Физика эдс это: Формула ЭДС в физике

Содержание

Что такое ЭДС? Объясняем просто и понятно | Энергофиксик

Физика — это удивительная наука, изучение которой открывает нам понимание, по каким законам происходит тот или иной процесс. Но для того, чтобы все глубже погружаться в этот удивительный мир, нужно не просто знать, а понимать базовые законы. В этой статье я максимально просто постараюсь объяснить, что же это такое ЭДС – электродвижущая сила. Итак, начнем.

Что такое ЭДС? Рассматриваем определение

Итак, для начала давайте освежим (или прочитаем в первый раз), что такое ЭДС. ЭДС (Электродвижущая Сила) — это скалярная физическая величина, которая характеризует работу сторонних сил, действующих в электрических цепях постоянного и переменного тока.

Измеряется данная величина в Вольтах также как и Напряжение, однако это не значит, что ЭДС и Напряжение это одно и тоже.

Напряжение — это физическая величина, которая характеризует действие электрического поля на заряженные частицы.

Объясняем на пальцах что такое ЭДС

Для понимания давайте рассмотрим такой пример. Давайте возьмем условный проводник и сообщим ему разность потенциалов, то есть на одном конце у него будет положительный заряд, а на другом отрицательный.

Так как у нас получилась цепочка, на концах которой есть разность потенциалов, то по проводнику потечет ток, и он будет течь до тех пор, пока потенциалы на концах проводника не уровняются.

А теперь давайте представим водонапорную башню, у которой бак полон воды.

И соотнесем давление воды с напряжением. Ведь если открыть кран на самом дне башни, то сначала давление будет сильным, но с течением времени вода полностью перестанет течь, то есть давление в бочке (разность потенциалов в случае с проводником) будет нулевым.

А теперь задайте себе вопрос: «Что нужно сделать, чтобы в водонапорной башне не падало давление воды?»

Правильно, поставить туда насосы, которые будут поддерживать постоянный уровень воды. Они (насосы) будут совершать работу.

Так вот наша с вами Электродвижущая сила — это не что иное, как работа (насосы в водонапорной башне), которая совершается сторонними силами для поддержания разности потенциалов в цепочке.

yandex.ru

yandex.ru

Природа ЭДС

ЭДС в различных источниках порождается различными причинами, и различают следующие типы ЭДС:

1. Химический. Данный вид ЭДС порождается в результате протекания химической реакции. Активно используется в батарейках и аккумуляторах.

2. Термический. Этот вид ЭДС формируется когда два элемента, имеющие разную температуру, соединены в одной точке. Элемент Пельтье.

3. Индукционное ЭДС. Формируется, когда в магнитном поле происходит вращение проводника. При этом ЭДС наводится, когда проводник пересекает линии магнитного поля или же наоборот сам проводник неподвижен, а изменяется магнитное поле вокруг него.

4. Фотоэлектрическая ЭДС. Данный тип формируется когда присутствует внутренний или внешний фотоэффект.

5. Пьезоэлектрическая ЭДС. Данный тип ЭДС проявляется, когда происходит сдавливание или растяжение особых материалов.

yandex.ru

yandex.ru

Заключение

Как вы, наверное, уже поняли ЭДС — это сила, которая имеет не электрическую природу, но при этом отвечает за протекание электрического заряда в замкнутой цепи.

Если вам понравился материал, то оцените его лайком и спасибо, что уделили свое драгоценное внимание!

Электродвижущая сила — Класс!ная физика

Электродвижущая сила

Подробности
Просмотров: 511

«Физика — 10 класс»

Любой источник тока характеризуется электродвижущей силой, или сокращённо ЭДС. Так, на круглой батарейке для карманного фонарика написано: 1,5 В.
Что это значит?

Если соединить проводником два разноимённо заряженных шарика, то заряды быстро нейтрализуют друг друга, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электрическое поле исчезнет (рис. 15.9, а).

Сторонние силы.

Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, кроме электрических сил, должны действовать силы неэлектростатического происхождения (рис. 15.9, б). Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (

кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т. е. кулоновских), называют сторонними силами.

Вывод о необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи станет ещё очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии.

Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нём заряженных частиц по замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводник нагревается. Следовательно, в цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий её в цепь. В нём, помимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторонние, непотенциальные силы. Работа этих сил вдоль замкнутого контура должна быть отлична от нуля.

Именно в процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока энергию и отдают её затем проводникам электрической цепи.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.

При замыкании цепи создаётся электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле (см. рис. 15.9, б).

Природа сторонних сил.

Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонние силы — это силы, действующие со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.

В гальваническом элементе, например в элементе Вольта, действуют химические силы.

Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещённых в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. (Медь очень мало растворяется в серной кислоте.) Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая и обусловливает ток во внешней электрической цепи.

Электродвижущая сила.

Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращённо ЭДС).

Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к абсолютной величине этого заряда:

Электродвижущую силу, как и напряжение, выражают в вольтах.

Разность потенциалов на клеммах батареи при разомкнутой цепи равна электродвижущей силе. ЭДС одного элемента батареи обычно 1—2 В.

Можно говорить также об электродвижущей силе и на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всём контуре, а только на данном участке.

Электродвижущая сила гальванического элемента есть величина, численно равная работе 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 перемещения зарядов.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский



Законы постоянного тока — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Электрический ток. Сила тока — Закон Ома для участка цепи. Сопротивление — Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединения проводников — Примеры решения задач по теме «Закон Ома. Последовательное и параллельное соединения проводников» — Работа и мощность постоянного тока — Электродвижущая сила — Закон Ома для полной цепи — Примеры решения задач по теме «Работа и мощность постоянного тока. Закон Ома для полной цепи»

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}}

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

Кратковременный ток в проводнике можно получить, если соединить этим проводником два заряженных проводящих тела, которые имеют различный потенциал.

Ток в проводнике исчезнет, когда потенциал тел станет одинаковым. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем и длительное время поддерживать электрическое поле.

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

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

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

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

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока 

против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

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

На рисунке изображена замкнутая цепь постоянного тока.

 

Продолжение лекции

Электродвижущая сила в физике с формулами и примерами

Электродвижущая сила. Внутреннее сопротивление источника тока

Сторонними силами называются любые силы, действующие на электрически заряженные частицы в цепи, за исключением электростатических (т.е. кулоновских).
При замыкании цепи создаётся электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны движутся от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.
В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение разных видов энергии в электрическую.

Таблица 2

Виды электродвижущей силы (ЭДС) по типу преобразования энергии

Электродвижущая сила (ЭДС) — характеристика источников тока. Понятие ЭДС было введено Г. Омом в 1827 г. для цепей постоянного тока. В 1857 г. Кирхгоф определил ЭДС как работу сторонних сил при переносе единичного электрического заряда вдоль замкнутого контура:

где — ЭДС источника тока, — работа сторонних сил, — количество перемещённого заряда.
Электродвижущую силу выражают 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.
Пусть имеется простая замкнутая цепь, состоящая из источника тока и резистора с сопротивлением . Ток в замкнутой цепи не прерывается нигде, следовательно, он существует и внутри источника тока. Любой источник представляет собой некоторое сопротивление для тока. Оно называется внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой .
В генераторе — это сопротивление обмотки, в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.
Таким образом, источник тока характеризуется величинами ЭДС и внутреннего сопротивления. Например, электростатические машины имеют очень большую ЭДС (до десятков тысяч вольт), но при этом их внутреннее сопротивление огромно (до сотни МОм). Поэтому они непригодны для получения сильных токов. У гальванических элементов ЭДС всего лишь приблизительно 1 В, но зато и внутреннее сопротивление мало (приблизительно 1 Ом и меньше). Это позволяет с их помощью получать токи, измеряемые амперами.

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Предмет физика

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Ответы | Лаб. 4. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока — Физика, 10 класс

1. Почему вольтметр включают в цепь параллельно потребителю? Что произойдет, если вольтметр включить в цепь последовательно?

Вольтметр включают параллельно участку цепи, на котором измеряют напряжение. Напряжение на измеренном участке и напряжение на вольтметре будет одним и тем же, т.к. вольтметр и напряжение на вольтметре подключены к общим точкам.

Т.к. вольтметр обладает большим сопротивлением, то при его последовательном подключении к электрической цепи увеличится внешнее сопротивление цепи, а, значит, сила тока в цепи значительно уменьшится.

