Aniks-lift.ru

Подъемное оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое ЭДС; объяснение простыми словами

Что такое ЭДС — объяснение простыми словами

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.

§ 2.11. Электродвижущая сила

В § 2.3 мы установили, что для длительного существования электрического тока в проводнике на его концах должна поддерживаться постоянная разность потенциалов. Как же это осуществить?

Если взять два заряженных тела (например, два шара) А и В, несущих заряды противоположного знака +q и -q, и соединить их проводником, то в нем возникнет электрическое поле и потечет ток (рис. 2.47, а). В процессе прохождения тока оба тела будут разряжаться (электроны с шаpa В будут переходить на шар А), разность потенциалов между ними начнет падать; вскоре она станет равной нулю, и ток в проводнике АВ прекратится.

Сторонние силы

Для того чтобы ток в проводнике АВ не прекращался, а был постоянным, надо шары А и В все время подзаряжать, чтобы обеспечить постоянную разность потенциалов между ними. Для этого необходимо иметь устройство (оно называется источником тока), которое непрерывно перемещало бы заряды в направлении, противоположном направлению кулоновских сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля заряженных шаров. В таком устройстве на заряды должны действовать силы, отличные от кулоновских (рис. 2.47, б). Одни лишь электростатические (кулоновские) силы не могут поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электрост,атических (кулоновских) сил, называются сторонними силами.

Вывод о необходимости действия сторонних сил для поддержания постоянного тока в электрической цепи станет еще очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии.

Мы уже говорили (см. § 2.3), что стационарное электрическое поле, связанное с проводником с током, является потенциальным. Работа этого поля при перемещении заряженных частиц вдоль замкнутой цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводники нагреваются. Следовательно, в любой цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий ее в цепь. В нем, помимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторонние непотенциальные силы, работа которых вдоль замкнутой цепи отлична от нуля. Именно за счет работы этих сил заряженные частицы приобретают энергию и отдают ее затем при движении в проводниках электрической цепи.

Читайте так же:
Как подключить кнопку с подсветкой 3 контакта

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источников тока: в генераторе на электростанции, в гальваническом элементе, аккумуляторе и т. д. В результате на клеммах источника появляются заряды противоположного знака, и между клеммами создается определенная разность потенциалов. При замыкании цепи начинает действовать механизм образования поверхностных зарядов, создающих электрическое поле во всей цепи (см. § 2.3).

Внутри источника заряды движутся под действием сторонних сил против сил электростатического поля (положительные — от отрицательно заряженного электрода к положительно заряженному, а отрицательные — наоборот), а во всей остальной части цепи их приводит в движение стационарное электрическое поле (см. рис. 2.47, б).

Механическая аналогия электрической цепи

Для лучшего понимания значения источника тока в замкнутой электрической цепи рассмотрим следующую механическую аналогию. На рисунке 2.48 изображен замкнутый контур, состоящий из труб и насоса. Чтобы исключить действие силы тяжести, предположим, что контур расположен горизонтально. Весь контур заполнен жидкостью, например водой.

На любом участке горизонтальной трубы жидкость течет за счет разности давлений на концах участка. Жидкость перемещается в сторону уменьшения давления. Но сила давления, появляющаяся вследствие сжатия жидкости, — это вид сил упругости, которые являются потенциальными. Поэтому работа этих сил на замкнутом пути, как и работа кулоновских сил, равна нулю. Следовательно, одни эти силы не могут вызвать длительную циркуляцию жидкости в замкнутом контуре, так как течение жидкости сопровождается потерями энергии вследствие действия сил трения.

Для циркуляции воды необходим насос — аналог источника тока. Крыльчатка этого насоса действует на частички жидкости и создает постоянную разность давлений (напор) на входе и выходе насоса, благодаря чему жидкость и течет по трубам. Роль сторонних сил в насосе играет сила, действующая на воду со стороны вращающейся крыльчатки. Внутри насоса вода течет от участков с меньшим давлением к участкам с большим давлением.

Читайте так же:
Для чего нужны краги

Природа сторонних сил

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в аккумуляторе или гальваническом элементе эта сила возникает благодаря химическим реакциям на границе соприкосновения электродов с раствором электролита (см. § 2.12). В фотоэлементе эти силы возникают благодаря действию света на вещество. В генераторах электростанций сторонняя сила — это может быть сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике (подробнее об этом будет говориться в главе 4).

Электродвижущая сила

Физическая величина, характеризующая действие сторонних сил в источниках тока, называется электродвижущей силой (сокращенно ЭДС). Электродвижущая сила в замкнутом проводящем контуре равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к этому заряду*.

Обозначим ЭДС буквой E, работу сторонних сил — Аст, а переносимый заряд — q, тогда из определения ЭДС следует, что

Из этой формулы видно, что единицей ЭДС, как и напряжения, является вольт.

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. Электродвижущая сила гальванического элемента, например, численно равна работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от отрицательного его полюса к положительному.

Так как электродвижущая сила представляет собой удельную работу, то она является скалярной величиной, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Знак ЭДС определяется в зависимости от произвольно выбранного направления обхода того участка электрической цепи, на котором включен данный источник тока. Если внутри источника тока обход совершается от отрицательного полюса к положительному, то ЭДС положительная (E > 0) (рис. 2.49, а). Сторонние силы внутри источника совершают при этом положительную работу. Если обход совершается от положительного полюса к отрицательному, то ЭДС отрицательная (E < 0) (рис. 2.49, б).

* Как видно из определения, ЭДС численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда (удельной работе), а не силе в обычном понимании этого слова. Здесь опять используется не очень удачная, но давно установившаяся терминология.

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:

Читайте так же:
Алюминиевый профиль для станков чпу

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.

Пальчиковые батарейки

Рис. 3. Пальчиковые батарейки.

Формулы и расчеты

ЭДС представляет собой работу, которую совершают сторонние силы для перемещения единичного заряда по электрической цепи

Схема замкнутой электрической цепи включает внешнюю часть, характеризуемую сопротивлением R, и внутреннюю часть с сопротивлением источника Rвн. Непрерывный ток (Iн) в цепи будет течь в результате действия ЭДС, которая преодолевает как внешнее, так и внутреннее сопротивление цепи.

Ток в цепи определяется по формуле (закон Ома):

Iн= E/(R+Rвн).

При этом напряжение на клеммах источника (U12) будет отличаться от ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника.

U12 = E — Iн*Rвн.

Если цепь разомкнута и ток в ней равен 0, то ЭДС источника будет равна напряжению U12.

Разработчики источников питания стараются уменьшать внутренние сопротивление Rвн, так как это может позволить получить от источника больший ток.

От электростатики к электрокинетике

Между концом XVIII и началом XIX века работы таких учёных, как Кулон, Лагранж и Пуассон, заложили математические основы определения электростатических величин. Прогресс в понимании электричества на этом историческом этапе очевиден. Франклин уже ввёл понятие «количество электрической субстанции», но пока ещё и он, ни его преемники не смогли его измерить.

От электростатики к электрокинетике

Следуя за экспериментами Гальвани, Вольта пытался найти подтверждения того, что «гальванические жидкости» животного были одной природы со статическим электричеством. В поисках истины он обнаружил, что когда два электрода из разных металлов контактируют через электролит, оба заряжаются и остаются заряженными несмотря на замыкание контура нагрузкой. Это явление не соответствовало существующим представлениям об электричестве потому, что электростатические заряды в подобном случае должны были рекомбинировать.

Читайте так же:
Как спаять алюминий в домашних условиях видео

Вольта ввёл новое определение силы, действующей в направлении разделения зарядов и поддержании их в таком состоянии. Он назвал её электродвижущей. Подобное объяснение описания работы батареи не вписывалось в теоретические основы физики того времени. В Кулоновской парадигме первой трети XIX века э. д. с. Вольта определялась способностью одних тел вырабатывать электричество в других.

