Эдс тока: ЭДС. Закон Ома для полной цепи.

Здесь I – ток, протекающий через нагрузку;

Jкз = E/r0 – ток короткого замыкания источника  ЭДС; 

I0 = U/r0  – ток, протекающий через внутреннее сопротивление.

Отсюда  можно заключить, что  I0 = Jкз – I   или I = Jкз – I0, то есть получили внешнюю характеристику источника тока.

Следовательно, схему источника  ЭДС можно заменить схемой источника тока при условии, что ток короткого замыкания источника и внутренняя проводимость определятся выражениями:

В свою очередь, схему источника тока можно заменить схемой источника  ЭДС при условии, что внутреннее сопротивление и э.д.с. источника определятся выражениями:

Мощность источника ЭДС определяется произведением электродвижущей силы источника и тока в нагрузке

Мощность источника тока определяется произведением тока короткого замыкания и напряжения на зажимах источника:

ЭДС. Закон Ома для полной цепи.

Если свободные заряды перемещаются в электрической цепи по замкнутой траектории, то такую цепь называют полной или замкнутой.

При этом на каждом из участков такой цепи работа электростатических сил переходит в тепловую, механическую или энергию химических связей. Так как работа электростатических сил, перемещающих заряд по замкнутой траектории, всегда равна нулю, то только силы электростатического поля не могут обеспечить постоянное движение зарядов по замкнутой траектории.

Чтобы электрический ток в замкнутой цепи не прекращался, необходимо включить в неё источник тока (см. рис. а), внутри которого перемещение свободных зарядов происходило бы не под действием электростатических сил, а при участии любых других сил, называемых сторонними. Сторонние силы – силы неэлектростатического происхождения, действующих на заряды со стороны источника тока. Природа сторонних сил может быть различной (кроме неподвижных зарядов):

1) химические реакции – в гальванических элементах (батарейках), аккумуляторах (сторонние силы возникают в результате химических реакций между электродами и жидким электролитом),

2) электромагнитной – в генераторах. При этом генераторы могут использовать а) механическую энергию – ГЭС, б) ядерную – АЭС, в) тепловую – ТЭС, г) приливов и отливов – ПЭС, д) ветровую – ВЭС и т.д. (силы, действующие на свободные заряды, перемещающиеся в магнитном поле).

3) использование фотоэффекта – фото-ЭДС в калькуляторах и солнечных батареях (в фотоэлементах сторонние силы возникают при действии света на электроны атомов, входящих в состав некоторых веществ),

4) пьезоэффект – пьезо-ЭДС, например, в пьезозажигалках,

5) контактная разность потенциалов – термо-ЭДС в термопарах и т.д.

Например, в цепи на рис. а, свободные заряды, перемещаются от тела А к телу Б под действием электростатических сил, а сторонние силы источника питания заставляют их возвращаться обратно – от Б к А.

Сторонние силы в источнике тока разделяют разноимённые электрические заряды друг от друга, совершая работу против электростатических (кулоновских сил). Контакт (полюс) источника тока, где в результате действия сторонних сил накапливается положительный заряд, называют положительным, а противоположно заряженный полюс – отрицательным, обозначая их так, как изображено на рис. б. Очевидно, что чем больший заряд накопится на полюсе источника тока, тем больше работы совершили сторонние силы по разделению зарядов, т.к. работа против кулоновских сил прямо пропорциональна величине заряда. Поэтому  отношение работы, А_ст, сторонних сил, перемещающих заряд q внутри источника тока от отрицательного полюса к положительному, не зависит от величины заряда и служит характеристикой источника тока, называемой электродвижущей силой (ЭДС) источника,

Сопротивление источника тока или внутреннее сопротивление тоже является его важной характеристикой. Внутренним сопротивлением гальванического элемента, например, является сопротивление электродов и электролита, находящегося между ними. Внешним участком замкнутой цепи называют её участок, подсоединённый снаружи к источнику тока (см. рис. а).

Чтобы определить, как зависит сила тока от ЭДС источника в цепи, изображённой на рис. а, нарисуем эквивалентную схему (см. рис. в), где R соответствует сопротивлению проводника между А и Б, (внешняя цепь), а r – внутреннему сопротивлению источника тока. Согласно закону Джоуля-Ленца работа  А_полн тока, протекающего по замкнутой цепи, за интервал времени t равна: А_полн = I^2.R^.t + I^2.r^.t .  Из закона сохранения энергии следует, что работа тока должна быть равна работе сторонних сил А_стор = Ɛ^.q = Ɛ^.It . Приравняв А_полн и А_стор, получаем следующее выражение для 

которое называют законом Ома для полной цепи.

1) Напряжение на зажимах источника, а соответственно и во внешней цепи

где величина Ir– падение напряжения внутри источника тока.

2) Если внешнее сопротивление замкнутой цепи равно нулю, то такой режим источника тока называется коротким замыканием.

3) Для полной цепи закон Джоуля-Ленца

Легко показать, что, если полная цепь содержит несколько последовательно соединённых источников тока, то для вычисления силы тока следует вместо Ɛ взять алгебраическую сумму ЭДС всех этих источников, выбрав какое-нибудь направление обхода цепи, например, по часовой стрелке (рис. г). Если при таком обходе мы идём от положительного полюса источника тока к отрицательному, то ЭДС данного источника следует суммировать со знаком минус.  

электродвижущая сила – это… Что такое электродвижущая сила?

(эдс), величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи. Эдс индукции создаётся вихревым электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах.

Постоянный ток – ЭДС – электродвижущая сила

ЭДС – электродвижущая сила

Определение 1. Сторонние силы – это любые силы неэлектрического происхождения, действующие на электрические заряды.

Определение 2. ЭДС (электродвижущая сила) – это отношение работы сторонних сил по переносу положительного заряда q вдоль замкнутого контура к этому заряду.

{\cal E}=\frac{A_{ст}}{q}

A_{ст}={\cal E} q

Закон Ома для полной цепи

r – внутреннее сопротивление источника

I=\frac{{\cal E}}{R+r}

\left[{\cal E}\right]=1В

Напряжение на клеммах источника

\cases{U=IR\cr I=\frac{{\cal E}}{R+r}}

I=\frac{{\cal E}}{R+r}\Rightarrow R+r=\frac{{\cal E}}{I}

R=\frac{{\cal E}}{I}-r

U=IR=I\frac{{\cal E}}{I}-r={\cal E} -Ir

Напряжение на клеммах источника:

U={\cal E} -Ir

Ток короткого замыкания

При некоторых условиях ток может не пойти через нагрузку, и цепь будет замкнута накоротко.

I_{к.з.}=\frac{{\cal E}}{r}

Так как внутреннее сопротивление цепи, как правило, много меньше нагрузки, токи короткого замыкания очень велики, что приводит к большому энерговыделению и пожарам.

Соединение {\cal E}

Если направление тока совпадает с направлением обхода, то ток берут с плюсом.

Если направление тока противоположно направлению обхода, то ток берут с минусом.

Если мы обходим {\cal E} от «–» к «+», то {\cal E} берут с «+».

Если мы обходим {\cal E} от «+» к «–», то {\cal E} берут с «-».

IR+Ir_{1}+Ir_{2}+Ir_{3}={\cal E} _{1}-{\cal E} _{3}-{\cal E} _{3}

I=\frac{{\cal E} _{1}-{\cal E} _{3}-{\cal E} _{3}}{R+r_{1}+r_{2}+r_{3}}

Последовательное и параллельное соединение n одинаковых {\cal E}

а) Последовательное соединение

I=\frac{n{\cal E}}{R+nr}

б) Параллельное соединение

I=\frac{{\cal E}}{R+\frac{r}{n}}

определение и формула, в чём измеряется, работа источника электродвижущей силы

Электрический ток не протекает в медном проводе по той же причине, по которой остаётся неподвижной вода в горизонтальной трубе. Если один конец трубы соединить с резервуаром таким образом, чтобы образовалась разность давлений, жидкость будет вытекать из одного конца. Аналогичным образом, для поддержания постоянного тока необходимо внешнее воздействие, перемещающее заряды. Это воздействие называется электродвижущая сила или ЭДС.

От электростатики к электрокинетике

Между концом XVIII и началом XIX века работы таких учёных, как Кулон, Лагранж и Пуассон, заложили математические основы определения электростатических величин. Прогресс в понимании электричества на этом историческом этапе очевиден. Франклин уже ввёл понятие «количество электрической субстанции», но пока ещё и он, ни его преемники не смогли его измерить.

Следуя за экспериментами Гальвани, Вольта пытался найти подтверждения того, что «гальванические жидкости» животного были одной природы со статическим электричеством. В поисках истины он обнаружил, что когда два электрода из разных металлов контактируют через электролит, оба заряжаются и остаются заряженными несмотря на замыкание контура нагрузкой. Это явление не соответствовало существующим представлениям об электричестве потому, что электростатические заряды в подобном случае должны были рекомбинировать.

Вольта ввёл новое определение силы, действующей в направлении разделения зарядов и поддержании их в таком состоянии. Он назвал её электродвижущей. Подобное объяснение описания работы батареи не вписывалось в теоретические основы физики того времени. В Кулоновской парадигме первой трети XIX века э. д. с. Вольта определялась способностью одних тел вырабатывать электричество в других.

Важнейший вклад в объяснение работы электрических цепей внёс Ом. Результаты ряда экспериментов привели его к построению теории электропроводности. Он ввёл величину «напряжение» и определил её как разность потенциалов на контактах. Подобно Фурье, который в своей теории различал количество тепла и температуру в теплопередаче, Ом создал модель по аналогии, связывающую количество перемещаемого заряда, напряжение и электропроводность. Закон Ома не противоречил накопленным знаниям об электростатическом электричестве.

Затем, благодаря Максвеллу и Фарадею, пояснительные модели тока получили новую теорию поля. Это позволило разработать связанную с полем концепцию энергии как для статических потенциалов, так и для электродвижущей силы. Основные даты эволюции понятия ЭДС:

• 1800 г. — создание Вольтой гальванической батареи;
• 1826 г. — Ом формулирует свой закон для полной цепи;
• 1831 г. — обнаружение электромагнитной индукции Фарадеем.

Определение и физический смысл

Приложение некоторой разности потенциалов между двумя концами проводника создаст перетекание электронов от одного конца к другому. Но этого недостаточно для поддержания потока зарядов в проводнике. Дрейф электронов приводит к уменьшению потенциала до момента его уравновешивания (прекращение тока). Таким образом, для создания постоянного тока необходимы механизмы, непрерывно возвращающие описанную систему в первоначальную конфигурацию, то есть, препятствующие агрегации зарядов в результате их движения. Для этой цели используются специальные устройства, называемые источники питания.

В качестве иллюстрации их работы удобно рассматривать замкнутый контур из сопротивления и гальванического источника питания (батареи). Если предположить, что внутри батареи тока нет, то описанная проблема объединения зарядов остаётся неразрешённой. Но в цепи с реальным источником питания электроны перемещаются постоянно. Это происходит благодаря тому, что поток ионов протекает и внутри батареи от отрицательного электрода к положительному. Источник энергии, перемещающий эти заряды в батарее — химические реакции. Такая энергия называется электродвижущей силой.

ЭДС является характеристикой любого источника энергии, способного управлять движением электрических зарядов в цепи. В аналогии с замкнутым гидравлическим контуром работа источника э. д. с. соответствует работе насоса для создания давления воды. Поэтому значок, обозначающий эти устройства, неотличим на гидравлических и электрических схемах.

Несмотря на название, электродвижущая сила на самом деле не является силой и измеряется в вольтах. Её численное значение равно работе по перемещению заряда по замкнутой цепи. ЭДС источника выражается формулой E=A/q, в которой:

• E — электродвижущая сила в вольтах;
• A — работа сторонних сил по перемещению заряда в джоулях;
• q — перемещённый заряд в кулонах.

Из этой формулы ЭДС следует, что электродвижущая сила не является свойством цепи или нагрузки, а есть способность генератора электроэнергии к разделению зарядов.

Сравнение с разностью потенциалов

Электродвижущая сила и разность потенциалов в цепи очень похожие физические величины, так как оба измеряются в вольтах и определяются работой по перемещению заряда. Одно из основных смысловых различий заключается в том, что э. д. с. (E) вызывается путём преобразования какой-либо энергии в электрическую, тогда как разность потенциалов (U) реализует электрическую энергию в другие виды. Другие различия выглядят так:

• E передаёт энергию всей цепи. U является мерой энергии между двумя точками на схеме.
• Е является причиной U, но не наоборот.
• Е индуцируется в электрическом, магнитном и гравитационном поле.
• Концепция э. д. с. применима только к электрическому полю, в то время как разность потенциалов применима к магнитным, гравитационным и электрическим полям.

Напряжение на клеммах источника питания, как правило, отличается от ЭДС источника. Это происходит из-за наличия внутреннего сопротивления источника (электролита и электродов, обмоток генератора). Связывающая разность потенциалов и ЭДС источника тока формула выглядит как U=E-Ir. В этом выражении:

• U — напряжение на клеммах источника;
• r — внутреннее сопротивление источника;
• I — ток в цепи.