2. Почему сопротивление амперметра должно быть значительно меньше сопротивления цепи, в которой измеряют ток? Что произойдет, если амперметр включить параллельно потребителю?

Поскольку включение амперметра в электрическую цепь не должно изменять силу тока в ней, то сопротивление амперметра должно быть как можно меньше.

Сопротивление амперметра гораздо меньше сопротивления потребителя, поэтому при таком неправильном подключении почти весь ток пойдёт через амперметр. В итоге «зашкалит» и может перегореть, если вовремя не отключить. Такое включение амперметра недопустимо.

3. Почему показания вольтметра при разомкнутом и замкнутом ключе различаются?

Потому что у источника питания появляется нагрузка в виде резистора. Вольтметр, подключённый к полюсам источника питания ЭДС источника ε. При подключении нагрузки (резистора) напряжение на источнике будет падать, т.к. источник не идеальный.

4. Как можно повысить точность измерения ЭДС источника тока?

Самый простой способ — взять вольтметр с меньшей приборной погрешностью, т.е. более высокого класса точности.

Также повысить точность можно путём совершенствования методики измерения и обработки результатов, таким образом можно уменьшить систематические погрешности.

5. При каком значении КПД будет получена максимальная полезная мощность от данного источника тока? Каким должно быть при этом сопротивление внешней цепи по отношению ко внутреннему сопротивлению источника тока?

Коэффициент полезного действия источника тока определяется как отношение полезной мощности к полной, и зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника тока. Можно доказать, что КПД оказывается равным 50%.

Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рассмотрим теперь цепь, содержащую несколько последовательно соединенных источников тока.

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

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

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

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

Пример решения задачи.

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

EMF | IOPSpark

EMF

Глоссарий Определение для 16-19

Описание

ЭДС — это сокращение от электродвижущей силы. Это мера способности управлять электрическим током.ЭДС любого источника электропитания, такого как элемент, батарея или динамо-машина, определяется как работа, которую источник мог бы выполнять на единицу заряда по перемещению заряда по цепи, если бы источник был подключен к цепи,

ℰ = Вт Q

, где ℰ — ЭДС источника питания, а Вт, — работа, совершаемая при перемещении заряда Q по цепи.

Обсуждение

По историческим причинам в его названии есть слово «сила», но важно понимать, что ЭМП — это не сила.

ЭДС может возникать, например, в результате химических реакций, как в элементе или батарее, или при изменении магнитного потока через цепь, как в динамо-машине или генераторе.

Разность потенциалов В, на выводах реального источника питания, который возбуждает ток по цепи, меньше его ЭДС. Это связано с тем, что часть энергии, поставляемой источником питания, рассеивается внутри самого источника питания. Это часто моделируется путем присвоения источнику питания внутреннего сопротивления r , определенного как

.

В = ℰ — I r

, где величина I r представляет собой разность между ЭДС источника питания и разностью потенциалов на его выводах и иногда называется «потерянным вольт».См. Рисунок 1.

Рисунок 1: Концептуальное представление реального источника питания, смоделированного как идеальный источник питания ЭДС, и внутреннее сопротивление r .

Блок СИ

вольт, В

Выражается в базовых единицах СИ

A -1 кг м 2 с -3

Другая часто используемая единица (и)

нет

Математические выражения
  • ℰ = Вт Q
  • где ℰ — ЭДС источника питания, а Вт, — работа по перемещению заряда Q по цепи.
  • Для генератора,
  • ℰ = -d ( N Φ ) d t

    — ЭДС, наведенная в катушке с N витками. Здесь N, — количество витков в катушке генератора, а Φ — магнитный поток, проходящий через каждый виток катушки.

  • Когда источник питания управляет током, разность потенциалов на клеммах меньше ЭДС в соответствии с уравнением
  • V = ℰ — I r

    , где V — разность потенциалов на клеммах, I — ток через источник питания и r — внутреннее сопротивление источника питания.

Связанные записи
  • Разность электрических потенциалов
  • Электрический заряд
  • Магнитный поток
В контексте

Типичный свежий щелочно-марганцевый элемент с разностью потенциалов 1,5 В и внутренним сопротивлением 0,21 Ом, управляющий током 250 мА, имеет ЭДС примерно

.