Важнейший вклад в объяснение работы электрических цепей внёс Ом. Результаты ряда экспериментов привели его к построению теории электропроводности. Он ввёл величину «напряжение» и определил её как разность потенциалов на контактах. Подобно Фурье, который в своей теории различал количество тепла и температуру в теплопередаче, Ом создал модель по аналогии, связывающую количество перемещаемого заряда, напряжение и электропроводность. Закон Ома не противоречил накопленным знаниям об электростатическом электричестве.

Вам это будет интересно Материал, из какого должен изготавливаться искусственный заземлитель

Затем, благодаря Максвеллу и Фарадею, пояснительные модели тока получили новую теорию поля. Это позволило разработать связанную с полем концепцию энергии как для статических потенциалов, так и для электродвижущей силы. Основные даты эволюции понятия ЭДС:

  • 1800 г. — создание Вольтой гальванической батареи;
  • 1826 г. — Ом формулирует свой закон для полной цепи;
  • 1831 г. — обнаружение электромагнитной индукции Фарадеем.

Что такое Э.Д.С. и от чего она зависит

Сила, позволяющая перемещаться электронам по цепи в гальваническом элементе, называется электродвижущей силой (E) , которая в данном случае означает то же, что и напряжение, и потенциал. Поэтому Э.Д.С. измеряется в вольтах.

Вспомним, что 1 вольт (В) представляет собой электродвижущую силу, которая позволяет заряду в 1 кулон (Кл) приобрести энергию в 1 джоуль (Дж).

ЭДС гальванического элемента определяется многими факторами:

— проводимым в элементе химическим процессом;

— концентрацией участников процесса (как реагентов, так и продуктов);

Если гальванический элемент работает в стандартных условиях, то его Э.Д.С. называется стандартной и обозначается Е°.

Уровень А

В старших классах понятие ЭДС требует более подробного рассмотрения.

Сторонние силы

Рассмотрим два примера.

1. Шарик массой m закреплен в некоторой точке А над столом (рис. 1, а).

Читайте так же:
Какие бывают токарные резцы по металлу

2. Шарик с зарядом q1 (и малой массой) закреплен в некоторой точке А на небольшом расстоянии от второго закрепленного заряда q2 (рис. 1, б).

В чем измеряется эдс в физике

В чем измеряется эдс в физике

Что произойдет с шариками, если их освободить?

1. Шарик массой m начнет падать, и если его не ловить, упадет на стол. Шарик заставляет двигаться сила тяжести. В этом случае говорят, что сила тяжести (или гравитационное поле) совершает работу.

2. Шарик с зарядом q1 начнет двигаться к заряду q2, и если его не ловить, столкнется с ним. Шарик заставляет двигаться сила притяжения ко второму шарику (кулоновская сила). В этом случае говорят, что кулоновская сила (или электрическое поле) совершает работу.

А можно ли вернуть шарики в точку А?

Можно, но для этого нужно приложить дополнительную силу.

В первом примере мы можем бросить шарик вверх. Мы затратим собственную энергию, чтобы заставить шарик двигаться в нужном направлении.

Второй пример рассмотрим более подробно. Шарик можно заставить двигаться влево еще одним зарядом q3, большим по значению, чем заряд q2. Но это будет так же кулоновская сила. Можно так же применить механическую силу, можно сообщить шарику дополнительную энергию (например, световую, химическую и т.д.), чтобы он смог преодолеть притяжения заряда q2.

Силы, действующие на заряд, за исключением кулоновских, называются сторонними. Внутри любого источника тока заряды движутся под действием сторонних сил.

Во всех случаях, если сила заставляет тело двигаться в нужном направлении, то она совершает работу. Значит и сторонние силы совершают работу по перемещению заряда, которую называют сторонней.

Отношение работы сторонних сил по перемещению заряда к величине этого заряда и есть ЭДС (электродвижущая сила).

Обозначим работу сторонних сил — A, переносимый заряд — q, тогда из определения следует, что ЭДС

В чем измеряется эдс в физике

Исходя из этой формулы, можно дать и другое определение:

ЭДС – это физическая скалярная величина, численно равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительно заряда.

Таким образом, ЭДС характеризует действие сторонних сил и не является силой в обычном понимании этого слова. Здесь опять используется не очень удачная, но исторически установившаяся терминология.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector