Что означает эдс в физике. Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии

И какова ее взаимосвязь с другими параметрами Сразу отметим, несмотря на то, что в повседневной жизни мы все успешно используем электрические приборы, многие законы были выведены опытным путем и приняты за аксиому. Это одна из причин излишнего усложнения определений. К сожалению, даже электродвижущая сила, эта основа электротехники, освещается так, что человеку, незнакомому с электричеством, понять что-либо довольно сложно. Объясним этот вопрос с помощью понятных каждому терминов и примеров.

В проводнике носит название «электрический ток». Как известно, все предметы нашего материального мира состоят из атомов. Для упрощения понимания можно считать, что каждый атом представлен в виде уменьшенной в миллионы раз в центре расположено ядро, а на разном удалении от него по круговым орбитам вращаются электроны.

Посредством какого-либо внешнего воздействия в проводнике, образующем замкнутый контур, создается электродвижущая сила и возникает Воздействие «выбивает» валентные электроны с их орбит в атомах, поэтому образуются свободные электроны и положительно заряженные ионы.

Электродвижущая сила необходима для того, чтобы «заставить» заряды постоянно двигаться по проводнику и элементам цепи в определенном направлении. Без нее ток практически мгновенно угасает. Разобраться в том, что же такое электродвижущая сила, позволит сравнение электричества с водой. Прямой участок трубы - это проводник. Двумя своими сторонами она выходит в водоемы. До тех пор, пока уровни воды в водоемах равны и отсутствует уклон, жидкость, находящаяся в трубе, неподвижна.

Очевидно, заставить ее двигаться можно тремя способами: создать перепад высот (уклоном или количеством жидкости в водоемах) или принудительно прокачивать. Важный момент: если говорить о перепаде высот то подразумевается напряжение. Для ЭДС же движение «принудительно», так как сторонние силы, оказывающие воздействие, непотенциальны.

Любой источник электрического тока обладает ЭДС - той самой силой, которая поддерживает движение заряженных частиц (в приведенной аналогии заставляет воду двигаться). Измеряется в вольтах. Название говорит само за себя: ЭДС характеризует работу приложенных к участку цепи сторонних сил, выполняющих перемещение каждого единичного заряда от одного полюса к другому (между клеммами). Она численно равна отношению работы приложенных сторонних сил к величине перемещаемого заряда.

Косвенно необходимость в источнике ЭДС можно вывести из закона сохранения энергии и свойств проводника с током. В замкнутой цепи работа поля по перемещению зарядов равна нулю. Однако проводник нагревается (причем тем сильнее, чем больший ток по нему проходит в единицу времени). Вывод: в цепи должна присутствовать доля сторонней энергии. Указанные сторонние силы - это магнитное поле в генераторах, постоянно возбуждающее электроны; энергия химических реакций в батареях.

Электродвижущая сила индукции была впервые обнаружена экспериментальным путем в 1831 году Он установил, что в проводнике, пронизываемом линиями напряженности изменяющегося магнитного поля, возникает электрический ток. Воздействие поля сообщает внешним электронам в атомах недостающую им энергию, в результате чего они отрываются и начинают двигаться (появляется ток). Конечно, непосредственного движения частиц не существует (как тут не вспомнить об относительности аксиом электротехники). Скорее, имеет место обмен частицами между ближайшими атомами.

Развиваемая электродвижущая сила - это внутренняя характеристика любого источника питания.

На этом уроке мы подробнее разберем механизм обеспечения длительного электрического тока. Введем понятия «источник питания», «сторонние силы», опишем принцип их действия, а также введем понятие электродвижущей силы.

Тема: Законы постоянного тока
Урок: Электродвижущая сила

В одной из прошлых тем (условия существования электрического тока) уже затрагивался вопрос о необходимости источника питания для длительного поддержания существования электрического тока. Сам по себе ток, конечно же, можно получать и без таких источников питания. Например, разрядка конденсатора при вспышке фотоаппарата. Но такой ток будет слишком скоротечным (рис. 1).

Рис. 1. Кратковременный ток при взаимной разрядке двух разноименно заряженных электроскопов ()

Кулоновские силы всегда стремятся свести разноименные заряды, выровняв тем самым потенциалы по всей цепи. А, как известно, для наличия поля и тока необходима разность потенциалов. Поэтому никак нельзя обойтись без каких-либо других сил, разводящих заряды и поддерживающих разность потенциалов.

Определение.

