагрузкой почти всегда несколько меньше, чем без неё. Это связано с наличием внутреннего сопротивления таких источников питания, как трансформаторы и гальванические элементы.

Электродвижущая сила (эдс), физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. Если через Eстр обозначить напряжённость поля сторонних сил, то эдс в замкнутом контуре (L) равна , где dl — элемент длины контура. Потенциальные силы электростатического (или стационарного) поля не могут поддерживать постоянный ток в цепи, т. к. работа этих сил на замкнутом пути равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — нагреванием проводников.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источников тока: генераторов, гальванических элементов, аккумуляторов и т. д. Происхождение сторонних сил может быть различным. В генераторах сторонние силы — это силы со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или Лоренца сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике; в гальванических элементах и аккумуляторах — это химические силы и т. д. Эдс определяет силу тока в цепи при заданном её сопротивлении (см. Ома закон). Измеряется эдс, как и напряжение, в вольтах.

Природа ЭДС

Причина возникновения ЭДС в разных источниках тока разная. По природе возникновения различают следующие типы:

• Химическая ЭДС. Возникает в батарейках и аккумуляторах вследствие химических реакций.
• Термо ЭДС. Возникает, когда находящиеся при разных температурах контакты разнородных проводников соединены.
• ЭДС индукции. Возникает в генераторе при помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет наводиться в проводнике, когда проводник пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
• Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этой ЭДС способствует явление внешнего или внутреннего фотоэффекта.
• Пьезоэлектрическая ЭДС. ЭДС возникает при растяжении или сдавливании веществ.

Электромагнитная индукция (самоиндукция)

Начнем с электромагнитной индукции. Это явление описывает закон электромагнитной индукции Фарадея. Физический смысл этого явления состоит в способности электромагнитного поля наводить ЭДС в находящемся рядом проводнике. При этом или поле должно изменяться, например, по величине и направлению векторов, или перемещаться относительно проводника, или должен двигаться проводник относительно этого поля. На концах проводника в этом случае возникает разность потенциалов.

Опыт демонстрирует появление ЭДС в катушке при воздействии изменяющегося магнитного поля постоянного магнита. Есть и другое похожее по смыслу явление — взаимоиндукция. Оно заключается в том, что изменение направления и силы тока одной катушки индуцирует ЭДС на выводах расположенной рядом катушки, широко применяется в различных областях техники, включая электрику и электронику. Оно лежит в основе работы трансформаторов, где магнитный поток одной обмотки наводит ток и напряжение во второй.

В электрике физический эффект под названием ЭДС используется при изготовлении специальных преобразователей переменного тока, обеспечивающих получение нужных значений действующих величин (тока и напряжения). Благодаря явлениям индукции и самоиндукции инженерам удалось разработать множество электротехнических устройств: от обычной катушки индуктивности (дросселя) и вплоть до трансформатора. Понятие взаимоиндукции касается только переменного тока, при протекании которого в контуре или проводнике меняется магнитный поток.

ЭДС в быту и единицы измерения

Другие примеры встречаются в практической жизни любого рядового человека. Под эту категорию попадают такие привычные вещи, как малогабаритные батарейки, а также другие миниатюрные элементы питания. В этом случае рабочая ЭДС формируется за счет химических процессов, протекающих внутри источников постоянного напряжения. Когда оно возникает на клеммах (полюсах) батареи вследствие внутренних изменений – элемент полностью готов к работе. Со временем величина ЭДС несколько снижается, а внутреннее сопротивление заметно возрастает.

В результате если вы измеряете напряжение на не подключенной ни к чему пальчиковой батарейке вы видите нормальные для неё 1.5В (или около того), но когда к батарейке подключается нагрузка, допустим, вы установили её в какой-то прибор — он не работает. Почему? Потому что если предположить, что у вольтметра внутреннее сопротивление во много раз выше, чем внутреннее сопротивлении батарейки — то вы измеряли её ЭДС. Когда батарейка начала отдавать ток в нагрузке на её выводах стало не 1.5В, а, допустим, 1.2В — прибору недостаточно ни напряжения, ни тока для нормальной работы.

Как раз вот эти 0.3 В и упали на внутреннем сопротивлении гальванического элемента. Если батарейка совсем старая и её электроды разрушены, то на клеммах батареи может не быть вообще никакой электродвижущей силы или напряжения — т.е. ноль. Совсем небольшая по величине электродвижущая сила наводится и в рамках антенны приемника, которая усиливается затем специальными каскадами, и мы получаем наш телевизионный, радио и даже Wi-Fi сигнал.

Как образуется ЭДС

Идеальный источник ЭДС – генератор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение на его зажимах не зависит от нагрузки. Мощность идеального источника ЭДС бесконечна. Реальный источник ЭДС, в отличие от идеального, содержит внутреннее сопротивление Ri и его напряжение зависит от нагрузки (рис. 1., б), а мощность источника конечна. Электрическая схема реального генератора ЭДС представляет собой последовательное соединение идеального генератора ЭДС Е и его внутреннего сопротивления Ri.

На практике для того чтобы приблизить режим работы реального генератора ЭДС к режиму работы идеального, внутреннее сопротивление реального генератора Ri стараются делать как можно меньше, а сопротивление нагрузки Rн необходимо подключать величиной не менее чем в 10 раз большей величины внутреннего сопротивления генератора, т.е. необходимо выполнять условие: Rн >> Ri

Для того чтобы выходное напряжение реального генератора ЭДС не зависело от нагрузки, его стабилизируют применением специальных электронных схем стабилизации напряжения. Поскольку внутреннее сопротивление реального генератора ЭДС не может быть выполнено бесконечно малым, его минимизируют и выполняют стандартным для возможности согласованного подключения к нему потребителей энергии. В радиотехнике величины стандартного выходного сопротивления генераторов ЭДС составляют 50 Ом (промышленный стандарт) и 75 Ом (бытовой стандарт).

Например, все телевизионные приемники имеют входное сопротивление 75 Ом и подключены к антеннам коаксиальным кабелем именно такого волнового сопротивления. Для приближения к идеальным генераторам ЭДС источники питающего напряжения, используемые во всей промышленной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре, выполняют с применением специальных электронных схем стабилизации выходного напряжения, которые позволяют выдерживать практически неизменное выходное напряжение источника питания в заданном диапазоне токов, потребляемых от источника ЭДС (иногда его называют источником напряжения).

На электрических схемах источники ЭДС изображаются так: Е — источник постоянной ЭДС, е(t) – источник гармонической (переменной) ЭДС в форме функции времени. Электродвижущая сила Е батареи последовательно соединенных одинаковых элементов равна электродвижущей силе одного элемента Е, умноженной на число элементов n батареи: Е = nЕ.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии

Для поддержания электрического тока в проводнике требуется внешний источник энергии, создающий все время разность потенциалов между концами этого проводника. Такие источники энергии получили название источников электрической энергии (или источников тока). Источники электрической энергии обладают определенной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС), которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов между концами проводника.

Источник

Закон Ома для полной цепи

Если закон Ома для участка цепи знают почти все, то закон Ома для полной цепи вызывает затруднения у школьников и студентов. Оказывается, все до боли просто!

Идеальный источник ЭДС

Давайте вспомним, что такое ЭДС. ЭДС – это что-то такое, что создает электрический ток. Если к такому источнику напряжения подцепить любую нагрузку (хоть миллиард галогенных ламп, включенных параллельно), то он все равно будет выдавать такое же напряжение, какое-бы он выдавал, если бы мы вообще не цепляли никакую нагрузку.

Короче говоря, какая бы сила тока не проходила через цепь резистора, напряжение на концах источника ЭДС будет всегда одно и тоже. Такой источник ЭДС называют идеальным источником ЭДС.

Но как вы знаете, в нашем мире нет ничего идеального. То есть если бы в нашем аккумуляторе был идеальный источник ЭДС, тогда бы напряжение на клеммах аккумулятора никогда бы не проседало. Но оно проседает и тем больше, чем больше силы тока потребляет нагрузка. Что-то здесь не так. Но почему так происходит?

Внутреннее сопротивление источника ЭДС

Дело все в том, что в аккумуляторе “спрятано” сопротивление, которое условно говоря, цепляется последовательно с источником ЭДС аккумулятора. Называется оно внутренним сопротивлением или выходным сопротивлением. Обозначается маленькой буковкой “r “.

Выглядит все это в аккумуляторе примерно вот так:

Итак, что у нас получается в чистом виде?

Лампочка – это нагрузка, которая обладает сопротивлением. Значит, еще больше упрощаем схему и получаем:

Имеем идеальный источник ЭДС, внутреннее сопротивление r и сопротивление нагрузки R. Вспоминаем статью делитель напряжения. Там говорится, что напряжение источника ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

На резисторе R падает напряжение U_R , а на внутреннем резисторе r падает напряжение U_r .

Теперь вспоминаем статью делитель тока. Сила тока, протекающая через последовательно соединенные сопротивления везде одинакова.

Вспоминаем алгебру за 5-ый класс и записываем все то, о чем мы с вами сейчас говорили. Из закона Ома для участка цепи получаем, что

Закон Ома для полной цепи

Итак, последнее выражение носит название “закон Ома для полной цепи”

Е – ЭДС источника питания, В

R – сопротивление всех внешних элементов в цепи, Ом

I – сила ток в цепи, А

r – внутреннее сопротивление источника питания, Ом

Просадка напряжения

Итак, знакомьтесь, автомобильный аккумулятор!

Для дальнейшего его использования, припаяем к нему два провода: красный на плюс, черный на минус

Наш подопечный готов к бою.

Теперь берем автомобильную лампочку-галогенку и тоже припаяем к ней два проводка с крокодилами. Я припаялся к клеммам на “ближний” свет.

Первым делом давайте замеряем напряжение на клеммах аккумулятора

12,09 вольт. Вполне нормально, так как наш аккумулятор выдает именно 12 вольт. Забегу чуток вперед и скажу, что сейчас мы замерили именно ЭДС.

Подключаем галогенную лампу к аккумулятору и снова замеряем напряжение:

Видели да? Напряжение на клеммах аккумулятора просело до 11,79 Вольт!

А давайте замеряем, сколько потребляет тока наша лампа в Амперах. Для этого составляем вот такую схемку:

Желтый мультиметр у нас будет замерять напряжение, а красный мультиметр – силу тока. Как замерять с помощью мультиметра силу тока и напряжение, можно прочитать в этой статье.

Смотрим на показания приборов:

Как мы видим, наша лампа потребляет 4,35 Ампер. Напряжение просело до 11,79 Вольт.