1,55 В + (0,25 А × 0,21 Ом) = 1,55 В

Каждый из шести генераторов на электростанции Дракс в Йоркшире производит ЭДС 23 500 В.

Список литературы

http://data.energizer.com/pdfs/alkaline_appman.pdf

https://www.power-technology.com/projects/drax/

23.6 Back Emf — Физика колледжа: OpenStax

Глава 23 Электромагнитная индукция, цепи переменного тока и электрические технологии

Сводка

  • Объясните, что такое обратная ЭДС и как она индуцируется.

Было отмечено, что двигатели и генераторы очень похожи. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, а двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Кроме того, двигатели и генераторы имеют одинаковую конструкцию. Когда катушка двигателя поворачивается, магнитный поток изменяется, и индуцируется ЭДС (в соответствии с законом индукции Фарадея). Таким образом, двигатель действует как генератор всякий раз, когда его катушка вращается. Это произойдет независимо от того, поворачивается ли вал под действием внешнего источника, например ременной передачи, или под действием самого двигателя.То есть, когда двигатель выполняет работу и его вал вращается, возникает ЭДС. Закон Ленца говорит нам, что ЭДС противодействует любому изменению, так что входной ЭДС, приводящей в действие двигатель, будет противодействовать самогенерируемая ЭДС двигателя, называемая обратной ЭДС двигателя. (См. Рисунок 1.)

Рис. 1. Катушка двигателя постоянного тока представлена ​​на этой схеме как резистор. Обратная ЭДС представлена ​​как переменная ЭДС, противоположная той, которая приводит в движение двигатель. Обратная ЭДС равна нулю, когда двигатель не вращается, и увеличивается пропорционально угловой скорости двигателя.

Обратная ЭДС — это выходная мощность генератора двигателя, поэтому она пропорциональна угловой скорости двигателя [латекс] \ boldsymbol {\ omega} [/ latex]. Он равен нулю при первом включении двигателя, что означает, что катушка получает полное управляющее напряжение, а двигатель потребляет максимальный ток, когда он включен, но не вращается. По мере того, как двигатель вращается все быстрее и быстрее, обратная ЭДС растет, всегда противодействуя управляющей ЭДС, и снижает напряжение на катушке и количество потребляемого тока. Этот эффект заметен в ряде ситуаций.При первом включении пылесоса, холодильника или стиральной машины свет в той же цепи на короткое время тускнеет из-за падения [латекса] \ boldsymbol {IR} [/ latex], возникающего в линиях подачи из-за большого тока, потребляемого двигателем. . Когда двигатель запускается впервые, он потребляет больше тока, чем при нормальной рабочей скорости. Когда на двигатель оказывается механическая нагрузка, например, электрическая инвалидная коляска, поднимающаяся в гору, двигатель замедляется, обратная ЭДС падает, течет больше тока и можно выполнять больше работы.2R} [/ latex]), возможно, даже выгорел. С другой стороны, если на двигатель нет механической нагрузки, он увеличит свою угловую скорость [латекс] \ boldsymbol {\ omega} [/ latex] до тех пор, пока обратная ЭДС не станет почти равной управляющей ЭДС. Тогда двигатель использует достаточно энергии только для преодоления трения.

Рассмотрим, например, катушки двигателя, представленные на рисунке 1. Катушки имеют сопротивление, эквивалентное [латексному] \ boldsymbol {0,400 \; \ Omega} [/ latex], и управляются ЭДС 48,0 В. Вскоре после включения они потребляют ток [латекс] \ boldsymbol {I = V / R = (48.2R = 5,76 \; \ textbf {кВт}} [/ latex] энергии как теплопередачи. Предположим, что при нормальных условиях эксплуатации для этого двигателя обратная ЭДС составляет 40,0 В. Тогда при рабочей скорости полное напряжение на катушках составляет 8,0 В (48,0 В минус обратная ЭДС 40,0 В), а потребляемый ток равен [латексу] \ жирный символ {I = V / R = (8.0 \; \ textbf {V}) / (0.400 \; \ Omega) = 20 \; \ textbf {A}} [/ latex]. Таким образом, при нормальной нагрузке рассеиваемая мощность составляет [латекс] \ boldsymbol {P = IV = (20 \; \ textbf {A}) / (8.0 \; \ textbf {V}) = 160 \; \ textbf {W} }[/латекс].Последнее не вызовет проблем для этого двигателя, тогда как прежнее 5,76 кВт сгорит катушки, если будет продолжаться.

