Физический смысл электродвижущей силы

ЭДС и циркуляция вектора напряженности электрического поля

Рассмотрим случай, когда электрический ток течет по тонкому проводу. Направление тока совпадает с направлением оси провода (рис.1). Что обеспечивается соответствующим распределением зарядов на поверхностях проводников или там, где действуют сторонние силы.

Рисунок 1. Электрический ток в тонком проводе. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Площадь поперечного сечения провода будем считать равным $S$, в разных местах провода она может отличаться. Поскольку наш провод мы считаем тонким, то плотность тока ($\vec j$) считаем одинаковой для всех точек поперечного сечения проводника. Сквозь поперечное сечение провода за единицу времени будет проходить заряд:

$\frac{\Delta q}{\Delta t}=I=jS\, \left( 1 \right)$.

где $I$ — сила тока. При постоянной силе тока, в результате сохранения заряда, величина $I$ будет одной и той же по всей длине провода. Положим, что в проводе (рис.1) работают сторонние силы, например, имеется гальванический элемент ($G$). Запишем дифференциальную форму закона Ома в виде:

$\vec{E}+\vec{E}_{st}=\frac{\vec{j}}{\lambda }=\frac{I}{\lambda S}\vec{i}\left( 2 \right)$,

где $\vec{i}$– единичный вектор, указывающий направление течения тока; λ – коэффициент проводимости.

Умножим полученное выражение (2) на элемент длины провода ($dl$) и возьмем интеграл по участку проводника от точки 1 до точки 2 (рис.1), считая силу тока неизменной:

$\int\limits_1^2 \vec{E} d\vec{l}+\int\limits_1^2 {\vec{E}_{st}d\vec{l}}=I\int\limits_1^2 \frac{d\vec{l}}{\lambda S} \left( 3 \right)$.

Поскольку электрическое поле является потенциальным, то имеем:

$\int\limits_1^2 \vec{E} d\vec{l}=\varphi_{1}-\varphi_{2}\left( 4 \right)$.

$\varphi_{1}-\varphi_{2}$ – разность потенциалов.

Второй интеграл отличен от нуля внутри источника тока, где E ⃗_st≠0. Данный интеграл не зависит от положения начальной и конечной точки 1 и 2. Необходимо только, чтобы данные точки были вне источника тока. Так как поле сторонних сил потенциально там, где действуют эти силы, интеграл не зависит от пути интегрирования в элементе. Это означает, что данный интеграл – это параметр, который характеризует свойства источника тока. Такую величину называют электродвижущей силой элемента:

$Ɛ=\int\limits_1^2 {\vec{E}_{st}d\vec{l}} =\int\limits_3^4{\vec{E}_{st}d\vec{l}} \left( 5 \right)$.

Электродвижущая сила (ЭДС) больше нуля, если направление пересечения пути 1-2 дает от катода к аноду и является отрицательной в ином случае.

Интеграл в правой части выражения (3) – это характеристика проводника, сопротивление:

$R=\int\limits_1^2 \frac{d\vec{l}}{\lambda S} \left( 6 \right)$.

Используя сказанное выше, запишем закон Ома в интегральной форме:

$\varphi_{1}-\varphi_{2}+Ɛ=IR\, \left( 7 \right)$,

где $R$ – сопротивление всего участка цепи, включая источник тока.

Если цепь является замкнутой, то закон Ома предстанет в виде:

$Ɛ=IR\, \left( 8 \right)$.

$R$ — полное сопротивление всей цепи.

Допустим, что $\varphi_{a}$ – потенциал анода источника;$\varphi_{k}$ – потенциал катода; $R_e$ — сопротивление всего внешнего участка цепи, тогда:

$\varphi_{a}-\varphi_{k}=IR_{e}\left( 9 \right)$.

Сравнив выражение (8) и (9) запишем:

$\frac{\varphi_{a}-\varphi_{k}}{Ɛ}=\frac{R_{e}}{R}=\frac{R_{e}}{R_{e}+r}\left( 10 \right)$.

где $r$ — внутреннее сопротивление источника.

Выражение (10) означает, что $\varphi_{a}-\varphi_{k}$ меньше, чем ЭДС. В предельном случае, когда $R_{e}\to \infty $. получим:

$\varphi_{a}-\varphi_{k}=Ɛ\left( 11 \right)$.

Электродвижущую силу можно определить как разность потенциалов полюсов разомкнутого источника.

4.1. Опыты Фарадея. ЭДС индукции

а б

Рис. 4.1. Схемы опытов Фарадея

В 1831г. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, заключающееся в возникновении тока под действием переменного магнитного поля. Схема опытов Фарадея приведена на рис. 4.1. Он установил, что ток в первой катушке возникает: при движении по­стоянного магнита относительно катушки (рис.4.1а

); при изменении тока во второй катушке (рис.4.1б ); при движении катушек относительно друг друга (во второй при этом существует постоянный ток). Чем быстрее движется магнит или вторая катушка, тем больше сила тока. Отсюда можно было сделать вывод:в замкнутом контуре возникает ток при изменении потока магнитной индукции, пронизывающего контур . Это означает, что в контуре возникает ЭДС индукции:

. (4.1)

ЭДС индукции

равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур (точнее, производной от потока по времени). Если в контуре имеетсяN витков с плотной намоткой, то индуцированные в каждом витке ЭДС будут складываться, и формула (4.1) при­нимает вид:

. (4.2)

Рис.4.2. Демонстрация правила Ленца

Знак (-) в правой части формул отражает правило Ленца

:возникающий в замкнутом контуре ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван (т. е. противодействует причине, его породившей). На рис. 4.2 показан опыт с внесением магнита в замкнутое кольцо. Возникающий в кольце индукционный ток создает магнитное поле, препятствующее внесению магнита, и отталкивает кольцо от магнита. При внесении магнита в разрезанное кольцо эффект отсутствует.

Посмотрим, что происходило бы, если бы правило Ленца не выполнялось. Индук­ционный ток в этой ситуации создавал бы магнитный поток, направление которого совпадало бы с исходным изменением; возрастающее изменение потока привело бы к еще большему увеличению индукционного тока, что сопровождалось бы еще большим изменением потока. В результате ток продолжал бы нарастать до бесконеч­ности, выделяя мощность (Р=I2R) даже после прекра­щения первоначального изменения. Это означало бы на­рушение закона сохранения энергии. Таким об­разом,правило Ленца является следствием закона сохранения энергии .

Поскольку ЭДС определяется как циркуляция напряженности электрического поля сторонних сил (см. раздел 2.1), возникновение ЭДС индукции можно трактовать как появление вихревого электрического поля, способного перемещать заряды в замкнутой цепи.

Формула нахождения эдс

Первым делом разберемся с определением. Что означает эта аббревиатура?

ЭДС или электродвижущая сила – это параметр характеризующий работу любых сил не электрической природы, работающих в цепях где сила тока как постоянного, так и переменного одинакова по всей длине. В сцепленном токопроводящем контуре ЭДС приравнивается работе данных сил по перемещению единого плюсового (положительного) заряда вдоль всего контура.

Ниже на рисунке представлена эдс формула.

Аст – означает работу сторонних сил в джоулях.

q – это переносимый заряд в кулонах.

Сторонние силы – это силы которые выполняют разделение зарядов в источнике и в итоге образуют на его полюсах разность потенциалов.

Для этой силы единицей измерения является вольт. Обозначается в формулах она буквой E».

Только в момент отсутствия тока в батареи, электродвижущая си-а будет равна напряжению на полюсах.

ЭДС индукции:

ЭДС индукции в контуре, имеющем N витков:

При движении:

Электродвижущая сила индукции в контуре, крутящемся в магнитном поле со скоростью w

Эдс, разность потенциалов и напряжение

Электродвижущая
сила
 (ЭДС) —
скалярная физическая
величина,
характеризующая работу сторонних (н
епотенциальных) сил висточниках постоянного
или переменного тока. В замкнутом
проводящем контуре ЭДС равна работе этих
сил по перемещению единичного
положительного заряда вдоль
контура.

ЭДС
можно выразить через напряжённость
электрического поля сторонних
сил ().
В замкнутом контуре ()
тогда ЭДС будет равна:

,
где —
элемент длины контура.

Причиной
электродвижущей силы может стать
изменение магнитного
поля в
окружающем пространстве. Это явление
называетсяэлектромагнитной
индукцией.
Величина ЭДС индукции в контуре
определяется выражением

где — поток
магнитного поля через
замкнутую поверхность ,
ограниченную контуром. Знак «−» перед
выражением показывает, что индукционный
ток, созданный ЭДС индукции, препятствует
изменению магнитного потока в контуре
(см. правило
Ленца).

Если поле
непотенциально, то напряжение зависит
от того пути, по которому перемещается
заряд между точками. Непотенциальные
силы, называются сторонними, действуют
внутри любого источника постоянного
тока (генератора, аккумулятора,
гальванического элемента и др.).

Под
напряжением на зажимах источника тока
всегда понимают работу электрического
поля по перемещению единичного
положительного заряда вдоль пути,
лежащего вне источника; в этом случае
Э. н. равно разности потенциалов на
зажимах источника и определяется законом
Ома: U = IR—E, где I — сила тока, R — внутреннее
сопротивление источника, а E — его
электродвижущая сила (эдс).

При разомкнутой
цепи (I = 0) напряжение по модулю равно
эдс источника. Поэтому эдс источника
часто определяют как Э. н. на его зажимах
при разомкнутой цепи.

В случае переменного
тока Э. н. обычно характеризуется
действующим (эффективным) значением,
которое представляет собой среднеквадратичное
за период значение напряжения.

Напряжение
на зажимах источника переменного тока
или катушки индуктивности измеряется
работой электрического поля по перемещению
единичного положительного заряда вдоль
пути, лежащего вне источника или катушки.

Вихревое (непотенциальное) электрическое
поле на этом пути практически отсутствует,
и напряжение равно разности потенциалов.

Электродвижущая
сила (ЭДС) — физическая величина,
характеризующая работу сторонних
(непотенциальных) сил в источниках
постоянного или переменного тока. В
замкнутом проводящем контуре ЭДС равна
работе этих сил по перемещению единичного
положительного заряда вдоль контура.

  • Наименование и
    обозначение производной единицы СИ:
  • международное
    – volt,
    V
  • русское
    – вольт,
    В
  • Выражение через
    основные и производные единицы СИ:
  • 1 V = 1 W / A

Обозначение источников тока

Чтобы при выборе не возникало вопроса относительно того, какой тип источника тока представлен, используются специальные обозначения. В физике существуют точные графические изображения, которые позволяют идентифицировать тип применяемого источника:

Обозначения

На каждой схеме условных обозначений можно увидеть следующие параметры:

  • Общее обозначение источника тока и движущей силы ЭДС;
  • Графическое изображение без ЭДС;
  • Химический тип;
  • Батарея;
  • Постоянное напряжение;
  • Переменное напряжение;
  • Генератор.

Благодаря графическим идентификаторам на схеме электрической цепи всегда можно определить, какой именно тип используется в конкретной ситуации, и как правильно его обозначать. Существуют также международные обозначения, которые встречаются немного реже, обычно при реализации интернациональных проектов.

Урок «Закон Ома. ЭДС»

Э-119

Урок: 85-88

Предмет: физика

Тема: Закон Ома. ЭДС.

Уважаемые студенты:

  1. изучите опорный конспект,
  2. ответьте письменно на вопросы КДЗ –II,
  3. выполните тест по данной теме,
  4. выполненное задание отправляйте на электронную почту до 11 апреля.

Тест.

1. Сторонние силы — это

….

  1. Кулоновские силы.
  2. Силы, действующие на электрические заряды.
  3. Силы, неэлектрического происхождения.
  4. Силы, уравновешивающие друг друга и действующие в противоположных направлениях.

2. Выберете верные утверждения

  1. Электродвижущая сила измеряется в вольтах.
  2. Электродвижущая сила — это пример сторонней силы.
  3. Электродвижущая сила — это отношение работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда.
  4. Электродвижущая сила — это разность между работой сторонних сил и работой кулоновских сил.

3. Если в цепь последовательно включены несколько источников тока, то полная ЭДС равна…

  1. Алгебраической сумме ЭДС каждого источника.
  2. Геометрической сумме ЭДС каждого источника.
  3. Сумме модулей ЭДС каждого источника.
  4. Алгебраической или геометрической сумме ЭДС каждого источника, в зависимости от направления обхода тока.

4. При коротком замыкании верно следующее:

  1. Внешнее сопротивление цепи близко к нулю.
  2. Внутреннее сопротивление источника тока близко к нулю.
  3. Сила тока в цепи многократно превышает силу тока при нормальной работе этой цепи.
  4. Напряжение на источнике тока многократно превышает напряжение при нормальной работе.

5.ЭДС источника тока равна 36 В. Когда к нему подключили резистор, равный 50 Ом, сила тока в цепи составила 0,7 А. Чем равно внутреннее сопротивление источника (в Ом)? Ответ дайте с точностью до десятых.

6. Когда к источнику тока с внутренним сопротивлением 1 Ом подключили резистор с сопротивлением 4 Ом, сила тока в цепи приняла некоторое значение I. Резистор с каким сопротивлением (в Ом) надо подключить к этому источнику, чтобы сила тока в цепи стала равна I/2?

7. При разомкнутой цепи ЭДС источника тока равна

  1. разности потенциалов на клеммах источника.
  2. работе, совершаемой сторонними силами при перемещении заряда.
  3. сопротивлению внешнего участка цепи.
  4. сопротивлению внутреннего участка цепи.

8. Сопоставьте.

А. источник тока

В. соединительные провода

  1. участок цепи, на котором носители заряда движутся под действием сторонних и электрических сил

С. нагрузка

D. ключ

9. Укажите верную формулировку закона Ома для полной цепи.

  1. Cила тока в полной электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
  2. Cила тока в полной электрической цепи прямо пропорциональна полному сопротивлению цепи и обратно пропорциональна ЭДС источника тока.
  3. I = E/(R + r)
  4. I = (R + r)/E

10. К резистору сопротивлением 7 Ом подключают последовательно резистор сопротивлением 3 Ом. При этом в цепи течет ток силой 1 А. Определите ЭДС источника токаε, если их внутренние сопротивления равны соответственно 0,2 Ом.

Природа ЭДС, какими причинами порождается

Определение

Термопара — проволоки из разнородных металлов, соединенные концами.

Изучая термопары, немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил в 1821 году следующую закономерность: когда точки соединения имеют разную температуру, в цепи возникает электродвижущая сила. Это явление назвали термоэлектрическим эффектом Зеебека. Величина такой электродвижущей силы зависит от температуры и неодинакова для разных пар металлов. Наиболее точных измерений Ом добился в 1826 году, использовав термопару из меди и висмута.

Внутри источника ЭДС электрический ток течет не от «плюса» к «минусу», а в противоположном направлении. Чтобы заставить ток двигаться в направлении, противоположном электростатической силе, которая воздействует на положительные заряды, необходимо приложить стороннюю силу: силу Лоренца, силу электрохимической природы, центробежную силу и т. п. Диссипативные силы не могут двигать электрические заряды против направления электростатической силы, поэтому к сторонним силам в данном случае не относятся.

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=\int\limits_l {\vec{E}d\vec{l}=\int\limits_l {E_{l}dl} \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:

$U=\varphi_{1}-\varphi_{2}\left( 3 \right)$.

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 $l_{12}$ и $l_{21}$, учитывая (2) и (3), имеем:

$\oint\limits_L {\vec{E}d\vec{l}=\int\limits_A^B{\vec{E}d\vec{l}+\int\limits_B^A {\vec{E}d\vec{l}=} } } \left( \varphi{1}-\varphi_{2} \right)+\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right)=0\,\left( 4 \right)$

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=\oint\limits_L {\vec{E}d\vec{l}=0\, \left( 5 \right).} $

В электростатическом поле ЭДС любого замкнутого контура равна нулю.

Сторонние электродвижущие силы

Поместим проводник в электростатическое поле. Рассмотрим процессы, которые будут там происходить:

  1. В начальный момент времени при воздействии электрического поля положительные заряды проводника станут двигаться из мест с большим потенциалом в места с меньшим потенциалом. Отрицательные заряды при этом двигаются в противоположном направлении.
  2. Противоположные концы проводника будут накапливать положительные и отрицательные заряды.
  3. В конце концов, поле индуцированных зарядов будет полностью компенсировать в объеме проводника внешнее поле, и ток остановится, система придет в электростатическое равновесие.

Выключим внешнее поле:

  1. Сохранится только поле индуцированных зарядов, появится ток, который связан с их нейтрализацией.
  2. По прошествии некоторого времени и данный ток прекратится.

Вывод: электростатическое поле не способно поддерживать в проводнике неизменный электрический ток. Для создания постоянного тока следует препятствовать установлению в проводнике электростатического равновесия. Что требует выполнения работы против сил электрического поля, которые стремятся уровнять все потенциалы поля всех точек в проводнике.

Готовые работы на аналогичную тему

  • Курсовая работа Физический смысл электродвижущей силы 450 руб.
  • Реферат Физический смысл электродвижущей силы 280 руб.
  • Контрольная работа Физический смысл электродвижущей силы 230 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость Данная работа может быть выполнена исключительно за счет сил, не относящихся к электростатическим. В этой связи, силы, поддерживающие электрический ток постоянным, называют сторонними электродвижущими силами (ЭДС).

Сторонние ЭДС могут обладать любой природой, например: механической; электромагнитной; * химической и т. д.

Определение 1

Приспособления для создания сторонних сил называют источниками ЭДС.

Мерой возможностей источников ЭДС порождать электрический ток является электродвижущая сила ($Ɛ$).

Определение 2

Электродвижущая сила соответствует работе, которую выполняют сторонние силы источника, двигая единичный положительный заряд внутри источника от полюса со знаком минус к положительному полюсу.

$Ɛ=\frac{A_{st}}{q}$.

Направлением ЭДС считают направление перемещения положительных зарядов внутри источника (от отрицательного полюса к положительному).

Лень читать?

Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут!

Задать вопрос

Если в исследуемом контуре источник ЭДС один, то направлением ЭДС можно считать направление течения тока в данном контуре.

ЭДС индукции

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

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

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

Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа.

Разветвленная цепь общего вида
представляет собой совокупность
неразветвленных участков, концы которых
соединяются в узлах. В любом сечении
проводника в пределах отдельного участка
сила тока одна и та же. Значение же силы
тока в разных участках, вообще говоря,
различны из-за ответвлений тока в узлах
соединяющих соседние участки. Для
нахождения токов в различных участках
обозначим их как неизвестные величины
и зададим их направления произвольным
образом (т.к. заранее истинные направления,
как и величины токов неизвестны).
Справедливы следующие утверждения:

Первое правило Кирхгофа.Алгебраическая сумма сил токов, сходящихся
в каждом узле, равна нулю:

Сумма сил токов, втекающих в узел, должна
равняться сумме сил токов вытекающих
из узла, т.к. в противном случае в силу
закона сохранения заряда в узле
накапливался бы электрический заряд,
приводя к изменению электрического
поля в проводниках, что не совместимо
с постоянством токов.

Второе правило Кирхгофа.Сумма
напряжений вдоль любого замкнутого
контура цепи равна алгебраической сумме
ЭДС, действующих в этом контуре:

.

Это соотношение обосновывается так же,
как и для неразветвленной цепи, если
учесть, что токи на различных участках
замкнутого контура могут быть разными
как по величине так и по направлению.
Согласование их знаков проводят, вводя
для каждого контура единое направление
обхода (величина тока (или ЭДС) считается
положительной, если ее направление
совпадает с выбранным направлением
обхода контура).