Давайте вместо галогенной лампы поставим простую лампочку накаливания на 12 Вольт от мотоцикла

Лампочка потребляет силу тока в 0,69 Ампер. Напряжение просело до 12 Вольт ровно.

Какие выводы можно сделать? Чем больше нагрузка потребляет силу тока, тем больше просаживается напряжение на аккумуляторе.

Как найти внутреннее сопротивление источника ЭДС

Давайте снова вернемся к этой фотографии

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе U_r тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае ЭДС=12,09 Вольт.

Как только мы подсоединили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем сопротивлении и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение U_R=11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем сопротивлении падение напряжения составило U_r=E-U_R=12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r

Вывод

Внутреннее сопротивление бывает не только у различных химических источников напряжения. Внутренним сопротивлением также обладают и различные измерительные приборы. Это в основном вольтметры и осциллографы.

Дело все в том, что если подключить нагрузку R, сопротивление у которой будет меньше или даже равно r, то у нас очень сильно просядет напряжение. Это можно увидеть, если замкнуть клеммы аккумулятора толстым медным проводом и замерять в это время напряжение на клеммах. Но я не рекомендую этого делать ни в коем случае! Поэтому, чем высокоомнее нагрузка (ну то есть чем выше сопротивление нагрузки R ), тем меньшее влияние оказывает эта нагрузка на источник электрической энергии.

Вольтметр и осциллограф при замере напряжения тоже чуть-чуть просаживают напряжение замеряемого источника напряжения, потому как являются нагрузкой с большим сопротивлением. Именно поэтому самый точный вольтметр и осциллограф имеют ну очень большое сопротивление между своими щупами.

Источник

Электродвижущая сила и конечное напряжение

Физика > ЭДС и конечное напряжение

 

Рассмотрите связь электродвижущей силы и конечного напряжения в электрической цепи: роль внутреннего сопротивления, разность потенциалов, формула и схемы.

Конечное напряжение (напряжение на выходе источника) основывается на электродвижущей силе и внутреннем сопротивлении.

Задача обучения

• Переведите соотношение между ЭДС и конечным напряжением в формулу.

Основные пункты

• Электродвижущая сила отображает разность потенциалов источника в момент, когда ток лишен движения.
• Конечное напряжение – выход напряжения в устройстве, измеренное через клеммы.
• Формула расчета: V = ЭДС — Ir.

Термины

• Конечное напряжение – выход напряжения в устройстве, измеряемое на клеммах.
• Электродвижущая сила (ЭДС) – напряжение, сформированное батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея.
• Разность потенциалов – отличие в показателях потенциальной энергии между двумя точками в электрическом поле.

Если вы забудете выключить фары на машине, то со временем они потускнеют. Причина – разряд батареи. Почему же они просто не мигают при потере энергии? Постепенное затухание говорит о том, что конечное напряжение снижается по мере расхода заряда. Все дело в том, что у всех источников напряжения есть две главные части: источник электрической энергии и внутреннее сопротивление.

Электродвижущая сила

Все источники напряжения формируют разность потенциалов и могут отправлять ток при подключении к сопротивлению. Если брать небольшой масштаб, то из-за этого отличия создается электрическое поле, влияющее на заряды и вызывающее ток. Мы называем это отличие электродвижущей силой (ЭДС). Но не думайте, что перед нами «сила» в привычном понятии. Это особая разновидность разности потенциалов источника, когда ток лишен движения. Измеряется в вольтах.

ЭДС связана с источником разности потенциалов, но отличается от конечного напряжения при проходе тока. К примеру, напряжение на аккумуляторе будет меньшим, чем ЭДС. Если конечное напряжение можно вычислить без подачи тока, то оно приравнивается к ЭДС.

Конечное напряжение

Выход напряжения из устройства измеряется на клеммах и именуется конечным напряжением (V). Его вычисляют по формуле:

Любой источник напряжения обладает ЭДС, связанной с источником разности потенциалов. Также оно настраивается на сопротивление (

r), связанное с конструкцией. Здесь видны выходные клеммы, по которым измеряют конечное напряжение (V). Так как V = ЭДС — Ir, конечное напряжение приравнивается к ЭДС, если ток отсутствует

V = ЭДС – Ir (r – внутреннее сопротивление, I – протекающий во время измерения ток).

I положителен, если ток течет от положительной клеммы. Чем больше ток, тем меньше конечное напряжение. Также конечное напряжение уменьшается при росте внутреннего сопротивления.

---

Помогите решить / разобраться (Ф)

Эти слова не мои, а из справочника по физике. (Х. Кухлинг, Справочник по физике, с. 312, изд. 1980 г.)

В предисловии к этому справочнику написано:

Цитата:

было бы ошибочно думать, что по этой книге можно изучать физику.

Следовательно, Вы ошиблись.
В данном справочнике отсутствует системное изложение, необходимое при изучении.

В учебниках вначале даётся определение напряжения электрического поля:

Цитата:

Разность потенциалов между двумя точками электрического поля называется напряжением (U). Напряжение численно равно работе, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками.

Запомните это определение на всю оставшуюся жизнь!
Работа в электростатическом поле при перемещении заряда рассчитывается по формуле

Напряжение выражается в вольтах (В). 1 В — это такая разность потенциалов между двумя точками, когда при перемещении между ними положительного заряда в 1 Кл совершается работа в 1 Дж.

Далее в учебниках рассматривается падение напряжения в цепях постоянного тока.

где — ток,
— время,
есть заряд.
Мощность тока, т.е. работа в единицу времени, равна

Эту формулу используют в системе СИ для определения единицы напряжения. Единица напряжения вольт (В) есть

Вольт — электрическое напряжение, вызывающее в электрической цепи постоянный ток силой 1 А при мощности 1 Вт.
Здесь заряд заменён током, а работа — мощностью.

Затем рассматривается ЭДС.
Для получения тока в проводнике необходимо на его концах поддерживать разность потенциалов. Устройства, которые позволяют поддерживать разность потенциалов, называются источниками (или генераторами) тока. В источниках тока различные формы энергии, не связанные с электрическим полем, преобразуются в электрическую энергию. На полюсах разомкнутого источника тока поддерживается разность потенциалов за счёт работы таких сил, которые по своей природе отличаются от электрических. Такие силы называются сторонними. Сторонние силы, действующие внутри источника, переносят заряды против направления действия электрических сил.
Электродвижущей силой источника (эдс) называется величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единицы положительного заряда.

Размерность электродвижущей силы совпадает с размерностью напряжения , и поэтому ЭДС выражают в тех же единицах (В), что и напряжение.

Таким образом, напряжение характеризует работу сил электрического поля при перемещении зарядов, а ЭДС характеризует работу неэлектрических сил при перемещении зарядов.

Закон Ома (страница 1)

Применение закона Ома к расчету линейных электрических цепей постоянного тока

1. Найти ток ветви (рисунок 3), если: U=10 В, Е=20 В, R=5 Ом.

Решение:

Так как все схемы рисунка 3 представляют собой активные ветви, то для определения токов в них используем закон Ома обобщенный закон Ома. Рассмотрим рисунок 3 а: направление ЭДС совпадает с произвольно выбранным условно положительным направлением тока, следовательно, в формуле обобщенного закона Ома величина ЭДС учитывается со знаком «плюс». Направление напряжения не совпадает с направлением тока, и в формуле обобщенного закона Ома величина напряжения учитывается со знаком «минус»;

Аналогично определяются токи в схемах б, в, г рисунка 3:

2. Найти напряжение между зажимами нетвей (рисунок 4).

Решение:

Участок цепи, изображенный на рисунке 4 а содержит источник ЭДС, т.е. является активным, поэтому воспользуемся обобщенным законом Ома:

откуда выразим напряжение на зажимах:

Аналогично определяются напряжения на зажимах участков, изображенных на рисунках 4 б и 4 в.

3. Определить неизвестные потенциалы точек участка цени (рисунок 5).

Решение:
Для схемы рисунка 5 а запишем обобщенный закон Ома:

откуда выразим напряжение на зажимах ветви:

Если представить напряжение как разность потенциалов:

тогда при известных параметрах цепи, токе и потенциале определим потенциал :

Эту же задачу можно решить другим способом. Напряжение на зажимах источника ЭДС , без учета внутреннего сопротивления источника, по величине равно и направлено от точки с большим потенциалом (точка С) к точке с меньшим потенциалом (точка b):

и тогда, зная потенциал , определим потенциал точки С:

Потенциал точки d больше потенциала точки С на величину падения напряжения на сопротивлении R:

тогда

Потенциал точки а определяем с учетом направления напряжения на зажимах источника ЭДС . Напряжение направлено от точки с большим потенциалом (точка d) к точке с меньшим потенциалом (точка а):

откуда следует, что

или

Рассмотрим решение задачи для схемы рисунка 5 б. При известном потенциале точки С, параметрах элементов и токе, определим потенциалы крайних точек участка цепи . Напряжение на участке b — с, выраженное через разность потенциалов, определим по закону Ома:

откуда следует

Напряжение на участке с — а, равное по величине Е, направлено от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом:

4. В цепи (рисунок 6) известны величины сопротивлений резистивных элементов: , входное напряжение U=100 В и мощность, выделяемая на резистивном элементе с сопротивлением . Определить величину сопротивления резистора .

Решение:
Согласно закону Джоуля-Ленца, мощность на резистивном элементе определяется:

или, согласно закону Ома:

По известному значению мощности на резистивном элементе и величине сопротивления этого элемента определим ток в ветви:

По закону Ома напряжение на зажимах определится:

тогда величина сопротивления резистивного элемента:

5. Определить показания вольтметров цепи (рисунок 7), если .

Решение:
Ток в цепи определим по закону Ома:

Вольтметр показывает напряжение на источнике ЭДС Е:

Вольтметры показывают величину падения напряжения на резистивных элементах :

Вольтметр , показывает напряжение на участке 2 — 1 , которое определим как алгебраическую сумма напряжений :

6. Ток симметричной цепи (рисунок 8) , внутреннее сопротивлении источника ЭДС . Определить ЭДС Е и мощность источника энергии.

Решение:
Напряжение на зажимах 1 — 2 определим по закону Ома для пассивной ветви:

Величину ЭДС источника энергии определим из выражения закона Ома для активной ветви:

Мощность, развиваемая источником энергии, определится:

Часть ЭДС, затрачиваемая на перенос зарядов по внешнему участку цепи, называется падением напряжения во внешней цепи или просто напряжением и обозначается U.

Термин «падение напряжения» или «напряжение» обозначает часть ЭДС, затрачиваемую на преодоление сопротивления данного участка цепи.

