Эдс электро – суть и принцип для начинающих чайников

Электродвижущая сила — Википедия. Что такое Электродвижущая сила

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, то есть любых сил неэлектрического происхождения, действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура[1][2].

По аналогии с напряжённостью электрического поля вводят понятие напряжённость сторонних сил E→ex{\displaystyle {\vec {E}}_{ex}}, под которой понимают векторную физическую величину, равную отношению сторонней силы, действующей на пробный электрический заряд к величине этого заряда. Тогда в замкнутом контуре L{\displaystyle L} ЭДС будет равна:

E=∮L⁡E→ex⋅dl→,{\displaystyle {\mathcal {E}}=\oint \limits _{L}{\vec {E}}_{ex}\cdot {\vec {dl}},}

где dl→{\displaystyle {\vec {dl}}} — элемент контура.

ЭДС так же, как и напряжение, в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах.
Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока вне самого́ источника равна нулю.

ЭДС и закон Ома

Электродвижущая сила источника связана с электрическим током, протекающим в цепи, соотношениями закона Ома. Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид[1]:

φ1−φ2+E=IR,{\displaystyle \varphi _{1}-\varphi _{2}+{\mathcal {E}}=IR,}

где φ1−φ2{\displaystyle \varphi _{1}-\varphi _{2}} — разность между значениями потенциала в начале и в конце участка цепи, I{\displaystyle I} — сила тока, текущего по участку, а R{\displaystyle R} — сопротивление участка.

Если точки 1 и 2 совпадают (цепь замкнута), то φ1−φ2=0{\displaystyle \varphi _{1}-\varphi _{2}=0} и предыдущая формула переходит в формулу закона Ома для замкнутой цепи[1]:

E=IR,{\displaystyle {\mathcal {E}}=IR,}

где теперь R{\displaystyle R} — полное сопротивление всей цепи.

В общем случае полное сопротивление цепи складывается из сопротивления внешнего по отношению к источнику тока участка цепи (Re{\displaystyle R_{e}}) и внутреннего сопротивления самого́ источника тока (r{\displaystyle r}). С учётом этого следует:

E=IRe+Ir.{\displaystyle {\mathcal {E}}=IR_{e}+Ir.}

ЭДС источника тока

Если на участке цепи не действуют сторонние силы (однородный участок цепи) и, значит, источника тока на нём нет, то, как это следует из закона Ома для неоднородного участка цепи, выполняется:

φ1−φ2=IR.{\displaystyle \varphi _{1}-\varphi _{2}=IR.}

Значит, если в качестве точки 1 выбрать анод источника, а в качестве точки 2 — его катод, то для разности между потенциалами анода φa{\displaystyle \varphi _{a}} и катода φk{\displaystyle \varphi _{k}} можно записать:

φa−φk=IRe,{\displaystyle \varphi _{a}-\varphi _{k}=IR_{e},}

где как и ранее Re{\displaystyle R_{e}} — сопротивление внешнего участка цепи.

Из этого соотношения и закона Ома для замкнутой цепи, записанного в виде E=IRe+Ir{\displaystyle {\mathcal {E}}=IR_{e}+Ir} нетрудно получить

φa−φkE=ReRe+r{\displaystyle {\frac {\varphi _{a}-\varphi _{k}}{\mathcal {E}}}={\frac {R_{e}}{R_{e}+r}}} и затем φa−φk=ReRe+rE.{\displaystyle \varphi _{a}-\varphi _{k}={\frac {R_{e}}{R_{e}+r}}{\mathcal {E}}.}

Из полученного соотношения следуют два вывода:

  1. Во всех случаях, когда по цепи течёт ток, разность потенциалов между клеммами источника тока φa−φk{\displaystyle \varphi _{a}-\varphi _{k}} меньше, чем ЭДС источника.
  2. В предельном случае, когда Re{\displaystyle R_{e}} бесконечно (цепь разорвана), выполняется E=φa−φk.{\displaystyle {\mathcal {E}}=\varphi _{a}-\varphi _{k}.}

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

ЭДС индукции

Причиной возникновения электродвижущей силы в замкнутом контуре может стать изменение потока магнитного поля, пронизывающего поверхность, ограниченную данным контуром. Это явление называется электромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением

E=−dΦdt,{\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi }{dt}},}

где Φ{\displaystyle \Phi } — поток магнитного поля через замкнутую поверхность, ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре (см. правило Ленца).
В свою очередь причиной изменения магнитного потока может быть как изменение магнитного поля, так и движение контура в целом или его отдельных частей.

Неэлектрический характер ЭДС

Внутри источника ЭДС ток течёт в направлении, противоположном нормальному. Это невозможно без дополнительной силы неэлектрической природы, преодолевающей силу электрического отталкивания

Как показано на рисунке, электрический ток, нормальное направление которого — от «плюса» к «минусу», внутри источника ЭДС (например, внутри гальванического элемента) течёт в противоположном направлении. Направление от «плюса» к «минусу» совпадает с направлением электрической силы, действующей на положительные заряды. Поэтому для того, чтобы заставить ток течь в противоположном направлении, необходима дополнительная сила неэлектрической природы (центробежная сила, сила Лоренца, силы химической природы) которая бы преодолевала электрическую силу.

Сторонние силы

Сторонними силами называются силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля. Например, в гальваническом элементе или аккумуляторе сторонние силы возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе соприкосновения электрода с электролитом; в электрическом генераторе постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца[3].

См. также

Примечания

wiki.sc

Электрическое поле. Электрический потенциал, ЭДС и напряжение

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ


Основные сведения о строении вещества и физической природе электричества

Известно, что все тела состоят из отдельных очень малых частиц — атомов и молекул. Каждый химический элемент — водород, углерод, медь, алюминий и прочие — состоит из атомов определенного вида. Молекулы образуются из нескольких атомов одного или различных химических элементов.

Строение атома весьма сложно. Упрощенно атом можно представить в виде ядра, окруженного оболочкой. Оболочка образована из постоянно движущихся с чрезвычайно большой скоростью мельчайших частиц — электронов, ядро — из протонов и нейтронов. Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть даже в самый сильный микроскоп. В атомах разных химических элементов содержится различное количество протонов, нейтронов и электронов.

Рисунок 1 — Схематическое изображение атомов

 

Заряд электрона е= -1,6×10-20 Кл.

Тело, приобретая электроны, получает отрицательный заряд (отрицательный ион).

Тело, теряя электроны, получает положительный заряд (положительный ион). Процесс превращения нейтрального атома в ион называется ионизацией.

Атомы различных химических веществ отличаются друг от друга количеством электронов.

Электроны, потерявшие связь с атомами и перемещающиеся в пространстве между ними, называются свободными. Свободных электронов много в металлах, чем и объясняется хорошая электропроводность металлов.

Атомы ряда других вещества прочно удерживают электроны около ядра и не дают им свободно уходить из атомов. Такие вещества плохо проводят электричество.

Закон Кулона.

Сформулирован французским ученым Кулоном в 1775 г.

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды.

 

 

Рисунок 2- Схемы взаимодействия электрических зарядов.

 

[Н],

 

где — заряды точечных тел [Кл];

— расстояние между их центрами [м];

— абсолютная диэлектрическая проницаемость [Ф/м];

— сила [Н].

 

Диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная.Различные вещества имеют разную абсолютную диэлектрическую проницаемость. Абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума называется электрической постоянной в СИ à Ф/м.

Опытным путем установлено .

Материал
Воздух 1,0
Бумага парафинированая 4,3
Масло минеральное 2,2
Мрамор 8,3
Миканит 9,2
Резина 2,7
Фарфор 5,8

Электрическое поле. Электрический потенциал, ЭДС и напряжение

В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электри­ческой энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела.

Электрическое поле условно изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направления действия электри­ческих сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую двигалась бы в электрическом поле поло­жительно заряженная частица. Электри­ческие силовые линии расходятся в разные стороны от положительно заряженных тел и сходятся у тел, обладающих отрицательным зарядом.

Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряжен­ными параллельными пластинами, называется однород­ным.

 
 

Напряженность электрического поля. Электрическое поле действует на внесен­ный в него заряд q с некоторой силой F. Следовательно, об интенсивности электрического поля можно судить по значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый элек­трический заряд, принятый за единицу. В электротехнике интенсив­ность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е. Под напряженностью понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля.

Направление напряженности эклектического поля Е совпадает по направлению с силой F.

 

,

 

Внутри проводника электрическое поле отсутствует, и применяют это для экранирования – защита измерительных приборов от воздействия внешнего электромагнитного поля.

 

Электрический потенциал. Элек­трическое поле обладает опре­деленным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Энергия электрического поля может быть реализована, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определенную работу.

Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке элек­трического поля, введено специальное понятие — электрический по­тенциал. Электрический потенциал поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Разность электрических потенциалов двух точек поля равна работе, затраченной силами поля на перемещение заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом.

, [В] , [В]

 

ЭДС . При соединении проводником двух разноименно заряженных тел, т. е. таких тел, между которыми дей­ствует некоторая разность потенциалов, свободные электроны в этих телах и в соединительном проводнике придут в движение и возникнет электрический ток. Этот ток будет протекать по про­воднику до тех пор, пока потенциалы обоих тел не станут равными.

Можно, однако, обеспечить и непрерывное движение электро­нов по проводнику, соединяющему два разноименно заряженных тела, т. е. непрерывное прохождение электрического тока. Для прохождения постоянного тока по металлическому проводнику необходимо все время обеспечивать на его концах разность потенциалов, или напряжение. Но внутри источника эти заряды должны перемещаться от отрицательного зажима к положительному, т. е. от точки с низшим потенциалом к точке с высшим потенциалом. Такое перемещение зарядов внутри источника совершается благо­даря электродвижущей силе (ЭДС), которая возбуждается в источ­нике. ЭДС поддерживает разность потенциалов на зажимах источника электрической энергии, обеспечивая прохождение тока по электрической цепи. Эта разность потенциалов определяет собой напряжение источника электрической энергии. ЭДС обозначается буквой Е (е) и численно равна работе, которую нужно затратить на перемещение единицы положительного заряда от одного зажима источника к другому.

 

Похожие статьи:

poznayka.org

Электродвижущая сила. Закон Ома для полной электрической цепи

ЭДС источника тока

 
Аккумуляторная батарея или генератор, подключённые к любой электрической сети, обеспечивают возникновение в ней напряжения и движение зарядов. Протекающий в цепи ток уменьшает разность потенциалов между полюсами батареи, так как отрицательно заряженный электрон уносится с катода и нейтрализует положительно заряженные дырки на аноде. Чтобы ток в цепи не затухал, необходимо создать условия для поддержания постоянного напряжения, накапливая для этого на аноде и катоде заряды того же знака.

Неизменное напряжение в источнике тока обеспечивает движение в нём отрицательных зарядов к катоду, а положительных к аноду. Такое движение невозможно под действием электростатических сил. Движение отрицательных частиц к отрицательно заряженному катоду, а положительных к аноду способны обеспечить некоторые силы неэлектрической природы (сторонние).

Считается, что именно сторонние силы вызывают разделение зарядов внутри аккумуляторной батареи или любого другого источника тока. Например, в гальваническом элементе они существуют из-за химической реакции, которая возникает между электродами, помещёнными в электролит.

Сторонние силы могут иметь химическую, тепловую, механическую, магнитную или биологическую природу. Работа, которую они осуществляют при перемещении положительного заряда q от более высокого потенциала на катоде к более низкому потенциалу на аноде (участок 1—2 рисунка) к его значению называется электродвижущей силой (ЭДС), обозначается ɛ. Единица измерения этой силы соответствует единице измерения напряжения или разности потенциалов — вольт (В). Это на самом деле не сила, несмотря на название, а работа по преодолению сопротивления электростатического поля.

Её формула:

Заряженная частица движется внутри источника тока. Происходит изменение потенциальной энергии этой частицы. Процесс можно описать формулой:

ΔW = Aстс,

где ΔW — изменение потенциальной энергии, Aст — работа сторонней силы, Aс — работа силы сопротивления источника тока.

Известно выражение, которое показывает зависимость ΔW от величины заряда и напряжения U батареи:

ΔW = qU

Запишем эту формулу иначе:

Из этого выражения делаем вывод, что напряжение аккумуляторной батареи, приложенное к подключённой цепи, меньше ЭДС. В случае когда цепь разомкнута, ток зарядов внутри батареи отсутствует, работа силы сопротивления электростатического поля равна нулю и

ε = U

ЭДС соответствует по величине напряжению между полюсами разомкнутого источника тока.

Закон Ома для замкнутой электрической цепи

 
Закон является наиболее фундаментальной формулой для описания и анализа электрических цепей. Он был сформулирован в 1826 году немецким учёным Георгом Симоном Омом, экспериментально изучавшим свойства металлов и способность их проводить электричество.

Для отдельного проводника, пропускающего постоянный ток, закон является простым и линейным. Его также применяют к цепям переменного тока, только учитывает некоторые другие переменные величины. Если цепь переменного тока включает в себя такие компоненты, как конденсаторы или катушки индуктивности, закон Ома не применяется.

Рассмотрим простую цепь постоянного тока. Компоненты, которые входят в её состав: источник тока с внутренним сопротивлением r и ЭДС ε, внешняя нагрузка (металлические провода, резистор или лампочка) с сопротивлением R.

Сила тока в замкнутой цепи зависит от ЭДС источника тока и полного сопротивления цепи. Важность закона состоит в том, что если известны значения двух переменных в уравнении, то можно определить третью.

fizikatyt.ru

Электродвижущая сила: источники тока

Физика > Источники электродвижущей силы

 

Рассмотрите источники тока электродвижущей силы в цепи. Изучите определение аккумулятора, закона индукции Фарадея, электродвижущей силы ЭДС, сопротивление.

Электродвижущая сила (ЭДС) – сформированное батареей или магнитной силой напряжение в соответствии с законом индукции Фарадея.

Задача обучения

  • Рассмотреть устройства, способные создать электродвижущую силу.

Основные пункты

  • ЭДС определяется как внешняя работа, потраченная на единицу заряда для формирования разности в электрических потенциалах между двумя клеммами с замкнутым контуром.
  • Подобные устройства вмещают электрохимические и солнечные элементы, термоэлектрические приборы, трансформаторы и генератор Ван де Граафа.
  • В природных условиях электродвижущая сила тока появляется, когда флуктуация магнитного поля проходит сквозь поверхность.

Термины

  • Закон индукции Фарадея – главный закон электромагнетизма, описывающий взаимодействие магнитного поля и электрической цепи для создания ЭДС.
  • Аккумулятор – прибор, вырабатывающий электричество через химическую реакцию двух веществ.
  • Электродвижущая сила – напряжение, созданное батареей или магнитной силой в соответствии с законом Фарадея. Вычисляется в вольтах, поэтому не выступает силой.

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила (ЭДС) – напряжение, созданное батареей или магнитной силой в соответствии с законом индукции Фарадея (меняющееся во времени магнитное поле будет индуцировать электрический ток).

На самом деле, эта «сила» не считается буквальной силой, а выступает потенциалом или энергией на единицу заряда (в вольтах). Электродвижущая сила источника тока представляет собою внешнюю работу, потраченную на единицу заряда, чтобы создать разность в электрических потенциалах в замкнутом контуре.

При разделе положительных и отрицательных зарядов формируется электрическая разность потенциалов с генерацией электрического поля. Эта разность управляет потоком тока, если цепь подключена к источнику ЭДС. Если же ток протекает, то напряжение на клеммах источника ЭДС больше не определяется как значение разомкнутого контура.

Среди подобных приборов можно найти батарейки, солнечные элементы, трансформаторы и даже генераторы Ван де Граафа.

Разнообразные источники напряжения: ветровая ферма Бразоса (Техас), Красноярская плотина (Россия), солнечная ферма и группа никель-металл-гидридных батарей. Выходная мощность каждого основывается на конструкции и нагрузки

Если при разделении участвует батарея, то речь идет о химических реакциях на электродах. Можно говорить о том, что вольтовые ячейки обладают «зарядным насосом» атомных размеров на каждом электроде.

При электрическом генераторе магнитное поле в нем формирует электрическое путем электромагнитной индукции, что приводит к разности терминалов генератора. Разделение заряда осуществляется внутри генератора, а электроны переходят от одного к другому, пока в корпусе не сформируется достаточное электрическое поле.

ЭДС вступает в противодействие с электрическим напряжением из-за разделения заряда (внутреннее сопротивление электродвижущей силы). Если нагрузка добавлена, то напряжение будет перемещать ток. ЭДС регулируется законом индукции Фарадея.

В природных условиях ЭДС возникает, когда флуктуация магнитного поля пронизывает поверхность. В качестве примера стоит вспомнить земное магнитное поле, которое меняется в период геомагнитных бурь.


v-kosmose.com

§ 5. Электродвижущая сила и напряжение источника электрической энергии

При соединении проводником двух разноименно заряженных тел а и б (рис. 11, а), т. е. таких тел, между которыми дей­ствует некоторая разность потенциалов, свободные электроны в этих телах и в соединительном проводнике придут в движение и возникнет электрический ток. Этот ток будет протекать по про­воднику до тех пор, пока потенциалы обоих тел не станут равными.

Можно, однако, обеспечить и непрерывное движение электро­нов по проводнику, соединяющему два разноименно заряженных тела, т.е. непрерывное прохождение электрического тока. Для этого надо каким-то образом возвращать электроны обратно на отрицательно заряженное тело, другими словами, поддерживать постоянными заряды этих тел. Это означает, что для прохождения постоянного тока по металлическому проводнику необходимо все время обеспечивать на его концах разность потенциалов, или напряжение. Для этого проводник надо подключить к источнику электрической энергии и создать замкнутую электрическую цепь (рис. 11, б). В проводнике положительные заряды движутся от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким по­тенциалом, т. е. от положительного зажима источника электрической энергии к отрицательному. Но внутри источника эти заряды должны перемещаться от отрицательного зажима к положительному, т. е. от точки с низшим потенциалом к точке с высшим потенциалом. Такое перемещение зарядов внутри источника совершается благо-

Рис. 11. Схемы прохождения электрического тока между двумя заряженными телами (а) и по замкнутой электрической цепи (б)

даря электродвижущей силе (э. д. с), которая возбуждается в источ­нике. Э. д. с. поддерживает разность потенциалов на зажимах источника электрической энергии, обеспечивая прохождение тока по электрической цепи. Эта разность потенциалов определяет собой напряжение источника электрической энергии. Э. д. с. обозначается буквой Е (е) и численно равна работе, которую нужно затратить на перемещение единицы положительного заряда от одного зажима источника к другому. Э. д. с. и напряжение источника тесно связаны друг с другом. Если в источнике не возбуждается э. д. с, то будет отсутствовать и напряжение на его зажимах.

Следует отметить, что э. д. с. и напряжение источника могут существовать независимо от наличия тока в цепи. Если электричес­кая цепь постоянного тока разомкнута, то ток по цепи не проходит, но при работающем генераторе или аккумуляторе в них возбужда­ется э. д. с. и между их зажимами действует напряжение.

За единицу э. д. с, также как и напряжения, принят вольт. В разных источниках электрической энергии э. д. с. возникает по различным физическим причинам. Например, в электрических гене­раторах э. д. с. получается в результате электромагнитной индук­ции, в химических источниках тока (аккумуляторах, гальвани­ческих элементах) — вследствие электрохимических реакций.

Количественная разница между э. д. с. и напряжением источника будет рассмотрена в § 9.

electrono.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о