ЭДС (электродвижущая сила) – физическая величина, определяющая напряжение, возникающее в электрической цепи и являющаяся важным параметром для работы различных электрических устройств.
Электродвижущая сила (ЭДС): основные принципы и применение обновлено: 4 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
Добро пожаловать на лекцию по физике! Сегодня мы будем говорить о таком важном понятии, как электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС является одной из основных характеристик электрических цепей и играет важную роль в различных электрических устройствах. В этой лекции мы разберемся в определении и физическом смысле ЭДС, единицах измерения, зависимости от внешних условий, а также рассмотрим основные свойства и примеры применения ЭДС. Давайте начнем!
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Источник тока
Как мы уже выяснили, электрические схемы не могут работать просто так. Представим, что вы хотите поехать на машине, в которой нет бензина. Конечно, машина не заведется, так как ее нужно заправить. Электрические схемы работают по такому же принципу. Если их не подпитывать током, то они не будут работать.
Электрический ток — это направленное, упорядоченное движение электрических зарядов. Поэтому, чтобы поддерживать в цепи ток длительное время, в нем должен быть участок, на котором будет происходить перенос зарядов против сил электростатического поля (поля, создаваемого неподвижными зарядами). То есть, то место, где электроны будут принудительно приходить в движение.
Источник тока — элемент электрической цепи, в котором на заряды действует сторонняя сила, задающая направление движения зарядов (тока).
Перемещение зарядов на этом участке возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Эти силы приводят заряды в движение. Благодаря этому поддерживается ток в цепи. Действие сторонних сил характеризуется величиной, называемой электродвижущей силой источника тока (ЭДС), о которой поговорим чуть позднее.
Примером источника тока может служить обычная батарейка. Вы наверняка замечали, что на пальчиковых батарейках с одной стороны пишется «плюс», а с другой — «минус». Это означает, что электрический ток пойдет от положительной части батарейки к отрицательной. А почему ток выходит из одной части, но заходит в другую?
Для объяснения этого явления рассмотрим картинку ниже. Главным критерием рабочей электрической цепи является ее замкнутость, то есть вся цепь неразрывно связана. Подключим нашу батарейку (источник тока) к электрической цепи, которую также называют внешней электрической цепью.
Урок 2. Электрический ток | ЭДС — электродвижущая сила
Как мы видим на этом рисунке, на заряды внутри источника тока действует сторонняя сила ((F_)), от плюса к плюсу) и сила электростатического поля ((F)), которая направлена от плюса к минусу. Без действия сторонних сил внутри источника положительный заряд будет двигаться от «+» к «-» (по направлению силы (F)).
Мы действуем сторонними силами так, чтобы он стал двигаться к «+» (по направлению (F_)), то есть против сил электростатического поля. Тогда заряды вылетают из источника тока и далее по внешней цепи, уже под действием обычного электростатического поля, движутся по стандартным законам от «+» к «-». Это и есть наш долгожданный электрический ток – движущиеся заряды. Если бы мы не действовали сторонними силами, все заряды бы просто сидели на месте («+» окружили бы «-», и наоборот). То есть, сама сторонняя сила задает направление движения заряда.
После того как заряд выходит из источника тока, на него действует только одна сила F. Поэтому он обходит всю цепь и возвращается в этот же источник тока. Там на него вновь действует сторонняя сила, ну а дальше вы уже знаете.
Если бы в источнике тока не было сторонних сил, то все положительные заряды застряли бы у минуса.
Основные параметры источника тока
Как и любой другой элемент электрической цепи, источник тока обладает своими характеристиками, которые могут меняться в зависимости от условий использования. Главными характеристиками являются ЭДС источника тока (электродвижущая сила) и его внутреннее сопротивление.
ЭДС источника тока (ε) — это физический параметр, который характеризует работу сторонних сил ((А_)), затраченную на перемещение зарядов (q) внутри источника.
Внутреннее сопротивление определяет количество потерь энергии при прохождении тока через источник тока.
Стоит понимать, что внутреннее сопротивление появляется из-за неидеальности реальных предметов. Только у идеальных источников тока отсутствует внутреннее сопротивление.
Однако при расчете характеристик электрических схем никакой сложности не возникает, так как мы просто представляем, что в цепи появляется дополнительный резистор (на схемах обозначается прямоугольником и буквой R), сопротивление которого будет равняться внутреннему сопротивлению источника тока.
Раз уж мы затронули расчеты электрических схем, то пора вплотную к ним приблизиться.
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
ЭДС в быту и единицы измерения
Другие примеры встречаются в практической жизни любого рядового человека. Под эту категорию попадают такие привычные вещи, как малогабаритные батарейки, а также другие миниатюрные элементы питания. В этом случае рабочая ЭДС формируется за счет химических процессов, протекающих внутри источников постоянного напряжения.