Сторонние силы - силы неэлектрического происхождения, направленные на разведение зарядов.

Эти силы могут быть разной природы в зависимости от типа источника. В батареях они химического происхождения, в электрогенераторах - магнитного. Они-то и обеспечивают существование тока, так как работа электрических сил по замкнутому контуру всегда равна нулю.

Вторая задача источников энергии, помимо поддержания разности потенциалов, - это восполнение потерь энергии на столкновении электронов с другими частицами, вследствие чего первые теряют кинетическую энергию, а внутренняя энергия проводника повышается.

Сторонние силы внутри источника выполняют работу против электрических сил, разводя заряды в стороны, противоположные их естественному ходу (как они движутся во внешней цепи) (рис. 2).

Рис. 2. Схема действия сторонних сил

Аналогом действия источника питания можно считать водяной насос, который пускает воду против ее естественного хода (снизу вверх, в квартиры). Обратно же вода естественным образом под действием силы тяжести спускается вниз, но для непрерывной работы водоснабжения квартиры необходима непрерывная работа насоса.

Определение.

Электродвижущая сила - отношение работы сторонних сил по перемещению заряда к величине этого заряда. Обозначение - :

Единица измерения:

Вставка. ЭДС разомкнутой и замкнутой цепи

Рассмотрим следующую цепь (рис. 3):

Рис. 3.

При разомкнутом ключе и идеальном вольтметре (сопротивление бесконечно велико) никакого тока в цепи не будет, и внутри гальванического элемента будет совершаться только работа по разделению зарядов. В этом случае вольтметр покажет значение ЭДС.

При замыкании ключа по цепи пойдет ток, и вольтметр уже не будет показывать значение ЭДС, он будет показывать значение напряжения, такого же, как на концах резистора. При замкнутом контуре:

Здесь: - напряжение на внешней цепи (на нагрузке и подводящих проводах); - напряжение внутри гальванического элемента.

На следующем уроке мы изучим закон Ома для полной цепи.

Список литературы

Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.

ens.tpu.ru ().
physbook.ru ().
electrodynamics.narod.ru ().

Домашнее задание

Что такое сторонние силы, какова их природа?
Как связано напряжение на разомкнутых полюсах источника тока с его ЭДС?
Как превращается и передается энергия в замкнутой цепи?
*ЭДС батарейки фонарика - 4,5 В. Будет ли от этой батарейки гореть с полным накалом лампочка, рассчитанная на 4,5 В? Почему?

Содержание:

Когда родилось понятие «электрон», люди сразу связали его с определенной работой. Электрон – это по-гречески «янтарь». То, что грекам для того, чтобы найти этот бесполезный, в общем-то, магический камушек, надо было довольно далеко проехать на север - такие усилия тут, в общем-то, не в счет. А вот стоило проделать некоторую работу - руками по натиранию камушка о шерстяную сухую тряпочку - и он приобретал новые свойства. Это знали все. Натереть просто так, ради сугубо бескорыстного интереса, чтобы понаблюдать, как теперь к «электрону» начинает притягиваться мелкий мусор: пылинки, шерстинки, ниточки, перышки. В дальнейшем, когда появился целый класс явлений, объединенных потом в понятие «электричество», работа, которую надо обязательно затратить, не давала людям покоя. Раз нужно затратить, чтобы получился фокус с пылинками - значит, хорошо бы эту работу как-то сохранить, накопить, а потом и получить обратно.

Таким образом из все более усложнявшихся фокусов с разными материалами и философских рассуждений и научились эту магическую силу собирать в баночку. А потом сделать и так, чтобы она из баночки постепенно высвобождалась, вызывая действия, которые стало уже можно ощутить, а очень скоро и померить. И померили настолько остроумно, имея всего-то пару шелковых шариков или палочек и пружинные крутильные весы, что и теперь мы вполне серьезно пользуемся все теми же формулами для расчетов электрических цепей, которые уже пронизали теперь всю планету, бесконечно сложных, сравнительно с теми первыми приспособлениями.

А название этого могучего джинна, сидящего в баночке, так до сих пор и содержит восторг давних открывателей: «Электродвижущая сила». Но только сила эта - совсем не электрическая. А наоборот, посторонняя страшная сила, заставляющая электрические заряды двигаться «против воли», то есть преодолевая взаимное отталкивание, и собираться где-то с одной стороны. От этого получается разность потенциалов. Ее и можно использовать, пустив заряды другим путем. Где их «не сторожит» эта страшная ЭДС. И заставить, тем самым, выполнить некоторую работу.

