Электродвижущая сила источника. Электродвижущая сила

В физике такое понятие, как электродвижущая сила (сокращенно – ЭДС ) используется в качестве основной энергетической характеристики источников тока.

Электродвижущая сила (ЭДС)

Электродвижущая сила (ЭДС ) – способность источника энергии создавать и поддерживать на зажимах разность потенциалов.

ЭДС – измеряется в Вольтах

Напряжение на зажимах источника всегда меньше ЭДС на величину падения напряжения.

Электродвижущая сила

U RH = E – U R0

U RH – напряжение на зажимах источника. Измеряется при замкнутой внешней цепи.

Е – ЭДС – измеряется на заводе изготовителе.

Электродвижущая сила (ЭДС ) представляет собой физическую величину, которая равна частному от деления той работы, которая при перемещении электрического заряда совершается сторонними силами в условиях замкнутой цепи, к самому этому заряду.

Следует заметить, что электродвижущая сила в источнике тока возникает и при отсутствии самого тока, то есть тогда, когда цепь является разомкнутой. Такую ситуацию принято именовать «холостым ходом», а сама величина ЭДС при ней равняется разнице тех потенциалов, которые имеются на зажимах источника тока.

Химическая электродвижущая сила

Химическая электродвижущая сила наличествует в аккумуляторах, гальванических батареях при протекании коррозионных процессов. В зависимости от того, на каком именно принципе построена работа того или иного источника питания, они именуются либо аккумуляторами, либо гальваническими элементами.

Одной из основных отличительных характеристик гальванических элементов является то, что эти источники тока являются, так сказать, одноразовыми. При их функционировании те активные вещества, благодаря которым выделяется электрическая энергия, в результате протекания химических реакций распадаются практически полностью. Именно поэтому если гальванический элемент разряжен полностью, то в качестве источника тока использовать его далее невозможно.

В отличие от гальванических элементов аккумуляторы предполагают многократное использование. Это возможно потому, что те химические реакции, которые в них протекают, имеют обратимый характер.

Электромагнитная электродвижущая сила

Электромагнитная ЭДС возникает при функционировании таких устройств, как динамо-машины, электродвигатели, дроссели, трансформаторы и т.п.

Суть ее состоит в следующем: при помещении проводников в магнитное поле и их перемещении в нем таким образом, чтобы происходило пересечение магнитных силовых линий, происходит наведение ЭДС . Если цепь замкнута, то в ней возникает электрический ток.

В физике описанное выше явление называется электромагнитной индукцией. Электродвижущую силу , которая при этом индуктируется, именуют ЭДС индукции.

Следует заметить, что наведение ЭДС индукции происходит не только в тех случаях, когда в магнитном поле проводник перемещается, но и тогда, когда он остается неподвижным, но при этом осуществляется изменение величины самого магнитного поля.

Фотоэлектрическая электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда наличествует или внешний, или внутренний фотоэффект.

В физике под фотоэффектом (фотоэлектрическим эффектом) подразумевается та группа явлений, которая возникает тогда, когда на вещество воздействует свет, и при этом в нем происходит эмиссия электронов. Это называют внешним фотоэффектом. Если же при этом появляется электродвижущая сила или изменяется электропроводимость вещества, то говорят о внутреннем фотоэффекте.

Сейчас и внешний, и внутренний фотоэффекты очень широко используются для проектирования и производства огромного количества таких приемников светового излучения, которые преобразуют световые сигналы в электрические. Все эти устройства называются фотоэлементами и используются как в технике, так и при проведении разнообразных научных исследований. В частности, именно фотоэлементы используются для того, чтобы производить наиболее объективные оптические измерения.

Электростатическая движущая сила

Что касается этого типа электродвижущей силы , то она, к примеру, возникает при механическом трении, возникающем в электрофорных агрегатах (специальных лабораторных демонстрационных и вспомогательных приборах), она же имеет место быть и в грозовых облаках.

Генераторы Вимшурста (это еще одно название электрофорных машин) для своего функционирования используют такое явление, как электростатическая индукция. При их работе электрические заряды накапливаются на полюсах, в лейденских банках, причем разность потенциалов может достигать очень солидных величин (до нескольких сотен тысяч вольт).

Природа статического электричества заключается в том, что оно возникает тогда, когда из-за потери или приобретения электронов нарушается внутримолекулярное или внутриатомное равновесие.

Пьезоэлектрическая электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда происходит или сдавливание, или растяжение веществ, называемых пьезоэлектриками. Они широко используются в таких конструкциях, как пьезодатчики, кварцевых генераторах, гидрофонах и некоторых другиех.

Именно пьезоэлектрический эффект положен в основу работы пьезоэлектрических датчиков. Сами они относятся к датчикам так называемого генераторного типа. В них входной величиной является прилагаемая сила, а выходной – количество электричества.

Что касается таких устройств, как гидрофоны, то в основу их функционирования заложен принцип так называемого прямого пьезоэлектрического эффекта, который имеют пьезокерамические материалы. Суть его состоит в том, что если на поверхность этих материалов оказывается звуковое давление, то на их электродах возникает разность потенциалов. При этом она пропорциональна величине звукового давления.

Одной из основных сфер применения пьезоэлектрических материалов является производство кварцевых генераторов, имеющих в своей конструкции кварцевые резонаторы. Предназначены такие устройства для того, чтобы получать колебания строго фиксированной частоты, которые стабильны как по времени, так и при изменении температуры, а также имеют совсем невысокий уровень фазовых шумов.

Термоионная электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда с поверхности разогретых электродов происходит термоэмиссия заряженных частиц. Термоионная эмиссия на практике применяется достаточно широко, например, на ней основана работа практически всех радиоламп.

Термоэлектрическая электродвижущая сила

Эта разновидность ЭДС возникает тогда, когда на различных концах разнородных проводников или же просто на различных участках цепи температура распределяется очень неоднородно.

Термоэлектрическая электродвижущая сила используется в таких устройствах, как пирометры, термопары и холодильные машины. Датчики, работа которых основана на этом явлении, называются термоэлектрическими, и являются, по сути дела, термопарами, состоящими из спаянных между собой электродов, изготовленных из разных металлов. Когда эти элементы или нагреваются, или охлаждаются, между ними возникает ЭДС , которая по своей величине пропорциональна изменению температуры.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА (эдс) - феноменологическая характеристика источников тока. Введена Г. Омом (G. Ohm) в 1827 для цепей пост. тока и определена Г. Кирхгофом (G. Kirchhoff) в 1857 как работа "сторонних" сил при переносе единичного электрич. вдоль замкнутого контура. Затем понятие эдс стали трактовать более широко - как меру удельных (на единицу переносимого током заряда) преобразований энергии, осуществляемых в квазистационарных [см. Квазистационарное (квазистатическое) приближение ] электрич. цепях не только "сторонними" источниками (гальванич. батареями, аккумуляторами, генераторами и т. п.), но и "нагрузочными" элементами (электромоторами, аккумуляторами в режиме зарядки, дросселями, трансформаторами и т. п.).

Полное назв. величины - Э. с.- связано с механич. аналогиями процессов в электрич. цепях и применяется редко; более употребительным является сокращение - эдс. В СИ эдс измеряется в вольтах (В); в гауссовой системе (СГСЭ) единица эдс спец. названия не имеет (1 СГСЭ300 В).

В случае квазилинейного пост. тока в замкнутой (без разветвлений) цепи мощность суммарного притока эл--магн. энергии, вырабатываемой источниками, полностью расходуется на выделение тепла (см. Джоулевы потери : )

где -эдс в проводящем контуре, I -ток, R - сопротивление (знак эдс, как и знак тока, зависит от выбора направления обхода по контуру).

При описании квазистационарных процессов в электрич. цепях в ур-нии энергетич. баланса (*) необходим учёт изменений накопленной магнитной W m и электрической W e энергий:

При изменении магн. поля во времени возникает вихревое электрич. поле E s , циркуляцию к-рого вдоль проводящего контура принято называть эдс электромагнитной индукции :

Изменения электрич. энергии существенны, как правило, в тех случаях, когда цепь содержит элементы с большой электрич. ёмкостью, напр. конденсаторы. Тогда dW e /dt = DU . I , где DU -разность потенциалов между об-кладками конденсатора.

Допустимы, однако, и др. интерпретации энергетич. превращений в электрич. цепи. Так, напр., если в цепь перем. гармонич. тока включён соленоид с L , то взаимные превращения электрич. и магн. энергий в нём могут быть охарактеризованы как эдс эл--магн. индукции так и падением на эффективном реактивном сопротивлении Z L (см. Импеданс): В движущихся в магн. поле телах (напр., в якоре униполярного индуктора) даже работа сил сопротивления может давать вклад в эдс.

В разветвлённых цепях квазилинейных токов соотношение между эдс и падениями напряжения на участках цепи, составляющих замкнутый контур, определяется вторым Кирхгофа правилом .

Эдс является интегральной характеристикой замкнутого контура, и в общем случае нельзя строго указать место её "приложения". Однако довольно часто эдс можно считать приближённо локализованной в определённых устройствах или элементах цепи. В таких случаях её принято считать характеристикой устройства (гальванич. батареи, аккумулятора, динамо-машины и т. п.) и определять через разность потенциалов между его разомкнутыми полюсами. По типу преобразований энергии в этих устройствах различают следующие виды эдс: х и м и ч е с к а я эдс в гальванич. батареях, ваннах, аккумуляторах, при коррозионных процессах (гальваноэффекты), ф о т о э л е к т р и ч ес к а я эдс (фотоэдс) при внеш. и внутр. (фотоэлементы, фотодиоды); э л е к т р о м а г н и т н а я эдс - эдс эл--магн. индукции (динамо-машины, трансформаторы, дроссели, электромоторы и т. п.); э л е к т р ос т а т и ч е с к а я эдс, возникающая, напр., при механич. трении (электрофорные машины, электризация грозовых облаков и т. п.); п ь е з о э л е к т р и ч е с к а я эдс - при сдавливании или растяжении

Идеальным способом измерения э. д. с. гальванического элемента (потенциометрической ячейки) является компенсационный метод Поггендорфа, в котором на электроды в потенциометрической ячейке с помощью делителя напряжения налагают напряжение (V) от внешнего источника постоянного тока, противоположно направленное э. д. с. ячейки. При этом в момент, когда ток в цепи отсутствует, градиенты э. д. с. и V равны между собой. Задача заключается, следовательно, в постепенном изменении напряжения до тех пор, пока через ячейку не перестанет проходить ток, что можно проследить каким-либо индикатором тока. Второй задачей является определение величины налагаемого напряжения, отвечающего данному моменту, что также можно осуществить с помощью измерителя напряжения (вольтметра). Таким образом, когда в цепи отсутствует ток , согласно уравнению (где разность представляет собой э. д. с. потенциометрической ячейки), напряжение V равно э. д. с.

Если потенциал одного электрода постоянен (электрод сравнения) и известен относительно НБЭ, то по напряжению можно вычислить потенциал индикаторного электрода или проследить за его изменением в процессе титрования.

Почти все приборы для измерения э. д. с. потенциометрической ячеики - потенциометры - имеют следующую схему (рис. 4). Один полюс внешнего источника постоянного тока 1 (сухие батареи или аккумуляторы кислотные либо щелочные с через переключатель г неподвижно присоединен к одному из концов (А) делителя напряжения 3 с равномерным сечением проволоки и с небольшим сопротивлением (10-100 ом). Делитель напряжения 3 обычно снабжен шкалой с равномерными 1100 делениями. Другой полюс источника тока 1 присоединен к переменному сопротивлению малой величины 4, с которым второй конец (В) делителя напряжения 3 соединяется с помощью подвижного контакта 5. Таким образом, напряжение источника 1 падает на постоянном участке АВ и на некотором участке переменного сопротивления . Конец В делителя напряжения 3 присоединяют к одному из электродов ячейки 6, соблюдая при этом полярность соединения, т. е. полюс источника тока 1 и электрод тем же знаком должны оыть присоединены к одному и тому же концу делителя 3. Второй электрод подключают последовательно через переключатель 7, прерыватель тока 8 и индикатор тока 9 к подвижному контакту 10, свободно перемещаемому на делителе напряжения 3. Дополнительно к концу делителя напряжения 3 подключают один из полюсов стандартного элемента Вестона (соблюдая тот же порядок полярности соединения, см. выше), другой полюс которого может быть соединен с помощью переключателя 7 с подвижным контактом 10. Следовательно, при одном положении переключателя 7 замыкается через прерыватель тока о цепь, содержащая элемент Вестона II, а при другом - цепь, содержащая потенциометрическую ячейку 6.

Элемент Вестона 11 устанавливается для контроля цены одного деления шкалы делителя напряжения 3 (в милливольтах), так как э. д. с. внешних источников тока известна с недостаточной точностью и со временем самопроизвольно падает (источник тойа разряжается).

Перед работой прибор настраивают так, чтобы одно деление шкалы делителя напряжения 3 соответствовало . Для этого с помощью выключателя 2 замыкают цепь внешнего источника тока. После достижения постоянного напряжения (через 10-15 мин) переключателем 7 в цепь включают элемент Вестона II и фиксируют контакт 10 на делении 1018,6 шкалы делителя напряжения 3 (точка D). Так как э. д. с. элемента Вестона II равна , на участке BD напряжение его полностью падает, т. е. на каждом делении напряжение уменьшается на .

Рис. 4. Простейшая схема установки для измерения э. д. с. гальванических элементов компенсационным методом при потенциометрическом титровании: 1- источник постоянного тока с малым выходным напряжением; 2 включатель тока; 3 - делитель напряжения; 4- переменное сопротивление; 5, 10- скользящие контакты; 6 - электролитическая ячейка; 7 - переключатель тока; 8 - прерыватель тока; 9- индикатор тока; 11 - элемент Вестона; и - электроды (индикаторный и сравнения).

Если при коротком замыкании цепи с прерывателем 8 через цепь потечет ток, обнаруживаемый с помощью индикатора тока 9, то это означает, что на участке BD падение напряжения источника тока 1 больше или меньше э. д. с. элемента Вестона II. Передвигая контакт 5 и периодически замыкая цепь прерывателем 8, находят такое положение контакта 5 на переменном сопротивлении 4, при котором индикатор тока 9 показывает отсутствие тока в цепи.

Для измерения э. д. с. потенциометрической ячейки ее включают в цепь переключателем 7 и, не изменяя положения контакта 5, передвигают контакт 10 в ту или иную сторону до тех пор, пока при периодическом замыкании цепи прерывателем 8 гальванометр 9 снова не покажет отсутствие тока. Величину э. д. с. ячейки в милливольтах можно отсчитать по местоположению контакта 10 на шкале делителя напряжения 3.

При измерениях замыкать цепь прерывателем тока 8 можно лишь на очень короткое время (не больше нескольких секунд) во избежание поляризации электродов. После окончания работы следует обязательно размыкать цепь выключателем 2 и арретировать индикатор тока 9.

Действие почти всех потенциометров основано на описанном принципе.

Из отечественных приборов широко применяются потенциометры постоянного тока высокоомные типа ППТВ-1,

И другие, а также ламповые потенциометры - -метры . Последние имеют двойное назначение - измерение э. д. с. гальванических элементов и растворов (при этом используют стеклянный электрод). Обычно точность измерения э. д. с. -метрами меньше, чем потенциометрами. Приборы работают по компенсационному методу, а и другие - по некомпенсационному. Работа с некомпенсационными приборами проще, так как измеряемые величины непосредственно отсчитываются по положению стрелки прибора.

Что такое ЭДС (электродвижущая сила) в физике? Электрический ток понятен далеко не каждому. Как космическая даль, только под самым носом. Вообще, он и ученым понятен не до конца. Достаточно вспомнить с его знаменитыми экспериментами, на века опередившими свое время и даже в наши дни остающимися в ореоле тайны. Сегодня мы не разгадываем больших тайн, но пытаемся разобраться в том, что такое ЭДС в физике .

Определение ЭДС в физике

ЭДС – электродвижущая сила. Обозначается буквой E или маленькой греческой буквой эпсилон.

Электродвижущая сила — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (сил неэлектрического происхождения ), действующих в электрических цепях переменного и постоянного тока.

ЭДС , как и напряжени е, измеряется в вольтах. Однако ЭДС и напряжение – явления разные.

Напряжение (между точками А и Б) – физическая величина, равная работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из одной точки в другую.

Объясняем суть ЭДС «на пальцах»

Чтобы разобраться в том, что есть что, можно привести пример-аналогию. Представим, что у нас есть водонапорная башня, полностью заполненная водой. Сравним эту башню с батарейкой.

Схема водонапорной башни

Вода оказывает максимальное давление на дно башни, когда башня заполнена полностью. Соответственно, чем меньше воды в башне, тем слабее давление и напор вытекающей из крана воды. Если открыть кран, вода будет постепенно вытекать сначала под сильным напором, а потом все медленнее, пока напор не ослабнет совсем. Здесь напряжение – это то давление, которое вода оказывает на дно. За уровень нулевого напряжения примем само дно башни.

Водокачка

То же самое и с батарейкой. Сначала мы включаем наш источник тока (батарейку) в цепь, замыкая ее. Пусть это будут часы или фонарик. Пока уровень напряжения достаточный и батарейка не разрядилась, фонарик светит ярко, затем постепенно гаснет, пока не потухнет совсем.

Но как сделать так, чтобы напор не иссякал? Иными словами, как поддерживать в башне постоянный уровень воды, а на полюсах источника тока – постоянную разность потенциалов. По примеру башни ЭДС представляется как бы насосом, который обеспечивает приток в башню новой воды.

Советская батарейка

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.

Дорогие друзья, сегодня мы рассмотрели тему «ЭДС для чайников». Как видим, ЭДС – сила неэлектрического происхождения , которая поддерживает протекание электрического тока в цепи. Если Вы хотите узнать, как решаются задачи с ЭДС, советуем обратиться к – скрупулезно отобранным и проверенным специалистам, которые быстро и доходчиво разъяснят ход решения любой тематической задачи. И по традиции в конце предлагаем Вам посмотреть обучающее видео. Приятного просмотра и успехов в учебе!