  • Любая вращающаяся катушка будет иметь наведенную ЭДС — в двигателях это называется обратной ЭДС, поскольку она противодействует входной ЭДС в двигатель.

Концептуальные вопросы

1: Предположим, вы обнаружили, что ременная передача, соединяющая мощный двигатель с блоком кондиционирования воздуха, сломана и двигатель вращается свободно. Стоит ли беспокоиться о том, что двигатель потребляет много энергии бесполезно? Объясните, почему да или почему нет.

Задачи и упражнения

1: Предположим, двигатель, подключенный к источнику 120 В, потребляет 10,0 А при первом запуске. а) Каково его сопротивление? (b) Какой ток он потребляет при нормальной рабочей скорости, когда он развивает обратную ЭДС 100 В?

2: Двигатель, работающий от электричества 240 В, имеет обратную ЭДС 180 В при рабочей скорости и потребляет ток 12,0 А. а) Каково его сопротивление? б) Какой ток он потребляет при первом запуске?

3: Какова обратная ЭДС у двигателя на 120 В, который потребляет 8.00 А при нормальной скорости и 20,0 А при первом запуске?

4: Двигатель игрушечной машины работает от напряжения 6,00 В, создавая обратную ЭДС 4,50 В при нормальной скорости. Если он потребляет 3,00 А при нормальной скорости, какой ток он потребляет при запуске?

5: Комплексные концепции

Двигатель игрушечной машинки питается от четырех последовательно соединенных аккумуляторов, которые производят общую ЭДС 6,00 В. Двигатель потребляет 3,00 А и развивает обратную ЭДС 4,50 В при нормальной скорости.Каждая батарея имеет внутреннее сопротивление [латекс] \ boldsymbol {0.100 \; \ Omega} [/ latex]. Какое сопротивление мотора?

Глоссарий

задняя ЭДС
— ЭДС, генерируемая работающим двигателем, поскольку она состоит из катушки, вращающейся в магнитном поле; он противостоит напряжению, питающему двигатель

Решения

Задачи и упражнения

1: (a) [латекс] \ boldsymbol {12.00 \; \ Omega} [/ латекс]

(б) 1.67 А

3: 72,0 В

[латекс] \ boldsymbol {0.100 \; \ Omega} [/ латекс]

Электродвижущая сила и магнитный поток

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Как двое мужчин революционизировали физику: Форбс, Нэнси, Махон, Бэзил: 9781616149420: Amazon.com: Книги

Введение

Это 1888 год. Представьте себе большую, мало обставленную комнату.Здесь крепкие деревянные столы и верстаки — своего рода лаборатория, — но нет реторт, бунзеновских горелок или бутылок с ярко окрашенной жидкостью. Вместо этого в комнате есть любопытные металлические устройства со странными названиями: катушки Рюмкорфа, спирали Кнохенгауэра, мосты Уитстона. Их цель — исследовать пути загадочного невидимого явления — электричества.

В комнате один-единственный житель, молодой человек, красивый, аккуратно одетый, темноволосый, с коротко подстриженной бородой и усами.Он ловко собирает какой-то аппарат на одном из длинных деревянных столов. На одном конце он построил цепь, которая будет производить электрические искры через узкий воздушный зазор между двумя металлическими сферами, соединенными с концами проводов в цепи. Обычно воздух не проводит электричество, но, если две сферы расположены близко друг к другу и напряжение достаточно высокое, через зазор может появиться искра, хотя на самом деле это серия очень быстрых искр, которые прыгают взад и вперед, или колеблются между сферами.К каждой сфере он прикрепил металлический стержень, соединенный с прямоугольной металлической пластиной — он узнал, что это изменит частоту колебаний. Он нажимает клавишу, чтобы активировать цепь, и яркие синие искры затрещают в промежутке между сферами.

Пока все хорошо; его первичный контур работает, как и накануне, и накануне. Он обращает внимание на отдельную часть устройства, которую он называет своим детектором — простую петлю из проволоки с очень маленьким зазором между ее концами, которую он может регулировать с помощью винта.Он держит детектор близко к искрящейся первичной цепи, и в его собственном промежутке появляются слабые искры. Это происходит, рассуждает он, когда волны энергии проходят от первичного контура к детектору.

Все это ему знакомо, но следующие шаги еще не опробованы и, как он надеется, будут решающими. Выключив на время первичный контур, он поддерживает большой цинковый лист в вертикальном положении в дальнем конце стола. Его цель — действовать как отражатель, как зеркало.Он кладет детектор на стол между первичной цепью и цинковым отражающим листом, закрывает жалюзи, ждет, пока его глаза не привыкнут к темноте, а затем включает первичный контур. Поворачиваясь спиной к искрам, мерцающим между сферами, он ищет крошечные искры между выводами своего детектора. Они кажутся слабыми, но безошибочными. Теперь о шаге, который в случае успеха приведет к желаемому результату. Он смотрит, чтобы увидеть, меняется ли яркость искр, когда он медленно перемещает детектор от первичной цепи к отражающему цинковому листу.Действительно, это так. Искры гаснут до нуля, затем снова становятся яркими, а затем цикл повторяется. Он знает, что когда любая волна отражается обратно к своему источнику, она образует стоячую волну, которая, кажется, колеблется на месте, как струна гитары. Следовательно, волны генерируются первичной цепью и отражаются цинковым листом. Это именно то, что он хотел найти. Генрих Герц, профессор экспериментальной физики Высшей технической школы в Карлсруэ, сделал одно из величайших экспериментальных открытий в истории науки: он вне всяких сомнений доказал существование электромагнитных волн.

Как вскоре должны были показать Гульельмо Маркони и другие, коммерческая ценность открытия Герца была огромной. Но он не имел представления ни об этом, ни о каком-либо практическом применении. Что привлекло Герца и побудило его к поискам, так это соблазнительная, но странная научная идея — детище британского экспериментатора Майкла Фарадея в 1830-х годах, которое три десятилетия спустя было преобразовано в полную математическую теорию молодым шотландцем Джеймсом Клерком Максвеллом. Их идея настолько отличалась от всего, что было раньше, что многие ведущие деятели того времени отвергали ее как выдумку.Остальные были просто сбиты с толку; они не знали, что с этим делать. Но для Герца это была прекрасная идея, которая казалась правдой. Ему не хватало только физических доказательств, и его целью было предоставить экспериментальные доказательства, которые поставили бы этот вопрос вне всяких сомнений.

Со времен Ньютона ведущие ученые полагали, что Вселенная управляется механическими законами: материальные объекты обладают энергией и создают силы. Для них окружающее пространство было не более чем пассивным фоном. Необычная идея, выдвинутая Фарадеем и Максвеллом, заключалась в том, что пространство само по себе действует как хранилище энергии и передатчик сил: оно является домом для чего-то, что пронизывает физический мир, но необъяснимо в ньютоновских терминах — электромагнитного поля.

Первое представление Фарадея о силовых линиях, которое в то время сильно высмеивалось, превратилось в сложную математическую теорию Максвелла, которая предсказывала, что каждый раз, когда колеблется магнит, или когда электрический ток включается или выключается, волна электромагнитной энергии будет распространяться. в космос, как рябь на пруду, меняя природу самого пространства. Максвелл вычислил скорость волн, исходя из элементарных свойств электричества и магнетизма, и оказалось, что это та самая скорость, с которой измерялся свет.Он предположил, что видимый свет — это всего лишь небольшая полоса в обширном спектре электромагнитных волн, движущихся с одинаковой скоростью, но с длинами волн, которые могут варьироваться от нанометров до километров. Все это оставалось лишь теорией, у которой больше скептиков, чем приверженцев, до тех пор, пока четверть века спустя Герц не подтвердил ее, произведя и обнаружив в своей лаборатории то, что мы сейчас назвали бы коротковолновыми радиоволнами. Дверь в ранее невообразимые области научных знаний была открыта.

Практически невозможно переоценить масштабы достижений Фарадея и Максвелла по внедрению концепции электромагнитного поля в человеческую мысль. Он объединил электричество, магнетизм и свет в единую компактную теорию; изменили наш образ жизни, предоставив нам радио, телевидение, радары, спутниковую навигацию и мобильные телефоны; вдохновил специальную теорию относительности Эйнштейна; и представил идею уравнений поля, которая стала стандартной формой, используемой сегодняшними физиками для моделирования того, что происходит в бескрайних пространствах и внутри атомов.

Фарадей и Максвелл привлекли свою долю биографов, и это правильно. Помимо своего гения, оба они были замечательными, щедрыми людьми, которые занимались своей наукой с заразительным энтузиазмом и источали то очарование, которое заставляло людей лучше относиться к себе и миру в целом. Но, возможно, даже более убедительным, чем их индивидуальные жизненные истории, является то, как два человека из совершенно разных слоев общества — сын бедного кузнеца-самоучка и сын шотландского лорда, получивший образование в Кембридже, — были объединены своим любопытством по поводу физический мир и их решимость выяснить, как он работает.Хотя они встретились лишь в конце жизни Фарадея, между ними возникла чрезвычайно прочная связь — их объединяла готовность бросить вызов укоренившимся научным обычаям и условностям. Теория электромагнитного поля — это их совместное творение, и у нее есть своя собственная история, переплетенная с их историей и со своим собственным набором разнообразных второстепенных персонажей. Были, например, американские грабители граф Рамфорд, который сыграл важную роль в основании Королевского института, который дал работу бедному молодому Фарадею; блестящий, но тщеславный Хэмфри Дэви, вдохновляющий наставник Фарадея; индивидуалист Оливер Хевисайд, который суммировал теорию Максвелла в четыре знаменитых «уравнения Максвелла»; и трудолюбивый Оливер Лодж, обнаруживший волны на проводах, но обнаруживший, что Герц его полностью зачерпнул.

Добро пожаловать в историю электромагнитного поля.

Определение ЭДС и внутреннего сопротивления ячейки — Электрические источники и внутреннее сопротивление — Высшая физическая версия

Вольтметр и переменный резистор

Посмотрите это видео, чтобы узнать, как можно измерить ЭДС и внутреннее сопротивление ячейки.

Как показано на видео, чтобы найти ЭДС и внутреннее сопротивление ячейки, создается следующая схема.

Изменяют переменный резистор и снимают показания разности потенциалов на выводах элемента и тока через элемент.Затем строится график этих результатов, как показано ниже.

В точке, в которой линия пересекает ось конечной разности потенциалов, нет тока , протекающего из ячейки. Это называется потенциалом разомкнутой цепи цепи.

Поскольку нет тока, не будет потерь напряжения, поэтому это значение является ЭДС ячейки. Таким образом, точка, где линия пересекает ось конечной разности потенциалов (точка пересечения оси Y), является ЭДС ячейки.

В точке, где линия пересекает текущую ось (точка пересечения оси x), из ячейки берется максимальный ток. Это происходит при сопротивлении нагрузки \ (R = 0 \ Omega. \)

. Это достигается за счет короткого замыкания ячейки (этого следует избегать, поскольку ячейка может перегреться и это потенциально опасно). Максимальный ток называется током короткого замыкания , \ (I_ {SC} \).

Для определения внутреннего сопротивления ячейки рассчитывается градиент линии.Это отрицательное значение. Внутреннее сопротивление ячейки такое же, но без знака минус. Например, если наклон линии равен \ (- 4 \), то внутреннее сопротивление равно \ (4 \ Omega \).

Внутреннее сопротивление также можно найти, разделив ЭДС \ (E \) на ток короткого замыкания \ (I_ {SC} \).

Что такое электродвижущая сила (ЭДС)? — Видео и стенограмма урока

Свободная энергия Гиббса

Термин «свободная» в терминах свободной энергии Гиббса вводит в заблуждение.Энергия не бесплатна, но может быть доступна, как описал ее физик Дж. Уиллард Гиббс. Свободная энергия Гиббса сообщает нам количество энергии, доступное в электролитической ячейке для работы с электронами, перемещая их. Он сообщает нам, в каком направлении происходит реакция, и представляет собой приложение второго закона термодинамики — энтропии.