Принцип работы

ЭДС - это сила самой разной природы, хотя измеряется она в вольтах:

Химической. Происходит от процессов химического замещения ионов одних металлов ионами других (более активных). В результате образуются лишние электроны, стремящиеся «спастись» на краю ближайшего проводника. Такой процесс бывает обратимым или необратимым. Обратимый - в аккумуляторах. Их можно зарядить, вернув заряженные ионы обратно в раствор, отчего он приобретет больше, например, кислотности (в кислотных аккумуляторах). Кислотность электролита и есть причина ЭДС аккумулятора, работает непрерывно, пока раствор не станет абсолютно нейтральным химически.

Магнитодинамической. Возникает при воздействии на проводник, некоторым образом ориентированный в пространстве, изменяющегося магнитного поля. Или от магнита, движущегося относительно проводника, или от движения проводника относительно магнитного поля. Электроны в этом случае тоже стремятся двигаться в проводнике, что позволяет их улавливать и помещать на выходные контакты устройства, создавая разность потенциалов.

Электромагнитной. Переменное магнитное поле создается в магнитном материале переменным электрическим напряжением первичной обмотки. Во вторичной обмотке возникает движение электронов, а значит и напряжение, пропорциональное напряжению в первичной обмотке. Значком ЭДС трансформаторы могут обозначаться в схемах эквивалентного замещения.

Фотоэлектрической. Свет, попадая на некоторые проводящие материалы, способен выбивать электроны, то есть делать их свободными. Создается избыток этих частиц, отчего лишние выталкиваются к одному из электродов (аноду). Возникает напряжение, которое и способно породить электрический ток. Такие приборы называются фотоэлементами. Первоначально были придуманы вакуумные фотоэлементы, в которых электроды были установлены в колбе с вакуумом. Электроны в этом случае выталкивались за пределы металлической пластинки (катод), а улавливались другим электродом (анод). Такие фотоэлементы нашли применение в датчиках света. С изобретением же более практичных полупроводниковых фотоэлементов стало возможным создавать из них мощные батареи, чтобы суммированием электродвижущей силы каждого из них вырабатывать существенное напряжение.

Теплоэлектрической. Если два разных металла или полупроводника спаять в одной точке, а потом в эту точку доставить тепло, например, свечи, то на противоположных концах пары металлов (термопары) возникает разница в плотностях электронного газа. Эта разница может накапливаться, если соединить термопары последовательной цепочкой, подобно соединению гальванических элементов в батарее или отдельных фотоэлементов в солнечной батарее. ТермоЭДС используется в очень точных датчиках температуры. С этим явлением связано несколько эффектов (Пельтье, Томсона, Зеебека), которые успешно исследуются. Фактом является то, что теплота способна непосредственно превратиться в электродвижущую силу, то есть напряжение.

Электростатической. Такие источники ЭДС были придуманы практически одновременно с гальваническими элементами или даже раньше (если считать натирание янтаря шелком нормальным производством ЭДС). Они еще называются электрофорными машинами, или, по имени изобретателя, генераторами Вимшурста. Хотя Вимшурст создал внятное техническое решение, позволяющее снятый потенциал накапливать в лейденской банке - первом конденсаторе (причем, хорошей емкости). Первой же электрофорной машиной можно считать огромный шар из серы, насаженный на ось, - аппарат магдебургского бургомистра Отто фон Герике в середине XVII века. Принцип работы - натирание легко электризующихся от трения материалов. Правда прогресс у фон Герике можно назвать, по поговорке, движимым ленью, когда нет охоты натирать янтарь или что-то другое вручную. Хотя, конечно, этому любознательному политику чего-чего, а фантазии и активности было не занимать. Вспомним хотя бы его же всем известный опыт с разрыванием двумя вереницами ослов (или мулов) шара без воздуха за цепи на два полушария.

Электризация, как первоначально предполагали, происходит именно от «трения», то есть, натирая янтарь тряпкой, мы «срываем» с его поверхности электроны. Однако исследования показали, что здесь не так все просто. Оказывается, на поверхности диэлектриков всегда имеются неравномерности заряда, и к этим неравномерностям притягиваются ионы из воздуха. Образуется такая воздушно-ионная шуба, которую мы и повреждаем, натирая поверхность.