Когда оно возникает на клеммах (полюсах) батареи вследствие внутренних изменений – элемент полностью готов к работе. Со временем величина ЭДС несколько снижается, а внутреннее сопротивление заметно возрастает.
В результате если вы измеряете напряжение на не подключенной ни к чему пальчиковой батарейке вы видите нормальные для неё 1.5В (или около того), но когда к батарейке подключается нагрузка, допустим, вы установили её в какой-то прибор — он не работает.
Почему? Потому что если предположить, что у вольтметра внутреннее сопротивление во много раз выше, чем внутреннее сопротивлении батарейки — то вы измеряли её ЭДС. Когда батарейка начала отдавать ток в нагрузке на её выводах стало не 1.5В, а, допустим, 1.2В — прибору недостаточно ни напряжения, ни тока для нормальной работы. Как раз вот эти 0.3В и упали на внутреннем сопротивлении гальванического элемента. Если батарейка совсем старая и её электроды разрушены, то на клеммах батареи может не быть вообще никакой электродвижущей силы или напряжения — т.е. ноль.
Этот пример наглядно демонстрирует в чем отличие ЭДС и напряжения. То же рассказывает автор в конце видеоролика, который вы видите ниже.
Подробнее о том, как возникает ЭДС гальванического элемента и в чем оно измеряется вы можете узнать в следующем ролике:
Совсем небольшая по величине электродвижущая сила наводится и в рамках антенны приемника, которая усиливается затем специальными каскадами, и мы получаем наш телевизионный, радио и даже Wi-Fi сигнал.
Закон Ома для участка цепи с электродвижущей силой тока
Рассмотрим один из самых простых случаев – электрическую цепь с химическим источником ЭДС, элементом Вольта. Он состоит из двух электродов (медного и цинкового), погружённых в раствор кислоты.
Электродвижущая сила в этом случае создаётся следующим образом: цинк при растворении в кислоте теряет положительно заряженные атомы, приобретая тем самым отрицательный потенциал, а медь становится положительно заряженной. В результате возникает сторонняя ЭДС. Находится она в очень тонком слое, отделяющем электролит от цинкового и медного электродов. Когда цепь замыкают, на сопротивлениях двух частей цепи (внешней и внутренней) возникает разность потенциалов и начинает течь ток I.
Для простоты расчётов будем исходить из того, что сопротивления на всех участках цепи распределены равномерно по всему контуру L.
Из закона сохранения энергии следует, что работа, совершаемая электрическим полем при движении заряда q по внешней цепи и в электролите будет равняться
Aq = (φ1 – φ2)*q + (φ3 – φ4)*q
Общую работу сторонних сил можно записать как
Приравняв обе части двух предыдущих выражений, получим
Формула явно указывает на то, что работа сторонних сил и работа электрического поля равны между собой.
Из закона Ома следует, что
φ1 – φ2 = I*R, а φ3 – φ4 = I*r
От сюда следующий вид закона Ома с электродвижущей силой.
Справедлив он только для замкнутой цепи.
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.
Ваш браузер не поддерживается
Интернет-сервис Студворк построен на передовых, современных технологиях и не может гарантировать полную поддержку текущего браузера.
Установить новый браузер
- Google Chrome
Скачать
Яндекс Браузер
Скачать
Opera
Скачать
Firefox
Скачать
Microsoft Edge
Нажимая на эту кнопку, вы соглашаетесь с тем, что сайт в вашем браузере может отображаться некорректно. Связаться с техподдержкой
Работаем по будням с 8.00 до 18.00 по МСК
Идеальный источник ЭДС
Допустим, пусть наша батарейка обладает нулевым внутренним сопротивлением, тогда получается, что Rвн=0.
Нетрудно догадаться, что в этом случае падение напряжение на нулевом сопротивлении также будет равняться нулю. В результате, наш график примет вот такой вид:
В результате мы получили просто источник ЭДС. Следовательно, источник ЭДС — это идеальный источник питания, у которого напряжение на клеммах не зависит от силы тока в цепи. То есть, какую нагрузку мы бы не цепляли на такой источник ЭДС, у нас он все равно будет выдавать положенное напряжение без просадки. Сам источник ЭДС обозначается вот так:
На практике идеального источника ЭДС не существует.
Типы ЭДС
— электрохимическая (ЭДС батареек и аккумуляторов)
— фотоэффекта (получение электрического тока от солнечной энергии)
— индукции (генераторы, использующие принцип электромагнитной индукции)
— Эффект Зеебека или термоЭДС (возникновение электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников , контакты между которыми находятся при различных температурах)
— пьезоЭДС (получение ЭДС от пьезоэлектриков)