Из этой формулы электродвижущей силы следует, что э. д. с. равна напряжению когда ток в цепи не течёт. Идеальный источник ЭДС создаёт разность потенциалов независимо от нагрузки (протекающего тока) и не обладает внутренним сопротивлением.

В природе не может существовать источника с бесконечной мощностью при замыкании на клеммах, как и материала с бесконечной проводимостью. Идеальный источник используется как абстрактная математическая модель.

Источники электродвижущей силы

Суть источника ЭДС заключается в преобразовании других видов энергии в электрическую с помощью сторонних сил. С точки зрения физики обеспечения э. д. с различают следующие два основных вида источников:

• гальванические;
• электромагнитные.

Первые представляют собой электрохимические источники, основанные на вовлечение в химическую реакцию процесса переноса электронов. В обычных условиях химические взаимодействия сопровождаются выделением или поглощением тепла, но существует немало реакций, в результате которых генерируется электрическая энергия.

Электрохимические процессы в большинстве случаев обратимы, поскольку энергия электрического тока может быть использована, чтобы заставить реагировать вещества между собой. Эта возможность позволяет создавать возобновляемые гальванические источники — аккумуляторы.

В генераторах тока э. д. с. создаётся другим способом. Разделение зарядов происходит с помощью явления электромагнитной индукции, которое заключается в том, что изменение величины или направления магнитного поля создаёт ЭДС. Согласно закону Фарадея, нахождение э. д. с. индукции возможно из выражения E=—dФ/dt. В этой формуле:

• Ф — магнитный поток;
• t — время.

ЭДС индукции измеряется также в вольтах. В зависимости от того, каким способом вызываются изменения магнитного потока, различают:

• Динамически индуцированную. Когда в стационарном магнитном поле перемещается проводник. Характерен для генераторов.
• Статически индуцированную. Когда изменения потока возникают из-за изменений магнитного поля вокруг неподвижного проводника. Так работают трансформаторы.

Существуют также источники э. д. с, не основанные на электрохимии или магнитной индукции. К таким устройствам можно отнести полупроводниковые фотоэлементы, контактные потенциалы и пьезокристаллы. Понятие ЭДС имеет практическое применение прежде всего как параметр выбора источников питания для тех или иных целей. Чтобы получить максимальный эффект от работы устройств в цепи, нужно согласовывать их возможности и характеристики. Прежде всего внутреннее сопротивление источника ЭДС силы с характеристиками подключаемой нагрузки.

Физика – Электродвижущая сила – Бирмингемский университет

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

Как рассчитать ЭДС?

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

Что из закона Ома, мы можем изменить это в терминах оконечного сопротивления: ϵ = В + Ir

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

ЭДС и внутреннее сопротивление электрических элементов и батарей

Исследование ЭМП

Как закон Фарадея соотносится с ЭМП?

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

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

Лабораторные признания

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

Как мы интерпретируем наши данные?

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

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

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

Следующие шаги

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

9B: Электрический ток, ЭДС и закон Ома

Теперь мы приступим к изучению электрических цепей. Цепь – это замкнутый проводящий путь, по которому течет заряд. В схемах заряд идет петлями. Скорость потока заряда называется электрическим током. Схема состоит из элементов схемы, соединенных между собой проводами. Конденсатор – это пример элемента схемы, с которым вы уже знакомы.В этой главе мы представим еще несколько схемных элементов. При анализе схем мы рассматриваем провода как идеальные проводники, а элементы схемы как идеальные элементы схемы. Сложность схем очень разнообразна. Компьютер – сложная схема. Фонарик представляет собой простую схему.

Элементы схемы, с которыми вы будете иметь дело в этом курсе, – это двухконтактные элементы схемы. Существует несколько различных типов двухконтактных схемных элементов, но все они имеют некоторые общие черты.Двухконтактный элемент схемы – это устройство с двумя концами, каждый из которых является проводником. Два проводника называются клеммами. Терминалы могут иметь разные формы. Некоторые из них – провода, некоторые – металлические пластины, некоторые – металлические кнопки, а некоторые – металлические столбы. К клеммам подключаются провода, чтобы сделать элемент схемы частью схемы.

Важным двухконтактным элементом схемы является место расположения ЭДС. Вы можете думать о сиденье EMF как об идеальном аккумуляторе или как об идеальном источнике питания. Он поддерживает постоянную разность потенциалов (a.к.а. постоянное напряжение) между его выводами. Для представления разности потенциалов используется либо имя константы \ (\ varepsilon \) (сценарий \ (E \)), либо имя константы \ (V \).

Чтобы достичь разности потенциалов \ (E \) между своими выводами, очаг ЭДС, когда он впервые возникает, должен перемещать некоторый заряд (мы рассматриваем движение заряда как движение положительного заряда) от одного вывода к другой. «Один вывод» остается с чистым отрицательным зарядом, а «другой» приобретает чистый положительный заряд.Место ЭДС перемещает заряд до тех пор, пока положительный вывод не будет иметь потенциал \ (E \) выше, чем отрицательный вывод. Обратите внимание, что место ЭДС не производит заряда; он просто выталкивает существующий заряд. Если вы подключите изолированный провод к положительному выводу, то он будет иметь тот же потенциал, что и положительный вывод, и, поскольку заряд на положительном выводе будет распространяться по проводу, гнездо ЭДС будет иметь такой же потенциал, как и положительный вывод. переместить еще немного заряда с клеммы с более низким потенциалом для поддержания разности потенциалов.{-12} С \)). Кроме того, накопление заряда происходит почти мгновенно, поэтому к тому времени, когда вы заканчиваете подключать провод к клемме, этот провод уже имеет заряд, о котором мы говорим. В общем, мы не знаем, сколько заряда находится на положительной клемме и какой провод к ней может быть подключен, и нам все равно. Это ничтожно мало. Но этого достаточно, чтобы разность потенциалов между выводами была номинальным напряжением места возникновения ЭДС.

Как вы помните, электрический потенциал – это то, что используется для характеристики электрического поля.Вызывая разность потенциалов между его выводами и между любой парой проводов, которые могут быть подключены к его выводам, место действия ЭДС создает электрическое поле. Электрическое поле зависит от расположения проводов, которые подключаются к клеммам гнезда ЭДС. Электрическое поле – еще одна величина, которую мы редко обсуждаем при анализе цепей. Обычно мы можем выяснить, что нам нужно узнать, по значению разности потенциалов E, которое место ЭДС поддерживает между своими терминалами.Но электрическое поле действительно существует, и в цепях электрическое поле заряда на проводах, подключенных к месту возникновения ЭДС, – это то, что заставляет заряд течь в цепи, а поток заряда в цепи – огромная часть того, что схема – это все о.

Используем символ

для представления места расположения ЭДС на принципиальной схеме (также известной как схематическая диаграмма цепи), где два коллинеарных отрезка линии представляют выводы места расположения ЭДС, причем тот, который подключен к более короткому из параллельных отрезков прямой, является отрицательным, низковольтный, терминальный; а также; тот, который подключен к более длинному из параллельных сегментов линии, является положительным выводом с более высоким потенциалом.

Другой элемент схемы, который я хочу представить в этой главе, – это резистор. Резистор – плохой проводник. Сопротивление резистора является мерой того, насколько плохой проводник является резистор. Чем больше значение сопротивления, тем хуже элемент схемы пропускает заряд через себя. Резисторы бывают разных форм. Нить накала лампочки – это резистор. Элемент тостера (часть, которая светится красным, когда тостер включен) – это резистор. Люди изготавливают небольшие керамические цилиндры (с углеродным покрытием и проволокой, торчащей на каждом конце), чтобы иметь определенные значения сопротивления.У каждого из них есть значение сопротивления, указанное на самом резисторе. Символ

используется для обозначения резистора на принципиальной схеме. Символ R обычно используется для обозначения сопротивления резистора.

Теперь мы готовы рассмотреть следующую простую схему:

Вот и снова без стольких этикеток:

Верхний провод (проводник) имеет одно значение электрического потенциала (назовите его \ (\ varphi_ {HI} \)), а нижний провод имеет другое значение электрического потенциала (назовите его \ (\ varphi_ {LOW} \)), например что разница \ (\ space \ varphi_ {HI} – \ varphi_ {LOW} \ space \) равна \ (\ space \ varepsilon \).

\ [\ varphi_ {HI} – \ varphi_ {LOW} = \ varepsilon \]

Чтобы поддерживать разность потенциалов \ (\ varepsilon \) между двумя проводниками, место расположения ЭДС вызывает появление небольшого количества положительного заряда на верхнем проводе и такое же количество отрицательного заряда на нижнем проводе. Это разделение зарядов вызывает электрическое поле в резисторе.

(Мы проводим этот аргумент в модели положительного носителя заряда. Хотя это не имеет значения для схемы, на самом деле это отрицательно заряженные частицы, движущиеся в противоположном направлении.Эффект тот же.)

Важно понимать, что каждая часть цепи переполнена обоими видами заряда. Провод, резистор, все невероятно забито как положительным, так и отрицательным зарядом. Один вид заряда может двигаться на фоне другого. Теперь электрическое поле в резисторе толкает положительный заряд в резисторе в направлении от вывода с более высоким потенциалом к ​​выводу с более низким потенциалом.

Направление положительного заряда на провод с более низким потенциалом приведет к увеличению потенциала провода с более низким потенциалом и оставит верхний конец резистора с отрицательным зарядом.Я говорю «был бы», потому что любая тенденция к изменению относительного потенциала двух проводов немедленно компенсируется местом расположения ЭДС. Помните, что это то, что делает сиденье ЭДС, оно поддерживает постоянную разность потенциалов между проводами. Для этого в рассматриваемом случае гнездо ЭДС должно вытягивать положительные заряды из провода с более низким потенциалом и подталкивать их к проводу с более высоким потенциалом. Кроме того, любая тенденция верхнего конца резистора становиться отрицательным сразу же приводит к силе притяжения на положительный заряд в проводе с более высоким потенциалом.Это заставляет этот положительный заряд перемещаться вниз в резистор вместо заряда, который только что перемещался вдоль резистора к проводу с более низким потенциалом. Чистый эффект – это непрерывное движение заряда по часовой стрелке по петле, как мы видим на диаграмме, при этом чистое количество заряда в любом коротком участке цепи никогда не меняется. Выберите место в любом месте трассы. Так же быстро, как положительный заряд покидает это место, больше положительного заряда из соседнего места перемещается внутрь. У нас есть вся скопившаяся масса носителей положительного заряда, движущихся по петле по часовой стрелке, все из-за электрического поля в резисторе, и «настойчивость» ЭДС в поддержании постоянной разности потенциалов между проводами.

Теперь нарисуйте пунктирную линию поперек контура в любой точке контура, как показано ниже.

Скорость, с которой заряд пересекает эту линию, является скоростью потока заряда в этой точке (точке, в которой вы нарисовали пунктирную линию) в цепи. Скорость потока заряда, сколько кулонов заряда в секунду пересекает эту линию, называется электрическим током в этой точке. В данном случае, поскольку вся схема состоит из одной петли, ток одинаков в каждой точке схемы – не имеет значения, где вы «рисуете линию».”Символ, который обычно используется для представления значения тока, – это \ (I \).

При анализе схемы, если текущая переменная еще не определена для вас, вы должны определить ее
, нарисовав стрелку на схеме и пометив ее \ (I \) или \ (I \) нижним индексом.

Единицы измерения тока – кулоны в секунду (\ (C / s \)). Этой комбинации единиц дано имя: ампер, сокращенно \ (A \).

\ [1A = 1 \ frac {C} {s} \]

Теперь об этом резисторе: в нашей модели носителя положительного заряда заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в резисторе, испытывают силу, действующую на них электрическим полем в направлении электрического поля.В результате они испытывают ускорение. Но фоновый материал, составляющий вещество, частью которого являются носители заряда, оказывает на носители заряда замедляющую силу, зависящую от скорости. Чем быстрее они движутся, тем больше тормозящая сила. После завершения цепи (создания последнего соединения провод-клемма) носители заряда в резисторе почти мгновенно достигают конечной скорости, при которой тормозящая сила на данном носителе заряда так же велика, как и сила, действующая на него. электрическое поле на этом носителе заряда.Значение конечной скорости вместе с количеством носителей заряда на объем в резисторе и площадью поперечного сечения плохо проводящего материала, составляющего резистор, определяют скорость потока заряда, ток , в резисторе. В рассматриваемой простой схеме расход заряда в резисторе – это расход заряда во всей цепи.

Само значение конечной скорости зависит от силы электрического поля и природы тормозящей силы.Характер тормозящей силы зависит от материала, из которого изготовлен резистор. Один вид материала приведет к большей конечной скорости для того же электрического поля, что и другой вид материала. Даже с одним типом материала возникает вопрос, как тормозящая сила зависит от скорости. Он пропорционален квадрату скорости, логарифму скорости или чему-то еще? Эксперимент показывает, что в важном подмножестве материалов в определенных диапазонах конечной скорости тормозящая сила пропорциональна самой скорости.Такие материалы подчиняются закону Ома и называются омическими материалами.

Рассмотрим резистор в простой схеме, с которой мы имели дело.

Если вы удвоите напряжение на резисторе (используя гнездо ЭДС, которое поддерживает вдвое большую разность потенциалов между его выводами, как исходное гнездо ЭДС), то вы удвоите электрическое поле в резисторе. Это удваивает силу, действующую на каждый носитель заряда. Это означает, что при предельной скорости любого носителя заряда тормозящая сила должна быть вдвое больше.(Поскольку после подключения этой последней цепи скорость носителей заряда увеличивается до тех пор, пока тормозящая сила на каждом носителе заряда не станет равной по величине приложенной силе.) В омическом материале, если тормозящая сила вдвое больше, то скорость вдвое больше. Если скорость вдвое больше, то расход заряда, электрический ток, вдвое больше. Таким образом, удвоение напряжения на резисторе увеличивает вдвое ток. Действительно, для резистора, подчиняющегося закону Ома, ток в резисторе прямо пропорционален напряжению на резисторе.

Подведение итогов: когда вы подаете напряжение на резистор, в этом резисторе есть ток. Отношение напряжения к току называется сопротивлением резистора.

\ [R = \ frac {V} {I} \]

Это определение сопротивления согласуется с нашим пониманием того, что сопротивление резистора является мерой того, насколько он плохой проводник. Проверить это. Если для данного напряжения на резисторе вы получаете крошечный небольшой ток (это означает, что резистор является очень плохим проводником), значение сопротивления \ (R = \ frac {V} {I} \) с этим маленьким значением ток в знаменателе очень велик.Если, с другой стороны, при том же напряжении вы получаете большой ток (что означает, что резистор является хорошим проводником), тогда значение сопротивления \ (R = \ frac {V} {I} \) мало.

Если материал, из которого изготовлен резистор, подчиняется закону Ома, то сопротивление \ (R \) является постоянным, что означает, что его значение одинаково для разных напряжений. Отношение \ (R = \ frac {V} {I} \) обычно записывается в форме \ (V = IR \).

Закон Ома:

Сопротивление \ (R \) в выражении \ (V = IR \) является постоянной величиной.

Ома подходит для резисторов, изготовленных из определенных материалов (называемых омическими материалами) в ограниченном диапазоне напряжений.

Единиц сопротивления

Учитывая, что сопротивление резистора определяется как отношение напряжения на этом резисторе к результирующему току на этом резисторе,

\ [R = \ frac {V} {I} \]

очевидно, что единицей сопротивления является вольт на ампер, \ (\ frac {V} {A} \). Этому комбинированному блоку присвоено имя. Мы называем это ом, сокращенно \ (\ Omega \), греческая буква в верхнем регистре омега.

\ [1 \ Omega = 1 \ frac {\ mbox {volt}} {\ mbox {ampere}} \]

Авторы и авторство

10.2: Электродвижущая сила – Physics LibreTexts

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

• Опишите электродвижущую силу (ЭДС) и внутреннее сопротивление батареи
• Объясните основную работу аккумулятора

Если вы забыли выключить автомобильные фары, они постепенно тускнеют по мере разрядки аккумулятора.Почему они не мигают внезапно, когда разрядился аккумулятор? Их постепенное затемнение означает, что выходное напряжение батареи уменьшается по мере разряда батареи. Причина снижения выходного напряжения для разряженных батарей заключается в том, что все источники напряжения состоят из двух основных частей – источника электрической энергии и внутреннего сопротивления. В этом разделе мы исследуем источник энергии и внутреннее сопротивление.

Введение в электродвижущую силу

Voltage имеет множество источников, некоторые из которых показаны на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).Все такие устройства создают разность потенциалов и могут подавать ток, если подключены к цепи. Особый тип разности потенциалов известен как электродвижущая сила (ЭДС) . ЭДС – это вовсе не сила, но термин «электродвижущая сила» используется по историческим причинам. Он был изобретен Алессандро Вольта в 1800-х годах, когда он изобрел первую батарею, также известную как вольтовую батарею . Поскольку электродвижущая сила не является силой, принято называть эти источники просто источниками ЭДС (произносимыми буквами «ee-em-eff»), а не источниками электродвижущей силы.

Если Электродвижущая сила – это вообще не сила, тогда что такое ЭДС и что является источником ЭДС? Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим простую схему лампы 12 В, подключенной к батарее 12 В, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).Батарея , может быть смоделирована как устройство с двумя выводами, которое поддерживает один вывод с более высоким электрическим потенциалом, чем второй вывод. Более высокий электрический потенциал иногда называют положительной клеммой и обозначают знаком плюс. Клемму с более низким потенциалом иногда называют отрицательной клеммой и обозначают знаком минус. Это источник ЭДС.

Когда источник ЭДС не подключен к лампе, нет чистого потока заряда внутри источника ЭДС. Как только батарея подключена к лампе, заряды текут от одной клеммы батареи через лампу (в результате чего лампа загорается) и обратно к другой клемме батареи. Если мы рассмотрим протекание положительного (обычного) тока, положительные заряды покидают положительный вывод, проходят через лампу и попадают в отрицательный вывод.

Положительный ток используется для большей части анализа схем в этой главе, но в металлических проводах и резисторах наибольший вклад в ток вносят электроны, протекающие в направлении, противоположном положительному потоку тока.Поэтому более реалистично рассматривать движение электронов для анализа схемы на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Электроны покидают отрицательную клемму, проходят через лампу и возвращаются к положительной клемме. Чтобы источник ЭДС поддерживал разность потенциалов между двумя выводами, отрицательные заряды (электроны) должны перемещаться с положительного вывода на отрицательный. Источник ЭДС действует как накачка заряда, перемещая отрицательные заряды от положительного вывода к отрицательному для поддержания разности потенциалов.Это увеличивает потенциальную энергию зарядов и, следовательно, электрический потенциал зарядов.

Сила, действующая на отрицательный заряд электрического поля, действует в направлении, противоположном электрическому полю, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Чтобы отрицательные заряды переместились на отрицательный вывод, необходимо провести работу с отрицательными зарядами. Для этого требуется энергия, которая возникает в результате химических реакций в батарее. Потенциал поддерживается высоким на положительной клемме и низким на отрицательной клемме, чтобы поддерживать разность потенциалов между двумя клеммами.ЭДС равна работе, выполняемой над зарядом на единицу заряда \ (\ left (\ epsilon = \ frac {dW} {dq} \ right) \) при отсутствии тока. Поскольку единицей работы является джоуль, а единицей заряда – кулон, единицей измерения ЭДС является вольт \ ((1 \, V = 1 \, J / C) \).

Напряжение на клеммах \ (V_ {клемма} \) батареи – это напряжение, измеренное на клеммах батареи, когда к клемме не подключена нагрузка. Идеальная батарея – это источник ЭДС, который поддерживает постоянное напряжение на клеммах, независимо от тока между двумя клеммами.Идеальная батарея не имеет внутреннего сопротивления, а напряжение на клеммах равно ЭДС батареи. В следующем разделе мы покажем, что у реальной батареи есть внутреннее сопротивление, а напряжение на клеммах всегда меньше, чем ЭДС батареи.

Источник потенциала батареи

ЭДС батареи определяется сочетанием химических веществ и составом выводов батареи. Свинцово-кислотный аккумулятор , используемый в автомобилях и других транспортных средствах, является одним из наиболее распространенных сочетаний химических веществ.На рисунке \ (\ PageIndex {3} \) показана одна ячейка (одна из шести) этой батареи. Катодная (положительная) клемма ячейки соединена с пластиной из оксида свинца, а анодная (отрицательная) клемма подключена к свинцовой пластине. Обе пластины погружены в серную кислоту, электролит для системы.

Небольшое знание того, как взаимодействуют химические вещества в свинцово-кислотной батарее, помогает понять потенциал, создаваемый батареей. На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан результат одной химической реакции. Два электрона помещаются на анод , что делает его отрицательным, при условии, что катод подает два электрона. Это оставляет катод положительно заряженным, потому что он потерял два электрона.Короче говоря, разделение заряда было вызвано химической реакцией.

Обратите внимание, что реакция не происходит, если нет замкнутой цепи, позволяющей подавать два электрона на катод. Во многих случаях эти электроны выходят из анода, проходят через сопротивление и возвращаются на катод. Отметим также, что, поскольку в химических реакциях участвуют вещества, обладающие сопротивлением, невозможно создать ЭДС без внутреннего сопротивления.

Внутреннее сопротивление и напряжение на клеммах

Величина сопротивления току внутри источника напряжения называется внутренним сопротивлением . Внутреннее сопротивление батареи r может вести себя сложным образом. Обычно она увеличивается по мере разряда батареи из-за окисления пластин или снижения кислотности электролита.Однако внутреннее сопротивление также может зависеть от величины и направления тока через источник напряжения, его температуры и даже его предыстории. Например, внутреннее сопротивление перезаряжаемых никель-кадмиевых элементов зависит от того, сколько раз и насколько глубоко они были разряжены. Простая модель батареи состоит из идеализированного источника ЭДС \ (\ epsilon \) и внутреннего сопротивления r (рисунок \ (\ PageIndex {5} \)).

Предположим, что внешний резистор, известный как сопротивление нагрузки R , подключен к источнику напряжения, например батарее, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {6} \). На рисунке показана модель батареи с ЭДС ε, внутренним сопротивлением R и нагрузочным резистором R , подключенным к ее клеммам. При обычном протекании тока положительные заряды покидают положительную клемму батареи, проходят через резистор и возвращаются к отрицательной клемме батареи.Напряжение на клеммах аккумулятора зависит от ЭДС, внутреннего сопротивления и силы тока и равно

Примечание

\ [V_ {терминал} = \ epsilon – Ir \]

При заданной ЭДС и внутреннем сопротивлении напряжение на клеммах уменьшается по мере увеличения тока из-за падения потенциала Ir внутреннего сопротивления.

График разности потенциалов на каждом элементе цепи показан на рисунке \ (\ PageIndex {7} \). По цепи проходит ток I , а падение потенциала на внутреннем резисторе равно Ir . Напряжение на клеммах равно \ (\ epsilon – Ir \), что равно падению потенциала на нагрузочном резисторе \ (IR = \ epsilon – Ir \). Как и в случае с потенциальной энергией, важно изменение напряжения. Когда используется термин «напряжение», мы предполагаем, что это на самом деле изменение потенциала, или \ (\ Delta V \).Однако \ (\ Delta \) часто для удобства опускается.

Ток через нагрузочный резистор равен \ (I = \ frac {\ epsilon} {r + R} \). Из этого выражения видно, что чем меньше внутреннее сопротивление r , тем больший ток источник напряжения подает на свою нагрузку R . По мере разряда батарей r увеличивается. Если r становится значительной частью сопротивления нагрузки, то ток значительно снижается, как показано в следующем примере.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): анализ цепи с батареей и нагрузкой

Данная батарея имеет ЭДС 12,00 В и внутреннее сопротивление \ (0,100 \, \ Омега \). (a) Рассчитайте его напряжение на клеммах при подключении к нагрузке с \ (10.00 \, \ Omega \). (b) Какое напряжение на клеммах при подключении к нагрузке \ (0.500 \, \ Omega \)? (c) Какая мощность рассеивается при нагрузке \ (0.500 \, \ Omega \)? (d) Если внутреннее сопротивление увеличивается до \ (0.500 \, \ Omega \), найдите ток, напряжение на клеммах и мощность, рассеиваемую элементом \ (0.500 \, \ Omega \) загрузка.

Стратегия

Приведенный выше анализ дал выражение для тока с учетом внутреннего сопротивления. Как только ток будет найден, напряжение на клеммах можно рассчитать с помощью уравнения \ (V_ {terminal} = \ epsilon – Ir \). Как только ток будет найден, мы также сможем найти мощность, рассеиваемую резистором.

Решение

1. Ввод заданных значений ЭДС, сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления в выражение выше дает \ [I = \ frac {\ epsilon} {R + r} = \ frac {12.00 \, V} {10.10 \, \ Omega} = 1.188 \, A. \] Введите известные значения в уравнение \ (V_ {terminal} = \ epsilon – Ir \), чтобы получить напряжение на клеммах: \ [V_ { клемма} = \ epsilon – Ir = 12.00 \, V – (1.188 \, A) (0.100 \, \ Omega) = 11.90 \, V. \] Напряжение на клеммах здесь лишь немного ниже, чем ЭДС, что означает, что ток втягивается этой легкой нагрузкой незначительно.
2. Аналогично, с \ (R_ {load} = 0.500 \, \ Omega \), ток равен \ [I = \ frac {\ epsilon} {R + r} = \ frac {12.00 \, V} {0.2} {R} \) или \ (IV \), где В, – напряжение на клеммах (в данном случае 10,0 В).
3. Здесь внутреннее сопротивление увеличилось, возможно, из-за разряда батареи, до точки, в которой оно равно сопротивлению нагрузки. Как и раньше, мы сначала находим ток, вводя известные значения в выражение, получая \ [I = \ frac {\ epsilon} {R + r} = \ frac {12.00 \, V} {1.00 \, \ Omega} = 12.00 \, A. \] Теперь напряжение на клеммах равно \ [V_ {terminal} = \ epsilon – Ir = 12.00 \, V – (12.2 (0.500 \, \ Omega) = 72.00 \, W. \] Мы видим, что увеличенное внутреннее сопротивление значительно снизило напряжение на клеммах, ток и мощность, подаваемую на нагрузку.

Значение

Внутреннее сопротивление батареи может увеличиваться по многим причинам. Например, внутреннее сопротивление перезаряжаемой батареи увеличивается с увеличением количества раз, когда батарея перезаряжается. Повышенное внутреннее сопротивление может иметь двоякое влияние на аккумулятор.Сначала снизится напряжение на клеммах. Во-вторых, аккумулятор может перегреться из-за повышенной мощности, рассеиваемой внутренним сопротивлением.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Если вы поместите провод непосредственно между двумя выводами батареи, эффективно закоротив клеммы, батарея начнет нагреваться. Как вы думаете, почему это происходит?

Решение

Если к клеммам подсоединен провод, сопротивление нагрузки близко к нулю или, по крайней мере, значительно меньше внутреннего сопротивления батареи.2р) \). Мощность рассеивается в виде тепла.

Тестеры батарей

Тестеры батарей, такие как те, что показаны на рисунке \ (\ PageIndex {8} \), используют малые нагрузочные резисторы, чтобы намеренно потреблять ток, чтобы определить, падает ли потенциал клемм ниже допустимого уровня. Хотя измерить внутреннее сопротивление батареи сложно, тестеры батареи могут обеспечить измерение внутреннего сопротивления батареи. Если внутреннее сопротивление высокое, батарея разряжена, о чем свидетельствует низкое напряжение на клеммах.

Некоторые батареи можно перезарядить, пропустив через них ток в направлении, противоположном току, который они подают в прибор. Это обычно делается в автомобилях и батареях для небольших электроприборов и электронных устройств (Рисунок \ (\ PageIndex {9} \)). Выходное напряжение зарядного устройства должно быть больше, чем ЭДС аккумулятора, чтобы ток через него реверсировал. Это приводит к тому, что напряжение на клеммах аккумулятора превышает ЭДС, поскольку \ (V = \ epsilon – Ir \) и I теперь отрицательны.

Важно понимать последствия внутреннего сопротивления источников ЭДС, таких как батареи и солнечные элементы, но часто анализ цепей выполняется с помощью напряжения на клеммах батареи, как мы делали в предыдущих разделах. Напряжение на клеммах обозначается просто как В , без индекса «клемма».Это связано с тем, что внутреннее сопротивление батареи трудно измерить напрямую, и оно может со временем измениться.

Авторы и авторство

Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

ЭДС и внутреннее сопротивление

Рассмотрим аккумулятор на рисунке.Напряжение аккумулятора равно определяется как разница в электрическом потенциале между его положительным и отрицательные клеммы: т.е., точки и соответственно. Когда мы переходим от к , электрический потенциал увеличивается на вольт, когда мы пересекаем ЭДС, но затем уменьшается на вольт, когда мы пересекаем внутренний резистор. Падение напряжения на резисторе следует из закона Ома, из которого следует, что падение напряжения на резисторе, несущем ток , находится в том направлении, в котором текущие потоки.Таким образом, напряжение аккумулятора связано с его ЭДС. и внутреннее сопротивление через

Настоящая батарея обычно характеризуется его ЭДС (, т.е. , его напряжение при нулевом токе) и максимальный ток, который он может подавать. Например, стандартный сухой элемент (, т. Е. , своего рода аккумулятор, используемый для питания калькуляторов и фонарей) обычно рассчитан на и скажи) . Таким образом, ничего действительно катастрофического не произойдет. произойдет, если мы закоротим сухой элемент.Мы разрядим батарею через сравнительно короткий промежуток времени, но опасно большой ток не будет поток. С другой стороны, автомобильный аккумулятор обычно рассчитывается на и что-то вроде (такой ток нужен для запустить стартер). Понятно, что автомобильный аккумулятор должен иметь много меньшее внутреннее сопротивление, чем у сухого элемента. Отсюда следует, что если мы были достаточно глупы, чтобы замкнуть автомобильный аккумулятор, в результате довольно катастрофически (представьте себе всю энергию, необходимую для запуска двигателя автомобиль собирается тонким проводом, соединяющим клеммы аккумулятора вместе).

Разница между ЭДС и напряжением (со сравнительной таблицей)

Одно из основных различий между ЭДС и напряжением состоит в том, что ЭДС – это энергия, подводимая к заряду, тогда как напряжение – это энергия, необходимая для перемещения единичного заряда из одной точки в другую.Другие различия между ними объясняются ниже в сравнительной таблице.

Содержание: ЭДС против напряжения

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия

Сравнительная таблица

Определение напряжения

Напряжение определяется как энергия, необходимая для перемещения единичного заряда из одной точки в другую. Оно измеряется в вольтах и ​​обозначается символом V. Напряжение вызывается электрическим и магнитным полями.

Напряжение возникает между концами (т.е.е. катод и анод) источника. Потенциал положительной конечной точки источника выше, чем отрицательной точки. Когда на пассивном элементе возникает напряжение, это называется падением напряжения. Сумма падений напряжения в цепи равна ЭДС согласно закону Кирхгофа.

Определение ЭМП

Подача энергии от источника к каждому кулону заряда называется ЭДС. Другими словами, это подача энергии некоторым активным источником, таким как аккумулятор, для единичного кулоновского заряда.ЭДС означает электродвижущую силу. Он измеряется в вольтах и ​​обозначается символом ε.

Электродвижущая сила вышеуказанной цепи представлена ​​формулой где, r – внутреннее сопротивление цепи.
R – Внешний резистан цепи.
E – электродвижущая сила.
I – ток

Ключевые различия между ЭДС и напряжением

1. ЭДС – это мера подачи энергии на каждый кулон заряда, тогда как напряжение – это энергия, используемая одним кулоном заряда для перемещения из одной точки в другую.
2. ЭДС представлена ​​буквой ε, тогда как символическое представление напряжения – V.
3. ЭДС измеряется между конечной точкой источника, когда через него не течет ток, а напряжение измеряется между любыми двумя точками замкнутой цепи.
4. ЭДС создается электрохимическим элементом, динамо-машиной, фотодиодами и т. Д., А напряжение создается электрическим и магнитным полями.

Вольт – это единица СИ как для ЭДС, так и для напряжения.

Индуцированная ЭДС и магнитный поток – College Physics

Цели обучения

• Рассчитайте поток однородного магнитного поля через петлю произвольной ориентации.
• Опишите методы создания электродвижущей силы (ЭДС) с помощью магнитного поля или магнита и проволочной петли.

Аппарат, использованный Фарадеем для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи, показан на (Рисунок). Когда переключатель замкнут, в катушке в верхней части железного кольца создается магнитное поле, которое передается катушке в нижней части кольца.Гальванометр используется для обнаружения любого тока, наведенного в катушке внизу. Было обнаружено, что каждый раз, когда переключатель замыкается, гальванометр обнаруживает ток в одном направлении в катушке внизу. (Вы также можете наблюдать это в физической лаборатории.) Каждый раз, когда переключатель открывается, гальванометр обнаруживает ток в противоположном направлении. Интересно, что если переключатель остается замкнутым или разомкнутым в течение некоторого времени, через гальванометр нет тока. Замыкание и размыкание переключателя индуцирует ток.Это изменение в магнитном поле, которое создает ток. Более основным, чем текущий ток, является ЭДС , которая его вызывает. Ток является результатом ЭДС , индуцированной изменяющимся магнитным полем , независимо от того, есть ли путь для протекания тока.

Аппарат Фарадея для демонстрации того, что магнитное поле может производить ток. Изменение поля, создаваемого верхней катушкой, вызывает ЭДС и, следовательно, ток в нижней катушке. Когда переключатель разомкнут и замкнут, гальванометр регистрирует токи в противоположных направлениях.Когда переключатель остается замкнутым или разомкнутым, через гальванометр не течет ток.

Эксперимент, который легко выполняется и часто проводится в физических лабораториях, показан на (Рисунок). ЭДС индуцируется в катушке, когда стержневой магнит вставляется и выходит из нее. ЭДС противоположных знаков создаются движением в противоположных направлениях, и ЭДС также меняются на противоположные за счет изменения полюсов. Те же результаты будут получены, если перемещать катушку, а не магнит – важно относительное движение.Чем быстрее движение, тем больше ЭДС, и когда магнит неподвижен относительно катушки, ЭДС отсутствует.

Движение магнита относительно катушки создает ЭДС, как показано на рисунке. Такие же ЭДС возникают при перемещении катушки относительно магнита. Чем больше скорость, тем больше величина ЭДС, а при отсутствии движения ЭДС равна нулю.

Метод индукции ЭДС, используемый в большинстве электрических генераторов, показан на (Рисунок). Катушка вращается в магнитном поле, создавая ЭДС переменного тока, которая зависит от скорости вращения и других факторов, которые будут исследованы в следующих разделах.Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель (другая симметрия).

При вращении катушки в магнитном поле возникает ЭДС. Это основная конструкция генератора, в котором работа, выполняемая по вращению катушки, преобразуется в электрическую энергию. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель.

Итак, мы видим, что изменение величины или направления магнитного поля вызывает ЭДС. Эксперименты показали, что существует критическая величина, называемая магнитным потоком, определяемая соотношением

, где – напряженность магнитного поля в области под углом к ​​перпендикуляру к области, как показано на (Рисунок). Любое изменение магнитного потока вызывает ЭДС. Этот процесс определяется как электромагнитная индукция. Единицы магнитного потока ар. Как видно на (Рисунок), _⊥ , который является составляющей , перпендикулярной области . Таким образом, магнитный поток является произведением площади и составляющей магнитного поля, перпендикулярной ей.

Вся индукция, включая приведенные до сих пор примеры, возникает из-за некоторого изменения магнитного потока . Например, Фарадей изменил и, следовательно, при размыкании и замыкании переключателя в своем устройстве (показано на (Рисунок)). Это также верно для стержневого магнита и катушки, показанных на (Рисунок). При вращении катушки генератора угол и, следовательно, изменяется. Насколько велика ЭДС и какое направление она принимает, зависит от изменения в и от того, как быстро это изменение будет выполнено, как будет рассмотрено в следующем разделе.

Концептуальные вопросы

Каким образом многопетлевые катушки и железное кольцо в версии аппарата Фарадея, показанной на (Рисунок), улучшают наблюдение наведенной ЭДС?

Когда магнит вставляется в катушку, как показано на (Рисунок) (а), в каком направлении катушка воздействует на магнит? Нарисуйте диаграмму, показывающую направление тока, индуцируемого в катушке, и создаваемое ею магнитное поле, чтобы обосновать вашу реакцию. Как величина силы зависит от сопротивления гальванометра?

Объясните, как магнитный поток может быть равен нулю, когда магнитное поле не равно нулю.

Наведена ли ЭДС в катушке (рисунок), когда она растягивается? Если да, укажите причину и укажите направление индуцированного тока.

Круглая катушка с проволокой натянута в магнитном поле.

Задачи и упражнения

Какое значение магнитного потока в катушке 2 (рисунок) из-за катушки 1?

(a) Плоскости двух катушек перпендикулярны. (б) Проволока перпендикулярна плоскости катушки.

Какое значение магнитного потока, проходящего через катушку на (Рисунок) (b), обусловлено проводом?

Глоссарий

магнитный поток

величина магнитного поля, проходящего через конкретную область, вычисляемая по формуле, где – напряженность магнитного поля в области под углом к ​​перпендикуляру к области

электромагнитная индукция

процесс наведения ЭДС (напряжения) с изменением магнитного потока

ЭДС и напряжение на клеммах

Когда вы забываете выключить автомобильные фары, они медленно тускнеют по мере разрядки аккумулятора.Почему они просто не мигают, когда батарея разряжена? Их постепенное затемнение означает, что выходное напряжение батареи уменьшается по мере разряда батареи. Причина снижения выходного напряжения для разряженных или перегруженных батарей заключается в том, что все источники напряжения состоят из двух основных частей – источника электрической энергии и внутреннего сопротивления.

Электродвижущая сила

Все источники напряжения создают разность потенциалов и могут подавать ток, если подключены к сопротивлению.В небольшом масштабе разность потенциалов создает электрическое поле, которое воздействует на заряды, вызывая ток. Мы называем эту разность потенциалов электродвижущей силой (сокращенно ЭДС). ЭДС – это вообще не сила; это особый тип разности потенциалов источника при отсутствии тока. Единицы измерения ЭДС – вольты.

Электродвижущая сила напрямую связана с источником разности потенциалов, например с конкретной комбинацией химических веществ в батарее. Однако при протекании тока ЭДС отличается от выходного напряжения устройства.Напряжение на выводах батареи, например, меньше, чем ЭДС, когда батарея подает ток, и оно падает 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).

Напряжение на клеммах

схематично показывает источник напряжения. Выходное напряжение устройства измеряется на его выводах и называется напряжением на выводах В .Напряжение на клеммах определяется уравнением:

Схематическое изображение источника напряжения

Любой источник напряжения (в данном случае сухой углерод-цинковый элемент) имеет ЭДС, связанную с источником разности потенциалов, и внутреннее сопротивление r, связанное с его конструкцией. (Обратите внимание, что сценарий E означает ЭДС.) Также показаны выходные клеммы, на которых измеряется напряжение на клеммах V. Поскольку V = ЭДС-Ir, напряжение на клеммах равно ЭДС, только если ток не течет.

$ V = ЭДС – Ir $,

где r – внутреннее сопротивление, а I – ток, протекающий во время измерения.