Что такое электродвижущая сила эдс

Чем отличается ЭДС от напряжения

Интересно многие сразу поняли, в чем разница между ЭДС и напряжением? И никого не поправлял учитель (учительница) по физике, когда на практических занятиях говорил (-ла) о том, что мы подключаем именно источник ЭДС, а не напряжения? В большинстве случаев мы с вами путались, потому что и ЭДС, и напряжение измеряется в Вольтах. Так давайте все-таки разберемся, чем принципиально отличается ЭДС от напряжения.

Итак, для начала давайте разберемся, что такое ЭДС

. Электродвижущая сила (ЭДС) — это такая физическая величина, которая характеризует работу сторонних (не потенциальных) сил в источниках переменного либо же постоянного тока.

В замкнутой цепи ЭДС — это работа сил, совершаемая для перемещения единичного заряда вдоль всего контура.

Из выше представленного определения вытекает следующее: источниками ЭДС являются силы, которые не имеют прямое отношение к электростатике, но при этом они являются силами, которые создают движение заряда в замкнутой электрической цепочке.

Например, при механическом вращении обмотки ротора в электромагнитном поле, в ней будет формироваться индукционная ЭДС. При этом формирование ЭДС будет проходить в каждом витке отдельно, но при этом электродвижущая сила соседних витков будет складываться, и на выходе мы будем иметь сумму ЭДС всех витков.

Если посмотреть на аккумуляторные батареи, то в них источником ЭДС является химическая реакция.

Кроме этого источниками могут выступать так называемые элементы Пельтье, в которых ЭДС образуется при термическом нагреве.

Пьезоэффект (когда при механическом воздействии на материал на его концах образуется разность потенциалов) также относится к источникам ЭДС. Впрочем, как и фотоэффект.

Из выше представленных примеров видно, что, применяя различные материалы и способы их взаимодействия, можно получить ЭДС, способную организовать упорядоченное движение заряженных частиц в замкнутом контуре.

Условно принято считать, что ЭДС — это работа в 1 Джоуль, совершаемая при перемещении заряда в 1 Кулон и измеряется в Вольтах.

ЭДС = 1Джоуль/1Кулон= 1 Вольт

Ну а теперь давайте переключим свое внимание на напряжение

Что такое электродвижущая сила — определение, физический смысл

Определение

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.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

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.

 

Электромагнитная индукция и ее роль в электротехнике

Электромагнитная индукция – это явление, при котором электрический ток появляется в замкнутом контуре магнитного поля. Данное явление было открыто М. Фарадеем в первой половине 19 века. Так, ученый смог обнаружить тот факт, что электродвижущая сила, которая возникает в замкнутом контуре, может быть пропорциональна изменению скорости магнитного поля, проходящего через поверхность данного контура. Стоит отметить, что ток, который был вызван электродвижущей силой, носит название «индукционный».

Закон Фарадея – что и как?

Майкл Фарадей смог экспериментально установить, что в процессе изменения магнитного потока, возникает электродвижущая сила, которая равна скорости магнитного потока через всю поверхность, которая ограничена контуром. Данная закономерность и получала название закон Фарадея или же закон электромагнитной индукции.

Следует отметить, что данный опыт говорит о том, что индукционный электрический ток, который появляется в замкнутом контуре в процессе вариации магнитного потока, направлен таким образом, что возникшее магнитное поле останавливает вариацию магнитного потока. Именно поэтому в замкнутом контуре и вызывается индукционный ток.

Закон Фарадея может быть записан следующим образом:

ε = -dФВ/dt где,

ε – это ЭДС, которая движется вдоль контура поля в произвольной форме.

Роль электромагнитной индукции в электротехнике

Закон, который был открыт Фарадеем, сыграл большую роль в развитии электротехники. Дело в том, что после открытия данного закона, стало возможным получать электрический ток при помощи магнитного поля. Если говорить простыми словами, то закон электромагнитной индукции – это своего рода обратный процесс, который позволяет превращать механическую энергию в энергию электрического поля.