ЭДС источника представляет собой сумму падений напряжения на внутреннем и внешнем участке цепи.

Е = U + U₀

Из этого равенства следует:

U = E – U_{0 ,}

т.е. напряжение на зажимах источника тока меньше его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем участке цепи.

Напряжение измеряется в Вольтах.

ЭДС и напряжения измеряется вольтметром (рис.1).

Рис.1

ЭДС измеряют вольтметром на зажимах источника при отключенном потребителе (ключ К разомкнут).

Напряжение измеряют там же, при включённом потребителе (ключ К разомкнут).

Для измерения напряжения на каком-либо участке электрической цепи вольтметр нужно включить к концам этого участка (Рис.2).

Внутреннее падение напряжения измерить нельзя! Его рассчитывают по формуле:

U₀ = E – U.

Закон Ома для полной цепи с источником ЭДС

 

Сила тока, протекающего в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего R и внутреннего R_о участков цепи.

, где

 

I – сила тока;

Е — ЭДС источника;

R – сопротивление внешнего участка цепи;

R₀ – внутреннее сопротивление источника.

 

Закон Ома для участка цепи

 

Сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Основная формула:

Следствия:

—физический смысл данной формулы: сила тока тем больше, чем выше напряжение. В свою очередь напряжение больше там, где больше напряжение.

— данная формула физического смысла не имеет, т.е. сопротивление не зависит ни от силы тока ни от напряжения. Эта формула используется только для расчета сопротивления.

 

ТЕМЫ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №1

ВТОРОЙ УРОВЕНЬ

Работа и мощность электрического тока

Работой электрического тока называется преобразование электрической энергии в другой вид энергии.

A = Е· q

Работа в системе СИ измеряется в джоулях [1 Дж = 1 В·А ·с]

Где: А [ Дж ] – работа электрического тока в замкнутой цепи

Е [ В ] — ЭДС источника

q [ Кл ] – заряд.

Имея в виду, что q = I · t, получаем

A = Е· I · t

Любая электрическая цепь состоит из двух участков – внутреннего и внешнего, следовательно: Е = U + U₀.Введем данное выражение a формулу работы:

 

A = (U + U₀)· I · t = U · I · t + U₀· I · t.

Из последней формулы видно, что ток совершает работу и на внутреннем, и на внешнем участках цепи. Разобьем данную формулу на две:

A = U · I · t –работа, совершаемая током на внешнем участке цепи;

А = U₀· I · t —работа, совершаемая током на внутреннем участке цепи (нагрев источника).

Величина, характеризующая скорость с которой происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии, или скорость с которой совершается работа, называется электрической мощность.

Где:

P [Вт] – электрическая мощность

А [Дж] — работа электрического тока

t [с ] – время, в течение которого совершается работа

 

1 МВт = 1 ·10⁶ Вт (мегаватт)

1 кВт = 1 ·10³ Вт (киловатт)

1 мВт = 1·10^-3 Вт (милливатт)

1 л.с. = 736 Вт.

Величина, характеризующая скорость, с которой другие виды энергии преобразуются в источнике питания в электрическую, называется мощностью генератора.

→ P_И = E· I

Величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование электрической энергии в потребителе в другие виды энергии, называется мощностью потребителя

→ Р= U· I

Из этой формулы вытекают следующие:

А используя закон Ома можно вывести еще и такие формулы:

Мощность, характеризующая непроизводительный расход электрической энергии, например внутри генератора, называется мощностью потерь.

→ Р_о= U_о· I

По закону сохранения энергии мощность генератора равна сумме мощности потребителя и мощности потерь.

P_И = P + P₀

 

Соединение потребителей

Последовательное соединение

Соединение, при котором участки цепи включены один за другим без разветвлений и поэтому имеют одно значение тока, называется последовательным. (рис.4)

Рис.4

I_AB = I₁ = I₂ = I₃=…=I_n=const

При последовательномсоединении резисторов, их эквивалентное (общее) сопротивление равно сумме сопротивлений всех резисторов, входящих в цепочку

R_АВ = R₁+R₂+R₃+…+R_n

 

Если R₁ = R₂ = R₃ , то R

AB = n · R₁ , где

n – число сопротивлений.

U_AB = U₁ + U₂ + U₃

Параллельное соединение

 

Соединение, при котором несколько ветвей присоединены к одной паре узлов, называется параллельным (рис.5).

Как рассчитать напряжение на клеммах

В этой статье мы поговорим о , как рассчитать напряжение на клеммах в электрической цепи. Вы также узнаете об ЭДС, различиях между ЭДС и напряжением на клеммах и этапах расчета ЭДС в цепи.

Используйте эту формулу для расчета напряжения на клеммах

Общая формула для расчета напряжения на клеммах:

Vterm = ϵ −Ir.

В этой формуле;

• Vterm представляет собой существующее напряжение между выводами батареи (обычно измеряется в вольтах, В).
• ϵ представляет электродвижущую силу (ЭДС) батареи.Это также относится к общему или максимальному напряжению (также измеряется в вольтах, В)
• I представляет собой общий ток, протекающий по всей цепи (измеряется в амперах, А)
• R представляет внутреннее сопротивление, существующее в батарее (измеряется в Ом, Ом)
• Ir представляет собой падение напряжения на внутреннем резисторе. Это можно переписать как (V = IRV = IRV = IR).

Следовательно, мы можем скорректировать всю формулу как;

Vterm = ϵ− Vr

Что такое напряжение на клеммах?

Напряжение на клеммах просто описывается как измерение общего напряжения (положительной и отрицательной клемм) на клеммах батареи при отсутствии нагрузки, подключенной к клемме.

Обычно идеальная батарея является источником электродвижущей силы (ЭДС), которая постоянно поддерживает напряжение на клеммах, независимо от тока, протекающего между двумя клеммами. В идеальном аккумуляторе также отсутствует внутреннее сопротивление. Между тем, напряжение на клеммах равно электродвижущей силе батареи.

Соответствует ли напряжение на клеммах ЭДС?

Нет! Напряжение на клеммах отличается от ЭДС.

Основное различие между напряжением на клеммах и ЭДС состоит в том, что напряжение на клеммах мало по сравнению с ЭДС.

Это означает, что ЭДС имеет гораздо большую интенсивность, чем напряжение на клеммах, из-за наличия напряжения в нагруженной цепи. В результате воздействия внешних сил часто возникают падения напряжения или потери энергии, что в конечном итоге приводит к различной интенсивности. Между тем, ЭДС всегда постоянна по интенсивности.

Давайте посмотрим на другие различия между напряжением на клеммах и ЭДС;

	Электродвижущая сила (ЭДС)	Напряжение на клеммах
1.	ЭДС представляет собой напряжение, которое возникает между двумя выводами батареи в отсутствие электрического тока, то есть как положительной, так и отрицательной клеммами батареи.	Напряжение на клеммах представляет собой разность потенциалов между двумя потенциалами электродов батареи независимо от состояния.
2.	ЭДС — это напряжение холостого хода	Напряжение на клеммах — это напряжение замкнутой цепи
3.	ЭДС зависит от внутреннего сопротивления цепи, а также не зависит от сопротивление электрической цепи	Напряжение на клеммах, с другой стороны, прямо пропорционально сопротивлению между положительной и отрицательной клеммами.
4.	Формула для ЭДС: ε = I (R + r). В этом уравнении R представляет собой внешнее сопротивление электрической цепи, а r означает внутреннее сопротивление данной цепи.	Напряжение на клеммах рассчитывается по формуле; V = ИК. В этом случае I обозначает ток, протекающий по цепи, а заглавная R обозначает внешнее сопротивление электрической цепи.
5.	Электродвижущая сила цепи обычно измеряется с помощью потенциометра.	Напряжение на клеммах измеряется вольтметром.
	ЭДС имеет постоянную интенсивность	Напряжение на клеммах имеет переменную интенсивность. Это результат частых падений внешнего сопротивления.
6	ЭДС индуцируется в диапазоне полей, таких как электрическое, магнитное или гравитационное поля.	Существует ограничение на индукцию напряжения, поскольку оно индуцируется только в электрическом поле.
7	Работа, выполненная в ЭДС, представляет собой максимальную работу аккумулятора	Работа, выполненная при напряжении на клеммах, не представляет собой максимальную работу элемента или батареи

Как рассчитать электродвижущую силу ( ЭДС) в цепи

Электродвижущая сила (ЭДС) может быть рассчитана по этой формуле;

ϵ = I (R + r)

Где;

ϵ = символ электродвижущей силы (ЭДС)

I = ток

R = сопротивление цепи

Допустим, у вас есть цепь с возможным контрастом 3.2 В и ток 0,6 А, потоковое плюс внутреннее препятствие аккумуляторной батареи на 0,5 Ом. С этой информацией

ϵ = I (R + r)

= 3,2 В + 0,6 A × 0,5 Ом

= 3,2 В + 0,3 В

= 3,5 В

В итоге вы узнали:

• Определение напряжения на клеммах
• Как рассчитывается напряжение на клеммах
• Разница между ЭДС и напряжением на клеммах и
• Этапы расчета ЭДС в цепи.

Считается, что с их помощью вы улучшите свои знания о напряжении на клеммах и ЭДС в электрической цепи.

Руководство по напряжению для новичков | Возможная разница

Что вы думаете о напряжении, разности потенциалов и ЭДС?

На самом деле, многие из нас не понимают этих трех терминов. Иногда нам кажется, что это одно и то же. Если эти три термина совпадают, почему существует три разных названия?

Это очень простые термины в области электротехники и электроники. Если вы поймете это правильно, это поможет вам на протяжении всей разработки.

В этом посте я объясняю напряжение, разность потенциалов и электродвижущую силу (ЭДС). Посмотрим, одинаковые они или разные.

Что такое напряжение?

На практике напряжение обозначается как «Давление (P)» или « Напряжение (Т) ».

Определение

Вот мое упрощенное базовое определение напряжения, чтобы каждый мог его понять.

Когда через источник электроэнергии подается потенциал, он легко выталкивает электроны.Этот потенциал называется « Voltage ».

Техническое определение напряжения —

Напряжение — это потенциальная энергия, необходимая для протекания электрического тока (или электронов) в электрической цепи.

Если говорить об электрическом оборудовании, то потенциальная энергия предоставляется в виде элемента или батареи.

Элемент или батарея — это электронное устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электрическую.

В чем разница между ячейкой и батареей?

Ячейка представляет собой одиночный блок питания постоянного тока. А батарея состоит из двух или более электрохимических ячеек для выработки большего количества энергии постоянного тока.

