Все об электродвижущей силе — определение, расшифровка, единица измерения и формул

В статье понятным и простым языком объясняется явление ЭДС. Представлена краткая историческая справка, рассмотрены типы ЭДС и её связь с параметрами электрической цепи. Текст подкреплён элементарными формулами.

Что такое ЭДС в физике – физический смысл

Электрический ток будет проходить через проводник только в том случае, если единовременно соблюдаются два простых условия:

  1. В проводнике присутствуют свободные электроны (например, в металлах электронов, не связанных с атомом, большинство).
  2. В проводнике присутствует сила, вынуждающая электроны двигаться.

Допустим, на концы электрода подали разные по знаку заряды, которые под действием кулоновской силы начинают притягиваться друг к другу.

Однако без сторонних сил электрическое поле, появившееся в результате такого взаимодействия, исчезнет, как только электроны придут в равновесие, поэтому для поддержания в проводнике электрического тока нужен источник питания, например батарейка.

ВАЖНО: электроны могут перемещаться только силами неэлектрического происхождения (сторонними силами), ярким примером которых являются химические процессы, происходящие в батарее.

При замыкании цепи «проводник – источник тока» электроны вновь начнут движение друг к другу, но как только положительный заряд приблизится к отрицательному, сторонние силы перенесут его обратно.

Притяжение зарядов

Так, работа этих сторонних сил по переносу единичного положительного заряда называется ЭДС.

Что такое ЭДС в электротехнике?

В электротехнике ЭДС характеризует источники питания и создаёт и поддерживает в течение длительного периода времени разность потенциалов. Численно ЭДС равна работе, которую должны совершить либо сторонние силы, чтобы переместить положительный заряд внутри источника, либо сам источник, чтобы провести заряд по цепи. Таким образом, формула для вычисления ЭДС имеет вид:

E = A / q,

где E – ЭДС,

А – работа,

q – заряд.

ЭДС необходима для поддержания в цепи постоянного тока, причём в технике применяется несколько видов ЭДС.

ВидОбласть применения
ХимическаяБатарейки и аккумуляторы
ТермоэлектрическаяХолодильники и термопары
ИндукционнаяЭлектродвигатели, генераторы и трансформаторы
ФотоэлектрическаяФотоэлементы
ПьезоэлектрическаяПьезоэлементы, датчики, кварцевые генераторы

СПРАВКА: в теории существует идеальный источник ЭДС – генератор с нулевым внутренним сопротивлением, мощность которого приравнивается к бесконечности.

Расшифровка ЭДС

Аббревиатура ЭДС общепринятая и расшифровывается как «электродвижущая сила».

СПРАВКА: понятие ЭДС введено Георгом Омом в 1827 году, а её значение определено Густавом Кирхгофом в 1857.

В чём измеряется ЭДС – единица измерения

Уже было отмечено, что ЭДС – отношение работы к заряду, то есть:

Единица измерения E = 1 джоуль (Дж) / 1 кулон (Кл) = 1 вольт (В).

Таким образом, ЭДС, как напряжение, измеряется в вольтах. Причём на практике часто используют более крупные и мелкие единицы:

  • киловольт (кВ): 1 кВ = 103 В;
  • милливольт (мВ): 1мВ = 10-3 В;
  • микровольт (мкВ): 1 мкВ = 10-6 В.

Чем отличается ЭДС от напряжения?

Известно, что напряжение характеризует работу электрического поля по переносу положительного заряда и измеряется в вольтах. Таким образом, на первый взгляд ЭДС и напряжение мало чем отличаются друг от друга, однако различие между этими понятиями есть и весьма существенное.

Отличие ЭДС от Напряжения
Схема с ЭДС

В реальной электрической цепи присутствует внутреннее сопротивление, на котором происходит падение напряжения. Причём, если разомкнуть цепь и соединить вольтметр с батареей, он покажет значение ЭДС – 1,5 В, но при подключении нагрузки, например лампочки, на клеммах будет меньшее значение. Эти процессы описываются законом Ома для полной цепи.

То есть основная разница между величинами состоит в том, что напряжение зависит от нагрузки и тока в цепи, а ЭДС – от источника питания.

СПРАВКА: в идеальной электрической цепи, где отсутствует внутреннее сопротивление, между напряжением и ЭДС не будет разницы.

ЭДС электромагнитной индукции

29 августа 1831 года Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию – явление возникновения электрического тока при движении замкнутого проводящего контура в магнитном поле или при изменении в течение времени этого поля.

Фарадей в ходе эксперимента обнаружил, что возникающая ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потока через поверхность замкнутого контура, но не зависит от причины этого изменения.

Eинд = — dФ / dt,

где Eинд – ЭДС индукции,

Ф – магнитный поток, измеряемый в веберах (Вб),

t – время.

Знак дифференциала d характеризует изменение величин, а минус перед отношением отражает правило Ленца, согласно которому индукционный ток, вызванный ЭДС индукции, направлен таким образом, чтобы противодействовать изменению магнитного потока.

ЭДС источника тока

Электродвижущая сила источника тока характеризует его способность создавать и поддерживать разность потенциалов на зажимах.

ВНИМАНИЕ: ЭДС может возникнуть в источнике и при разомкнутой цепи, при этом данную ситуацию называют «холостым ходом», а величина силы приравнивается к разнице потенциалов.

ЭДС индукции в движущихся проводниках

Пусть в однородном магнитном поле с постоянной скоростью движется проводник. Тогда на каждый свободный электрон проводника будет действовать сила Лоренца, под действием которой отрицательные частицы начнут движение. В результате один из концов проводника зарядится отрицательно, второй – положительно, то есть возникнет разница потенциалов. Исходя из этого можно сделать вывод, что данный проводник в такой ситуации будет представлять собой источник тока, а разность потенциалов на его концах, по сути, представляет собой ЭДС.

Eинд = Blvsinα,

где B – вектор индукции магнитного поля,

l – длина проводника,

v – скорость его перемещения в магнитном поле,

αугол направления движения к направлению действия поля, то есть угол между B и v.

ЭДС катушки индуктивности

Особенность катушки – способность создавать магнитное поле, если по её проводу течёт электрический ток, что называется индуктивностью.

Электродвижущая сила катушки индуктивности
Схема ЭДС с катушкой индуктивности

Допустим, собрана схема с катушкой с железным сердечником и лампочкой, подключенной параллельно. Если сначала замкнуть цепь, дав току, протекающему в неё, установиться, а потом резко разомкнуть, лампочка резко вспыхнет. Что свидетельствует о том, что при отключении цепи от источника питания ток из катушки перешёл в лампу. То есть ток в катушке был и имел вокруг себя магнитное поле, после исчезновения которого возникла ЭДС.

Такая электродвижущая сила называется ЭДС самоиндукции, так как она появилась от собственного магнитного поля катушки.

ЭДС гальванического элемента

Гальванический элемент – это источник тока, создающий его из химической энергии. Рассмотрим элемент Даниэля-Якоби, представляющий собой цинковую и медную пластины в соответствующих растворах сульфатов, соединённые между собой электролитом. Если соединить пластины металлическим стержнем, начнётся перераспределение зарядов: свободные электроны будут перемещаться к электроду с менее отрицательным зарядом (медной пластине). То есть возникнет электрический ток. Его работа будет максимальной в том случае, когда процессы на электродах (окисление и восстановление вследствие изменения числа электронов) будут протекать бесконечно медленно.

ЭДС гальванического элемента – максимальная разность потенциалов, возможная в такой ситуации.

Мощность через ЭДС

Известно, что мощность тока – это работа, совершаемая в единицу времени, то есть:

P = A / Δt,

где P – мощность.

Кроме этого, существует формула для вычисления мощности на участке цепи, связывающая эту величину с напряжением и током:

P = UI,

где U – напряжение,

I – ток.

В случае, если участок цепи содержит источник тока, имеющий ЭДС, формула будет иметь вид:

P = (u1u2)∙I + EI,

где u1u2 – разность потенциалов.

ЭДС через магнитный поток

Было отмечено, что Фарадей установил соотношение зависимости ЭДС от магнитного потока:

E = — ΔФ / Δt.

Известно, что магнитный поток можно найти, опираясь на выражение:

Ф = BScosα,

где S – площадь поверхности, через которую проходит поток,

α – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности.

Для некоторого упрощения допустим, что плоскость контура располагается перпендикулярно к магнитному полю, то есть α = 0. Учитывая, что ΔФ = Ф2 — Ф1 = B(S2S1), формула ЭДС может иметь вид:

E = — B(S2S1) / Δt.

Напряжение через ЭДС

Согласно закону Ома для участка цепи:

I = U / R,

где R – сопротивление.

Этот же закон для полной цепи имеет вид:

I = E / (R+r),

где r – сопротивление источника питания.

Пусть количество электронов, произведённых источником тока, равно количеству зарядов, которые «ушли» в цепь. Тогда справедливо равенство:

U / R = E / (R+r).

Путём элементарных математических действий можно получить связь напряжения и ЭДС:

U = ER / (R+r).

СПРАВКА: для идеальной цепи: U = E.

Как обозначается ЭДС на схеме?

Источник ЭДС обычно изображается буквой «Е», расположенной рядом со стрелкой, помещённой в круг. Рассмотрим несколько схем, встречающихся на практике.

Обозначение ЭДС
Как обозначается ЭДС на схеме

На рисунке под буквой «а» изображён идеальный источник ЭДС, под «б» – реальный источник, обладающий внутренним сопротивлением, под «в» – элементарная электрическая цепь: реальный источник ЭДС и потребитель.

Как можно повысить точность измерения ЭДС источника тока?

Одним из способов повышения точности является проведение серии измерений, что позволит снизить риск случайных ошибок. Кроме этого, в серию испытания можно включить измерение разности потенциалов, тока, внутреннего сопротивления источника, а после вычислить среднее значение требуемой величины.

Наиболее простой способ повышение точности – использование вольтметра высокого класса точности.

comments powered by HyperComments
Adblock
detector