На сегодняшний день, во всех электротехнических устройствах используется явление электромагнитной индукции. На данном принципе, основывается большое количество разного рода электрических машин.

Электродвижущая сила индукции – что и как?

Теперь хочется рассмотреть величину и направление электродвижущей силы в проводнике. Следует отметить, что данная величина может напрямую зависеть от силовых линий в поле, которые пересекают проводник за одну единицу времени. Проще говоря, она зависит от скорости движения электрического проводника в магнитном поле.

К тому же, величина индуктированной электродвижущей силы зависит и от длины того элемента проводника, который пересекает силовые линии магнитного поля. Именно поэтому, чем большая часть пересекает силовые линии поля, тем большая часть электродвижущей силы в проводнике является индуктивной. Также, следует отметить, что чем больше сила магнитного поля или чем больше его индуктивная составляющая, тем больше электродвижущая сила в той части проводника, которая пересекает магнитное поле. Данная зависимость может быть выражена простой формулой – E = Blv, где:

— В – это магнитная индукция поля;

— l – это длина электропроводника;

— v – это скорость электрического проводника в магнитном поле.

Следует знать, что в проводнике, который перемещается в магнитном поле, электродвижущая сила может возникнуть только тогда, когда данный проводник пересекается с магнитными линиями поля. В том же случае, если проводник передвигается параллельно силовым линиям поля, то электродвижущая сила в нем возникнуть не может. К тому же, направление движения ЭДС может зависеть от того, в какую сторону направлено движения проводника электрического тока. Для того чтобы определить направление электродвижущей силы, следует использовать правило Буравчика.

Что такое Эдс индукции и когда возникает?

В материале разберемся в понятии Эдс индукции в ситуациях ее возникновения. Также рассмотрим индуктивность в качестве ключевого параметра возникновения магнитного потока при появлении электрического поля в проводнике.

Электромагнитная индукция представляет собой генерирование электрического тока магнитными полями, которые изменяются во времени. Благодаря открытиям Фарадея и Ленца закономерности были сформулированы в законы, что ввело симметрию в понимание электромагнитных потоков. Теория Максвелла собрала воедино знания об электрическом токе и магнитных потоках. Благодаря открытия Герца человечество узнало о телекоммуникациях.

Магнитный поток

Вокруг проводника с электротоком появляется электромагнитное поле, однако параллельно возникает также обратное явление – электромагнитная индукция. Рассмотрим магнитный поток на примере: если рамку из проводника поместить в электрическое поле с индукцией и перемещать ее сверху вниз по магнитным силовым линиям или вправо-влево перпендикулярно им, тогда магнитный поток, проходящий через рамку, будет постоянной величиной.

При вращении рамки вокруг своей оси, тогда через некоторое время магнитный поток изменится на определенную величину. В результате в рамке возникает Эдс индукции и появится электрический ток, который называется индукционным.

Эдс индукции

Разберемся детально, что такое понятие Эдс индукции. При помещении в магнитное поле проводника и его движении с пересечением силовых линий поля, в проводнике появляется электродвижущая сила под названием Эдс индукции. Также она возникает, если проводник остается в неподвижном состоянии, а магнитное поле перемещается и пересекается с проводником силовыми линиями.

Когда проводник, где происходит возникновение ЭДС, замыкается на вешнюю цепь, благодаря наличию данной ЭДС по цепи начинает протекать индукционный ток. Электромагнитная индукция предполагает явление индуктирования ЭДС в проводнике в момент его пересечения силовыми линиями магнитного поля.

Электромагнитная индукция являет собой обратный процесс трансформации механической энергии в электроток. Данное понятие и его закономерности широко используются в электротехнике, большинство электромашин основывается на данном явлении.

Законы Фарадея и Ленца

Законы Фарадея и Ленца отображают закономерности возникновения электромагнитной индукции.

Фарадей выявил, что магнитные эффекты появляются в результате изменения магнитного потока во времени. В момент пересечения проводника переменным магнитным током, в нем возникает электродвижущая сила, которая приводит к возникновению электрического тока. Генерировать ток может как постоянный магнит, так и электромагнит.

Формула нахождения эдс

Первым делом разберемся с определением. Что означает эта аббревиатура?

ЭДС или электродвижущая сила – это параметр характеризующий работу любых сил не электрической природы, работающих в цепях где сила тока как постоянного, так и переменного одинакова по всей длине. В сцепленном токопроводящем контуре ЭДС приравнивается работе данных сил по перемещению единого плюсового (положительного) заряда вдоль всего контура.

Ниже на рисунке представлена эдс формула.

Аст – означает работу сторонних сил в джоулях.

q – это переносимый заряд в кулонах.

Сторонние силы – это силы которые выполняют разделение зарядов в источнике и в итоге образуют на его полюсах разность потенциалов.

Для этой силы единицей измерения является вольт. Обозначается в формулах она буквой E».

Только в момент отсутствия тока в батареи, электродвижущая си-а будет равна напряжению на полюсах.

ЭДС индукции:

ЭДС индукции в контуре, имеющем N витков:

При движении:

Электродвижущая сила индукции в контуре, крутящемся в магнитном поле со скоростью w

Что такое электродвижущая сила

Под ЭДС понимается физическая величина, характеризующая работу каких-либо сторонних сил, находящихся в источниках питания постоянного или переменного тока. При этом, если имеется замкнутый контур, то можно сказать, что ЭДС равна работе сил по перемещению положительного заряда к отрицательному по замкнутой цепи. Или простыми словами, ЭДС источника тока представляет работу, необходимую для перемещения единичного заряда между полюсами.

При этом если источник тока имеющего бесконечную мощность, а внутреннее сопротивление будет отсутствовать (позиция А на рисунке), то ЭДС можно рассчитать по закону Ома для участка цепи, т.к. напряжение и электродвижущая сила в этом случае равны.

где U – напряжение, а в рассмотренном примере — ЭДС.

Однако, реальный источник питания имеет конечное внутреннее сопротивление. Поэтому такой расчет нельзя применять на практике. В этом случае для определения ЭДС пользуются формулой для полной цепи.

где E (также обозначается как «ԑ») – ЭДС; R – сопротивление нагрузки, r – внутреннее сопротивление источника электропитания, I – ток в цепи.

Однако, эта формула не учитывает сопротивление проводников цепи. При этом необходимо понимать, что внутри источника постоянного тока и во внешней цепи, ток течет в разных направлениях. Разница заключается в том, что внутри элемента он течет от минуса к плюсу, то во внешней цепи от плюса к минусу.

Это наглядно представлено на ниже приведенном рисунке:

При этом электродвижущая сила измеряется вольтметром, в случае, когда нет нагрузки, т.е. источник питания работает в режиме холостого хода.

Чтобы найти ЭДС через напряжение и сопротивление нагрузки нужно найти внутреннее сопротивление источника питания, для этого измеряют напряжение дважды при разных токах нагрузки, после чего находят внутреннее сопротивление. Ниже приведен порядок вычисления по формулам, далее R1, R2 — сопротивление нагрузки для первого и второго измерения соответственно, остальные величины аналогично, U1, U2 – напряжения источника на его зажимах под нагрузкой.

Итак, нам известен ток, тогда он равен:

Если подставить в первые уравнения, то:

Теперь разделим левые и правые части друг на друга:

После вычисления относительно сопротивления источника тока получим:

Внутреннее сопротивление r:

где U1, U2 — напряжение на зажимах источника при разном токе нагрузки, I — ток в цепи.

Тогда ЭДС равно:

E=I*(R+r) или E=U1+I1*r

Обозначения и единицы измерения

Электродвижущая сила часто обозначается или E эл ( U + 2130 ℰ SCRIPT КАПИТАЛ Е ).
E{\ displaystyle {\ mathcal {E}}}

В устройстве без внутреннего сопротивления, если электрический заряд Q проходит через это устройство, а также приобретает энергию W , чистая эдс для этого устройства является энергия получила на единицу заряда , или W / Q . Как и другие меры энергии на заряд, ЭДС использует SI единицы вольт , что эквивалентно джоуль на кулоны .

Электродвижущая сила в электростатических единицах — это статвольт (в системе единиц сантиметр-грамм-секунда, равная эрг на единицу электростатического заряда ).

Разность напряжений

Разницу электрического напряжения иногда называют ЭДС. Пункты ниже иллюстрируют более формальное использование с точки зрения различия между ЭДС и генерируемым напряжением:

1. Для цепи в целом, например, содержащей резистор, включенный последовательно с гальваническим элементом, электрическое напряжение не влияет на общую ЭДС, потому что разность напряжений при обходе цепи равна нулю. (Омическое падение напряжения ИК-излучения плюс приложенное электрическое напряжение суммируются до нуля. См ). ЭДС возникает исключительно из-за химического состава аккумулятора, который вызывает разделение зарядов, что, в свою очередь, создает электрическое напряжение, управляющее током.
2. Для схемы, состоящей из электрического генератора, который пропускает ток через резистор, ЭДС возникает исключительно из-за изменяющегося во времени магнитного поля внутри генератора, которое генерирует электрическое напряжение, которое, в свою очередь, управляет током. (Омическое падение ИК-излучения плюс приложенное электрическое напряжение снова равно нулю. См . Закон Кирхгофа )
3. Трансформатора соединения двух цепей можно считать источником ЭДС для одной из цепей, так же , как если бы она была вызвана электрическим генератором; этот пример иллюстрирует происхождение термина «трансформаторная ЭДС».
4. Фотодиод или фотоэлемент может рассматриваться в качестве источника эдс, подобно батарее, в результате электрического напряжения , генерируемого в результате разделения зарядов управляется света , а не химической реакции.
5. Другими устройствами, производящими ЭДС, являются топливные элементы , термопары и термобатареи .

В случае разомкнутой цепи электрический заряд, который был разделен механизмом, генерирующим ЭДС, создает электрическое поле, противоположное механизму разделения. Например, химическая реакция в гальваническом элементе останавливается, когда противоположное электрическое поле на каждом электроде становится достаточно сильным, чтобы остановить реакции. Противоположное поле большего размера может обратить вспять реакции в так называемых обратимых клетках.

Разделенный электрический заряд создает разность электрических потенциалов, которую можно измерить с помощью вольтметра между выводами устройства. Величина ЭДС для аккумулятора (или другого источника) — это значение этого напряжения «холостого хода». Когда батарея заряжается или разряжается, сама ЭДС не может быть измерена напрямую с использованием внешнего напряжения, потому что некоторое напряжение теряется внутри источника. Однако это можно сделать из измерения тока I и разности напряжений V при условии, что внутреннее сопротивление r уже было измерено: ℰ  =  V  +  Ir .

Разность напряжений — это не то же самое, что разность потенциалов. Разность потенциалов между двумя точками A и B не зависит от пути, по которому мы идем от A к B. Поэтому при измерении разности потенциалов между точками A и B положение вольтметра не имеет значения. Однако вполне возможно, что разность напряжений, индуцированная между точками A и B, будет зависеть от положения вольтметра, поскольку разность напряжений не является консервативной функцией положения. Например, рассмотрим бесконечно длинный соленоид, использующий переменный ток для создания переменного магнитного потока внутри соленоида. Снаружи соленоида у нас есть два резистора, соединенных кольцом вокруг соленоида. Резистор слева — 100 Ом, а резистор справа — 200 Ом, они подключены вверху и внизу в точках A и B. Индуцированное напряжение по закону Фарадея равно V, поэтому ток I = V / ( 100 + 200). Следовательно, напряжение на резисторе 100 Ом равно 100 I, а напряжение на резисторе 200 Ом равно 200 I, но два резистора подключены с обоих концов, но Vab, измеренное вольтметром слева от соленоида, не такое же, как Vab, измеренное. с вольтметром справа от соленоида.

Источник ЭДС и источник тока

При анализе электрических цепей, часто используют понятие идеального элемента, то есть такого элемента, в котором сосредоточен только один параметр, в отличие от реального элемента, в котором кроме одного основного параметра имеют место быть паразитные параметры. Например, резистор можно представить в виде идеального сопротивления, однако в реальном резисторе присутствует как емкость (например, между выводами), так и индуктивность (в проволочном резисторе, где используется намотанная на керамический каркас проволока). То есть идеальные элементы используются для упрощения анализа электрической цепи.

Источники энергии в электрических цепях при анализе схем также упрощают, кроме того их делят на два типа: источники ЭДС и источники тока. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Идеальный источник ЭДС характеризуется тем, что напряжение на его выводах не зависит от протекающего через него тока, то есть внутри такого источника ЭДС отсутствуют пассивные элементы (сопротивление R, индуктивность L, емкость С), и поэтому падение напряжения на пассивных элементах отсутствует.

Таким образом, напряжение на его выводах равно ЭДС, а ток теоретически не имеет ограничения, то есть если замкнуть его выходные зажимы, то электрический ток должен быть бесконечно большим. Поэтому идеальный источник ЭДС можно рассматривать, как источник бесконечной мощности. Однако в реальности ток имеет конечное значение, так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении при коротком замыкании выводов уравновешивает ЭДС источника. Таким образом, реальный источник ЭДС можно изобразить в виде идеального источника ЭДС с последовательно подключённым пассивным элементом, который ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю цепь.

Источники ЭДС: идеальный (слева) и реальный (справа).

Идеальный источник тока характеризуется тем, что ток протекающий через него не зависит от напряжения, которое присутствует на его выводах, то есть сопротивление внутри источника тока бесконечно велико и поэтому параметры внешних элементов электрической цепи не влияют на ток протекающий через источник.

Таким образом, при бесконечном увеличении сопротивления также увеличивается напряжение на выводах идеального источника тока, поэтому и мощность растёт до бесконечности, то есть получается источник бесконечной мощности. Так как в реальности мощность всё же конечна, то реальный источник тока изображается, как идеальный источник тока с параллельно подключенным пассивным компонентом, характеризующим внутренние параметры источника тока, и ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю цепь.

Источники тока: идеальный (слева) и реальный (справа).

Идеальный источник ЭДС

Допустим, пусть наша батарейка обладает нулевым внутренним сопротивлением, тогда получается, что Rвн=0.

Нетрудно догадаться, что в этом случае падение напряжение на нулевом сопротивлении также будет равняться нулю. В результате, наш график примет вот такой вид:

В результате мы получили просто источник ЭДС. Следовательно, источник ЭДС – это идеальный источник питания, у которого напряжение на клеммах не зависит от силы тока в цепи. То есть, какую нагрузку мы бы не цепляли на такой источник ЭДС, у нас он все равно будет выдавать положенное напряжение без просадки. Сам источник ЭДС обозначается вот так:

На практике идеального источника ЭДС не существует.

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.

Будет интересно Что такое электрическое поле: объяснение простыми словам

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.

Таблица параметров электродвижущей силы индукции.

Формулы расчёта ЭДС в электрических цепях, состоящих из замкнутых контуров

Работа электростатических сил равна нулю, ведь заряды (электроны) приходят практически в то же место откуда вышли. Не равна нулю только результирующая работа электродвижущих сил цепи. 

Её величина определяется формулой электродвижущей силы:

Формула

Формула электродвижущей силы:

Именно этому равна электродвижущая сила. A – работа сторонних сил, т. е. ЭДС.

Обратите внимание, направлением ЭДС считается направление, в котором внутри источника перемещаются именно положительные заряды. Часто оно противоположно направлению перемещения реальных носителей заряда, в качестве которых в подавляющем большинстве случаев выполняют электроны

Если источник тока только один, то направление ЭДС в цепи такое же, как у него.

Размерность электродвижущей силы не равна размерности силы или работы. В системе СИ величина ЭДС измеряется в вольтах. Это мера разности потенциалов, которая создаётся на зажимах при разомкнутом генераторе.