Вы можете увидеть блок-схему системы преобразования энергии ниже.

Блок-схема преобразования батареи

Символическое представление элементов и батарей различное.

Символическое представление вызова с напряжением

Символическое изображение батареи с напряжением

Символическое представление напряжения для постоянного и переменного тока

Напряжение обозначается заглавной буквой « В» .

Условное изображение источников постоянного и переменного тока показано на диаграмме ниже.

Обозначение источника постоянного тока (DC)

Обозначение источника напряжения переменного тока

Формула напряжения

Мы можем рассчитать значение напряжения или разности потенциалов, используя базовую формулу.

 Напряжение, (В) = (электрическая потенциальная энергия / электрические заряды) (единица-вольт) 

Это означает, что измеренное напряжение представляет собой электрическую потенциальную энергию на единицу заряда.

Где,

• Электрическая потенциальная энергия (Вт) выражается в Джоулях (Дж).
• Электрический заряд частицы (Q) выражается в кулонах (C).

Так же можно поставить в другом формате. Если вы знаете ток и сопротивление, вы можете рассчитать напряжение.

 Напряжение, (В) = (ток * сопротивление) (единица-вольт) 

Где,

• Ток (I) выражается в амперах.
• Сопротивление (R) выражается в омах.

Измерение напряжения

Напряжение выражается в « Вольт». Существует электрическое оборудование для измерения напряжения, называемое «вольтметром » или «мультиметром» .

Почему он называется Вольт?

Если посмотреть на историю, это немного интересно.

В 1745–1827 годах итальянский физик Алессандро Вольта изобрел первую электрическую батарею Voltaic pile .Единица измерения напряжения — Вольт происходит от его имени.

Для расчета напряжения в любой электрической цепи необходимо параллельно подключить вольтметр. (Вы можете прочитать разницу между последовательными и параллельными цепями.)

На следующем рисунке вольтметр подключен к клемме нагрузки.

Вольтметр, включенный параллельно через нагрузку

Вольтметр — это всего лишь одно оборудование.Вам следует знать множество электрических измерительных приборов.

Расчет напряжения по законам Ома и Кирхгофа

Вот две основные формулы, которые можно использовать для расчета напряжения в электрических цепях.

Согласно закону Ома, напряжение — это произведение электрического тока и сопротивления. Вы можете рассчитать значение напряжения, указав значения тока и сопротивления.

 Напряжение, (В) = (ток * сопротивление) = (I * R) (единица-вольт) 

В соответствии с законом Кирхгофа о напряжении (KVL) в цепи можно определить другое напряжение или эквивалентное напряжение.

 Полное напряжение, (В) = (V1 + V2 + V3 + V4 + ........ + Vn) (Единица-вольт) 

Онлайн-инструмент для расчета напряжения

Вы можете рассчитать значение напряжения с помощью простых онлайн-инструментов.

Теперь вам не нужно беспокоиться о том, что вы ошиблись при выполнении математических расчетов.

Это простое объяснение. Я попытался обобщить все основы электрического напряжения.

Давайте перейдем к другому нашему термину — «Возможная разница».

В чем разница между напряжением и разницей потенциалов?

Напряжение и разность потенциалов одинаковы, поскольку в них используются потоки заряженных частиц. Но оба работают в разных аспектах.

Разница потенциалов коротко обозначается « PD» .

Простое определение.

Разность потенциалов определяется как потенциальная энергия, необходимая для перемещения или передачи единицы электрического заряда или тока из одного места в другое между двумя выводами электрического поля.

По определению он представлен как

 Возможная разница = (энергия или работа / заряд) (единица- джоуль / столбец или вольт) 

Единицы измерения разности потенциалов и напряжения одинаковые. Оба измеряются вольтметром.

Давай изучим,

Как работает разность потенциалов в цепи?

На данной схеме электрическая цепь состоит из источника напряжения (аккумулятор) и резистивной нагрузки.

Вы можете подключать различные типы идеального и практичного источника напряжения.

Положительная клемма аккумулятора имеет более высокий потенциал, а отрицательная клемма аккумулятора имеет более низкий потенциал. Оба конца клеммы подключены к резистивной нагрузке для замыкания замкнутой цепи.

Когда электрический ток проходит через резистивную нагрузку, напряжение между двумя клеммами изменяется. Это изменение напряжения называется «падение напряжения».

Энергия требуется для протекания электрического тока от более высокого потенциала (точка A) к более низкому потенциалу (точка B). Между двумя заданными точками возникающее напряжение называется разностью потенциалов.

В чем разница между напряжением и ЭДС (электродвижущей силой)?

ЭДС — это не что иное, как сила. Это еще одна форма энергии.

Кратко сокращенно « EMF » или «emf » или «E» .

Энергия необходима для перемещения свободного электрона и создания электрического тока в определенном направлении в замкнутой цепи. Эта энергия называется «электродвижущей силой» .

ЭДС обозначается (курсивной буквой E) « ε». Единица S.I ЭДС — В.

Функция:

Основная функция ЭДС:,

• поддерживает разность потенциалов
• производит электроэнергию из неэлектрического источника

Для генерации ЭМП используются несколько электрических устройств, таких как электрохимические элементы, солнечные (PV) элементы, электродвигатели и генераторы, трансформаторы и т. Д.

Это объяснение напряжения, разности потенциалов и электродвижущей силы. Надеюсь, теперь вы это хорошо поняли.

Если у вас есть какие-либо вопросы, вы можете свободно комментировать ниже.

Прочтите статьи по теме:

Спасибо за чтение!

Если вы цените то, что я делаю здесь, в DipsLab, вам следует принять во внимание:

DipsLab — это самый быстрорастущий и пользующийся наибольшим доверием сайт сообщества инженеров по электротехнике и электронике.Все опубликованные статьи доступны БЕСПЛАТНО всем.

Если вам нравится то, что вы читаете, пожалуйста, купите мне кофе (или 2) в знак признательности.

Это поможет мне продолжать оказывать услуги и оплачивать счета.

Я благодарен за вашу бесконечную поддержку.

Я получил степень магистра в области электроэнергетики. Я работаю и пишу технические руководства по ПЛК, программированию MATLAB и электричеству на DipsLab.com портал.

Я счастлив, поделившись своими знаниями в этом блоге. А иногда вникаю в программирование на Python.

Терминология — введение

Напряжения, токи и цепи

Напряжения и токи можно представить как электрическое давление. Аналогия часто используется с водой в трубе; напряжение аналогично давлению воды. Напряжение — это то же самое, что разность потенциалов . Этот термин возникает потому, что напряжение — это потенциал для совершения работы.

Напряжение, строго говоря, всегда измеряется между двумя объектами; разность потенциалов между двумя точками. Однако принято определять землю как при нулевом напряжении. Затем мы можем говорить о напряжении отдельной точки или проводника с подразумеваемым добавлением «относительно земли».

Текущий — это поток электроэнергии. Напряжение всегда будет пытаться управлять током. Управляемый ток размера зависит от сопротивления цепи.Если, например, напряжение возникает в воздушном зазоре, будет протекать незначительное количество тока, пока напряжение не станет настолько высоким, что воздух прорвется. Если напряжение возникает по проводнику, течет ток.

В металлах ток переносится электронами , элементарные частицы несут по одному отрицательному заряду каждая. Попутно обратите внимание на то, что электроны движутся так медленно, что, как правило, ни один электрон на самом деле не обтекает цепь. Хорошая аналогия — нитка мячей для пинг-понга в трубе.Когда вы толкаете конечный шар, все шары перемещаются (течет ток), но ни один шар не перемещается по всей длине.

Для подачи электроэнергии необходимо иметь полную цепь . Если у вашей трубки закрытый конец, вы можете толкать шары для пинг-понга с любой силой, и они могут немного сдавиться, но потока не будет. Чтобы иметь поток, вы должны превратить трубу в непрерывную петлю.

Хотя случается так, что в металлах ток переносится электронами, это не принципиально для природы тока.Любой заряженный объект, который можно заставить двигаться, может переносить ток. Когда воздух разрушается под высоким напряжением, ток частично переносится ионами (молекулы воздуха, у которых были оторваны электроны), а при электролизе ток переносится ионами в растворе.

Мощность

Мощность — это произведение напряжения и тока. В электроэнергетике мы стараемся поддерживать напряжение более или менее постоянным и позволяем изменению мощности приспосабливаться к изменениям тока.

Соотношение «мощность = напряжение, умноженное на ток» применяется независимо от того, какие единицы вы используете для измерения различных величин, при условии, что единицы согласованы друг с другом. Самыми простыми в использовании единицы являются вольт , ампер и ватт :

• ватт (Вт) = вольт (В) x ампер (A)
• киловатт (кВт) = киловольт (кВ) x ампер (A). ) = вольт (В) x килоампер (кА)
• мегаватт (МВт) = киловольт (кВ) x килоампер (кА) и т. д.

Мощность передается по линиям передачи и распределительным сетям и используется потребителем в дальнем конце.Для передачи заданной мощности у вас может быть высокое напряжение и низкий ток или наоборот.

Однако ток вызывает нагрев . Проще говоря, это происходит потому, что электроны, перемещаясь по проволоке, продолжают сталкиваться с атомами, составляющими проволоку, и эти столкновения вызывают нагрев. Нагрев увеличивается как квадрата тока.

Следовательно, для передачи заданного количества энергии, если вы используете низкое напряжение и большой ток, вы потратите гораздо больше энергии на нагрев проводов, чем при использовании высокого напряжения и низкого тока.Вот почему основная передача мощности выполняется при высоких напряжениях .

постоянного и переменного тока

В цепи постоянного тока (dc) напряжение и ток все время сохраняются в одном и том же направлении. Электроника с батарейным питанием, автомобильная электрика и железнодорожные магистрали к югу от Темзы — все это примеры цепей постоянного тока.

Однако большая часть передачи энергии осуществляется с помощью переменного тока (переменного тока). Частота в этой стране (и в других частях света, находящихся под влиянием британцев) составляет 50 герц (Гц).Америка использует 60 Гц. Один герц — это один цикл в секунду . Один цикл состоит из напряжения и тока, начинающихся с нуля, плавно возрастающих до максимума в одном направлении, снижающихся до того же значения в противоположном направлении и возвращающихся к нулю. Электроэнергия делает это 50 раз в секунду, поэтому каждый цикл длится от пятидесяти секунды до двадцати миллисекунд.

В настоящее время постоянный ток используется в энергосистемах только там, где действительно необходимо передавать мощность на очень большие расстояния или когда вы хотите соединить две разные системы переменного тока, но не хотите, чтобы они были синхронизированы (e .грамм. Великобритания и Франция).

Что касается переменного тока, то большинство концепций, используемых для описания постоянного тока, все еще применимы, но требуют небольших изменений. Напряжение и ток по-прежнему означают одно и то же. Однако, поскольку напряжение (или ток) постоянно меняется, но вы хотите описать его одним значением, вы должны определить, какое напряжение или ток вы имеете в виду. Вы можете определить напряжение как максимальное значение , достигаемое напряжением в любом направлении. Это называется амплитудой .Однако обычно определяют другую величину, называемую «среднеквадратичное значение» напряжения или тока. Rms означает «среднеквадратичное значение» . Для практических целей в электроэнергетике это просто постоянная часть амплитуды: среднеквадратичное значение = 0,71 x амплитуда, амплитуда = 1,41 x среднеквадратичное значение. (Коэффициент 1,41 — это квадратный корень из 2.) Среднеквадратичное значение используется потому, что переменный ток обычно оказывает такое же влияние, как и постоянный ток, когда его действующие значения такие же, как и у постоянного тока.

Значения в электроснабжении всегда выражаются в действительных величинах.Таким образом, 400 кВ — это действующее значение. Амплитуда (то есть максимальное напряжение) больше, 566 кВ.

Частоты и гармоники

Хотя электроснабжение в основном осуществляется с частотой 50 Гц, в любой практической энергосистеме всегда возникают небольшие значения тока и напряжения на других частотах. Эти частоты обычно точно кратны частоте сети и известны как гармоники . Таким образом, вторая гармоника , — 100 Гц, третья гармоника , — 150 Гц и т. Д.(Учтите, что музыканты считают свои гармоники иначе, чем инженеры-электрики!).

В электроэнергетике стараются поддерживать как можно более низкий уровень гармоник, и, как правило, в системе передачи они составляют менее 1%. Гармоники, как правило, самые низкие в системе передачи и становятся больше в распределительных цепях и еще больше в домах. Третья гармоника (150 Гц) имеет тенденцию быть наиболее значительной.

Термин «частоты мощности» часто используется для обозначения как 50 Гц, так и первых нескольких гармоник.Их также можно описать как «чрезвычайно низкие частоты» или ELF, что определяется как частоты от 30 до 300 Гц.

Фазы

В идеале в цепи переменного тока напряжение и ток равны точно в фазе , то есть они проходят через ноль в один и тот же момент времени, вместе достигают своих максимумов и т. Д. На практике они равны редко точно по фазе: имеется разность фаз , выраженная в градусах . Другой способ выразить разность фаз — коэффициент мощности .Коэффициент мощности, равный единице, эквивалентен нулевой разности фаз. С потребителей, как правило, взимается дополнительная плата от своей компании-поставщика, если их коэффициент мощности слишком далеко от единицы. Однако некоторые разности фаз вносятся не заказчиком, а цепями, по которым передается электричество.

Тот факт, что напряжение и ток могут не совпадать по фазе, вносит некоторые тонкости в расчет мощности. Это приводит к терминам «активная мощность» и «реактивная мощность» и количествам «МВА» и «МВАр» .Когда мы переходим от постоянного тока к переменному току, мы также должны расширить идею сопротивления , включив в него его партнеров по переменному току, реактивное сопротивление и импеданс .

С переменным током, как с постоянным током, вам все равно нужна полная цепь для протекания тока. Многие цепи переменного тока похожи на цепи постоянного тока, поскольку имеют два провода («выход» и «назад» или «выход» и «возврат»). Однако в системе питания используются три провода вместо двух. Это известно как «трехфазное» электричество , и оно более эффективно, поскольку для передачи в три раза большей мощности требуется всего в полтора раза больше проводов (три вместо двух).

Три фазы несут напряжения и токи, которые номинально 120 градусов не совпадают по фазе друг с другом. Их часто называют по цветам удобными этикетками, обычно красный , желтый и синий .

Когда три фазы имеют не совсем одинаковое напряжение и не совпадают по фазам точно на 120 градусов (что на практике всегда, из-за характера питаемых нагрузок), было бы вполне возможно описать систему тремя отдельными напряжениями и их фазами.Однако инженеры-электрики склонны описывать одно и то же по-другому. Это система «напряжение прямой последовательности» , «напряжение обратной последовательности» и «напряжение нулевой последовательности» (сокращенно pps , nps и zps «Фаза» часто опускается, отсюда, например, «напряжение нулевой последовательности» ). Это имеет то преимущество, что напряжения обратной и нулевой последовательности обычно малы, и когда три фазы находятся под углом точно 120 градусов, они полностью исчезают.

подробнее о том, как токи nps и zps влияют на магнитные поля

Трехфазное электричество ведет к еще одной тонкости в напряжениях. Напряжение между любыми двумя из трех фаз в 1,73 раза (корень квадратный из трех) больше, чем напряжение между любой одной фазой и землей. Следовательно, вы должны решить, подавать ли напряжение между фазами или фаза-земля . Электроэнергетика почти всегда дает линейные напряжения. Таким образом, 400 кВ — это 400 кВ между фазами и только 231 кВ между фазами и землей.Исключение составляет конечное напряжение распределения, которое может быть задано в любом случае. 230 В — фаза-земля, а 400 В — фаза-фаза. Обратите внимание, что строго до согласования с Европой эти напряжения составляли 240 В и 415 В.

Некоторые порядки величины:

• Цепь национальной сети 400 кВ может передавать 1 кА в каждой из трех фаз, таким образом передавая мощность 700 МВт.
• Распределительная цепь 132 кВ может выдерживать ток 300 А в каждой из трех фаз, таким образом передавая мощность 70 МВт.
• Распределительная цепь 11 кВ может выдерживать ток 150 А в каждой из трех фаз, таким образом передавая мощность 3 МВт.
• Конечная распределительная цепь 400 В может выдерживать ток 200 А в каждой из трех фаз, таким образом передавая мощность 150 кВт.

(Помните, что эти напряжения представляют собой межфазные напряжения, напряжения между фазой и землей в 1,73 раза ниже. Таким образом (400 кВ / 1,73) x 1 кА x 3 = 700 МВт.)

Преобразование и хранение электроэнергии

Напряжения изменяются трансформатором .Трансформаторы очень эффективны — около девяноста процентов — таким образом, мощность протекает через трансформатор с очень малым потреблением. Подстанция — это просто один или несколько трансформаторов плюс соответствующее распределительное устройство , и т. Д.

Для практических целей электричество переменного тока не может храниться в больших количествах. Небольшие количества электроэнергии хранятся в полях, например в трансформаторе и в районе ЛЭП. С помощью переменного тока единственный способ хранить большое количество электроэнергии в течение значительных периодов времени — это преобразовать электрическую энергию в какую-либо другую форму энергии, которая может быть сохранена (например,грамм. гравитационная потенциальная энергия в накопительной системе , химическая энергия в батарее ). Электроэнергия проходит через системы передачи и распределения, но нигде в них не хранится в обычном понимании.

Поля

Поле — это очень общее понятие в физике для области пространства, где существует величина с определенным значением в каждой точке области. У вас может быть поле почти из чего угодно, которое изменяется в пространстве: например, температура , а также более распространенные гравитационные и электрические и магнитные поля .

Термин «поле», однако, обычно используется только для вещей, которые способны оказывать силу . Формально поле определяется силой, которую оно оказывает на помещенный в него объект. Таким образом, формально гравитационное поле — это сила, действующая на единицу массы, электрическое поле — это сила, действующая на единичный электрический заряд, а магнитное поле может быть определено в терминах силы, действующей на единичный магнитный заряд. (На самом деле, магнитный заряд, вероятно, является плодом воображения физиков, но он имеет свое применение в качестве концепции, хотя почти наверняка не существует на самом деле.)

На практике более полезно рассматривать как электрические, так и магнитные поля как области вокруг электрических проводников, в которых эффекты могут ощущаться или измеряться. Электрические поля можно измерить, потому что они действуют на заряды; Магнитные поля можно измерить, потому что они оказывают силу на движущиеся заряды, то есть ток.

Электрические поля создаются при напряжениях , независимо от того, какой ток протекает и действительно ли он вообще течет. Магнитные поля создаются токами , независимо от напряжения.

Поле в любой точке создается всеми окружающими его источниками. Если доминирует один единственный источник, поле будет иметь простую форму. Если есть несколько значимых источников, поле может быть довольно сложным.

Поля изменяются во времени так же, как напряжение или ток, которые их создают. Таким образом, цепи постоянного тока создают поля постоянного тока (все время в одном и том же направлении), а цепи с частотой 50 Гц создают поля, которые меняют направление.

Если у нас один источник переменного тока или однофазная цепь, поле в любой точке просто колеблется взад и вперед по прямой линии. Это известно как линейная поляризация . Если у нас более одного источника, например в трехфазной цепи поле больше не должно колебаться по прямой линии. На самом деле он очерчивает эллипс . Это известно как «эллиптическая поляризация» . Крайний случай круговая поляризация .

Подробнее об эллиптической поляризации

Земля имеет естественное электрическое и магнитное поле .Это как статические поля, так и поля постоянного тока. Любые поля, создаваемые энергетической системой, накладываются поверх этих естественных полей. Магнитные поля с частотой 50 Гц часто (но не всегда) меньше поля Земли (которое составляет около 50 мкТл). Когда магнитное поле 50 Гц меньше статического, оно не влияет на среднее поле с течением времени; он просто делает поле немного больше в течение половины цикла и немного меньше во время второй половины.

Излучение

Хотя электрические поля создаются напряжением, а магнитные поля — токами, после их создания они могут взаимодействовать друг с другом.Переменное магнитное поле индуцирует электрическое поле. Взаимодействие описывается уравнениями Максвелла .

Уравнения Максвелла очень просто записать, но сложнее решить. Однако для настоящих целей достаточно знать, что на высоких частотах уравнения Максвелла работают таким образом, что электрическое и магнитное поле всегда связаны вместе как излучение . Они расположены под прямым углом друг к другу и распространяются со скоростью света.

В принципе, эта связь возникает на любой частоте. На практике он сильнее всего на высоких частотах и ​​постепенно ослабевает на более низких частотах. На частоте 50 Гц связь настолько мала, что излучение незначительно, и, по сути, электрическое и магнитное поля являются отдельными объектами, которые могут создаваться независимо. Таким образом, говорить о «излучении» на частоте 50 Гц некорректно.

подробнее об излучении

Один из способов отличить высокие частоты, где излучение действительно возникает, от низких частот, где его нет, — это подумать о длине волны .Длина волны — это расстояние между двумя последовательными циклами волны. Он всегда связан с частотой формулой длина волны = скорость света / частота . Скорость света составляет 3×10 ⁸ метров в секунду. Для 50 Гц длина волны очень большая, 6000 км . Радиоволны имеют длины волн, например 1500 м, микроволновые печи напр. 12 см, видимый свет напр. миллионная доля метра, рентгеновские лучи, например миллиардная метра.

Критерием излучения является то, находитесь ли вы в пределах одной длины волны от источника.Если у вас меньше длины волны, излучение будет слабым. Если ваша длина превышает длину волны, излучение будет значительным. Эти два режима называются областью «ближнего поля» и областью «дальнего поля» . При 50 Гц мы всегда находимся в пределах одной длины волны, 6000 км, от источника, поэтому мы всегда находимся в области ближнего поля, и излучение всегда незначительно.

Альтернативный термин для полей в области, где излучение незначительно, — «квазистатические поля» .

Физик всегда будет говорить о «электрических полях» , «магнитных полях» или «электромагнитном излучении» . Когда мы используем аббревиатуру «ЭМП», мы имеем в виду «электрические и магнитные поля» . Термин «электромагнитные поля» не имеет очень четкого значения, но обычно включает в себя как электрические, так и магнитные поля.

Серия тренингов по электричеству и электронике ВМС (NEETS), Модуль 1-3, с. 31-40

Модуль 1 — Введение в материю, энергию и постоянный ток
Страницы i, 1−1, 1-11, 1−21, 1−31, 1−41, 1−51, 1−61, 2−1, 2-11, 2−21, 3−1, 3-11, 3−21, 3−31, 3−41, 3−51, 3−61, 3−71, 3−81, 3-91, 3−101, г. 3−111, г. 3−121, Приложение Я, II, III, IV, V, Показатель

Дано:

Решение (а):

Решение (b):

Решение (c):

3-31

---

Решение (d):

При применении закона Ома к последовательной цепи важно учитывать, Используемые значения — это значения компонентов или итоговые значения.Когда доступная информация позволяет использовать закон Ома, чтобы найти общее сопротивление, общее напряжение и общий ток, в формулу необходимо указать общие значения. Чтобы найти общую сопротивление:

3-31

---

Чтобы найти полное напряжение:

Чтобы найти полный ток:

Примечание: IT равно I в последовательной цепи. Однако различие между ИТ и Я в формула должна быть отмечена.Причина этого в том, что в будущих схемах может быть несколько токов, и это будет необходимо. различать IT-токи от других токов.

Для вычисления любого количества (E, I, R или P), связанного с одним заданным резистором значения, используемые в формуле, должны быть получены от этого конкретного резистора. Для Например, чтобы найти значение неизвестного сопротивления, напряжения и тока через этот конкретный резистор должны быть использованы.

Чтобы узнать номинал резистора:

Чтобы найти падение напряжения на резисторе:

Чтобы найти ток через резистор:

Q21.Последовательная схема состоит из двух последовательно включенных резисторов. R1 = 25 Ом и R2 = 30 Ом. Ток в цепи — 6 ампер. Каково (а) напряжение источника, (б) напряжение, падающее на каждом резисторе, (в) общая мощность, и (d) мощность, потребляемая каждым резистором?

ЗАКОН Кирхгофа о напряжении

В 1847 г. Г. Р. Кирхгоф расширил применение закона Ома, разработав простую концепцию, касающуюся напряжений. содержится в последовательном шлейфе. Закон Кирхгофа по напряжению гласит:

«Алгебраическая сумма падений напряжения. на любом замкнутом пути в цепи, и электродвижущие силы на этом пути равны нулю.»

3-33

---

Чтобы сформулировать закон Кирхгофа по-другому, падения напряжения и источники напряжения в цепи равны при в любой момент времени. Если предполагается, что источники напряжения имеют один знак (положительный или отрицательный) в этот момент и предполагается, что падения напряжения имеют противоположный знак, в результате добавляются источники напряжения и падения напряжения будет ноль.

Примечание. Термины электродвижущая сила и ЭДС используются при объяснении закона Кирхгофа, поскольку Закон Кирхгофа используется в цепях переменного тока (рассматривается в Модуле 2).Применяя закон Кирхгофа, чтобы направить В цепях тока термины электродвижущая сила и ЭДС применяются к источникам напряжения, таким как батареи или источники питания.

Используя закон Кирхгофа, проблемы схемы могут быть решены, что было бы трудно, а десять — невозможно. со знанием только закона Ома. При правильном применении закона Кирхгофа можно составить уравнение для замкнутого петля и неизвестные значения схемы могут быть вычислены.

ПОЛЯРНОСТЬ Напряжение

Применить Закон напряжения Кирхгофа, следует понимать значение полярности напряжения.

В схеме, показанной на рисунке 3-22 показано, как ток течет против часовой стрелки. Обратите внимание, что оконечный резистор R1, в который ток течет, помечен как «отрицательный» (-). Конец R1, на котором ток уходит, помечен как положительный (+). Эти маркировка полярности используется, чтобы показать, что конец Ri, в который протекает ток, имеет более высокий отрицательный потенциал. чем конец резистора, на котором уходит ток. Точка А более негативна, чем точка Б.

Рисунок 3-22. — Полярность напряжения.

Точка C, имеющая тот же потенциал, что и точка B, помечена как отрицательная. Это означает, что С более отрицательно, чем точка D. Сказать, что точка положительная (или отрицательная), без указания полярности. не имеет значения. При работе с законом Кирхгофа положительная и отрицательная полярности назначаются
в направлении текущий поток.

3-34

---

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНА Кирхгофа о напряжении

Закон Кирхгофа о напряжении можно записать в виде уравнения, как показано ниже: Ea + Eb + Ec +.. . En = 0, где Ea, Eb и т. Д. — напряжение падения или ЭДС вокруг любого замкнутого контура. Чтобы создать уравнение для реальной схемы, выполните следующие действия. используется.

1. Предположим, что в цепи протекает направленный ток. (Желательно правильное направление но не обязательно.)

2. Используя предполагаемый ток направления, назначьте полярность для всех резисторов. по которому течет ток.

3. Соблюдайте полярность на всех источниках, включенных в схема.

4. Начиная с любой точки цепи, обведите цепь, записав количество и полярность напряжения последовательно на каждом компоненте. Используемая полярность — это знак ПОСЛЕ предполагаемый ток прошел через компонент. Остановитесь, когда будет достигнута точка, в которой была начата трассировка.
5. Поместите эти напряжения с их полярностями в уравнение и найдите требуемую величину. Пример: три резистора подключены к источнику 50 В.Какое напряжение на третьем резисторе, если падение напряжения на первых двух резисторах составляет 25 вольт и 15 вольт?

Решение: сначала диаграмма, например, показанный на рис. 3-23. Затем предполагается направленный ток (как показано). Используя этот ток, Маркировка полярности размещена на каждом конце каждого резистора, а также на клеммах источника. Начиная с точки A, обведите цепь в направлении тока, записывая напряжение и полярность каждого компонента.Запуск в точке a и используя компоненты схемы:

Подставляя значения из схемы:

3-35

---

Рисунок 3-23. — Определение неизвестного напряжения в последовательной цепи.

Используя ту же идею, что и выше, вы можете решить проблему, в которой ток является неизвестной величиной. Пример: схема с напряжением источника 60 В содержит три резистора 5 Ом, 10 Ом и 15 Ом.Находить ток цепи.

Решение: Нарисуйте и промаркируйте цепь (рис. 3-24). Установите направление тока потока и назначьте полярность. Затем, начиная с любой точки — в этом примере будет использоваться точка a — запишите уравнение цикла.

Рисунок 3-24. — Правильное направление предполагаемого тока.

3-36

---

Поскольку ток, полученный в приведенных выше расчетах, равен 2 амперам, предполагаемый ток направления было правильно.Чтобы показать, что произойдет, если предположить неправильное направление тока, проблема будет решена, как и раньше, но с противоположным направлением тока. Схема перерисовывается, показывая новое направление тока и новые полярности. на рисунке 3-25. Начиная с точки a уравнение цикла:

3-37

---

Рисунок 3-25. — Неправильное направление предполагаемого тока.

Обратите внимание, что текущая СУММА такая же, как и раньше.Однако полярность отрицательная. Отрицательный полярность просто указывает на неправильное направление тока. Если необходимо использовать этот ток в При дальнейших расчетах по схеме по закону Кирхгофа отрицательная полярность должна быть сохранена в расчетах.

Источники помощи и противодействия серии

Во многих практических приложениях схема может содержат более одного источника ЭДС. Источники ЭДС, которые заставляют ток течь в том же направлении, считаются быть ПОМОЩЬ серии и напряжения добавлены.Источники ЭДС, которые могут направлять ток в противоположных направлениях называются последовательными противоположными, а эффективное напряжение источника — это разница между противоположными напряжениями. Когда в цепь вставлены два противоположных источника, ток будет в направлении, определяемом большей величиной. источник. Примеры серийных вспомогательных и противостоящих источников показаны на рис. 3-26.

3-38

---

Рисунок 3-26.- Источники помощи и противодействия.

Простое решение для схемы с несколькими источниками может быть получено за счет использования напряжения Кирхгофа. закон. При применении этого метода для схемы с несколькими источниками используется та же процедура, что и для схемы с несколькими источниками. схема с одним источником. Это демонстрирует следующий пример.

Пример: использование напряжения Кирхгофа по уравнению, найдите величину тока в цепи, показанной на рис. 3-27.

Рисунок 3-27.-Решение для тока цепи с использованием уравнения напряжения Кирхгофа.

3-39

---

Решение: Как и прежде, предполагается направление протекания тока, и знаки полярности помещены на Рисунок. Уравнение цикла начнется в точке A.

E2 + ER1 + E 1 + E3 + ER2 = 0

Q22. Каким образом полярности напряжения соотносятся с падениями напряжения при использовании закона Кирхгофа? через резисторы?

Q23.Обратитесь к рисунку 3-27, если R1 был заменен на резистор 40 Ом, что бы быть значением тока цепи (IT)?

Q24. См. Рисунок 3-27. Какое эффективное напряжение источника схема с использованием резистора 40 Ом?

СРОКИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕПЕЙ

Прежде чем вы узнаете о других типах цепей, кроме последовательной цепи, вы должны ознакомиться с некоторые термины и характеристики, используемые в электрических схемах. Эти термины и характеристики будут использоваться повсюду вы изучаете электричество и электронику.

ОПОРНАЯ ТОЧКА

Контрольная точка — это произвольно выбранная точка, с которой сравниваются все остальные точки схемы. В последовательных цепях любая точка может быть выбранным в качестве эталона, и электрический потенциал во всех других точках может быть определен относительно этого точка. На рисунке 3-28 точку а следует считать точкой отсчета. Каждый последовательный резистор в показанной схеме равноценная. Приложенное напряжение равномерно распределяется по каждому резистору.Потенциал в точке B равен 25 вольт больше положительного, чем в точке A. Точки C и D на 50 и 75 вольт положительнее, чем точка a соответственно.

3-40

---

---

NEETS Содержание

• Введение в материю, энергию и прямое Текущий
• Введение в переменный ток и трансформаторы
• Введение в защиту цепей, управление, и измерение
• Введение в электрические проводники, проводку Методы и схемы чтения
• Общие сведения о генераторах и двигателях
• Введение в электронную эмиссию, трубки, и блоки питания
• Введение в твердотельные устройства и Блоки питания
• Введение в усилители
• Введение в генерацию и формирование волн Цепи
• Введение в распространение и передачу волн Линии и антенны
• Принципы СВЧ
• Принципы модуляции
• Введение в системы счисления и логические схемы
• Введение в микроэлектронику
• Принципы синхронизаторов, сервоприводов и гироскопов
• Знакомство с испытательным оборудованием
• Принципы радиочастотной связи
• Принципы работы радаров
• Справочник техника, Мастер-глоссарий
• Методы и практика испытаний
• Введение в цифровые компьютеры
• Магнитная запись
• Введение в волоконную оптику

Основы электрооборудования: Часть 1 — Журнал IAEI

Время чтения: 9 минут

Чем больше расследований несчастных случаев я провожу, тем больше убеждаюсь в том, что глубокое понимание основ электричества имеет решающее значение для решения сложных ситуаций.За последние двадцать лет я преподавал основы электричества больше, чем любой другой предмет. Большинство моих студентов — юристы. Чтобы понять, как произошла электрическая авария, они должны знать основы электричества.

Что такое электричество?

Чтобы ответить на этот вопрос, я сначала обратился к стандарту IEEE Standard 100, — Авторитетный словарь терминов стандартов IEEE . В нем содержится почти 35 000 статей, и в нем нет определения термина «электричество». Обратите внимание, что еще в 1992 году стандарт IEEE Standard 100 назывался Словарь терминов по электротехнике и электронике IEEE .Я предполагаю, что в какое-то время после 1992 года авторы IEEE Standard 100 осознали, что пытаться идти в ногу со всеми новыми электрическими и электронными терминами становится слишком сложно. Соблюдение терминов, используемых только в стандартах IEEE, было в пределах их досягаемости и контроля, поэтому название и область применения были изменены.

Критически важно использовать четко определенные отраслевые стандартные термины в судебных разбирательствах. Не удивляйтесь, если определение в стандарте IEEE Standard 100 будет отличаться от определения в публикации другого органа по стандартизации.

Затем я обратился к «Словарю американского наследия » . « Электроэнергия . Класс физических явлений, возникающих в результате существования и взаимодействия электрического заряда ». Это похоже на определение статического электричества. Сегодня я не говорю о статическом электричестве. Это еще одна банка с червями. Я говорю об электричестве, которое заставляет работать мой холодильник, телевизор, кондиционер и свет.

Как электрические инспекторы, мы обычно говорим об электричестве, используя такие термины, как напряжение, ток, ампер, сопротивление, ватты и ватт-часы.Необразованные в электричестве широкие слои населения часто используют термин «электричество» вместо более конкретных терминов, с которыми мы знакомы.

Ниже приведены примеры использования термина «электричество» населением.

«Сколько электричества в этих проводах?»

«Электричество в печи выскочило и укусило меня».

«Мой телевизор сгорел, потому что вы дали мне слишком много электричества».

Обратите внимание, что если мы заменим термин «напряжение» на электричество в предыдущих трех предложениях, мы сразу же лучше поймем, о чем говорит человек.Когда меня спрашивают: «Что такое электричество?» Я говорю им, что электричество — это наличие напряжения.

Почему одни материалы проводят электричество лучше, чем другие?

Распространенная аналогия, которую некоторые люди приходят при обсуждении тока, протекающего по проводу, — это вода, протекающая по трубе. Хотя между этими двумя идеями есть некоторое сходство, прохождение тока через провод сильно отличается от потока воды внутри трубы. Вода может течь по трубе, потому что внутри трубы есть пространство, заполненное воздухом.Вода может течь по трубе, выталкивая воздух. Внутри провода нет места. Проволока цельнометаллическая. Итак, как ток течет по проводу? По состоянию на 1967 год все известные человечеству материалы состоят из одного или комбинации до 103 элементов. Вы можете вспомнить учителей химии, которые ссылались на Периодическую таблицу, электронную таблицу, в которой перечислены все элементы по символам и атомным номерам. Все элементы состоят из атомов.

Атомы настолько малы, что мы не можем их увидеть даже в самые мощные микроскопы.На протяжении веков ученые пытались предсказать, как выглядит атом, чтобы объяснить его поведение. Образ атома, который хорошо подходит для описания электричества, — это атом Бора. В 1913 году датский физик Нильс Бор описал атом как состоящий из ядра, окруженного электронами.

Ядро состоит из протонов и нейтронов. Электроны движутся вокруг ядра по очень специфическим орбитам, подобным планетам, вращающимся вокруг Солнца. Максимальное количество электронов, которые могут вращаться вокруг ядра на ближайшей орбите, равно двум.На следующей орбите максимальное количество — восемь. На третьей орбите максимальное количество — восемнадцать.

Атомный номер элемента — это количество электронов, составляющих атомы элемента. Элементы, которые легко проводят ток, имеют всего несколько электронов на внешней орбите. Ток — это движение электронов от атома к атому внутри материала.

РИСУНОК 1. Атомная структура атомов и молекул

Ток измеряется в амперах, а для краткости — А.Хотя количество электронов в атоме не может измениться, атом может передать электрон другому атому, если он получит его одновременно. Все материалы в той или иной степени проводят ток. Некоторые ведут себя лучше, чем другие.

Четыре лучших проводника тока при комнатной температуре — это серебро, медь, золото и алюминий. Эти элементы гораздо более охотно передают свои электроны, чем другие материалы. Эти материалы обычно называют проводниками, потому что они имеют очень низкое сопротивление прохождению электронов.

Материалы, которые не передают электроны легко, называются изоляторами. Их сопротивление прохождению электронов очень велико. Некоторыми примерами изоляторов являются сухой воздух, фарфор, стекло, резина и пластмассы, такие как ПВХ и полиэтилен. Камера, в которой был откачан воздух, то есть весь или большая часть воздуха удалена, является очень хорошим изолятором, потому что не осталось или осталось очень мало атомов, которые могли бы передать свои электроны. Материалы, которые попадают между проводниками и изоляторами относительно их сопротивления прохождению электронов, часто называют полупроводниками.

Схема

Чтобы ток протекал внутри материала, электроны внутри атомов материала должны передаваться от одного атома к другому. Чтобы представить себе, что происходит, представим себе прямой кусок медного провода длиной шесть дюймов. Представим себе, что диаметр проволоки — это диаметр атомов внутри проволоки. Проволока настолько мала, что атомы, составляющие ее, выстроены в линию, как люди, стоящие в очереди. На внешней орбите каждого атома меди находится по одному электрону.Представим, что что-то пытается передать электрон атому на одном конце провода. Единственный способ, которым атом может принять электрон, — это если он одновременно передает его следующему атому. В любой момент времени каждый атом меди может иметь только один электрон на своей внешней орбите. Второй атом также должен отдать электрон третьему атому, чтобы он принял электрон от первого атома. Поскольку атом на другом конце провода не может передать электрон другому атому меди, передачи электронов не произойдет.

Как видите, линия атомов меди должна образовывать замкнутый контур или замкнутый контур для прохождения электронов. Когда петля разорвана, ток перестает течь. Это называется разомкнутой цепью.

Толчок

Когда мы хотим переместить объект, мы прикладываем к нему силу. Когда мы хотим переместить электроны, мы прилагаем особую силу, называемую электродвижущей силой или ЭДС. ЭДС измеряется в вольтах (сокращенно В). ЭДС может быть произведена химической реакцией, как в батарее.ЭДС также может создаваться устройством преобразования энергии, таким как генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую, или солнечным гальваническим элементом (солнечным элементом), который преобразует электромагнитное излучение (солнечный свет) в электрическую энергию. Устройства, которые производят ЭДС, пытаются переместить электроны атомов внутри устройства. В устройствах постоянного тока (DC) устройство пытается вытолкнуть электроны из одного вывода и пытается засосать их на другой вывод.

Величина силы, действующей на электроны, измеряется в вольтах и ​​обычно называется напряжением, а не величиной ЭДС.Никакой ток не течет извне от устройства, которое производит ЭДС, если нет замкнутой внешней цепи. Даже когда батарея не подключена к цепи из материала с высокой проводимостью, существует цепь, замыкаемая воздухом вокруг батареи. Поскольку сухой воздух является очень хорошим изолятором, величина протекающего тока настолько мала, что ее невозможно измерить.

Закон Ома и электрическое сопротивление

Когда мы говорим об электрическом сопротивлении материала, мы имеем в виду сопротивление материала пропусканию электронов.Электрическое сопротивление для расчетов обозначается буквой R и измеряется в омах (сокращенно греческой буквой). Чтобы измерить сопротивление материала, мы прикладываем к нему напряжение и измеряем, какой ток течет в результате действия напряжения. Затем рассчитывается сопротивление путем деления напряжения В на ток I .

РИСУНОК 2. Закон Ома

В расчетах для обозначения тока обычно используется буква I : R = V / I .Эта взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением известна как закон Ома, потому что он был экспериментально обнаружен немецким физиком Георгом Симоном Омом около 1840 года. Если мы умножим обе части уравнения на I , мы изменим форму уравнения на V = I x R . Если затем разделить обе части уравнения на R , мы изменим форму уравнения на I = V / R . Теперь у нас есть закон Ома в трех формах.Я пронумеровал каждое уравнение для дальнейшего использования.

V = I x R (1)

I = V / R (2)

R = V / I (3)

Если нам известны значения любых двух из трех элементов — тока, напряжения или сопротивления — мы можем вычислить третий. Позже я приведу несколько простых примеров и подробнее расскажу о сопротивлении, но сначала я хочу коснуться мощности.

РИСУНОК 3. Пример закона Ома

Мощность

В механических устройствах, таких как двигатели внутреннего сгорания, мощность. — это сила, которую двигатель прикладывает к объекту, умноженная на расстояние, на которое перемещается объект, деленное на время, за которое объект перемещается на это расстояние. Для расчетов мощность обозначается буквой P .

Механическая мощность часто измеряется в лошадиных силах (сокращенно л.с.). Например, если сила, необходимая для движения автомобиля со скоростью 30 миль в час (44 фута.в секунду) составляет 300 фунтов, тогда необходимая мощность составляет 300 фунтов x 44 фута / сек = 13 200 фут-фунтов / сек. Чтобы преобразовать в лошадиные силы, мы делим на 550. Мощность, необходимая для движения автомобиля, составляет 13 200/550 = 24 лошадиных силы.

В электрических устройствах мощность измеряется в ваттах (сокращенно Вт ). Одна лошадиная сила равна 746 Вт. Если бы электродвигатель мощностью в одну лошадиную силу был бы эффективен на 100 процентов, он потреблял бы 746 Вт мощности при передаче одной лошадиной силы. Когда электроны перемещаются от одного атома к другому в проводнике, т.е.То есть, когда по проволоке течет ток, внутри проволоки выделяется тепло из-за прохождения электронов. Мощность, генерируемая проводом в виде тепла, равна напряжению на проводе, умноженному на ток, протекающий в проводе: P = В x I .

Внутри лампы накаливания есть небольшой кусок проволоки, сделанный из вольфрама. Из-за очень высокой температуры плавления (3380 ° C) вольфрам очень хорошо работает в качестве нити накала в лампах. Если лампочка рассчитана на шестьдесят ватт, это количество энергии, которое она использует при работе с номинальным напряжением.

Сколько тока потребляет электрическая лампочка мощностью шестьдесят ватт при работе от 120 вольт?

Если мы разделим обе части приведенного выше уравнения на V , мы изменим форму уравнения на I = P / V . Используя это уравнение, мы можем рассчитать ток, протекающий в лампочке. I = 60 W / 120 V = 0,5 A . Для расчета сопротивления нити накала объединяем уравнения P = V x I и V = I x R , получаем P = I ² x R .Если мы разделим обе части уравнения на I ² , , мы изменим форму уравнения на R = P / I ² .

Используя это уравнение, сопротивление нити накала лампы составляет 60 Вт / (0,5 A x 0,5 A ) = 240 Вт.

Аналогичным образом, если мы объединим уравнения P = V x I и I = V / R , мы получим P = V ² / R R .Если мы умножим обе части уравнения на R и разделим обе части уравнения на P, , мы изменим форму уравнения на R = V ² / P .

Используя это уравнение, сопротивление нити накала лампы составляет (120 В x 120 В ) / 60 Вт = 240 Вт.

Решая для V и I в приведенных выше уравнениях, мы создаем два дополнительных уравнения.Теперь у нас есть девять уравнений мощности, связывающих мощность, напряжение, ток и сопротивление. Используя эти уравнения и закон Ома, если мы знаем любые два элемента, мы можем вычислить два других.

P = V x I (4)

В = P / I (5)

I = P / V (6)

P = I ² x R (7)

R = P / I ² (8)

I = квадратный корень (P / R) (9)

P = V ² / R (10)

R = V ² / P (11)

V = квадратный корень (R x P) (12)

Стандартные размеры проволоки

Размеры одножильных проводов определяются Американским калибром проводов (AWG).Чем выше калибр, тем меньше размер провода. Типичная домашняя проводка для розеток — медь 14 AWG. 14 AWG имеет диаметр 0,06408 дюйма. Следующим большим размером после 1 AWG является 0 AWG, обозначается как «одна штука» ¹ и обозначается как 1/0 AWG. Следующий больший размер, превышающий 1/0 AWG, — это 00 AWG, обозначаемый как «два сечения» и обозначаемый как 2/0 AWG. О более крупных и многопроволочных проводах я расскажу позже.

Измерение напряжения, тока и сопротивления

За последние сто лет для измерения напряжения, тока и сопротивления использовались различные инструменты.Сегодня наиболее распространенным электрическим испытательным прибором является цифровой мультиметр из-за его способности точно измерять напряжение, ток и сопротивление. Мы называли их вольт-ом-метрами (ВОМ).

Примечание технического редактора: Некоторые вещи никогда не меняются. Это верно для понимания основ теории электричества. В этой статье пересматриваются статьи, предоставленные IAEI Дэвидом Янгом в 2004-2006 гг. Пусть его слова и мудрость живут и продолжают давать вам понимание этой темы.

Перепечатано из журнала IAEI. Автор — Дэвид Янг, «Базовая серия по электричеству», с сентября / октября 2004 г. по январь / февраль 2006 г. .

Разница между ЭДС и разностью потенциалов

Терминология « разность потенциалов » является очень всеобъемлющим термином и используется во многих областях энергетики, таких как электрические и магнитные поля, однако Электродвижущая сила (ЭДС) используется исключительно в электрических схемы.Хотя оба термина измеряются в вольтах (В), между ними есть существенные различия.

Электродвижущая сила (ЭДС) может быть описана как общее напряжение в электрической цепи, создаваемое источником электричества. По сути, это энергия, необходимая для приведения в действие положительного заряда от отрицательной к положительной клемме батареи, когда электрическая цепь разомкнута.

ЭДС в основном измеряется в вольтах и ​​обозначается буквой E. Математически это можно описать как:

$ E = I (R + r) $

Где R + r — общее внешнее (цепь) и внутреннее сопротивление (источник) электрической цепи.

Разница потенциалов можно определить как общую работу, выполняемую для активации заряда между отрицательной клеммой и положительной клеммой источника (батареи). В момент замыкания электрической цепи (начинает течь ток) небольшая часть ЭДС расходуется на преодоление внутреннего сопротивления батареи. Эта энергия на единицу заряда известна как разность потенциалов.

Разница потенциалов также измеряется в вольтах и ​​математически может быть выражена как:

\ [V = E-Ir \]

Где r — внутреннее сопротивление батареи.

В этой статье рассматриваются ключевые различия между ЭДС и разницей потенциалов на основе сопротивления цепи, формул, величины, протекания тока, представления, рабочего поведения и прироста / потери электрической энергии.

Разница между ЭДС и разностью потенциалов

Характеристики	Электродвижущая сила (ЭДС)	Разница потенциалов (PD)
Определение	ЭДС разность потенциалов два электрода ячейки, когда ток не отводится от ячейки i.е. разомкнутая цепь	PD — это разность потенциалов между любыми двумя точками замкнутой электрической цепи.
Поведение сопротивления	Не зависит от сопротивления цепи	Это напрямую связано с сопротивлением между двумя точками измерения.
Источник против цепи	Термин «ЭДС» используется исключительно для ЭДС источника в электрической цепи	Он измеряется между любыми двумя точками данной электрической цепи
Формула	Формула для ЭДС: E = I (R + r) Где R + r = общее внешнее (цепь) и внутреннее (источник) сопротивление	Формула для PD: V = E-Ir Где R = ТОЛЬКО общее внешнее сопротивление
Величина напряжения	Это максимальное напряжение, которое мы можем получить от элемента.	Оно ВСЕГДА меньше максимального напряжения, которое может быть получено от элемента.
Атрибут текущего потока	Отвечает за постоянный ток в ячейке.	Не отвечает за постоянный ток в ячейке.
Представление	Обозначается буквой E	Обозначается буквой V
Оперативное поведение	Практически остается постоянным	Не остается постоянным
Прирост / потеря электроэнергии Энергия	ЭДС определяет выигрыш в электрической энергии электронами в электрической цепи.	PD определяет потерю электроэнергии электронами при движении по электрической цепи.

Расчеты электроэнергии Учебное пособие по химии

Вопрос: ЭДС 4,5 В производит 1 кг металлического натрия путем электролиза Na ⁺ .
Вычислите минимальное количество киловатт-часов электроэнергии, необходимое для производства металлического натрия.

Что вас просят сделать?

Рассчитать энергию в киловатт-часах
E =? кВтч

Какие данные (информацию) вы указали в вопросе?

Извлеките данные из вопроса:

В = ЭДС (напряжение) = 4.5 В

м (Na) = масса произведенного металлического натрия = 1 кг
Преобразуйте массу в кг в г, умножив на 1000
m (Na) = 1 кг × 1000 г / кг = 1000 г

Какая связь между тем, что вы знаете, и тем, что вам нужно выяснить?

(i) Рассчитайте количество молей произведенного металлического натрия:
моль (Na) = масса (Na) ÷ молярная масса (Na)
n (Na) = 1000 г ÷ 22.99 г моль ^-1 = 43,5 моль

(ii) Рассчитайте количество моль электронов, необходимое для производства 43,5 моль металлического натрия из ионов натрия:
Na ⁺ + e ^— → Na _(s)
мольное (стехиометрическое) соотношение e ^—: Na _(s) составляет 1: 1
Следовательно, для производства 43,5 моль металлического натрия необходимо 43,5 моль электронов.

(iii) Рассчитайте необходимое количество заряда Q:
Q = n (e ^— ) F
n (e ^— ) = 43.5 моль
F = 96,500 C моль ^-1 (из техпаспорта)
Q = 43,5 × 96 500 = 4 197 750 ° C

(iv) Рассчитайте требуемую энергию E в джоулях.
E = Q × V
Q = 4,197,750 ° C
В = 4,5 В
E = 4,197,750 × 4,5 = 18,889,875 Дж

Преобразовать энергию в джоулях в энергию в киловатт-часах

1 киловатт-час = 3.6 × 10 ⁶ Дж
1 Дж = 1 ÷ (3,6 × 10 ⁶ ) = 2,78 × 10 ^-7 кВтч
18,889,875 Дж = 18,889,875 × 2,78 × 10 ^-7 = 5,25 кВтч

Правдоподобен ли ваш ответ?

Обратный ход: рассчитайте ЭДС, необходимую для производства 1 кг Na _(s) , используя 5,25 кВтч энергии.
E = Q × V
Итак, V = E ÷ Q

E = 5.25 кВт · ч = 5,25 кВт · ч × 3,6 × 10 ⁶ Дж кВт · ч ^-1 = 1,89 × 10 ⁷ Дж
так, V = 1,89 × 10 ⁷ ÷ Q

Поскольку Q = n (e) F и F = 96 500, Q = 96 500 n (e)
так, V = 1,89 × 10 ⁷ ÷ (96,500n (e))

На 1 моль е получено 1 моль Na ⁺ ,
n (e) = n (Na ⁺ ) = масса / молярная масса = 1000 / 22,99 = 43,5
так, V = 1.