Меню

Что такое сторонние силы эдс источника тока равна

Электродвижущая сила

  • Что такое электродвижущая сила — определение, физический смысл
    • В чем измеряется в системе СИ, как обозначается на схеме
  • Природа ЭДС, какими причинами порождается
  • По какой формуле определяется электродвижущая сила
  • Чему равна электродвижущая сила источника тока

Что такое электродвижущая сила — определение, физический смысл

Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, описывающая работу любых сил, которые действуют в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока, за исключением диссипативных и электростатических сил.

Для определения силы тока Георг Симон Ом использовал принцип крутильных весов Кулона. На длинной тонкой нити подвешено горизонтальное коромысло с заряженным шариком на конце. Второй заряд закреплен на cпицe, пропущенной сквозь крышку весов. При их взаимодействии коромысло поворачивается. Вращение головки в верхней части весов закручивало нить, возвращая коромысло в исходное состояние. По углу закручивания можно рассчитать силу взаимодействия зарядов в зависимости от расстояния между ними.

Ом по величине угла закрутки судил о силе тока I в проводнике, т. е. количестве электричества, перенесенном через поперечное сечение проводника за единицу времени. В качестве основной характеристики источника тока Ом брал величину напряжения \varepsilon на электродах гальванического элемента при разомкнутой цепи. Эту величину \(\varepsilon\) он назвал электродвижущей силой, сокращенно ЭДС.

В чем измеряется в системе СИ, как обозначается на схеме

Электродвижущая сила в системе СИ измеряется в вольтах.

На схеме обозначение источника тока с ЭДС — две линии с плюсом и минусом, иногда круг.

Цепь

Схема с ЭДС

Природа ЭДС, какими причинами порождается

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.

По какой формуле определяется электродвижущая сила

В первых опытах Ом подключал к источнику тока проводники из разных материалов — серебра, меди, золота, — но одинакового сечения. Изменяя их длину l, Ом добивался, чтобы получалась одна и та же сила тока I. Обобщив результаты измерений, он вывел отношение:

Здесь \(R_i\) — некоторая постоянная, характеризующая внутреннее сопротивление гальванического элемента, а \(R(l)\) — величина, названная Омом сопротивлением проводника; она оказалась пропорциональна его длине, т. е. \(\;R(l)\;\sim\;l.\)

Из этой формулы следует, что найти электродвижущую силу можно, перемножив силу тока и полное сопротивление всей цепи:

Разность потенциалов на концах участка цепи равна падению напряжения на нем. Если в цепь включен источник тока, то ЭДС прибавляется к величине разности потенциалов или вычитается из нее в зависимости от полярности подключения. Когда на участке АВ имеется источник тока с ЭДС \(\varepsilon\) , разность потенциалов изменяется на величину \(\triangle U\;=\;\pm\;\varepsilon.\)

Знак выбирается в зависимости от полярности включения источника: по току или против него. Закон Ома в этом случае принимает вид:

При последовательном соединении источников полная электродвижущая сила цепи будет равняться сумме ЭДС отдельных источников. При параллельном соединении только источник с самой большой ЭДС будет источником, остальные окажутся потребителями.

Чему равна электродвижущая сила источника тока

ЭДС источника тока — это работа сторонних сил, нужная для перемещения единичного положительного заряда внутри источника от одного полюса к другому. Эту работу нельзя выразить через разность потенциалов, так как сторонние силы не имеют потенциала, их работа зависит от траектории.

При перемещении заряда между клеммами источника вне самого источника работа сторонних сил окажется нулевой.

Источник

Что такое сторонние силы эдс источника тока равна

Для того чтобы иметь постоянный электрический ток на заряды в цепи должны оказывать воздействие силы, отличные от сил электростатического поля. Данные силы получили название — сторонние силы. Любое устройство, создающее сторонние силы называют источником тока (источниками ЭДС).

Используем гидростатическую аналогию:

  1. Силы электростатического поля можно уподобить силе тяжести, которая хочет выровнять уровни жидкости в сообщающихся сосудах.
  2. Источник тока при этом выступает в роли насоса, который работает против силы тяжести и восстанавливает разность уровней жидкости в сосудах даже при имеющемся токе жидкости.

Сущность сторонних сил

Сторонняя электродвижущая сила (ЭДС) не может быть силой электростатического происхождения, поскольку электростатическое поле — это потенциальное поле. Это означает, что работа поля по замкнутому контуру с током, равна нулю. При данном условии ток не может существовать, так как он совершает работу по преодолению сопротивления проводников.