Термоэмиссионной. При нагревании металлов с их поверхности срываются электроны. В вакууме они достигают другого электрода и наводят там отрицательный потенциал. Очень перспективное сейчас направление. На рисунке приведена схема защиты гиперзвукового летательного аппарата от перегрева частей корпуса встречным потоком воздуха, причем термоэлектроны, испускаемые катодом (который при этом охлаждается - одновременное действие эффектов Пельтье и/или Томсона), достигают анода, наводя на нем заряд. Заряд, вернее, напряжение, которое равно полученной ЭДС, можно использовать в цепи потребления внутри аппарата.

1 - катод, 2 - анод, 3, 4 - отводы катода и анода, 5 - потребитель

Пьезоэлектрической. Многие кристаллические диэлектрики, когда испытывают механическое давление на себя в каком-либо направлении, реагируют на него наведением разницы потенциалов между своими поверхностями. Эта разность зависит от приложенного давления, поэтому уже используется в датчиках давления. Пьезоэлектрические зажигалки для газовых плит не требуют никакого другого источника энергии - только нажатия пальцем на кнопочку. Известны попытки создания пьезоэлектрической системы зажигания в автомобилях на основе пьезокерамики, получающей давление от системы кулачков, связанных с главным валом двигателя. «Хорошие» пьезоэлектрики - у которых пропорциональность ЭДС от давления высоко точна - бывают очень тверды (например, кварц), при механическом давлении почти не деформируются.

Однако долгое воздействие давлением на них вызывает их разрушение. В природе мощные слои каменных пород также являются пьезоэлектриками, давления земных толщ наводят громадные заряды на их поверхностях, что порождает в глубинах земли титанические бури и грозы. Однако, не все так страшно.Уже были разработаны и эластичные пьезоэлектрики, и даже уже началось изготовление на их основе (и на основе нанотехнологий) изделий, идущих на продажу.

То, что единицей измерения ЭДС является единица электрического напряжения, понятно. Так как самые разнородные механизмы, создающие электродвижущую силу источника тока, все преобразуют свои виды энергии в движение и накопление электронов, а это в конечном счете и приводит к появлению такого напряжения.

Ток, возникающий от ЭДС

Электродвижущая сила источника тока на то и движущая сила, что электроны от нее начинают двигаться, если замкнуть электрическую цепь. Их к этому принуждает ЭДС, пользуясь своей неэлектрической «половиной» природы, которая не зависит, все-таки, от половины, связанной с электронами. Так как считается, что ток в цепи течет от плюса к минусу (такое определение направления было сделано раньше, чем все узнали, что электрон - отрицательная частица), то внутри прибора с ЭДС ток делает движение завершающее - от минуса к плюсу. И всегда рисуют у знака ЭДС, куда направлена стрелочка – +. Только в обоих случаях - и внутри ЭДС источника тока, и снаружи, то есть в потребляющей цепи, - мы имеем дело с электрическим током со всеми его обязательными свойствами. В проводниках ток наталкивается на их сопротивление. И здесь, в первой половине цикла, имеем сопротивление нагрузки, во второй, внутренней, - сопротивление источника или внутреннее сопротивление.

Внутренний процесс работает не мгновенно (хотя очень быстро), а с определенной интенсивностью. Он совершает работу по доставке зарядов от минуса к плюсу, и это тоже встречает сопротивление…

Сопротивление это двоякого рода.

Внутреннее сопротивление работает против сил, разъединяющих заряды, оно имеет природу, «близкую» этим разъединяющим силам. По крайней мере, работает с ними в едином механизме. Например, кислота, отбирающая кислород у двуокиси свинца и замещающая его на ионы SO 4 -, определенно испытывает некоторое химическое сопротивление. И это как раз и проявляется как работа внутреннего сопротивления аккумулятора.
Когда наружная (выходная) половина цепи не замкнута, появление все новых и новых электронов на одном из полюсов (и убывание их с другого полюса) вызывает усиление напряженности электростатического поля на полюсах аккумулятора и усиление отталкивания между электронами. Что позволяет системе «не идти вразнос» и остановиться на некотором состоянии насыщенности. Больше электронов из аккумулятора наружу не принимается. И это внешне выглядит как наличие постоянного электрического напряжения между клеммами аккумулятора, которое называется U хх, напряжением холостого хода. И оно численно равно ЭДС - электродвижущей силе. Поэтому и единицей измерения ЭДС является вольт (в системе СИ).

Но если только подключить к аккумулятору нагрузку из проводников, имеющих отличное от нуля сопротивление, то немедленно потечет ток, сила которого определяется по закону Ома.

Померить внутреннее сопротивление источника ЭДС, казалось бы, можно. Стоит включить в цепь амперметр и шунтировать (закоротить) внешнее сопротивление. Однако внутреннее сопротивление настолько низко, что аккумулятор начнет разряжаться катастрофически, вырабатывая огромное количество теплоты, как на внешних закороченных проводниках, так и во внутреннем пространстве источника.

Однако можно поступить иначе:

Измерить E (помним, напряжение холостого хода, единица измерения - вольт).
Подключить в качестве нагрузки некоторый резистор и померить падение напряжения на нем. Вычислить ток I 1 .
Вычислить значение внутреннего сопротивления источника ЭДС можно, воспользовавшись выражением для r

Обычно способность аккумулятора выдавать электроэнергию оценивается его энергетической «емкостью» в амперчасах. Но интересно было бы посмотреть, какой максимальный ток он может вырабатывать. Несмотря на то, что, быть может, электродвижущая сила источника тока заставит его взорваться. Так как идея устроить на нем короткое замыкание показалась не очень заманчивой, можно вычислить эту величину чисто теоретически. ЭДС равно U хх. Просто нужно дорисовать график зависимости падения напряжения на резисторе от тока (следовательно, и от сопротивления нагрузки) до точки, в которой сопротивление нагрузки будет равно нулю. Это точка Iкз, пересечения красной линии с линией координаты I , в которой напряжение U стало нулевым, а все напряжение E источника будет падать на внутреннее сопротивление.

Часто кажущие простыми основные понятия не всегда бывает можно понять без привлечения примеров и аналогий. Что такое электродвижущая сила, и как она работает, можно представить, только рассмотрев множество ее проявлений. А стоит рассмотреть определение ЭДС, как оно дается солидными источниками посредством умных академических слов - и все начинай с начала: электродвижущая сила источника тока. Или просто выбей на стене золотыми буквами:

Тема: Законы постоянного тока
Урок: Электродвижущая сила

Рис. 1. Кратковременный ток при взаимной разрядке двух разноименно заряженных электроскопов ()

Определение.

Сторонние силы - силы неэлектрического происхождения, направленные на разведение зарядов.

Рис. 2. Схема действия сторонних сил

Определение.

Единица измерения:

Вставка. ЭДС разомкнутой и замкнутой цепи

Рассмотрим следующую цепь (рис. 3):

Рис. 3.

На следующем уроке мы изучим закон Ома для полной цепи.

Список литературы

Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.

ens.tpu.ru ().
physbook.ru ().
electrodynamics.narod.ru ().

Домашнее задание

Что такое сторонние силы, какова их природа?
Как связано напряжение на разомкнутых полюсах источника тока с его ЭДС?
Как превращается и передается энергия в замкнутой цепи?
*ЭДС батарейки фонарика - 4,5 В. Будет ли от этой батарейки гореть с полным накалом лампочка, рассчитанная на 4,5 В? Почему?

В электротехнике источники питания электрических цепей характеризуются электродвижущей силой (ЭДС).

Что такое ЭДС

Во внешней цепи электрического контура электрические заряды двигаются от плюса источника к минусу и создают электрический ток. Для поддержания его непрерывности в цепи источник должен обладать силой, которая смогла бы перемещать заряды от более низкого к более высокому потенциалу. Такой силой неэлектрического происхождения и является ЭДС источника. Например, ЭДС гальванического элемента.

В соответствии с этим, ЭДС (E) можно вычислить как:

E=A/q,

где:

A –работа в джоулях;
q - заряд в кулонах.

Величина ЭДС в системе СИ измеряется в вольтах (В).

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 (U 12) будет отличаться от ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника.

U 12 = E - Iн*Rвн.

Если цепь разомкнута и ток в ней равен 0, то ЭДС источника будет равна напряжению U 12 .

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

Где применяется

В технике применяются различные виды ЭДС:

Химическая. Используется в батарейках и аккумуляторах.
Термоэлектрическая. Возникает при нагревании контактов разнородных металлов. Используется в холодильниках, термопарах.
Индукционная. Образуется при пересечении проводником магнитного поля. Эффект используется в электродвигателях, генераторах, трансформаторах.
Фотоэлектрическая. Применяется для создания фотоэлементов.
Пьезоэлектрическая. При растяжении или сжатии материала. Используется для изготовления датчиков, кварцевых генераторов.

Таким образом, ЭДС необходима для поддержания постоянного тока и находит применений в различных видах техники.