Можно показать, что число независимых
уравнений для узлов и контуров всегда
достаточно для решения системы уравнений
относительно неизвестных токов. Если
найденные значения сил токов положительные,
ток на соответствующих участках течет
в направлении выбранного обхода контура,
если отрицательные — против.

Чем отличается ЭДС от напряжения

Интересно многие сразу поняли, в чем разница между ЭДС и напряжением? И никого не поправлял учитель (учительница) по физике, когда на практических занятиях говорил (-ла) о том, что мы подключаем именно источник ЭДС, а не напряжения? В большинстве случаев мы с вами путались, потому что и ЭДС, и напряжение измеряется в Вольтах. Так давайте все-таки разберемся, чем принципиально отличается ЭДС от напряжения.

Что такое ЭДС

Итак, для начала давайте разберемся, что такое ЭДС. Электродвижущая сила (ЭДС) — это такая физическая величина, которая характеризует работу сторонних (не потенциальных) сил в источниках переменного либо же постоянного тока.

Что такое разность потенциалов?Что такое разность потенциалов?

В замкнутой цепи ЭДС — это работа сил, совершаемая для перемещения единичного заряда вдоль всего контура.

Из выше представленного определения вытекает следующее: источниками ЭДС являются силы, которые не имеют прямое отношение к электростатике, но при этом они являются силами, которые создают движение заряда в замкнутой электрической цепочке.

yandex.ru

Например, при механическом вращении обмотки ротора в электромагнитном поле, в ней будет формироваться индукционная ЭДС. При этом формирование ЭДС будет проходить в каждом витке отдельно, но при этом электродвижущая сила соседних витков будет складываться, и на выходе мы будем иметь сумму ЭДС всех витков.

Если посмотреть на аккумуляторные батареи, то в них источником ЭДС является химическая реакция.

Кроме этого источниками могут выступать так называемые элементы Пельтье, в которых ЭДС образуется при термическом нагреве.

Пьезоэффект (когда при механическом воздействии на материал на его концах образуется разность потенциалов) также относится к источникам ЭДС. Впрочем, как и фотоэффект.

yandex.ru

Из выше представленных примеров видно, что, применяя различные материалы и способы их взаимодействия, можно получить ЭДС, способную организовать упорядоченное движение заряженных частиц в замкнутом контуре

Условно принято считать, что ЭДС — это работа в 1 Джоуль, совершаемая при перемещении заряда в 1 Кулон и измеряется в Вольтах.

ЭДС = 1Джоуль/1Кулон= 1 Вольт.
Ну а теперь давайте переключим свое внимание на напряжение.

Что такое напряжение

Итак, напряжение измеряется в аналогичных величинах, то есть в Вольтах. И напряжение — это разница потенциалов между двумя точками цепочки. Причем данные потенциалы рассматриваются только в электростатическом поле.

Получается, если мы с вами будем перемещать заряд величиной в 1 Кулон и точку №1 в точку №2, мы так же будем совершать работу в 1 Джоуль, при том условии, что разница потенциалов между точками будет равна 1 Вольт.

Вроде одно и то же, но в случае с напряжением обязательным условием является наличие электростатического поля. А откуда оно взялось? Так вот источником этого поля и является подключенный к цепи источник ЭДС.

Если провести аналогию с водонапорной башней, то можно представить следующую картинку:

yandex.ru

Получается, если мы с вами возьмем любой гальванический элемент, например, батарейку и измерим с помощью мультиметра его напряжение без подключенной нагрузки, то таким образом мы получим величину ЭДС.

Если же мы с вами создадим замкнутую цепь, в которую будет включена любая нагрузка, то, измеряя напряжение на тех же выводах батарейки, мы с вами увидим уже напряжение, и оно будет несколько меньше чем величина ЭДС.

Это связано с тем, что внутри любого источника ЭДС присутствует внутреннее сопротивление и когда мы подключаем нагрузку, происходит падение напряжения не только на концах нагрузки, но и на самом внутреннем сопротивлении источника ЭДС.

Простое объяснение электродвижущей силы

Предположим, что в нашей деревне имеется водонапорная башня. Она полностью наполнена водой. Будем думать, что это обычная батарейка. Башня — это батарейка!

Вся вода будет оказывать сильное давление на дно нашей башенки. Но сильным оно будет только тогда, когда это строение полностью наполнено H2O.

В итоге чем меньше воды, тем слабее будет давление и напор струи будет меньше. Открыв кран, заметим, что каждую минуту дальность струи будет сокращаться.

В результате этого:

  1. Напряжение – это сила с которой вода давит на дно. То есть давление.
  2. Нулевое напряжение — это дно башни.

С батареей все аналогично.

Первым делом подключаем источник с энергией в цепь. И соответственно замыкаем ее. Например, вставляем батарею в фонарик и включаем его. Изначально заметим, что устройство горит ярко. Через некоторое время его яркость заметно понизится. То есть электродвижущая сила уменьшилась (вытекла если сравнивать с водой в башне).

Если брать в пример водонапорную башню, то ЭДС это насос качающие воду в башню постоянно. И она там никогда не заканчивается.

ЭДС источника тока

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

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

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

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

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

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

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

Из полученного соотношения следуют два вывода:

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

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

Сторонние силы источника тока

Если на концах какого-нибудь провод­ника AB создать разность потенциалов (рис. 5.16), то в нем возникнет электрическое поле напряженностью E̅.

Под действием этого поля свободные за­ряженные частицы (в металлах — это сво­бодные электроны) будут двигаться в опре­деленном направлении, не прекращая сво­его хаотического движения, создавая кратко­временный ток.

Тем не менее, на практике в подавляющем большинстве случаев необходимо иметь ток в проводниках на протяжении продолжитель­ного времени. Для этого на концах провод­ника разность потенциалов необходимо под­держивать неизменной. Эту функцию в элект­рических цепях выполняют источники тока.

Рис. 5.16. В проводнике, в котором со­здано электрическое поле, возникает ток проводимости

Любой источник тока имеет два полюса: положительный и отрицательный. Источ­ник, как и любой другой проводник, имеет свое сопротивление r, которое называется внутренним сопротивлением (рис. 5.17).

На полюсах источника на протяжении продолжительного времени существует раз­ность потенциалов. Но почему же в таком случае не возникает ток в самом источнике? В самом деле, на полюсах батареи для кар­манного фонарика довольно долго сущест­вует разность потенциалов, однако ток воз­никает лишь тогда, когда к полюсам бата­реи подсоединяется лампочка. Очевидно, что в источнике существуют какие-то силы, ко­торые стараются поддерживать разность потен­циалов на его полюсах, противодействуют электрическим силам, стремящимся выров­нять потенциалы на полюсах источника. Эти силы имеют неэлектрическое происхожде­ние, поэтому и называются сторонними.

Рис. 5.17. Источник тока

Сторонние силы обусловливают разде­ление разноименно заряженных частиц в источнике и поддерживают на его полюсах определенную разность потенциалов. В галь­ванических элементах разделение заряжен­ных частиц осуществляется за счет хими­ческой энергии, в термогенераторах — за счет тепловой и т.п.

Таким образом, сторонние силы внутри источника тока создают электрическое по­ле, которое называется полем сторонних сил. Напряженность такого поля Eст. может измеряться силой, действующей на заря­женные частицы с суммарным зарядом в одну единицу. Материал с сайта https://worldofschool.ru

Eст. = Fст. / q.

Очевидно, что напряженности поля сто­ронних сил и электрических сил в источнике имеют противоположные направ­ления. Если внешняя часть цепи источника разомкнута, то напряженности обоих полей в источнике одинаковы и никакого тока в источнике нет.

Когда внешняя часть цепи ис­точника разомкнута, то напря­женность поля сторонних сил и электрических сил в источнике одинаковы по значению и про­тивоположны по направлению, поэтому и компенсируют друг друга.

Таким образом, роль источника сводится к разделению разноименно заряженных ча­стиц и к накоплению их на полюсах источ­ника.

На этой странице материал по темам:

Вопросы по этому материалу:

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий