Что такое эдс в электрической цепи

Содержание

Так вот ток для наших Айфонов поступает к розеткам от источника. Это может быть батарейка, аккумулятор, генератор или даже солнечная панель. Эти устройства создают и поддерживают поток электронов, который двигается по электрической цепи.

Источник тока — это специальное приспособление, которое может преобразовать энергию разного вида в электрическую.

Источник тока имеет два полюса: положительный и отрицательный. Они позволяют производить разделение заряженных частиц на положительные и отрицательные и накапливать их. И если его подключить к цепи, то заряды придут в движение и с помощью проводника создадут некий поток, который и поможет нам зарядить гаджет.

Определение и формула ЭДС

А кто же заставляет наши заряженные частицы начать двигаться вдруг куда-то? Сидели бы и сидели на своих полюсах, а тут бегут, стремятся заряжать наши телефоны! Здесь мы и переходим к определению.

Электродвижущая сила источника — это сила, которая заставляет заряженные частицы двигаться в электрической цепи. Простыми словами, это то, что заставляет ток протекать по проводам.

А что говорит нам более научное определение об этой волшебной силе? Ученые объясняют, что электродвижущая сила ЭДС — это величина, которая характеризует отношение работы сторонних сил по перемещению единичного заряда к величине этого заряда.

Сложновато? Тогда давай посмотрим на формулу ЭДС источника тока. Она измеряется в вольтах (В) и обозначается буквами E или ε.

Вот и получается, что мы имеем заряд q, и для его перемещения по цепи производится некоторая работа Аст. А сторонняя сила, возникающая в разных источниках по разным причинам, равна отношению работы к величине заряда.

Определение ЭДС в физике

ЭДС – электродвижущая сила. Обозначается буквой E или маленькой греческой буквой эпсилон.

Электродвижущая сила — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (сил неэлектрического происхождения), действующих в электрических цепях переменного и постоянного тока.

ЭДС, как и напряжение, измеряется в вольтах. Однако ЭДС и напряжение – явления разные.

Напряжение (между точками А и Б) – физическая величина, равная работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из одной точки в другую.

Объясняем суть ЭДС «на пальцах»

Чтобы разобраться в том, что есть что, можно привести пример-аналогию. Представим, что у нас есть водонапорная башня, полностью заполненная водой. Сравним эту башню с батарейкой.

014 электрическая цепь с несколькими источниками ЭДС

Вода оказывает максимальное давление на дно башни, когда башня заполнена полностью. Соответственно, чем меньше воды в башне, тем слабее давление и напор вытекающей из крана воды. Если открыть кран, вода будет постепенно вытекать сначала под сильным напором, а потом все медленнее, пока напор не ослабнет совсем. Здесь напряжение – это то давление, которое вода оказывает на дно. За уровень нулевого напряжения примем само дно башни.

То же самое и с батарейкой. Сначала мы включаем наш источник тока (батарейку) в цепь, замыкая ее. Пусть это будут часы или фонарик. Пока уровень напряжения достаточный и батарейка не разрядилась, фонарик светит ярко, затем постепенно гаснет, пока не потухнет совсем.

Но как сделать так, чтобы напор не иссякал? Иными словами, как поддерживать в башне постоянный уровень воды, а на полюсах источника тока – постоянную разность потенциалов. По примеру башни ЭДС представляется как бы насосом, который обеспечивает приток в башню новой воды.

Формула расчета ЭДС в электрических цепях, состоящих из замкнутых контуров

Работа электростатических сил равна нулю, ведь заряды (электроны) приходят практически в то же место откуда вышли. Не равна нулю только результирующая работа электродвижущих сил цепи.

Её величина определяется формулой электродвижущей силы:

Именно этому равна электродвижущая сила. A – работа сторонних сил, т. е. ЭДС.

Обратите внимание, направлением ЭДС считается направление, в котором внутри источника перемещаются именно положительные заряды. Часто оно противоположно направлению перемещения реальных носителей заряда, в качестве которых в подавляющем большинстве случаев выполняют электроны.

Если источник тока только один, то направление ЭДС в цепи такое же, как у него.

Размерность электродвижущей силы не равна размерности силы или работы. В системе СИ величина ЭДС измеряется в вольтах. Это мера разности потенциалов, которая создаётся на зажимах при разомкнутом генераторе.

Электродвижущая сила цепи и напряжение

Представим электрическое поле. Рассмотрим в нём произвольную кривую, соединяющую между собой точки A и B. Для дальнейшего объяснения на выбранной линии следует указать положительное направление.

Напряжение на этой кривой будет равняться:

Под напряжённостью поля, как известно, понимают силу, действующую на помещённый в него единичный положительный заряд. Интеграл в данном случае – работа по перемещению заряда по кривой.

Значение напряжения станет равно разности потенциалов на концах нашей линии: U = φ1 – φ2.

Какую форму имеет кривая, совершенно безразлично. Важны лишь её начальные и конечные точки.

Давайте подробнее изучим циркуляцию вектора напряжённости по замкнутому контуру L.

Выделим на указанном контуре точки A и B. Они разделят его на два криволинейных незамкнутых отрезка. Учитывая предыдущие формулы, имеем.

Из этого легко сделать вывод, что циркуляция вектора напряжённости по контуру, если он замкнут, равняется нулю. E и dl – векторные величины.

Определение

Электродвижущей силой в теории электричества принято считать циркуляцию вектора напряжённости по произвольному замкнутому контуру.

[varepsilon=oint_ E d l=0]

Если поле электростатическое, то ЭДС замкнутого контура (каким бы он ни был) равна нулю.

Закон Ома для участка цепи

Георг Ом рос в небогатой семье. Также он был довольно азартным человеком, любил играть в бильярд в компании друзей. В университетские годы Ом был лучшим игроком в бильярд среди студенческой молодежи, показывал прекрасные результаты в конькобежном спорте.

Дальше мы с вами поговорим о напряжении на элементах электрической цепи, и, в частности, на источнике тока. Поэтому вспомним, что такое напряжение из темы «Законы постоянного тока». Напряжение – физическая величина, которая показывает, какую работу сторонние силы должны приложить, чтобы перенести заряд от одной точки до другой.

Так как у источника тока имеется внутреннее сопротивление, значит, внутри него также будет и напряжение. Чтобы найти его, воспользуемся законом Ома — умножим внутреннее сопротивление источника тока r на сам ток I и получим:

Также мы можем найти напряжение, которое будет выделяться на внешней цепи. Для этого снова умножим ток I на общее сопротивление цепи R:

Оказывается, что не вся энергия источника тока уходит в цепь. Как раз таки та часть энергии, которая уходит на преодоление внутреннего сопротивления, и будет характеризовать потери. Тогда мы можем записать еще одну формулу для нахождения ЭДС источника тока:

Теперь давайте подставим вместо напряжений полученные формулы через токи и сопротивления и выразим силу тока. Так мы получим закон Ома для полной цепи:

Сила тока в цепи с заданным источником тока (при неизменной ЭДС и с постоянным внутренним сопротивлением) зависит только от сопротивления внешней цепи R.

Самое большое электрическое сопротивление на теле человека — поверхность верхнего рогового слоя кожи человека. Оно может достигать 40000–100000 Ом. Но это не значит, что можно хвататься за оголенные провода голыми руками! Этого сопротивления далеко не достаточно, чтобы защитить человека от опасного электрического тока.

Задачи на данную тему встречаются в №12 ЕГЭ. Давайте рассмотрим один пример.

Задача. Найдите внутреннее сопротивление источника ЭДС, если сопротивление в цепи R = 4 Ом, а ЭДС ε=10 В. Сила тока в цепи 2 А.

Решение.Воспользуемся законом Ома для полной цепи и выразим из него внутреннее сопротивление источника ЭДС:

Ответ: 1 Ом

Короткозамкнутая цепь

Рассмотрим частный случай электрической цепи, в котором источник тока будет подключен сам на себя. Иначе говоря, он будет короткозамкнутым.

В этом случае отсутствует сопротивление внешней цепи и закон Ома для цепи будет выглядеть так:

Короткое замыкание — это такой случай соединения проводов, при котором практически весь ток проходит по пустому проводу и возвращается в источник тока.

Короткое замыкание приводит к сильному нагреву, расплавлению металлов, а иногда и к пожарам.

Если сравнить поток электронов с потоком машин, то ток короткого замыкания – это авария на автодороге. Один поток машин решил влезть в другой. В результате на дороге образовалась авария. Но машины продолжают налетать одна на другую (как в метель в Норильске).

Теперь, когда мы уже рассмотрели основные характеристики источника тока, можем перейти к мощности и КПД источника тока.

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.

Зависимость ЭДС от внешних условий

Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии, такого как батарея или генератор, может зависеть от различных внешних условий. Вот некоторые из них:

Температура

Температура может оказывать влияние на ЭДС источника энергии. Некоторые источники, такие как химические батареи, могут иметь различную ЭДС при разных температурах. Например, при низких температурах ЭДС батареи может снижаться из-за замедления химических реакций внутри нее. С другой стороны, некоторые источники, такие как солнечные панели, могут иметь повышенную ЭДС при высоких температурах.

Состояние источника энергии

Состояние источника энергии, такое как заряд батареи или уровень топлива в генераторе, может влиять на его ЭДС. При истощении заряда или топлива, ЭДС может снижаться, поскольку источник энергии не может обеспечить такую же разность потенциалов.

Внешнее электрическое поле

Если источник энергии находится во внешнем электрическом поле, его ЭДС может изменяться. Например, если источник энергии подключен к другому источнику с более высокой ЭДС, то его собственная ЭДС может быть подавлена или усилина в зависимости от направления тока.

Внешние сопротивления

Подключение внешних сопротивлений к источнику энергии может также влиять на его ЭДС. Если сопротивление внешней цепи высокое, то ЭДС может снижаться из-за потерь напряжения на сопротивлении. С другой стороны, при низком сопротивлении внешней цепи, ЭДС может быть более стабильной.

Знание зависимости ЭДС от внешних условий важно для правильного использования источников энергии и оптимизации их работы. Это позволяет учесть факторы, которые могут влиять на работу источника энергии и выбрать наиболее эффективные режимы работы.

Электрическое напряжение и ЭДС

Допустим, у нас имеется электрическое поле. Рассмотрим в нем произвольную кривую (рис.1) $l$, которая соединяет точки $A$ и $B$. Укажем на этой криво положительное направление.

Рисунок 1. Электрическое поле. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Напряжение по избранной нами кривой равно:

$U=intlimits_l dvec=intlimits_l left( 2 right).> $

Так как напряженность $vec E$ имеет смысл силы, которая действует на единичный положительный заряд, то интеграл (2) – это работа поля по движению заряда по кривой $l$. Напряжение равно разности потенциалов в начале и конце рассматриваемой кривой:

$U=varphi_-varphi_left( 3 right)$.

Электрическое напряжение вдоль кривой не зависит от ее формы и полностью определено положением начала и конца линии.

Рассмотрим циркуляцию вектора напряженности по контуру $L$ рис.2.

Рисунок 2. Циркуляция вектора напряженности по контуру. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Выделим на рассматриваемом контуре две точки $A$ и $B$, которые делят наш контур на два незамкнутых криволинейных отрезка $l_$ и $l_$, учитывая (2) и (3), имеем:

$ointlimits_L dvec=intlimits_A^Bdvec+intlimits_B^A dvec=> > > left( varphi-varphi_ right)+left( varphi_-varphi_ right)=0,left( 4 right)$

Мы получили, что циркуляция вектора напряженности по замкнутому контуру равна нулю.

Определение 3

В теории электричества электродвижущей силой контура (ЭДС) называют циркуляцию вектора напряженности по этому контуру.

$Ɛ=ointlimits_L dvec=0, left( 5 right).> $

В электростатическом поле ЭДС любого замкнутого контура равна нулю.

Закон Ома для цепи с ЭДС

Пусть у нас имеется химический источник ЭДС — элемент Вольта. Он состоит из двух электродов:

которые находятся в растворе серной кислоты.

Цинк растворяется в кислоте, при этом теряет положительные ионы и получает относительно раствора до отрицательного потенциала. Медный электрод имеет положительный потенциал. Результирующая сторонняя ЭДС получается примерно равна 1,1 В. Она сосредоточена в тонких слоях контактов цинк – электролит и электролит – медь. При включении элемента в цепь (рис.3), по контуру $L$ будет течь ток $I$. При этом на сопротивлениях внешней (1) и внутренней частей цепи появятся разности потенциала.

Рисунок 3. Цепь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Допустим, что сопротивления участков цепи имеют равномерные распределения вдоль контура $L$.

По закону сохранения энергии работа электрического поля ($A_q$) по движению заряда $q$ вдоль внешнего участка цепи $1$ и в электролите ($2$) равна:

$A_=left( varphi_-varphi_ right)q+left( varphi_-varphi_ right)qleft( 6 right)$.

Суммарную работу сторонних сил запишем как:

$Ɛ_q=A_=left( varphi_-varphi_ right)q+left( varphi_-varphi_ right)qleft( 7 right)$.

Сравнив правые части выражений (6) и (7) имеем:

Формула (8) означает, что работа электрического поля равна работе сторонних сил источника. Принимая во внимание, что:

$varphi_-varphi_=IR, ;, varphi_-varphi_=Ir, left( 9right)$. получим:

$Ɛ=Ileft( R+r right)left( 10 right)$.

Формула (10) называется законом Ома для замкнутой цепи.