Читайте также:  Схема зарядного устройства в асимметричным зарядным током

Готовые работы на аналогичную тему

Итак, наличие постоянного тока является доказательством того, что ЭДС имеют не электростатическое происхождение.

Сторонняя электродвижущая сила может быть:

  • механической,
  • электрической,
  • химической и другой,

но никак не электростатической.

Механическая сторонняя электродвижущая сила

Рисунок 1. Источник. тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим схему самого простого источника тока, имеющего стороннюю электродвижущую силу механического происхождения (рис.1). Между электродами 1 и 2 находится нейтральное вещество, обладающее равным количеством положительных и отрицательных зарядов. Сторонняя сила неэлектростатической природы передвигает заряды со знаком плюс к электроду 2, а отрицательные частицы к электроду 1. В результате данного процесса электрод 1 несет отрицательный заряд, а электрод 2 имеет заряд больше нуля. Во внешней цепи от 2 к 1 идет электрический ток, который совершает работу. Требуемая для этого энергия передается системе сторонними силами. Эти силы разделяют заряды между нашими электродами и доставляют эти заряды на электроды против сил электрического поля, напряженность которого $\vec E$, которое находится между электродами. Электрический ток, текущий между электродами 1 и 2 внутри источника ЭДС замыкает ток во внешней цепи.

  • во внешней цепи ток следует от положительного электрода к заряженному отрицательно;
  • во внутренней цепи (внутри источника) ток следует от электрода со знаком минус к электроду со знаком плюс.

Рисунок 2. Электростатическая машина. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Практическим примером механической сторонней ЭДС может служить электростатическая машина. Схема такой машины изображена на рис.2. Заряды $Q^+$ и $Q^-$ создают электростатическое поле в пространстве между этими зарядами. Изолированные друг от друга проводящие пластинки перемещаются по окружности вокруг оси $О$ при воздействии сторонних механических сил. В положении 1 (рис.2) пластины соединяются друг с другом и становятся неподвижным проводником. Благодаря электростатической индукции пластины $C$ и $D$ в данном положении заряжаются:

  • $C$ заряжается отрицательно;
  • $D$ заряжается положительно.

При дальнейшем движении их контакт с проводником нарушается и в положении 2 пластины становятся изолированными друг от друга, но имеют заряды разного знака. В положении 3 пластины контактируют с электродами $A$ и $B$. На эти электроды переходит заряд с пластин. Между электродами по цепи $BGA$ идет электрический ток. При наличии только одной пары вращающихся проводников $C; D$, ток по цепи течет импульсами, по два импульса за один оборот.

Если иметь большое количество пар пластин, подобных $C$ и $D$, таких, чтобы они контактировали с нашими электродами последовательно с очень маленькими разрывами, то можно организовать почти постоянный ток во внешней цепи. Данная машина реализует стороннюю ЭДС механического происхождения, которая возникает за счет механических сил, которые обеспечивают перемещение пластин $C$ и $D$ по окружности.

Последовательность превращений энергии при таком действии выглядит так:

  1. Сторонние механические силы, двигая пластины $C$ и $D$, выполняют работу против сил электрического поля, которое имеется между зарядами $Q^+$ и $Q^-$.
  2. Эти силы переносят заряды на пластинах $C$ и $D$ к электродам $A$ и $B$. В результате изменяется энергия электрического поля, так происходит переход энергии из механической формы в энергию электрического поля.
  3. После этого данная энергия при протекании тока по цепи трансформируется в джоулеву теплоту и другие формы энергии, которые обусловлены работой тока в цепи.

Элемент Вольта

Распространенными источниками постоянного тока служат гальванические элементы. Рассмотрим элемент Вольта. Основные его структурные элементы:

  • медная пластина;
  • цинковая пластина;
  • раствор серной кислоты.

Пластины погружены в раствор кислоты. Учитывая электрохимические потенциалы металлов, получим ЭДС элемента Вольта около 1,1 В.

Ошибочно предполагать, что сторонние ЭДС появляются в пространстве между пластинами. В элементе Вольта возникают две сторонние ЭДС, которые локализованы в поверхностных слоях, где соприкасаются пластинки с раствором кислоты. Данные слои имеют толщину размера молекулы. Во всем остальном объеме раствора сторонних ЭДС нет.

Если соединить пластины элемента при помощи проводника, то в нем возникнет электрический ток, направленный от медной пластины (положительного электрода) к пластине из цинка (отрицательному электроду).

В растворе в пространстве между электродами, ток направлен от цинка к меди. Получается, что линии постоянного тока замкнуты.

Сторонняя ЭДС элемента определена свойствами элемента и не зависит от силы протекающего по цепи тока. Падение напряжения на внешней цепи ($U=RI$) не равно ЭДС элемента и всегда меньше ее. Это напряжение между клеммами работающего элемента, если по цепи течет ток. При росте силы тока, напряжение во внешней цепи уменьшается, причем тем больше, чем значительнее внутреннее сопротивление элемента. Используя элемент, надо помнить, нужно, чтобы напряжение во внешней цепи как можно меньше зависело от силы тока, то есть от нагрузки. Следовательно, важной характеристикой элемента служит внутреннее сопротивление. Чем меньше внутреннее сопротивление (при других равных характеристиках), тем выше качество источника сторонних ЭДС.

Источник

Что такое электродвижущая сила (ЭДС) и как ее рассчитать

Электродвижущая сила или сокращено ЭДС – это способность источника тока ил по-другому питающий элемент, создавать в электрической цепи разность потенциалов. Элементами питания являются аккумуляторы или батареи. Это скалярная физическая величина, равная работе сторонних сил для перемещения одного заряда с положительной величиной. В данной статье будут рассмотрены теоритические вопросы ЭДС, как она образуется, а также для чего она может быть использована на практике и где используются, а главное как рассчитать ее.

Читайте также:  При постоянном токе шины должны располагаться

Что такое ЭДС: объяснение простыми словами

Под ЭДС понимается удельная работа сторонних сил по перемещению единичного заряда в контуре электрической цепи . Это понятие в электричестве предполагает множество физических толкований, относящихся к различным областям технических знаний. В электротехнике — это удельная работа сторонних сил, появляющаяся в индуктивных обмотках при наведении в них переменного поля. В химии она означает разность потенциалов, возникающее при электролизе, а также при реакциях, сопровождающихся разделением электрических зарядов.

В физике она соответствует электродвижущей силе, создаваемой на концах электрической термопары, например. Чтобы объяснить суть ЭДС простыми словами – потребуется рассмотреть каждый из вариантов ее трактовки. Прежде чем перейти к основной части статьи отметим, что ЭДС и напряжение очень близкие по смыслу понятия, но всё же несколько отличаются. Если сказать кратко, то ЭДС — на источнике питания без нагрузки, а когда к нему подключают нагрузку — это уже напряжение. Потому что количество вольт на ИП под нагрузкой почти всегда несколько меньше, чем без неё. Это связано с наличием внутреннего сопротивления таких источников питания, как трансформаторы и гальванические элементы.

Электродвижущая сила (эдс), физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. Если через Eстр обозначить напряжённость поля сторонних сил, то эдс в замкнутом контуре (L) равна , где dl — элемент длины контура. Потенциальные силы электростатического (или стационарного) поля не могут поддерживать постоянный ток в цепи, т. к. работа этих сил на замкнутом пути равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — нагреванием проводников.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источников тока: генераторов, гальванических элементов, аккумуляторов и т. д. Происхождение сторонних сил может быть различным. В генераторах сторонние силы — это силы со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или Лоренца сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике; в гальванических элементах и аккумуляторах — это химические силы и т. д. Эдс определяет силу тока в цепи при заданном её сопротивлении (см. Ома закон). Измеряется эдс, как и напряжение, в вольтах.

Что такое ЭДС.

Природа ЭДС

Причина возникновения ЭДС в разных источниках тока разная. По природе возникновения различают следующие типы:

  • Химическая ЭДС. Возникает в батарейках и аккумуляторах вследствие химических реакций.
  • Термо ЭДС. Возникает, когда находящиеся при разных температурах контакты разнородных проводников соединены.
  • ЭДС индукции. Возникает в генераторе при помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет наводиться в проводнике, когда проводник пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
  • Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этой ЭДС способствует явление внешнего или внутреннего фотоэффекта.
  • Пьезоэлектрическая ЭДС. ЭДС возникает при растяжении или сдавливании веществ.

Электромагнитная индукция (самоиндукция)

Начнем с электромагнитной индукции. Это явление описывает закон электромагнитной индукции Фарадея. Физический смысл этого явления состоит в способности электромагнитного поля наводить ЭДС в находящемся рядом проводнике. При этом или поле должно изменяться, например, по величине и направлению векторов, или перемещаться относительно проводника, или должен двигаться проводник относительно этого поля. На концах проводника в этом случае возникает разность потенциалов.

Опыт демонстрирует появление ЭДС в катушке при воздействии изменяющегося магнитного поля постоянного магнита. Есть и другое похожее по смыслу явление — взаимоиндукция. Оно заключается в том, что изменение направления и силы тока одной катушки индуцирует ЭДС на выводах расположенной рядом катушки, широко применяется в различных областях техники, включая электрику и электронику. Оно лежит в основе работы трансформаторов, где магнитный поток одной обмотки наводит ток и напряжение во второй.

Что такое самоиндукция.

В электрике физический эффект под названием ЭДС используется при изготовлении специальных преобразователей переменного тока, обеспечивающих получение нужных значений действующих величин (тока и напряжения). Благодаря явлениям индукции и самоиндукции инженерам удалось разработать множество электротехнических устройств: от обычной катушки индуктивности (дросселя) и вплоть до трансформатора. Понятие взаимоиндукции касается только переменного тока, при протекании которого в контуре или проводнике меняется магнитный поток.

Электродвижущая сила индукции

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.

Читайте также:  Все что связано с током

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.

Расчет ЭДС.

Как раз вот эти 0.3 В 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. 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.

Как образуется ЭДС

Идеальный источник ЭДС – генератор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение на его зажимах не зависит от нагрузки. Мощность идеального источника ЭДС бесконечна. Реальный источник ЭДС, в отличие от идеального, содержит внутреннее сопротивление Ri и его напряжение зависит от нагрузки (рис. 1., б), а мощность источника конечна. Электрическая схема реального генератора ЭДС представляет собой последовательное соединение идеального генератора ЭДС Е и его внутреннего сопротивления Ri.

На практике для того чтобы приблизить режим работы реального генератора ЭДС к режиму работы идеального, внутреннее сопротивление реального генератора Ri стараются делать как можно меньше, а сопротивление нагрузки Rн необходимо подключать величиной не менее чем в 10 раз большей величины внутреннего сопротивления генератора, т.е. необходимо выполнять условие: Rн >> Ri

Для того чтобы выходное напряжение реального генератора ЭДС не зависело от нагрузки, его стабилизируют применением специальных электронных схем стабилизации напряжения. Поскольку внутреннее сопротивление реального генератора ЭДС не может быть выполнено бесконечно малым, его минимизируют и выполняют стандартным для возможности согласованного подключения к нему потребителей энергии. В радиотехнике величины стандартного выходного сопротивления генераторов ЭДС составляют 50 Ом (промышленный стандарт) и 75 Ом (бытовой стандарт).

Например, все телевизионные приемники имеют входное сопротивление 75 Ом и подключены к антеннам коаксиальным кабелем именно такого волнового сопротивления. Для приближения к идеальным генераторам ЭДС источники питающего напряжения, используемые во всей промышленной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре, выполняют с применением специальных электронных схем стабилизации выходного напряжения, которые позволяют выдерживать практически неизменное выходное напряжение источника питания в заданном диапазоне токов, потребляемых от источника ЭДС (иногда его называют источником напряжения).

На электрических схемах источники ЭДС изображаются так: Е — источник постоянной ЭДС, е(t) – источник гармонической (переменной) ЭДС в форме функции времени. Электродвижущая сила Е батареи последовательно соединенных одинаковых элементов равна электродвижущей силе одного элемента Е, умноженной на число элементов n батареи: Е = nЕ.

Постоянный ток и ЭДС.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии

Для поддержания электрического тока в проводнике требуется внешний источник энергии, создающий все время разность потенциалов между концами этого проводника. Такие источники энергии получили название источников электрической энергии (или источников тока). Источники электрической энергии обладают определенной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС), которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов между концами проводника.

Источник



Что такое сторонние силы эдс источника тока равна

Для того, чтобы поддерживать ток достаточно длительное время, необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом непрерывно отводить, а к другому концу – с большим потенциалом – подводить электрические заряды. Т.е. необходим круговорот зарядов. Поэтому в замкнутой цепи, наряду с нормальным движением зарядов, должны быть участки, на которых движение (положительных) зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электрического поля (рис. 7.3).

Перемещение заряда на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектрического происхождения (сторонних сил): химические процессы, диффузия носителей заряда, вихревые электрические поля. Аналогия: насос, качающий воду в водонапорную башню, действует за счет негравитационных сил (электромотор).

Сторонние силы можно характеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по замкнутой цепи или ее участку зарядами.

Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС), действующей в цепи:

Как видно из (7.4.1), размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала, т.е. измеряется в вольтах.

Стороннюю силу, действующую на заряд, можно представить в виде:

– напряженность поля сторонних сил.

Работа сторонних сил на участке 1 – 2:

Для замкнутой цепи:

Циркуляция вектора напряженности сторонних сил равна ЭДС, действующей в замкнутой цепи (алгебраической сумме ЭДС).

При этом необходимо помнить, что поле сторонних сил не является потенциальным, и к нему нельзя применять термин разность потенциалов или напряжение.

Источник