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.

В чем разница между электрическим потенциалом, разностью потенциалов (PD), напряжением и электродвижущей силой (EMF)?

В любом случае, простой ответ: ЭДС не является силой в механическом смысле. Он измеряет объем работы, которую необходимо проделать, чтобы единичный заряд перемещался по замкнутому контуру проводящего материала.

Давайте сделаем это более понятным. В статическом случае (игнорируя изменение во времени любого магнитного поля), электрическое поле в точке может быть получено исключительно из скаляра как отрицательное значение градиента этого скаляра. Этот скаляр в любой точке называется «электрическим потенциалом» в этой точке. Если две точки имеют разные потенциалы, мы говорим, что существует разность потенциалов. Очевидно, что разница в потенциалах, а не их абсолютные значения. Поэтому можно произвольно присвоить нулевое значение для некоторой фиксированной точки, потенциал которой можно считать постоянной, и сравнить потенциалы других точек по отношению к ней. Таким образом, не нужно всегда говорить о разности потенциалов, а просто о потенциалах.

Теперь, часто этот «электрический потенциал» в некоторой точке в проводнике или диэлектрике называют «напряжением» в этой точке, назначая значение напряжения равным нулю для земли, поскольку потенциал земли постоянен для всех практических целей.

Если нет изменений магнитного поля, то работа, выполненная единичным зарядом в замкнутом контуре, будет 0 0 , Но если магнитное поле меняется, то оно будет отличным от нуля. Напомним формулу:

∇ × E = — ∂ В ∂ T , ∇ × Е знак равно — ∂ В ∂ T ,

На самом деле это означает, что электрическое поле, полученное исключительно из скалярного потенциала, не может поддерживать электрический ток в замкнутой цепи. Таким образом, эдс подразумевает наличие какого-то источника, отличного от источника, который может производить только скалярный потенциал.

Следующее уравнение рассказывает всю историю:

Е = — ∇ ϕ — ∂ ∂ T , Е знак равно — ∇ φ — ∂ ∂ T ,

Как найти разность потенциалов между точками. Про разность потенциалов, электродвижущую силу и напряжение

Разность потенциалов

Известно, что одно тело можно нагреть больше, а другое меньше. Степень нагрева тела называется его температурой. Подобно этому, одно тело можно наэлектризовать больше другого. Степень электризации тела характеризует величину, называемую электрическим потенциалом или просто потенциалом тела.

Что значит наэлектризовать тело? Это значит сообщить ему электрический заряд , т. е. прибавить к нему некоторое количество электронов, если мы тело заряжаем отрицательно, или отнять их от него, если мы тело заряжаем положительно. В том и другом случае тело будет обладать определенной степенью электризации, т. е. тем или иным потенциалом, причем тело, заряженное положительно, обладает положительным потенциалом, а тело, заряженное отрицательно, — отрицательным потенциалом.

Разность уровней электрических зарядов двух тел принято называть разностью электрических потенциалов или просто разностью потенциалов .

Следует иметь в виду, что если два одинаковых тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то между ними также будет существовать разность потенциалов.

Кроме того, разность потенциалов существует между двумя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Так, например, если какое-либо тело, изолированное от земли, имеет некоторый потенциал, то разность потенциалов между ним и землей (потенциал которой принято считать равным нулю) численно равна потенциалу этого тела.

Итак, если два тела заряжены таким образом, что потенциалы их неодинаковы, между ними неизбежно существует разность потенциалов.

Всем известное явление электризации расчески при трении ее о волосы есть не что иное, как создание разности потенциалов между расческой и волосами человека.

Действительно, при трении расчески о волосы часть электронов переходит на расческу, заряжая ее отрицательно, волосы же, потеряв часть электронов, заряжаются в той же степени, что и расческа, но положительно. Созданная таким образом разность потенциалов может быть сведена к нулю прикосновением расчески к волосам. Этот обратный переход электронов легко обнаруживается на слух, если наэлектризованную расческу приблизить к уху. Характерное потрескивание будет свидетельствовать о происходящем разряде.

Говоря выше о разности потенциалов, мы имели в виду два заряженных тела, однако разность потенциалов можно получить и между различными частями (точками) одного и того же тела.

Так, например, рассмотрим, что произойдет в , если под действием какой-либо внешней силы нам удастся свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместить к одному концу ее. Очевидно, на другом конце проволоки получится недостаток электронов, и тогда между концами проволоки возникнет разность потенциалов.

Стоит нам прекратить действие внешней силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к концу проволоки, заряженному положительно, т. е. к месту, где их недостает, и в проволоке вновь наступит электрическое равновесие.

Электродвижущая сила и напряжение

Д ля поддержания электрического тока в проводнике необходим какой-то внешний источник энергии, который все время поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника.

Такими источниками энергии служат так называемые источники электрического тока , обладающие определенной электродвижущей силой , которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов на концах проводника.

Электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) обозначается буквой Е . Единицей измерения ЭДС служит вольт. У нас в стране вольт сокращенно обозначается буквой «В», а в международном обозначении — буквой «V».

Итак, чтобы получить непрерывное течение , нужна электродвижущая сила, т. е. нужен источник электрического тока.

Первым таким источником тока был так называемый «вольтов столб», который состоял из ряда медных и цинковых кружков, проложенных кожей, смоченной в подкисленной воде. Таким образом, одним из способов получения электродвижущей силы является химическое взаимодействие некоторых веществ, в результате чего химическая энергия превращается в энергию электрическую. Источники тока, в которых таким путем создается электродвижущая сила, называются химическими источниками тока .

В настоящее время химические источники тока — гальванические элементы и аккумуляторы — широко применяются в электротехнике и электроэнергетике.

Другим основным источником тока, получившим широкое распространение во всех областях электротехники и электроэнергетики, являются генераторы .

Генераторы устанавливаются на электрических станциях и служат единственным источником тока для питания электроэнергией промышленных предприятий, электрического освещения городов, электрических железных дорог, трамвая, метро, троллейбусов и т. д.

Как у химических источников электрического тока (элементов и аккумуляторов), так и у генераторов действие электродвижущей силы совершенно одинаково. Оно заключается в том, что ЭДС создает на зажимах источника тока разность потенциалов и поддерживает ее длительное время.

Эти зажимы называются полюсами источника тока. Один полюс источника тока испытывает всегда недостаток электронов и, следовательно, обладает положительным зарядом, другой полюс испытывает избыток электронов и, следовательно, обладает отрицательным зарядом.

Соответственно этому один полюс источника тока называется положительным (+), другой — отрицательным (-).

Источники тока служат для питания электрическим током различных приборов — . Потребители тока при помощи проводников соединяются с полюсами источника тока, образуя замкнутую электрическую цепь. Разность потенциалов, которая устанавливается между полюсами источника тока при замкнутой электрической цепи, называется напряжением и обозначается буквой U.

Единицей измерения напряжения, так же как и ЭДС, служит вольт.

Если, например, надо записать, что напряжение источника тока равно 12 вольтам, то пишут: U — 12 В.

Для измерения или напряжения применяется прибор, называемый вольтметром.

Чтобы измерить ЭДС или напряжение источника тока, надо вольтметр подключить непосредственно к его полюсам. При этом, если разомкнута, то вольтметр покажет ЭДС источника тока. Если же замкнуть цепь, то вольтметр уже покажет не ЭДС, а напряжение на зажимах источника тока.

ЭДС, развиваемая источником тока, всегда больше напряжения на его зажимах.

Разностью потенциалов между точками 1 и 2 называется работа, совершаемая силами поля при перемещении единичного положительного заряда по произвольному пути из точки 1 в точку 2. для потенциальных полей эта работа не зависит от формы пути, а определяется только положениями начальной и конечной точек

потенциал определен с точностью до аддитивной постоянной. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда q по произвольному пути из начальной точки 1 в конечную точку 2 определяется выражением

Практической единицей потенциала является вольт. Вольт есть разность потенциалов между такими точками, когда при перемещении одного кулона электричества из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в один джоуль.

1 и 2 — бесконечно близкие точки, расположенные на оси х, так что Х2 — х1 = dx.

Работа при перемещении единицы заряда из точки 1 в точку 2 будет Ех dx. Та же работа равна . Приравнивая оба выражения, получим

— градиент скаляра

Градиент функцииесть вектор, направленный в сторону максимального возрастания этой функции, а его длина равна производной функциив том же направлении. Геометрический смысл градиента– эквипотенциальные поверхности (поверхности равного потенциала) поверхность, на которой потенциал остается постоянным.

13 Потенциал зарядов

Потенциал поля точечного заряда q в однородном диэлектрике .

— электрическое смещение точечного заряда в однородном диэлектрикеD –вектор электрической индукции или электрического смещения

В качестве постоянной интегрирования следует взять нуль, чтобы при потенциал обратился в ноль, тогда

Потенциал поля системы точечных зарядов в однородном диэлектрике.

Используя принцип суперпозии получаем:

Потенциал непрерывно распределенных электрических зарядов.

— элементы объема и заряженных поверхностей с центрами в точке

В случае если диэлектрик неоднороден, то интегрирование надо распространить и на поляризационные заряды. Включение таких

зарядов автоматически учитывает влияние среды, и величину вводить не надо

14 Электрическое поле в веществе

Электрическое поле в веществе. Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля, создаваемого заряженными частицами вещества. Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики. Проводник — это тело или материал, в котором электрические заряды начинают перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому эти заряды называют свободными. В металлах свободными зарядами являются электроны, в растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) — ионы. Диэлектрик — это тело или материал, в котором под действием сколь угодно больших сил заряды смещаются лишь на малое, не превышающее размеров атома расстояние относительно своего положения равновесия. Такие заряды называются связанными. Свободные и связанные заряды. СВОБОДНЫЕ ЗАРЯДЫ 1) избыточные электрич. заряды, сообщённые проводящему или непроводящему телу и вызывающие нарушение его электронейтральности. 2) Электрич. заряды носителей тока. 3) положит. электрич. заряды атомных остатков в металлах. СВЯЗАННЫЕ ЗАРЯДЫ Электрич. заряды частиц, входящих в состав атомов и молекул диэлектрика, а также заряды ионов в кристаллич. диэлектриках с ионной решёткой.

Пусть мы имеем бесконечное равномерное электрическое поле. В точке М помещен заряд + Q- Предоставленный самому себе заряд +Q под действием электрических сил поля будет перемещаться в направлении поля на бесконечно большое расстояние. На это перемещение заряда будет затрачена энергия электрического поля. Потенциалом данной точки поля называется работа, которую затрачивает электрическое поле, когда оно перемещает положительную единицу заряда из данной точки поля в бесконечно удаленную точку. Чтобы переместить заряд +Q из бесконечно удаленной точки снова в точку М, внешние силы должны произвести работу А, идущую на преодоление электрических сил поля. Тогда для потенциала точки М получим:

Таким образом, абсолютная электростатическая единица потенциала больше практической единицы — вольта в триста раз.

Если заряд, равный 1 кулону, из бесконечно удаленной точки перемещается в точку поля, потенциал которой равен 1 вольту, то при этом совершается работа в 1 джоуль. Если же в точку поля с потенциалом 10 в из бесконечно удаленной точки перемещается 15 кулонов электричества, то совершается работа 10 -15 = 150 джоулей.

Математически эта зависимость выражается формулой:

Чтобы переместить из точки А с потенциалом 20 в в точку В с потенциалом 15 в 10 кулонов электричества, поле должно совершить работу:

Изучая электрическое поле, отметим, что в этом поле разность потенциалов двух точек поля называется также напряжением между ними, измеряется в вольтах и обозначается буквой U.

Работу сил электрического поля можно записать и так:

Для того чтобы заряд q переместить вдоль линий поля из одной точки однородного поля в другую, находящуюся на расстоянии l, нужно проделать работу:

Такова простейшая зависимость между напряженностью электрического поля и электрическим напряжением для однородного поля.

Расположение точек с равным потенциалом вокруг поверхности заряженного проводника зависит от формы этой поверхности. Если взять, например, заряженный металлический шар, то точки с равным потенциалом в электрическом поле, созданном шаром, будут лежать на сферической поверхности, окружающей заряженный шар. Поверхность равного потенциала, или, как.ее еще называют, эквипотенциальная поверхность, служит удобным графическим способом для изображения поля. На фиг. 13 представлена картина эквипотенциальных поверхностей положительно заряженного шара.

Для наглядного представления о том, как изменяется разность потенциалов в данном поле, эквипотенциальные поверхности следует чертить так, чтобы разность потенциалов между точками, лежащими на двух со-

Седних поверхностях, была одна и та же, например равная 1 в. Первоначальную, нулевую, эквипотенциальную поверхность очертим произвольным радиусом. Остальные поверхности 1, 2, 3, 4 чертим так, чтобы разность потенциалов между точками, лежащими на данной поверхности и на соседних поверхностях, составляла 1 в. Согласно определению эквипотенциальной поверхности разность потенциалов между отдельными точками, лежащими на одной и той же поверхности, равна нулю; поэтому заряд перемещается по эквипотенциальной поверхности без затраты работы. Из этой фигуры видно, что по мере приближения к заряженному телу эквипотенциальные поверхности располагаются теснее друг к другу, так как потенциал точек поля увеличивается, а разность потенциалов между соседними поверхностями, согласно принятому условию, остается одной и той же. И, наоборот, по мере удаления от заряженного тела эквипотенциальные поверхности располагаются реже. Электрические силовые линии перпендикулярны к эквипотенциальной поверхности в любой точке, так как только при условии перпендикулярности силы и перемещения работа электрических сил при движении заряда по эквипотенциальной поверхности может быть равной нулю. Сама поверхность заряженного проводника представляет собой эквипотенциальную поверхность, т. е. все точки поверхности проводника имеют одинаковый потенциал. Тот же потенциал имеют все точки внутри проводника.

Если взять два проводника с различными потенциалами и соединить их металлической проволокой, то, так как между концами проволоки имеется разность потенциалов или напряжение, вдоль проволоки будет действовать электрическое поле. Свободные электроны проволоки под действием поля придут в движение в направлении возрастания потенциала, т. е. по проволоке начнет проходить электрический ток. Движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока потенциалы проводников не станут равными, а разность потенциалов между ними не станет равной нулю.

Если два сосуда с различными уровнями воды соединить снизу трубкой, то по трубке потечет вода. Движение воды будет продолжаться до тех пор, пока уровни воды в сосудах не установятся на одной высоте, а разность уровней не станет равной нулю.

Так как всякий заряженный проводник, соединенный с землей, теряет практически весь свой заряд, то потенциал земли условно принимается равным нулю.

Для того чтобы дать более глубокое определение уже знакомой нам по восьмому классу физической величине, вспомним определение потенциала точки поля и как просчитать работу электрического поля.

Потенциал, как мы помним, это отношение потенциальной энергии заряда, помещенного в некую точку поля, к величине этого заряда, или же это работа, которую выполнит поле, если поместить в эту точку единичный положительный заряд.

Здесь — потенциальная энергия заряда; — величина заряда. Как мы помним из механики для подсчета выполненной работы поля над зарядом: .

Распишем теперь потенциальную энергию, используя определение потенциала: . И выполним некоторые алгебраические преобразования:

Таким образом, получаем, что .

Для удобства введем особую величину обозначающую разность под скобками: .

Определение: напряжение (разность потенциалов) — отношение работы, выполняемой полем при переносе заряда из начальной точки в конечную, к величине этого заряда.

Единица измерения — В — вольт:
.

Особое внимание стоит обратить на то, что, в отличие от стандартного понятия в физике разности (алгебраическая разность некоторой величины в конечный момент и той же величины в начальный момент), для нахождения разности потенциалов (напряжения) следует от начального потенциала отнять конечный.

Для получения формулы этой связи мы, как и на прошлом уроке, для простоты воспользуемся случаем однородного поля, создаваемого двумя заряженными разноименно пластинками (см. рис. 1).

Рис.1. Пример однородного поля

Векторы напряженности в этом случае всех точек поля между пластинами имеет одно направление и один модуль. Теперь же если вблизи положительной пластины поместить положительный заряд, то под действием кулоновской силы он, естественно, переместится в сторону отрицательной пластины. Таким образом, поле совершит некоторую работу над этим зарядом. Запишем определение механической работы: . Здесь — модуль силы; — модуль перемещения; — угол между векторами силы и перемещения.

В нашем случае векторы силы и перемещения сонаправлены (положительный заряд отталкивается от положительного и притягивается к отрицательному), поэтому угол равен нулю, а косинус — единице: .

Распишем силу через напряженность, а модуль перемещения обозначим как d — расстояние между двумя точками — началом и концом движения: .

В то же время . Приравняв правые части равенств, мы получим искомую связь:

Отсюда следует, что напряженность также может измеряться в .

Отойдя от нашей модели однородного поля, особое внимание следует уделить неоднородному полю, которое создается заряженным металлическим шаром. Из экспериментов доступен тот факт, что потенциал любой точки внутри или на поверхности шара (полого или сплошного) не меняет своего значения, а именно:
.

Здесь — электростатический коэффициент; — полный заряд шара; — радиус шара.

Эта же формула справедлива и для расчета потенциала поля точечного заряда на расстоянии от этого заряда.

Энергия взаимодействия двух зарядов

Как определить энергию взаимодействия двух заряженных тел, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (см. рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие двух тел, расположенных на некотором расстоянии r

Для этого представим всю ситуацию: как будто тело 2 находится во внешнем поле тела 1. Соответственно, теперь энергию взаимодействия можно назвать потенциальной энергией заряда 2 во внешнем поле, формулу для которой мы знаем: .

Теперь, зная характер внешнего поля (поле точечного заряда), нам известна формула для подсчета потенциала в точке на определенном расстоянии от источника поля:
.

Подставим второе выражение в первое и получим окончательный результат:
.

Если бы мы изначально представили, что это заряд 1 находится во внешнем поле заряда 2, то, конечно же, результат не поменялся бы.

В электростатике интересно выделить все точки пространства, имеющие одинаковый потенциал. Такие точки образуют собой определенные поверхности, которые названы эквипотенциальными.

Определение: эквипотенциальные поверхности — поверхности, у каждой точки которых одинаковый потенциал. Если нарисовать такие поверхности и нарисовать силовые линии напряженности этого же электрического поля, то можно заметить, что эквипотенциальные поверхности всегда перпендикулярны силовым линиям, и, кроме того, силовые линии всегда направлены в сторону уменьшения потенциала (см. рис. 3).

Рис. 3. Примеры эквипотенциальных поверхностей

Еще один важный факт об эквипотенциальных поверхностях: исходя из определения, разность потенциалов между любыми точками на такой поверхности равна нулю (потенциалы равны), а значит, работа поля по перемещению заряда из одной точки эквипотенциальной поверхности в другую также равна нулю.

На следующем уроке мы более подробно рассмотрим поле двух заряженных пластин, а именно: прибор конденсатор и его свойства.

1) Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) М.: Мнемозина. 2012 г.

2) Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. М.: Илекса. 2005 г.

3) Касьянов В.А. Физика 10 класс. М.: Дрофа. 2010 г.

1) Интернет-сайт «Физикон» ()

Домашнее задание

1) Стр. 95: № 732 — 736. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. М.: Дрофа 2013 г. ()

2) В точке с потенциалом 300 В заряженное тело имеет потенциальную энергию -0,6 мкДж. Какой заряд тела?

3) Какую кинетическую энергию получил электрон, пройдя ускоряющую разность потенциалов 2 кВ?

4) По какой траектории следует перемещать заряд в электрическом поле, чтобы работа его была минимальной?

5) *Нарисуйте эквипотенциальные поверхности поля, создаваемого двумя разноимёнными зарядами.

Тема: что такое электрическое напряжение тока и разность потенциалов.

Пожалуй, одним из самых часто употребляемых выражений у электриков, является понятие электрическое напряжение. Его так же называют разность потенциалов и не совсем верное словосочетание, такое как напряжение тока, ну смысл у названий по сути общий. А что на самом деле обозначает это понятие? Пожалуй, для начала приведу книжную формулировку: электрическое напряжение — это отношение работы электрического поля зарядов при передачи пробного заряда из точки 1 в точку 2 . Ну а простыми словами говоря, это объясняется так.

Напомню Вам, что заряды бывают двух видов, это положительные со знаком «+» и отрицательные со знаком «-». Большинство из нас в детстве игрались с магнитиками, которые были честно добыты из очередной сломаной машинки с электромоторчиком, где они и стояли. Так вот когда мы пытались приблизить эти самые магниты друг к другу, то в одном случае они притягивались, а если развернуть один из них наоборот, то соответственно отталкивались.

Это происходило, потому что у любого магнита существует два полюса, это южный и северный. В том случае, когда полюса одинаковые, то магнитики будут отталкиваться, ну а когда разноименные, притягиваться. То же самое происходит и с электрическими зарядами, причем сила взаимодействия зависит от количества и разноимённости этих заряженных частиц. Проще говоря, чем на одном предмете больше «плюса», а на другом соответственно «минуса», тем сильнее они будут притягиваться друг к другу. Либо наоборот, отталкиваться при одинаковом заряде (+ и + или — и -).

Теперь представим, что у нас есть два небольших железных шарика. Если мысленно заглянуть в них, можно увидеть огромное множество маленьких частичек, которые расположены друг от друга на не большом расстоянии и неспособны к свободному передвижению, это ядра нашего вещества. Вокруг этих частичек с невероятно большой скоростью вращаются более мелкие частички, под названием электроны . Они могут оторваться от одних ядер и присоединятся к другим, тем самым путешествуя по всему железному шарику. В случае, когда количество электронов соответствует количеству протонов в ядре, шарики электрически нейтральны.

А вот если каким-то образом забрать некоторое количество, такой шарик будет стремиться притянуть к себе это самое, недостающее количество электронов, тем самым образуя вокруг себя положительное поле со знаком «+». Чем больше не хватает электронов, тем сильней будет это положительное поле . В соседнем шарике сделаем на оборот и добавим лишних электронов. В итоге получим избыток и соответственно такое же электрическое поле , но со знаком «-».

В результате получим два потенциала, один из которых жаждет получить электроны, ну а второй от них избавится. В шаре с избытком возникает теснота и эти частицы, вокруг которых существует поле, толкаются и выталкивают друг друга из шара. А там где их недостаток, соответственно происходит что-то наподобие вакуума, который пытается втянуть в себя эти электроны . Это наглядный пример разности потенциалов и не что иное как напряжение между ними. Но, стоит только эти железные шары соединить между собой, как произойдёт обмен и напряжение пропадёт, поскольку образуется нейтральность.

Грубо говоря, эта сила стремления заряженных частиц, перейти от более заряженных частей к менее заряженным между двумя точками и будет разностью потенциалов. Давайте мысленно представим провода, которые подключены к батарейке от обычного карманного фонарика. В самой батарейке происходит химическая реакция, в результате которой возникает избыток электронов («-»), внутри батареи они выталкиваются на отрицательную клемму. Эти электроны стремятся, вернутся на своё место, откуда их до этого и вытолкали.

Внутри батареи у них не получается, значит остаётся ждать момента, когда им сделают мостик в виде электрического проводника и по которому они быстро перебегут на плюсовую клемму батареи, куда их притягивает. А пока мостика нет, то и будет желание перейти в виде этого самого электрического напряжения или разности потенциалов (напряжение тока).

Приведу некоторый аналогичный пример на ином представлении. Имеется обычный водопроводный кран с водой. Кран закрыт и, следовательно, вода не пойдёт из него, но внутри вода всё равно есть и более того, она там находится под некоторым давлением, она из-за этого давления стремится вырваться наружу, но ей мешает закрытый кран. И как только Вы повернёте ручку краника, вода тут же побежит. Так вот это давление и можно приблизительно сравнить с напряжением, а воду с заряженными частицами. Сам поток воды будет в данном примере выступать как электрический ток в самих проводах, а закрытый краник в роли электрического выключателя. Этот пример я привел только лишь для наглядности, и он не является полной аналогией!

Как ни странно, но люди не тесно связанные с профессией электрика, довольно часто называют электрическое напряжение , выражениемнапряжение тока и это является неправильной формулировкой, поскольку напряжение, как мы выяснили это разность потенциалов электрических зарядов, а ток, это сам поток этих заряженных частиц. И получается что, произнося напряжение тока в итоге небольшое несоответствие самого понятия.

Напряжение , так же как и все иные величины, имеет свою единицу измерения. Она измеряется в Вольтах. Это те самые вольты, которые пишутся на устройствах и источниках питания. Например, в обычной домашней розетки 220 В, или купленная вами батарейка с напряжением 1.5 В. В общем, думаю, вы поняли в общих чертах, что же такое это самое электрическое напряжение. В этой статье я основывался лишь на простом понимании этого термина и не вдавался в глубины формулировок и формул, чтобы не усложнять понимание. На самом деле эту тему можно гораздо шире изучить, но это уже зависит от Вас и Вашего желания.

P.S. Будьте внимательны при работе с электричеством, высокое напряжение опасно для жизни.

Последовательное и параллельное соединения источников тока

Решение:
Внутреннее сопротивление элементов

Сопротивление параллельно включенных резисторов

Общая э. д. с. элементов e0=2e Согласно закону Ома для полной цепи

15 Сопротивления резисторов R₁ и R₂ и э. д. с. ε₁ и ε₂ источников тока в схеме, изображенной на рис. 127, известны. При какой э.д.с. ε₃ третьего источника ток через резистор R₃ не течет?

Решение:
Выберем направления токов I₁, I₂ и I₃ через резисторы R₁, R₂ и R₃, указанные на рис. 363. Тогда I₃=I₁+I₂. Разность потенциалов между точками а и b будет равна

Если

Исключая I1 находим

16 Цепь из трех одинаковых последовательно соединенных элементов с э.д.с. ε и внутренним сопротивлением r замкнута накоротко (рис. 128). Какое напряжение покажет вольтметр, подключенный к зажимам одного из элементов?

Решение:
Рассмотрим ту же схему без вольтметра (рис. 364). Из закона Ома для полной цепи находим

Из закона Ома для участка цепи между точками а и b получим

Подключение вольтметра к точкам, разность потенциалов между которыми равна нулю, ничего не может изменить в цепи. Поэтому вольтметр будет показывать напряжение, равное нулю.

17 Источник тока с э.д.с. ε₀ включен в схему, параметры которой даны на рис. 129. Найти э.д.с. ε источника тока и направление его подключения к выводам а и b, при которых ток через резистор с сопротивлением R₂ не идет.

Решение:
Подключим источник тока к выводам а и b и выберем направления токов, указанные на рис. 365. Для узла е имеем I=I₀+I₂. При обходе контуров aefb и ecdf по часовой стрелке получим

Используя условие I2 = 0, находим

Знак минус показывает, что полюсы источника тока на рис. 365 нужно поменять местами.

18 Два элемента с одинаковыми э.д.с. ε включены в цепь последовательно. Внешнее сопротивление цепи R = 5 Ом. Отношение напряжения на зажимах первого элемента к напряжению на зажимах второго элемента равно 2/3. Найти внутренние сопротивления элементов r₁ и r₂, если r₁=2r₂.

Решение:


19 Два одинаковых элемента с э.д.с. ε=1,5 В и внутренним сопротивлением r = 0,2 Ом замкнуты на резистор, сопротивление которого составляет в одном случае R₁=0,2 Oм, В другом — R₂ = 20 Ом. Как нужно соединить элементы (последовательно или параллельно) в первом и во втором случаях, чтобы получить наибольший ток в цепи?

Решение:
При параллельном соединении двух элементов внутреннее сопротивление и э.д.с. равны r/2 и ε при последовательном соединении они равны 2r и 2ε. Через резистор R при этом текут токи

Отсюда видно, что I₂>I₁, если R/2+r<R+r/2, т. е. если r₁=r; следовательно, токи при параллельном и последовательном соединениях одинаковы. Во втором случае R₂>r.Поэтому ток больше при последовательном соединении.

20 Два элемента с э.д.с. ε₁=4В и ε₂ = 2В и внутренними сопротивлениями r₁ = 0,25 Ом и r₂ = 0,75 Ом включены в схему, изображенную на рис. 130. Сопротивления резисторов R₁ = 1 Ом и R₂ = 3 Ом, емкость конденсатора С=2 мкФ. Найти заряд на конденсаторе.

Решение:


21 К батарее из двух параллельно включенных элементов с э.д.с. ε₁ и ε₂ и внутренними сопротивлениями r₁ и r₂ подключен резистор с сопротивлением R. Найти ток I, текущий через резистор R, и токи I₁ и I₂ в первом и втором элементах. При каких условиях токи в отдельных цепях могут быть равными нулю или изменять свое направление на обратное?

Решение:
Выберем направления токов, указанные на рис. 366. Для узла b имеем I-I₁-I₂=0. При обходе контуров abef и bcde по часовой стрелке получим

Из этих уравнений находим

Ток I=0 тогда, когда изменена полярность включения одного из элементов и, кроме того, выполнено условие

Ток I1=0 при

а ток I2 = 0 при

Токи I₁ и I₂ имеют направления, указанные на рис.366, если

Они меняют свое направление при

22 Батарея из n одинаковых аккумуляторов, соединенных в одном случае последовательно, в другом— параллельно, замыкается на резистор с сопротивлением R. При каких условиях ток, текущий через резистор, в обоих случаях будет один и тот же?

Решение:
При n(R-r) = R-r. Если R=r, то число элементов произвольно; если R№r, задача не имеет решения (n=1).

23 Батарея из n = 4 одинаковых элементов с внутренним сопротивлением r=2 Ом, соединенных в одном случае последовательно, в другом — параллельно, замыкается на резистор с сопротивлением R=10Ом. Во сколько раз показание вольтметра н одном случае отличается от показания вольтметра в другом случае? Сопротивление вольтметра велико по сравнению с R и r.

Решение:

где V₁ — показание вольтметра при последовательном соединении элементов, V₂-при параллельном.

24 Как изменится ток, текущий через резистор с сопротивлением R = 2 Ом, если n =10 одинаковых элементов, соединенных последовательно с этим резистором, включить параллельно ему? Э.д.с. элемента ε = 2 В, его внутреннее сопротивление r = 0,2 Ом.

Решение:


25 Батарея составлена из N=600 одинаковых элементов так, что n групп соединены последовательно и в каждой из них содержится т элементов, соединенных параллельно. Э.д.с. каждого элемента ε = 2 В, его внутреннее сопротивление r = 0,4 Ом. При каких значениях n и m батарея, будучи замкнута на внешнее сопротивление R = 0,6 Ом, отдаст во внешнюю цепь максимальную мощность? Найти при этом ток, текущий через сопротивление R.

Решение:
Общее число элементов N=nm (рис. 367). Ток во внешней цепи

где r/m— внутреннее сопротивление группы из т параллельно соединенных элементов, а nr/m — внутреннее сопротивление n групп, соединенных последовательно. Максимальная мощность отдается во внешнюю цепь при равенстве сопротивления R внутреннему сопротивлению батареи элементов nr/m, т. е.

При этом через сопротивление R течет точек I=46 А.

26 Емкость аккумулятора Qo=80А⋅ч. Найти емкость батареи из n = 3 таких аккумуляторов, включенных последовательно и параллельно.

Решение:
При последовательном соединении через все аккумуляторы батареи течет один и тот же ток, поэтому все они разрядятся в течение одного и того же времени. Следовательно, емкость батареи будет равна емкости каждого аккумулятора:
При параллельном соединении n аккумуляторов через каждый из них течет 1/n часть общего тока; поэтому при том же разрядном токе в общей цепи батареи будет разряжаться в n раз дольше, чем один аккумулятор, т. е. емкость батареи в п раз больше емкости отдельного аккумулятора:

Заметим, однако, что энергия

отдаваемая батареей в цепь, и при последовательном и при параллельном соединении n аккумуляторов в n раз больше энергии, отдаваемой одним аккумулятором. Это происходит потому, что при последовательном соединении э. д. с. батареи в n раз больше э. д. с. одного аккумулятора, а при параллельном соединении э.д.с. батареи остается той же, что и для каждого аккумулятора, но Q увеличивается в n раз.

27 Найти емкость батареи аккумуляторов, включенных по схеме, изображенной на рис.131. Емкость каждого аккумулятора Q₀=64 А⋅ч.

Решение:
Каждая группа из пяти аккумуляторов, включенных последовательно, имеет емкость

Три параллельно включенные группы дают общую емкость батареи

28 Мост для измерения сопротивлений сбалансирован так, что ток через гальванометр не идет (рис. 132). Ток в правой ветви I=0,2 А. Найти напряжение V на зажимах источника тока. Сопротивления резисторов R₁ = 2 Ом, R₂ = 4 Ом, R₃ = 1 Ом.

Решение:

29 Найти токи, протекающие в каждой ветви цепи, изображенной на рис. 133. Э.д.с. источников тока ε₁ = 6,5 В и ε₂ = 3,9 В. Сопротивления резисторов R₁=R₂=R₃=R₄=R₅=R₆=R=10 Ом.

Решение:
Составляем уравнения Кирхгофа в соответствии с направлениями токов, указанными на рис. 133: I₁ + I₂ — I₃ = 0 для узла b;
I₃ — I₄ — I₅ =0 для узла h; I₅ — I₁ — I₆ = 0 для узла f: при этом

Для контура abfg (обход по часовой стрелке),

Для контура bcdh (обход против часовой стрелки) и

для контура hdef (обход по часовой стрелке). Решая эту систему уравнений с учетом, что все сопротивления одинаковы и равны R=10 Ом, получим

Отрицательные значения токов I₂, I₄ и I₆ показывают, что при данных э.д.с. источников и сопротивлениях резисторов эти токи текут в стороны, противоположные указанным на рис. 133.

Электричество и магнетизм

Индукционные токи возникают не только в проволочных витках, но и в толще массивных проводников. В этом случае их называют вихревыми токами или токами Фуко. Из–за малого сопротивления проводников они могут достигать большой силы. По правилу Ленца вихревые токи также действуют против причины, их вызывающей. На этом основана идея электромагнитных демпферов, успокаивающих колеблющиеся части приборов (стрелки гальванометров и т. п.). На подвижной части прибора укрепляется металлическая полоска, находящаяся в поле сильного магнита. При движении системы токи Ж. Фуко (рис. 8.23) тормозят ее, но они отсутствуют при покоящейся стрелке и не препятствуют её остановке в нужном месте, согласно значению измеряемой величины (в отличие от сил трения).

Рис. 8.23. Леон Фуко (1819–1868) — французский физик и астроном 

Итогом проведенных рассуждений может быть такая формулировка правила Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы препятствовать той причине, которая его породила. Вне зависимости от того, что это за причина.

Например, если проволочное кольцо падает в неоднородном магнитном поле под действием силы тяжести, то в нем течет индукционный ток. Соответственно на кольцо действует сила Ампера. Ничего не вычисляя, можно быть уверенным в том, что эта сила Ампера будет направлена вверх, чтобы — согласно правилу Ленца — мешать силе тяжести, которая является причиной падения кольца, что влечет за собой изменение магнитного потока, а это приводит к появлению индукционного тока, на который действует сила Ампера, тормозящая падение…

Ниже рассматриваются опыты, в которых изучаются свойства токов Фуко. 

На рис. 8.24 показан опыт, демонстрирующий падение тел в неоднородном магнитном поле. Неоднородное магнитное поле тормозит движение проводящих предметов из-за токов Фуко, возникающих в проводниках при изменении магнитного потока через них. Демонстрируется беспрепятственное падение диэлектрического деревянного диска между полюсами сильного электромагнита и медленное падение медного и алюминиевого дисков в магнитном поле, напоминающее движение тел в среде с большой вязкостью.

Рис. 8.24. Падение тел в неоднородном магнитном поле 

Видео 8.9. Электромагнитное торможение: падение медных и алюминиевых дисков  («монет») в магнитном поле.

При падении сильного постоянного магнита внутри вертикальной проводящей трубки в ее стенках возникают токи Фуко, тормозящие это падение. В опыте (рис. 8.25) демонстрируется свободное падение немагнитного алюминиевого цилиндра в разных трубках, а также маленького магнита в стеклянной трубке. Затем показывают замедление падения этого магнита в алюминиевой трубке и его очень медленное падение в толстостенной медной трубке.

Рис. 8.25. Падение магнита в трубках 

На рис. 8.26 показано демпфирование колебаний маятника. Толстая сплошная медная пластина, прикрепленная на конце физического маятника, движется при его колебаниях между полюсами сильного электромагнита. Слабо затухающие колебания маятника после включения магнитного поля начинают быстро затухать, превращаясь практически в апериодические колебания. Если на конце маятника закрепить медную пластинку, разрезанную в виде гребенки, то сильное затухание колебаний маятника исчезает, поскольку токи Фуко уже не могут замыкаться в объеме проводника. 

Рис. 8.26. Демпфирование колебаний маятника 

Видео 8.10. Электромагнитное торможение: маятник.

В опыте на рис. 8.27 показана левитация сплошного проводящего кольца. Токи Фуко могут возникать не только в проводниках при их перемещении в неоднородном магнитном поле, но и при быстром изменении этого поля. сплошное кольцо из алюминия, надетое на вертикальный сердечник электромагнита, питаемого переменным током частотой 50 Гц, висит в воздухе. в то время как такое же, но разрезанное кольцо свободно падает на обмотку. 

Рис. 8.27. Левитация сплошного проводящего кольца 

На рис. 8.28 показано взаимодействие проводника и электромагнита. Толстый медный диск укреплен в подшипниках на оси с ручкой. Вблизи него на такой же оси закреплен электромагнит. Если вращать за ручку включенный электромагнит, то диск начинает вращаться в ту же сторону. Если же, наоборот, вращать за ручку диск вблизи электромагнита, то последний также начинает вращаться. Силы взаимодействия диска и электромагнита, похожие по характеру на силы вязкого трения, обусловлены возникновением токов Фуко в диске.

Разница между электродвижущей силой и разницей потенциалов со сравнительной таблицей

И разность потенциалов, и электродвижущая сила (ЭДС) являются формой энергии. Одно из основных различий между ЭДС и разностью потенциалов состоит в том, что ЭДС вызывается преобразованием другой формы энергии в электрическую, тогда как в разности потенциалов электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии. Некоторые другие различия между ними объясняются ниже в виде сравнительной таблицы.

Содержание: Электродвижущая сила, В / с, разность потенциалов

1. Таблица сравнения
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Запомните

Сравнительная таблица

Определение потенциальных различий

Разность потенциалов определяется как количество энергии, используемой одним кулоном заряда при перемещении из одной точки в другую.Он измеряется в вольтах и ​​обозначается символом V. Разность потенциалов измеряется вольтметром.

Разность потенциалов между двумя точечными зарядами выражается формулой, показанной ниже.

Пример — Рассмотрим схему, показанную на рисунке ниже.

На сопротивление цепи подается напряжение 12 В. Разница потенциалов между любыми двумя точками, говорит А и В, — это энергия, используемая одним кулоном заряда при перемещении из одной точки (А) в другую (В).Таким образом, разность потенциалов между точками A и B составляет 7 вольт.

Определение электродвижущей силы

Электродвижущая сила — это полное напряжение, создаваемое источником. Другими словами, это количество энергии, передаваемой источником каждому кулону заряда. Он измеряется в вольтах и ​​обозначается символом ε (эпсилон).

ЭДС — это максимальное напряжение, которое может получить цепь. Естественно, он возникает при колебаниях магнитного поля.ЭДС выражается формулой, показанной ниже

Электродвижущая сила — это тип энергии, который заставляет единичный положительный заряд перемещаться от положительного к отрицательному полюсу источника. Он отделяет два заряда друг от друга.

Пример — Рассмотрим схему, показанную на рисунке ниже.

Аккумулятор имеет ЭДС 12В; это означает, что батарея обеспечивает 12 джоулей энергии на каждый кулон заряда. Заряд перемещается от положительной клеммы к отрицательной через внешнюю цепь; он дает всю энергию, изначально поставляемую батареей.

Ключевые различия между электродвижущей силой и разностью потенциалов.

1. Электродвижущая сила — это мера энергии, которую она дает каждому кулону заряда, тогда как разность потенциалов — это количество энергии, используемой одним кулоном заряда.
2. Электродвижущая сила обозначается символом ε, тогда как символ V обозначает разность потенциалов.
3. Электродвижущая сила не зависит от внутреннего сопротивления цепи, тогда как разность потенциалов прямо пропорциональна сопротивлению цепи.
4. Электродвижущая сила передает энергию по всей цепи. Разность потенциалов — это мера энергии между любыми двумя точками цепи.
5. Величина электродвижущей силы всегда больше, чем разность потенциалов, когда цепь не изменилась, но когда цепь полностью заряжена, величина разности потенциалов равна ЭДС цепи.
6. Величина ЭДС всегда оставалась постоянной, тогда как величина разности потенциалов варьировалась.
7. Электродвижущая сила является причиной разности потенциалов, тогда как разность потенциалов — это эффект разности потенциалов.
8. Сила ЭДС существует в цепи, даже когда ток не течет в цепи, тогда как разность потенциалов не существует в цепи, когда величина тока остается нулевой.
9. ЭДС — это максимальное напряжение, которое может выдать аккумулятор, тогда как величина разности потенциалов всегда меньше максимально возможного значения ЭДС.
10. Сила ЭДС увеличивает электрическую энергию в цепи, тогда как разность потенциалов теряет электрическую энергию в цепи.
11. Электродвижущая сила индуцируется в электрическом, магнитном и гравитационном полях, тогда как разность потенциалов возникает только в электрическом поле.
12. Измеритель ЭДС используется для измерения электродвижущей силы, а вольтметр — для измерения разности потенциалов.

Запомните

На первый взгляд, название ЭДС подразумевает, что это сила, которая заставляет электроны (заряженные частицы, т.е. ток) протекать по цепи. Фактически, это не сила, а энергия, передаваемая некоторым активным источником, например батареей, на один кулон заряда.

Учебное пособие по физике: разность электрических потенциалов

В предыдущем разделе Урока 1 было введено понятие электрического потенциала. Электрический потенциал — это зависящая от местоположения величина, которая выражает количество потенциальной энергии на единицу заряда в определенном месте. Когда кулон заряда (или любое заданное количество заряда) обладает относительно большим количеством потенциальной энергии в данном месте, то это место называется местом с высоким электрическим потенциалом.Точно так же, если кулон заряда (или любое заданное количество заряда) обладает относительно небольшим количеством потенциальной энергии в данном месте, то это место называется местом с низким электрическим потенциалом. Когда мы начнем применять наши концепции потенциальной энергии и электрического потенциала к цепям, мы начнем ссылаться на разницу в электрическом потенциале между двумя точками. Эта часть Урока 1 будет посвящена пониманию разности электрических потенциалов и ее применению к движению заряда в электрических цепях.

Рассмотрим задачу перемещения положительного испытательного заряда в однородном электрическом поле из точки A в точку B, как показано на схеме справа. При перемещении заряда против электрического поля из точки A в точку B над зарядом должна будет работать внешняя сила. Работа, проделанная с зарядом, изменяет его потенциальную энергию на более высокое значение; и объем проделанной работы равен изменению потенциальной энергии. В результате этого изменения потенциальной энергии также существует разница в электрическом потенциале между точками A и B.Эта разность электрических потенциалов представлена ​​символом ΔV и формально называется разностью электрических потенциалов . По определению, разность электрических потенциалов — это разность электрических потенциалов (В) между конечным и начальным местоположением, когда над зарядом выполняется работа по изменению его потенциальной энергии. В форме уравнения разность электрических потенциалов равна

Стандартной метрической единицей измерения разности электрических потенциалов является вольт, сокращенно В, и названный в честь Алессандро Вольта.Один вольт эквивалентен одному джоулю на кулон. Если разность электрических потенциалов между двумя точками составляет 1 вольт, то один кулоновский заряд получит 1 джоуль потенциальной энергии при перемещении между этими двумя точками. Если разность электрических потенциалов между двумя местоположениями составляет 3 вольта, то один кулон заряда получит 3 джоулей потенциальной энергии при перемещении между этими двумя местоположениями. И, наконец, если разность электрических потенциалов между двумя местоположениями составляет 12 вольт, то один кулон заряда получит 12 джоулей потенциальной энергии при перемещении между этими двумя местоположениями.Поскольку разность электрических потенциалов выражается в вольтах, ее иногда называют напряжением .

Электрические цепи, как мы увидим, все связаны с движением заряда между различными местами и соответствующими потерями и увеличением энергии, которые сопровождают это движение. В предыдущей части Урока 1 концепция электрического потенциала была применена к простой электрической цепи с батарейным питанием.В этом обсуждении было объяснено, что необходимо провести работу с положительным тестовым зарядом, чтобы переместить его через ячейки от отрицательного вывода к положительному выводу. Эта работа увеличит потенциальную энергию заряда и, таким образом, увеличит его электрический потенциал. Когда положительный тестовый заряд перемещается через внешнюю схему от положительного вывода к отрицательному выводу, он уменьшает свою электрическую потенциальную энергию и, таким образом, имеет низкий потенциал к тому времени, когда он возвращается к отрицательному выводу.Если в цепи используется 12-вольтовая батарея, то каждый кулон заряда получает 12 джоулей потенциальной энергии при прохождении через батарею. Точно так же каждый кулон заряда теряет 12 джоулей электрической потенциальной энергии при прохождении через внешнюю цепь. Потеря этой электрической потенциальной энергии во внешней цепи приводит к увеличению световой энергии, тепловой энергии и других форм неэлектрической энергии.

С четким пониманием разности электрических потенциалов, роли электрохимической ячейки или совокупности ячеек (т.е., аккумулятор) в простой схеме можно правильно понять. Ячейки просто поставляют энергию для работы с зарядом, чтобы переместить его от отрицательного вывода к положительному. Предоставляя энергию для заряда, элемент может поддерживать разность электрических потенциалов на двух концах внешней цепи. Как только заряд достигнет клеммы с высоким потенциалом, он естественным образом потечет по проводам к клемме с низким потенциалом. Движение заряда по электрической цепи аналогично движению воды в аквапарке или движению американских горок в парке развлечений.В каждой аналогии необходимо проделать работу на воде или на американских горках, чтобы переместить ее из места с низким гравитационным потенциалом в место с высоким гравитационным потенциалом. Когда вода или американские горки достигают высокого гравитационного потенциала, они естественным образом движутся вниз обратно в место с низким потенциалом. Для водных прогулок или американских горок задача по подъему автомобилей с водой или горками до высокого потенциала требует энергии. Энергия подается водяным насосом с приводом от двигателя или цепью с приводом от двигателя.В электрической цепи с батарейным питанием элементы служат в качестве зарядного насоса для подачи энергии на заряд, чтобы поднять его из положения с низким потенциалом через элемент в положение с высоким потенциалом.

Часто удобно говорить об электрической цепи, такой как простая схема, обсуждаемая здесь, как о состоящей из двух частей — внутренней цепи и внешней цепи. Внутренняя цепь — это часть цепи, в которой энергия подается на заряд.Для простой схемы с батарейным питанием, о которой мы говорили, часть схемы, содержащая электрохимические элементы, является внутренней схемой. Внешняя цепь — это часть схемы, в которой заряд движется за пределы ячеек по проводам на своем пути от клеммы с высоким потенциалом к ​​клемме с низким потенциалом. Движение заряда по внутренней цепи требует энергии, поскольку это движение вверх по высоте в направлении, которое составляет против электрического поля .Движение заряда по внешней цепи является естественным, поскольку это движение в направлении электрического поля. Когда на положительном выводе электрохимической ячейки, положительный тестовый заряд находится под высоким электрическим давлением точно так же, как вода в аквапарке находится под высоким давлением после того, как ее перекачивают на вершину водной горки. Находясь под высоким электрическим давлением, положительный испытательный заряд самопроизвольно и естественным образом перемещается по внешней цепи в место с низким давлением и низким потенциалом.

Когда положительный тестовый заряд проходит через внешнюю цепь, он встречает различные типы элементов схемы. Каждый элемент схемы служит устройством преобразования энергии. Лампочки, двигатели и нагревательные элементы (например, в тостерах и фенах) являются примерами устройств преобразования энергии. В каждом из этих устройств электрическая потенциальная энергия заряда преобразуется в другие полезные (и бесполезные) формы. Например, в лампочке электрическая потенциальная энергия заряда преобразуется в световую энергию (полезная форма) и тепловая энергия (бесполезная форма).Движущийся заряд воздействует на лампочку, производя две разные формы энергии. При этом движущийся заряд теряет свою электрическую потенциальную энергию. При выходе из элемента схемы заряд находится под меньшим напряжением. Место непосредственно перед входом в лампочку (или любой элемент схемы) является местом с высоким электрическим потенциалом; и место сразу после выхода из лампочки (или любого элемента схемы) — это место с низким электрическим потенциалом. Ссылаясь на диаграмму выше, местоположения A и B являются местоположениями с высоким потенциалом, а местоположения C и D — местоположениями с низким потенциалом.Потеря электрического потенциала при прохождении через элемент схемы часто называется падением напряжения . К тому времени, когда положительный тестовый заряд возвращается к отрицательному выводу, он достигает 0 вольт и готов к повторному включению и подаче напряжения обратно на положительный вывод высокого напряжения .

Диаграмма электрических потенциалов — удобный инструмент для представления разностей электрических потенциалов между различными точками электрической цепи.Ниже показаны две простые схемы и соответствующие им диаграммы электрических потенциалов.

В цепи A есть D-элемент на 1,5 В и одна лампочка. В цепи B есть 6-вольтовая батарея (четыре 1,5-вольтовых D-элемента) и две лампочки. В каждом случае отрицательный полюс батареи является положением 0 В. Положительный полюс батареи имеет электрический потенциал, равный номинальному напряжению батареи. Аккумулятор заряжает и перекачивает его от клеммы низкого напряжения к клемме высокого напряжения.Таким образом батарея создает разность электрических потенциалов на двух концах внешней цепи. Находясь на под электрическим давлением , заряд теперь будет перемещаться по внешней цепи. Поскольку его электрическая потенциальная энергия преобразуется в энергию света и тепловую энергию в местах расположения лампочек, заряд снижает свой электрический потенциал. Общее падение напряжения на внешней цепи равно напряжению батареи, когда заряд перемещается от положительного вывода обратно до 0 вольт на отрицательном выводе.В случае контура B во внешней цепи есть два падения напряжения, по одному на каждую лампочку. В то время как величина падения напряжения в отдельной лампочке зависит от различных факторов (которые будут обсуждаться позже), совокупная величина падения должна равняться 6 вольтам, полученным при прохождении через батарею.

Разность электрических потенциалов на двух вставках бытовой электросети зависит от страны.Используйте виджет Household Voltages ниже, чтобы узнать значения напряжения в домашних условиях для различных стран (например, США, Канады, Японии, Китая, Южной Африки и т. Д.).

1. Перемещение электрона в электрическом поле изменило бы ____ электрона.

а. масса офб. сумма заряда нац.потенциальная энергия

2. Если бы электрическая цепь была аналогична водной цепи в аквапарке, то напряжение батареи было бы сопоставимо с _____.

а. скорость, с которой вода течет через контур

г. скорость, с которой вода течет по контуру

г. расстояние, на котором вода протекает через контур

г. давление воды между верхом и низом контура

e.помеха, вызванная препятствиями на пути движущейся воды

3. Если бы электрическая цепь в вашем Walkman была аналогична водной цепи в аквапарке, тогда батарея была бы сопоставима с _____.

а. люди, которые сползают с возвышенности на землю

г. препятствия, стоящие на пути движущейся воды

г. насос, который перекачивает воду с земли на возвышения

г.трубы, по которым течет вода

e. расстояние, на котором вода протекает через контур

4. Что из нижеперечисленного относится к электрической схеме вашего фонарика?

а. Заряд движется по контуру очень быстро — почти со скоростью света.

г. Аккумулятор поставляет заряд (электроны), который движется по проводам.

г.Батарея обеспечивает заряд (протоны), который движется по проводам.

г. Заряд расходуется по мере прохождения через лампочку.

e. Батарея вырабатывает энергию, повышающую уровень заряда от низкого до высокого напряжения.

ф. … бред какой то! Ничего из этого не соответствует действительности.

5. Если батарея выдает высокое напряжение, она может ____.

а. делать много работы в течение своего срока службы

г. много работать над каждым обнаруженным зарядом

г. протолкнуть много заряда через цепь

г. длиться долго

На схеме внизу справа показана лампочка, подключенная проводами к + и — клеммам автомобильного аккумулятора. Используйте диаграмму, чтобы ответить на следующие четыре вопроса.

6. По сравнению с точкой D, точка A имеет _____ электрический потенциал.

а. 12 В выше в

г. 12 В ниже в

г. точно такой же

г. … невозможно сказать

7. Электрическая потенциальная энергия заряда равна нулю в точке _____.

8. Требуется энергия, чтобы заставить сдвинуть положительный тестовый заряд ___.

а. через провод из точки А в точку Б

г. через лампочку из точки B в точку C

г. по проводу от точки C до точки D

г. через батарею из точки D в точку A

9. Энергия, необходимая для перемещения заряда +2 C между точками D и A, составляет ____ Дж.

а. 0,167b. 2.0c. 6.0d. 12e. 24

10.Следующая схема состоит из D-ячейки и лампочки. Используйте символы>, <и = для сравнения электрического потенциала в точках A и B и от C до D. Укажите, добавляют ли устройства энергию к заряду или удаляют ее.

11. Используйте свое понимание математической взаимосвязи между работой, потенциальной энергией, зарядом и разностью электрических потенциалов, чтобы заполнить следующие утверждения:

а.9-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию заряда в 1 кулон на ____ джоулей.

г. 9-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию 2 кулонов заряда на ____ джоулей.

г. 9-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию заряда 0,5 кулонов на ____ джоулей.

г. Аккумулятор ___-вольт увеличит потенциальную энергию 3 кулонов заряда на 18 джоулей.

e. Аккумулятор ___-вольт увеличит потенциальную энергию 2 кулонов заряда на 3 джоуля.

ф. Батарея на 1,5 В увеличит потенциальную энергию заряда ____ кулонов на 0,75 джоулей.

г. 12-вольтовая батарея увеличит потенциальную энергию заряда ____ кулонов на 6 джоулей.

7.2 Электрический потенциал и разность потенциалов — Университетская физика, Том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определить электрический потенциал, напряжение и разность потенциалов
• Определите электрон-вольт
• Вычислить электрический потенциал и разность потенциалов на основе потенциальной энергии и электрического поля
• Опишите системы, в которых электрон-вольт является полезной единицей
• Применение экономии энергии в электрических системах

Напомним, что ранее мы определили электрическое поле как величину, не зависящую от пробного заряда в данной системе, что, тем не менее, позволило бы нам вычислить силу, которая возникнет в результате произвольного пробного заряда.(При отсутствии другой информации по умолчанию предполагается, что тестовый заряд положительный.) Мы кратко определили поле для гравитации, но гравитация всегда притягивает, тогда как электрическая сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей. Следовательно, хотя потенциальная энергия вполне достаточна в гравитационной системе, удобно определить величину, которая позволяет нам вычислить работу над зарядом независимо от величины заряда. Непосредственный расчет работы может быть затруднен, поскольку W = F → · d → W = F → · d →, а направление и величина F → F → могут быть сложными для нескольких зарядов, для объектов нечетной формы и вдоль произвольных путей. .Но мы знаем, что, поскольку F → = qE → F → = qE →, работа и, следовательно, ΔU, ΔU, пропорциональны испытательному заряду q . Чтобы получить физическую величину, не зависящую от испытательного заряда, мы определяем электрический потенциал В, (или просто потенциал, поскольку понимается электрический) как потенциальную энергию на единицу заряда:

Электрический потенциал

Потенциальная электрическая энергия на единицу заряда составляет

Поскольку U пропорционально q , зависимость от q отменяется.Таким образом, V не зависит от q . Изменение потенциальной энергии ΔUΔU имеет решающее значение, поэтому нас беспокоит разность потенциалов или разность потенциалов ΔVΔV между двумя точками, где

Разница электрических потенциалов

Разность электрических потенциалов между точками A и B , VB-VA, VB-VA, определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного с A на B , деленное на заряд.Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

Знакомый термин «напряжение» — это общее название разности электрических потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, под ним понимается разность потенциалов между двумя точками. Например, каждая батарея имеет две клеммы, а ее напряжение — это разность потенциалов между ними. По сути, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, произвольна. Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный ноль, например уровень моря или, возможно, пол лекционного зала.Стоит подчеркнуть различие между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.

Разность потенциалов и электрическая потенциальная энергия

Связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется формулой

7,5

Напряжение — это не то же самое, что энергия. Напряжение — это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между выводами аккумулятора), но при этом один хранит гораздо больше энергии, чем другой, потому что ΔU = qΔV.ΔU = qΔV. Автомобильный аккумулятор может заряжать больше, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба аккумулятора — 12 В.

Пример 7.4

Расчет энергии

Стратегия

Решение

Аналогично для автомобильного аккумулятора q = 60,000 Cq = 60,000C и

Значение

Проверьте свое понимание 7.4

Сколько энергии имеет батарея AAA на 1,5 В, способная нагреться до 100 градусов Цельсия?

Обратите внимание, что энергии, вычисленные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для аккумулятора отрицательное, так как он теряет энергию. Эти батареи, как и многие другие электрические системы, действительно перемещают отрицательный заряд — в частности, электроны.Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных выводов ( A ) через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным выводам ( B ), как показано на рисунке 7.12. Изменение потенциала составляет ΔV = VB − VA = + 12 В ΔV = VB − VA = + 12 В, а заряд q отрицательный, так что ΔU = qΔVΔU = qΔV отрицательно, что означает, что потенциальная энергия батареи уменьшилась, когда q перемещен с A на B .

Рисунок 7.12 Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательной клеммы через фару к ее положительной клемме.Соответствующие комбинации химических веществ в батарее разделяют заряды, так что отрицательный вывод имеет избыток отрицательного заряда, который отталкивается им и притягивается к избыточному положительному заряду на другом выводе. С точки зрения потенциала положительный вывод находится под более высоким напряжением, чем отрицательный. Внутри батареи движутся как положительные, так и отрицательные заряды.

Пример 7.5

Сколько электронов проходит через фару каждую секунду?

Стратегия

Решение

Вводя значения ΔUΔU и ΔVΔV, получаем

Число электронов nene — это общий заряд, деленный на заряд одного электрона. То есть

Значение

Проверьте свое понимание 7.5

Сколько электронов прошло через лампу мощностью 24,0 Вт?

Электрон-вольт

Энергия, приходящаяся на один электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, подобных тому, что было в предыдущем примере — малая доля джоуля. Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на одну частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение.Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и повредили живые ткани. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или может создать опасные рентгеновские лучи, которые также могут нанести ущерб. Полезно иметь единицу энергии, относящуюся к субмикроскопическим эффектам.

На рис. 7.13 показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии. Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как это могло бы быть в телевизионной лампе или осциллографе старой модели.Электрон приобретает кинетическую энергию, которая позже преобразуется в другую форму — например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что с точки зрения энергии «спуск» для электрона означает «подъем» для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением ΔU = qΔVΔU = qΔV, мы можем рассматривать джоуль как кулон-вольт.

электрон-вольт

В субмикроскопическом масштабе удобнее определять единицу энергии, называемую электрон-вольт (эВ), которая представляет собой энергию, передаваемую фундаментальному заряду, ускоренному через разность потенциалов в 1 В.В форме уравнения:

Электрону, ускоренному через разность потенциалов 1 В, придается энергия 1 эВ. Отсюда следует, что электрон, ускоренный до 50 В, приобретает 50 эВ. Разность потенциалов 100 000 В (100 кВ) дает электрону энергию 100 000 эВ (100 кэВ) и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом, ускоренный до 100 В, получает 200 эВ энергии.Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.

Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах — химическая валентная энергия, молекулярная и ядерная энергия связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах. Например, для разрушения некоторых органических молекул требуется около 5 эВ энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов 30 кВ, он приобретает энергию 30 кэВ (30 000 эВ) и может разрушить до 6000 этих молекул (30 000 эВ ÷ 5 эВ на молекулу = 6000 молекул).(30,000 эВ ÷ 5 эВ на молекулу = 6000 молекул). Энергия ядерного распада составляет порядка 1 МэВ (1000000 эВ) на событие и, таким образом, может нанести значительный биологический ущерб.

Сохранение энергии

Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого прибавления (или вычитания) из-за работы или теплопередачи. Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия постоянна.

Механическая энергия — это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть K + U = константа.K + U = постоянная. Потеря U для заряженной частицы становится увеличением ее K . Сохранение энергии выражается в форме уравнения как

или

, где i и f обозначают начальные и конечные условия. Как мы уже много раз выясняли, учет энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.

Пример 7.6

Электрическая потенциальная энергия, преобразованная в кинетическую энергию

Стратегия

Решение

Вводя указанные выше формы, получаем

Решаем это для v :

Ввод значений для q , V и м дает

Значение

Проверьте свое понимание 7.6

Как этот пример изменится с позитроном? Позитрон идентичен электрону, за исключением того, что заряд положительный.

Напряжение и электрическое поле

До сих пор мы исследовали взаимосвязь между напряжением и энергией. Теперь мы хотим изучить взаимосвязь между напряжением и электрическим полем. Начнем с общего случая для неоднородного поля E → E →. Напомним, что наша общая формула для потенциальной энергии пробного заряда q в точке P относительно реперной точки R равна

, что упрощается до

Этот результат,

— это стандартная форма потенциала точечного заряда. Это будет подробнее рассмотрено в следующем разделе.

Чтобы изучить еще один интересный частный случай, предположим, что однородное электрическое поле E → E → создается путем размещения разности потенциалов (или напряжения) ΔVΔV на двух параллельных металлических пластинах, обозначенных A и B (рис. 7.14). Изучение этой ситуации покажет нам, какое напряжение необходимо для создания определенной напряженности электрического поля.Это также покажет более фундаментальную взаимосвязь между электрическим потенциалом и электрическим полем.

С точки зрения физика, ΔVΔV или E → E → можно использовать для описания любого взаимодействия между зарядами.Однако ΔVΔV является скалярной величиной и не имеет направления, тогда как E → E → является векторной величиной, имеющей как величину, так и направление. (Обратите внимание, что величина электрического поля, скалярная величина, представлена ​​как E .) Связь между ΔVΔV и E → E → выявляется путем расчета работы, совершаемой электрической силой при перемещении заряда из точки A. к точке B . Но, как отмечалось ранее, произвольное распределение заряда требует расчетов. Поэтому мы рассматриваем однородное электрическое поле как интересный частный случай.

Работа, совершаемая электрическим полем на рисунке 7.14 по перемещению положительного заряда q от A , положительная пластина, более высокий потенциал, к B , отрицательная пластина, более низкий потенциал, составляет

Разница потенциалов между точками A и B составляет

Если ввести это в выражение для работы, получится

Работа — это W = F → · d → = FdcosθW = F → · d → = Fdcosθ; здесь cosθ = 1cosθ = 1, так как путь параллелен полю.Таким образом, W = FdW = Fd. Поскольку F = qEF = qE, мы видим, что W = qEdW = qEd.

Подстановка этого выражения для работы в предыдущее уравнение дает

Заряд отменяется, поэтому получаем для напряжения между точками A и B

, где d — это расстояние от A до B , или расстояние между пластинами на рисунке 7.14. Обратите внимание, что это уравнение подразумевает, что единицы измерения электрического поля — вольт на метр.Мы уже знаем, что единицы измерения электрического поля — ньютоны на кулон; таким образом, верно следующее соотношение между единицами:

Кроме того, мы можем продолжить это до интегральной формы. Подставляя уравнение 7.5 в наше определение разности потенциалов между точками A и B , получаем

, что упрощается до

В качестве демонстрации из этого мы можем вычислить разность потенциалов между двумя точками ( A, и B, ), равноудаленными от точечного заряда q в начале координат, как показано на рисунке 7.= 0 и, следовательно,

Этот результат, заключающийся в отсутствии разницы в потенциале вдоль постоянного радиуса от точечного заряда, пригодится при отображении потенциалов.

Пример 7.7

Какое максимально возможное напряжение между двумя пластинами?

Стратегия

Решение

Ввод данных значений для E и d дает

или

(Ответ состоит только из двух цифр, поскольку максимальная напряженность поля является приблизительной.)

Значение

Рис. 7.16. Искровая камера используется для отслеживания траектории частиц высоких энергий. Ионизация, создаваемая частицами при прохождении через газ между пластинами, позволяет искре прыгнуть. Искры расположены перпендикулярно пластинам, следуя силовым линиям электрического поля между ними. Разность потенциалов между соседними пластинами недостаточно высока, чтобы вызвать искры без ионизации, производимой частицами из экспериментов с ускорителем (или космическими лучами).Эта форма детектора сейчас устарела и больше не используется, кроме как в демонстрационных целях. (кредит b: модификация работы Джека Коллинза)

Пример 7.8

Поле и сила внутри электронной пушки

Стратегия

Решение

1. Выражение для величины электрического поля между двумя однородными металлическими пластинами имеет следующий вид: Поскольку электрон является однозарядным и получает энергию 25,0 кэВ, разность потенциалов должна составлять 25,0 кВ. Ввод этого значения для VABVAB и разделения пластин 0.0400 м, получаем E = 25,0 кВ 0,0400 м = 6,25 × 105 В / м. E = 25,0 кВ 0,0400 м = 6,25 × 105 В / м.
2. Величина силы, действующей на заряд в электрическом поле, получается из уравнения Подстановка известных значений дает F = (0,500 × 10–6C) (6,25 × 105 В / м) = 0,313 Н. F = (0,500 × 10–6 ° C) (6,25 × 105 В / м) = 0,313 Н.

Значение

Пример 7.9

Расчет потенциала точечного заряда

Стратегия

Значение

Проверьте свое понимание 7.7

Из приведенных примеров, как энергия удара молнии зависит от высоты облаков над землей? Считайте систему облако-земля двумя параллельными пластинами.

Прежде чем описывать проблемы, связанные с электростатикой, мы предлагаем стратегию решения проблем, которой следует придерживаться для этой темы.

Стратегия решения проблем

Электростатика

1. Изучите ситуацию, чтобы определить, присутствует ли статическое электричество; это может касаться отдельных стационарных зарядов, сил между ними и создаваемых ими электрических полей.
2. Определите интересующую систему. Это включает в себя указание количества, местоположения и типов взимаемых сборов.
3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен. Определите, следует ли рассматривать кулоновскую силу напрямую — если да, может быть полезно нарисовать диаграмму свободного тела, используя силовые линии электрического поля.
4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные). Например, важно отличать кулоновскую силу F от электрического поля E .
5. Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное), или проведите линии поля, как требуется.
6. Изучите ответ, чтобы увидеть, разумен ли он: имеет ли он смысл? Правильные ли единицы и разумные ли числа?

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 отрицательного к положительному выводу 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 разностью потенциалов на основе сопротивления цепи, формул, величины, тока, представления, рабочего поведения и прироста / потери электрической энергии.

Электродвижущая сила ЭДС и разность потенциалов »Электроника

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

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

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

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

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

Что такое электродвижущая сила, ЭДС

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

Определение электродвижущей силы:

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

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

Что такое разность потенциалов

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

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

Определение разницы потенциалов:

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

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

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

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

Пример ЭДС и ПД

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

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

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

Краткое описание сходств и различий между EMF и PD

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

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

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

Напряжение электродвижущей силы — элементы схемы

Электродвижущая сила (ЭДС) — это разность потенциалов источника при отсутствии тока. Напряжение на клеммах — это выходное напряжение устройства, измеренное на его клеммах.

Разность электрических потенциалов создает электрическое поле , которое воздействует на заряды, вызывая ток . Мы называем эту разность потенциалов электродвижущей силой (ЭДС).ЭДС — это вообще не сила; это особый тип разности потенциалов источника при отсутствии тока. ЭДС напрямую связана с источником разности потенциалов, например с конкретной комбинацией химических веществ в батарее. Единицы измерения ЭДС — вольты.

Все источники напряжения создают разность потенциалов и могут подавать ток, если подключены к сопротивлению . Однако при протекании тока ЭДС отличается от выходного напряжения устройства. Напряжение на выводах батареи, например, меньше, чем ЭДС, когда батарея подает ток , и оно снижается дальше, когда батарея разряжается или разряжается.Однако, если выходное напряжение устройства можно измерить без потребления тока, то выходное напряжение будет равно ЭДС (даже для сильно разряженной батареи).

Выходное напряжение устройства измеряется на его клеммах и называется напряжением на клеммах V. Напряжение на клеммах определяется уравнением:

В = E — Ir,

— E означает ЭДС.
— r — внутреннее сопротивление.
— I — ток, протекающий во время измерения.

I является положительным, если ток течет от положительного вывода.Чем больше ток, тем меньше напряжение на клеммах. Точно так же верно, что чем больше внутреннее сопротивление, тем меньше напряжение на клеммах.

Практические вопросы

Ханская академия

Лечение электрическим полем и электропорация

Официальная подготовка MCAT (AAMC)

Физика — карточки онлайн — Вопрос 6

Практический экзамен 1 Раздел C / P Отрывок 3 Вопрос 14

Ключевые точки

• ЭДС — это разность потенциалов источника при отсутствии тока.

• Напряжение на клеммах: выходное напряжение устройства измеряется на его клеммах V = E — Ir.

• Единица измерения ЭДС и напряжения — Вольт (В)

Ключевые термины

Электрический потенциал: количество работы, необходимое для перемещения единицы заряда из опорной точки в определенную точку внутри поля без ускорения

Электрическое поле : область вокруг заряженной частицы или объекта, внутри которой сила будет действовать на другие заряженные частицы или объекты.

Ток : количество заряда, перемещающегося через поперечное сечение за период времени.

Напряжение : разность электрических потенциалов, выраженная в вольтах

Сопротивление : Сопротивление — это мера сопротивления току в электрической цепи.

Разница потенциалов и ЭДС | Электрические цепи

17.1 Разность потенциалов и ЭДС (ESAFA)

Когда цепь подключена и завершена, заряд может перемещаться по цепи.Заряд не будет двигаться, если нет причины, силы, заставляющей его двигаться по цепи. Думайте об этом так, как будто заряд находится в состоянии покоя, и что-то должно его подталкивать. Это означает, что необходимо проделать работу, чтобы заряд переместился. Сила действует на заряды, выполняя работу, заставляя их двигаться. Сила обеспечивается батареей в цепи.

Батарея имеет потенциал для возбуждения заряда по замкнутой цепи, батарея имеет потенциальную энергию, которая может быть преобразована в электрическую энергию, выполняя работу с зарядом в цепи, чтобы заставить его двигаться.

Разница потенциалов

Потенциальная разница — это работа, выполненная на единицу заряда, \ (\ frac {W} {q} \). Единицы измерения разности потенциалов — это вольт (В), который определяется как один джоуль на кулон.

Количество: Разность потенциалов (В) Наименование единицы: вольт Обозначение единицы: В

Вольтметр (ESAFB)

Вольтметр — это прибор для измерения разности потенциалов между двумя точками в электрической цепи.

Обозначение вольтметра:

Вольтметр

ЭДС (ESAFC)

Когда вы измеряете разность потенциалов на клеммах батареи (или между ними), которая находится под номером не в полной цепи , вы измеряете ЭДС батареи. Это максимальный объем работы на кулон заряда, который может выполнить аккумулятор для передачи заряда от одного вывода через цепь к другому выводу.

Вольт назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта (1745–1827).

Разность электрических потенциалов также называется напряжением.

Когда вы измеряете разность потенциалов на клеммах батареи (или между ними), которая равна в полной цепи , вы измеряете разность потенциалов клемм батареи. Хотя это значение измеряется в вольтах, оно не идентично ЭДС. Разница будет заключаться в проделанной работе по прохождению заряда через аккумулятор.

Аккумуляторы

Фотография Scalepeeder на Flickr.com

Один вывод вольтметра подсоединяется к одному концу батареи, а другой вывод подсоединяется к противоположному концу.