Чему по определению численно равна электродвижущая сила

Содержание

Постоянный электрический ток в цепи вызывается стационарным электростатическим полем (кулоновским полем), которое должно поддерживаться источником тока, создающим постоянную разность потенциалов на концах внешней цепи. Поскольку ток в проводнике несет определенную энергию, выделяющуюся, например, в виде некоторого количества теплоты, необходимо непрерывное превращение какой-либо энергии в электрическую. Иначе говоря, помимо кулоновских сил стационарного электростатического поля на заряды должны действовать еще какие-то силы, неэлектростатической природы — сторонние силы.

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

Природа (или происхождение) сторонних сил может быть различной: например, в гальванических элементах и аккумуляторах — это химические силы, в генераторах — это сила Лоренца или силы со стороны вихревого электрического поля.

Внутри источника тока за счет сторонних сил электрические заряды движутся в направлении, противоположном действию сил электростатического поля, т.е. кулоновских сил. Благодаря этому на концах внешней цепи поддерживается постоянная разность потенциалов. Во внешней цепи сторонние силы не действуют.

Работа электрического тока в замкнутой электрической цепи совершается за счет энергии источника, т.е. за счет действия сторонних сил, т.к. электростатическое поле потенциально. Работа этого поля по перемещению заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю.

Количественной характеристикой сторонних сил (источника тока) является электродвижущая сила (ЭДС).

Электродвижущей силой е называется физическая величина, численно равная отношению работыЛд^ сторонних сил по перемещению заряда ^ вдоль цепи к значению этого заряда:

Электродвижущая сила выражается в вольтах (1 В = 1 Дж/Кл). ЭДС — это удельная работа сторонних сил на данном участке, т.е. работа по перемещению единичного заряда. Например, ЭДС гальванического элемента равна 4,5В. Это означает, что сторонние силы (химические) совершают работу в 4,5 Дж при перемещении заряда в 1 Кл внутри элемента от одного полюса к другому.

Электродвижущая сила является скалярной величиной, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Знак ЭДС зависит от направления тока в цепи и выбора направления обхода цепи .

Сторонние силы не потенциальны (их работа зависит от формы траектории), и поэтому работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов между двумя точками. Работа электрического тока по перемещению заряда по проводнику совершается кулоновскими и сторонними силами, поэтому полная работа А равна:

Физическая величина, численно равная отношению работы, совершаемой электрическим полем при перемещении положительного

заряда из одной точки в другую, к значению заряда д, называется напряжением V между этими точками:

Урок 246 Условия существования постоянного тока. Электродвижущая сила

т.е. разности потенциалов между двумя точками стационарного электростатического поля, где ф1и ф2 — потенциалы начальной и конечной точки траектории заряда, а

В случае электростатического поля, когда на участке не приложена ЭДС (е = 0), напряжение между двумя точками равно разности потенциалов:

При разомкнутой электрической цепи (Г = 0) напряжение равно ЭДС источника:

Единица напряжения в СИ — вольт (В), В = Дж/Кл. Напряжение измеряют вольтметром, который подключается параллельно тем участкам цепи, на которых измеряют напряжение.

2. Электродвижущая сила (эдс). Напряжение.

Количественной характеристикой сторонних сил (источника тока) является электродвижущая сила (ЭДС).

заряда из одной точки в другую, к значению заряда д, называется напряжением V между этими точками:

При разомкнутой электрической цепи (Г = 0) напряжение равно ЭДС источника:

Сторонние силы

Для того, чтобы поддерживать разность потенциалов на полюсах источника тока, необходимо совершать работу по переносу зарядов между полюсами. Причем, этот перенос должен осуществляться против действия имеющегося электрического поля. В самом деле, если носитель заряда имеет отрицательный заряд (например, свободный электрон), то он, придя к положительному полюсу – должен быть перенесен внутри источника к отрицательному полюсу, несмотря на то, что поле будет двигать его по-прежнему к положительному.

Это значит, что перенос зарядов внутри источника электрического тока должен осуществляться силами, имеющими природу, отличную от электрической. Поэтому эти силы называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. В батарейках и аккумуляторах это силы химической природы. В промышленных генераторах природа сторонних сил механическая. В солнечных батареях – световая.

Электродвижущая сила как мера сторонних сил

Итак, действие источника тока заключается в том, чтобы с помощью сторонних сил производить работу по переносу электрических зарядов между полюсами против действия электрического поля. Для характеристики этой работы существует специальная мера, называемая электродвижущей силой (ЭДС, обозначается буквой $mathscr$). Ее физический смысл состоит в том, что это работа сторонних сил по переносу единицы заряда. То есть, ЭДС равна отношению работы, произведенной сторонними силами по переносу заряда против действия электрического поля, к величине этого заряда:

Из данной формулы можно получить единицу измерения ЭДС. Она такая же, как у напряжения – Вольт (напомним, 1 В = 1 Дж / 1 Кл).

ЭДС обычной пальчиковой батарейки 1.5В. То есть, в ней сторонние силы химической природы для переноса 1Кл заряда совершают работу 1.5 Дж.

Физический смысл ЭДС

Физический смысл ЭДС заключается в способности источника энергии приводить заряды в движение в электрической цепи. Она представляет собой энергию, которую источник может передать заряду при его перемещении в цепи.

Для лучшего понимания физического смысла ЭДС, рассмотрим пример с батареей. Батарея содержит химическую энергию, которая может быть преобразована в электрическую энергию. Когда эта батарея подключается к электрической цепи, она создает разность потенциалов между положительным и отрицательным выводами. Эта разность потенциалов и называется ЭДС.

Когда в цепи присутствует разность потенциалов, заряды начинают двигаться от положительного вывода к отрицательному. Это движение зарядов называется электрическим током. При этом, работа, которую совершает источник энергии, преобразуется в электрическую энергию, которая может быть использована для питания электрических устройств.

Физический смысл ЭДС заключается в том, что она является источником энергии, который позволяет зарядам двигаться в электрической цепи и выполнять работу. Она представляет собой энергетический потенциал, который может быть использован для создания электрического тока и питания различных устройств.

Единицы измерения ЭДС

ЭДС (электродвижущая сила) измеряется в вольтах (В). Вольт – это единица измерения электрического потенциала, которая показывает, сколько работы нужно совершить, чтобы переместить единичный положительный заряд из одной точки в другую в электрическом поле.

Вольт – это также единица измерения разности потенциалов, которая указывает на разницу в электрическом потенциале между двумя точками в электрической цепи.

Один вольт равен одному джоулю энергии, которую получает или теряет один кулон заряда, перемещаясь через электрическое поле с разностью потенциалов в один вольт.

Для измерения ЭДС в цепи используется вольтметр, который подключается параллельно источнику энергии или элементу цепи, чтобы измерить разность потенциалов между двумя точками.

Единицы измерения ЭДС важны для понимания и оценки электрических систем, таких как батареи, генераторы и другие источники энергии. Они позволяют определить, сколько энергии может быть передано заряду в электрической цепи и как эффективно использовать эту энергию.

Электродвижущая сила

Электродви́жущая си́ла (эдс), скалярная физическая величина, численно равная работе , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного электрического заряда внутри источника тока . Источниками тока являются генераторы , гальванические элементы , аккумуляторы и др. К сторонним силам относятся силы, отличные от сил электростатического поля . Сторонние силы могут иметь механическую , химическую , электромагнитную и другую физическую природу. Так, в гальванических элементах, батареях и аккумуляторах это химические силы (силы молекулярного взаимодействия ). К сторонним силам относятся также силы, действующие со стороны вихревого электрического поля . Электродвижущая сила на участке между точками 1 и 2 равна ε 12 = ∫ 1 2 E ∗ d l ε_=int_1^2boldsymbol E^*dl ε 12 = ∫ 1 2 E ∗ d l , где E ∗ boldsymbol E^* E ∗ – напряжённость поля сторонних сил (численно равна сторонней силе, действующей на единичный положительный заряд); d l dl d l – модуль вектора , соединяющего точки 1 и 2. Значение электродвижущей силы зависит от пути интегрирования между точками 1 и 2. Для замкнутой электрической цепи интеграл берётся по замкнутому контуру, проходящему через все участки цепи. Если в замкнутой электрической цепи с полным электрическим сопротивлением R R R действует электродвижущая сила ε ε ε , то в цепи протекает электрический ток силой I = ε / R I=ε/R I = ε / R (см. статью Закон Ома ). Электродвижущая сила источника тока равна разности потенциалов между клеммами разомкнутого источника тока. Единица измерения электродвижущей силы в Международной системе единиц СИ (SI) – вольт (В).

Опубликовано 24 августа 2023 г. в 11:46 (GMT+3). Последнее обновление 24 августа 2023 г. в 11:46 (GMT+3). Связаться с редакцией

Информация

Области знаний: Электрический ток, Классическая электродинамика Другие наименования: Эдс

О втором правиле Кирхгофа

Полученная формула говорит, что электродвижущая сила равна сложенным друг с другом произведениям силы тока на все сопротивления, составляющих замкнутую цепь.

Это очень важное утверждение. Часто его именуют Вторым правилом Кирхгофа. Оно относится ко всем замкнутым цепям, какими бы они ни были.

По-другому это правило можно сформулировать так – в любом электрическом замкнутом контуре алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления, через которые они протекают равняется ЭДС в указанном контуре.

Сопротивления могут считаться не только положительными, но и отрицательными. Если направление тока совпадает с выбранным направлением обхода контура, то сопротивление признают положительным. Если не совпадает – отрицательным.

Электродвижущая сила тока считается положительной, в том случае, если в его источнике произошёл переход от отрицательного полюса к положительному.

Когда в направлении токов нельзя быть уверенным, его можно выбрать произвольно. Из-за этого после вычислений может получиться отрицательное число. Это признак того что на самом деле ток идёт в противоположную сторону.

Впрочем, здесь всё условно. У многих ток ассоциируется с бегущими по проводнику отрицательно заряженными электронами. Тем не менее за направление тока всегда принимают именно направление положительных движущихся зарядов. Расчётам и пониманию сути физических явлений, относящихся к этому разделу физики подобное никак не мешает. Разве что в самом начале, пока не появилась привычка.

Математическая запись правила Кирхгофа выглядит следующим образом:

[sum_^ varepsilon m=sum_^ I m R m].

N – число участков, на которые мы разбили контур.

Данная формула позволяет очень легко рассчитывать достаточно сложные цепи, т. к. получаем систему независимых уравнений, легко решаемую с математической точки зрения. То что самостоятельно, на листе бумаги расчёты будут громоздкими – не проблема. Даже простейший не очень мощный компьютер с вычислениями может справиться весьма быстро.

Количество независимых контуров определяется по формуле:

p – общее количество ветвей в цепи, m – общее количество узлов в цепи.

Закон Ома для произвольного участка цепи

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным. Для него выполняется равенство:

где U12=IR21 – падение напряжения (или напряжение) на участке цепи 1-2 (I-сила тока); $varphi_-varphi_$ – разность потенциалов концов участка; $varepsilon_12$ – электродвижущая сила, которую содержит участок цепи. $varepsilon_12$ равна алгебраической сумме ЭДС всех источников, которые находятся на данном участке.

Следует учитывать, что ЭДС может быть положительной и отрицательной. ЭДС называют положительной, если она увеличивает потенциал в направлении тока (ток течет от минуса к плюсу источника).

Единицы измерения

Размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала. Основной единицей измерения ЭДС в системе СИ является: [$varepsilon$]=В

Задание. Электродвижущая сила элемента равна 10 В. Он создает в цепи силу тока равную 0,4 А. Какова работа, которую совершают сторонние силы за 1 мин?

Решение. В качество основы для решения задачи используем формулу для вычисления ЭДС:

Заряд, который проходит в рассматриваемой цепи за 1 мин. можно найти как:

Выразим из (1.1) работу, используем (1.2) для вычисления заряда, получим:

$A=varepsilon I Delta t$

Переведем время, данной в условиях задачи в секунды ($Delta t$ мин=60 с), проведем вычисления:

$A=10 cdot 0,4 cdot 60=240$ (Дж)

Ответ. A=240 Дж

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Задание. Металлический диск, имеющий радиус a, вращается с угловой скоростью $omega$, включен в электрическую цепь при помощи скользящих контактов, которые касаются оси диска и его окружности (рис.1). Какой будет ЭДС, которая появится между осью диска и его наружным краем?

Решение. В условиях, которые описаны в задаче, на каждый электрон проводника действует центробежная сила (F) которая является сторонней. Вследствие ее действия, в диске возникает ЭДС и между осью диска и его наружным краем появляется напряжение. Формулу для вычисления центробежной силы запишем как:

где m – масса электрона, r – расстояние от оси диска.Fдействует на заряженную частицу (электрон), следовательноучитывая (2.1), имеем:

где q – заряд электрона.

В соответствии с формулой, определяющей ЭДС участка цепи, получаем:

Ответ. $varepsilon=frac a^>$

Пьезоэлектрическая электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда происходит или сдавливание, или растяжение веществ, называемых пьезоэлектриками. Они широко используются в таких конструкциях, как пьезодатчики, кварцевых генераторах, гидрофонах и некоторых другиех.

Именно пьезоэлектрический эффект положен в основу работы пьезоэлектрических датчиков. Сами они относятся к датчикам так называемого генераторного типа. В них входной величиной является прилагаемая сила, а выходной – количество электричества.

Что касается таких устройств, как гидрофоны, то в основу их функционирования заложен принцип так называемого прямого пьезоэлектрического эффекта, который имеют пьезокерамические материалы. Суть его состоит в том, что если на поверхность этих материалов оказывается звуковое давление, то на их электродах возникает разность потенциалов. При этом она пропорциональна величине звукового давления.

Одной из основных сфер применения пьезоэлектрических материалов является производство кварцевых генераторов, имеющих в своей конструкции кварцевые резонаторы. Предназначены такие устройства для того, чтобы получать колебания строго фиксированной частоты, которые стабильны как по времени, так и при изменении температуры, а также имеют совсем невысокий уровень фазовых шумов.

Термоионная электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда с поверхности разогретых электродов происходит термоэмиссия заряженных частиц. Термоионная эмиссия на практике применяется достаточно широко, например, на ней основана работа практически всех радиоламп.

Эта разновидность ЭДС возникает тогда, когда на различных концах разнородных проводников или же просто на различных участках цепи температура распределяется очень неоднородно.

Термоэлектрическая электродвижущая сила используется в таких устройствах, как пирометры, термопары и холодильные машины. Датчики, работа которых основана на этом явлении, называются термоэлектрическими, и являются, по сути дела, термопарами, состоящими из спаянных между собой электродов, изготовленных из разных металлов. Когда эти элементы или нагреваются, или охлаждаются, между ними возникает ЭДС, которая по своей величине пропорциональна изменению температуры.