Энтропия — это беспорядок в системе. Подумайте об этом так. Что легче сделать: бросить все книги с полки на пол или поднять книги и вернуть их в исходное положение на полке? Бросать книги на пол легче, и это общий принцип, который вы можете применить к системе: все движется в неупорядоченное состояние, а не в упорядоченное.

С точки зрения физики, свободная энергия Гиббса означает спонтанность реакции. Другими словами, по какому пути будет протекать реакция или электроны будут двигаться в реакции самопроизвольно или нет?

Это важная концепция при работе с электрохимическими ячейками, поскольку они обеспечивают поток электронов (ток) только в том случае, если в правильной установке используются металлы и растворы правильного типа.

ЭДС: пример

В электрохимической ячейке, показанной на схеме 1, мы видим, что два электрона текут от цинковой стороны ячейки к медной стороне ячейки.Реакция идет спонтанно от цинка к меди, потому что цинк теряет электроны легче, чем медь.

Диаграмма 1: Электроны текут от цинковой стороны ячейки к медной стороне ячейки.

Что-то должно двигать эти электроны, и свободная энергия, доступная от этого устройства, — вот что делает это. Между цинком и медью существует разность электрических потенциалов (ЭДС), которая заставляет электроны двигаться от цинка к меди.

Вольтметр измеряет эту разность потенциалов или ЭДС как 1,1 вольт. Это стандартное напряжение в данной схеме при стандартных условиях. Следующее уравнение включает свободную энергию Гиббса и ЭДС электрохимической ячейки:

  • ΔG ° — свободная энергия Гиббса в джоулях (Дж) при стандартных условиях.
  • n — количество молей электронов, перенесенных в ячейке. На моль электронов 6.022 х 1023 электронов.
  • F — постоянная Фарадея, примерно равная 96 485 кулонов на моль (Кл / моль).
  • ε ° — ЭДС или напряжение элемента в вольтах (В) при стандартных условиях.

Обратите внимание на отрицательное значение в правой части уравнения. Поскольку ЭДС нашей клетки положительна, член свободной энергии Гиббса отрицателен. Это означает, что реакция является спонтанной, и электроны будут течь самопроизвольно в направлении, указанном на схеме 1. Батарея или электролитическая ячейка выполняет работу, перемещая электроны.

Если нам дать свободную энергию Гиббса электрохимической ячейки, и она будет положительной, это будет означать, что реакция не является спонтанной, и для работы с электронами, перемещая их, потребуется напряжение. Это приведет к отрицательной ЭДС.

Все это важно при разработке аккумуляторов!

Краткое содержание урока

Электродвижущая сила (ЭДС) — это не сила, а энергия на единицу заряда, необходимая для разделения электронов в электролитической ячейке.ЭДС — это напряжения, которые толкают (воздействуют на) электроны со стороны клеммы с высоким потенциалом (+) батареи на сторону клеммы с низким потенциалом (-) батареи.

Свободная энергия Гиббса — это количество энергии, доступное для перемещения электронов (работы с ними) в электролитической ячейке. Это способ определить, является ли реакция спонтанной. Спонтанная реакция (отрицательная свободная энергия Гиббса) означает, что электроны движутся из-за естественной ЭДС в системе. Несамопроизвольная реакция (положительная свободная энергия Гиббса) означает, что для перемещения электронов необходимо обеспечить ЭДС.Свободная энергия Гиббса является частью второго закона термодинамики, который равен энтропии , или беспорядку системы, тенденции систем становиться более неупорядоченными.

Уравнение для свободной энергии Гиббса: ΔG ° = — нФ ε °.

Электродвижущая сила (ЭДС) — Физический ключ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4 Электрическая схема с источником ЭДС и сопротивлением нагрузки.

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

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

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

Рис. 4 График изменения потенциала в цепи.

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

Потенциал уменьшается на внутреннем сопротивлении $ r $. Если $ I $ — это ток в цепи, разность потенциалов на внутреннем сопротивлении (падении напряжения) в источнике ЭДС составляет $ Ir $, то есть потенциал уменьшается на величину $ Ir $ во внутреннем сопротивлении.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *