В материалах по электротехнике и электронике нередко можно повстречать три физические величины, имеющие одну и ту же единицу измерения — Вольт: разность электрических потенциалов, электрическое напряжение и ЭДС — электродвижущая сила.
Дабы раз и навечно избавиться от неурядицы в определениях, давайте разберемся, в чем все-таки заключаются различия между этими 3-мя понятиями. Для этого тщательно разглядим каждое из них по отдельности.
Разность электрических потенциалов
На сегодня физикам понятно, что источниками электрических полей являются электрические заряды либо изменяющиеся магнитные поля. Когда же мы рассматриваем определенные точки А и В в электростатическом поле известной напряженности E, то можем здесь же гласить и о разности электростатических потенциалов между 2-мя данными точками в текущий момент времени.
Эта разность потенциалов находится как интеграл электрической напряженности между точками А и В, расположенными в данном электрическом поле на определенном расстоянии друг от друга:
Фактически такая черта как потенциал относится к одному электрическому заряду, который на теоретическом уровне может быть бездвижно установлен в данную точку электростатического поля, тогда и величина электрического потенциала для этого заряда q будет равна отношению возможной энергии W (взаимодействия данного заряда с данным полем) к величине этого заряда:
Отсюда следует, что разность потенциалов оказывается численно равна отношению работы A (работа на самом деле — изменение возможной энергии заряда), совершаемой данным электростатическим полем при переносе рассматриваемого заряда q из точки поля 1 в точку поля 2, к величине данного пробного заряда q:
В этом и заключается практический смысл термина «разность потенциалов», применительно к электротехнике, электронике, и вообщем — к электрическим явлениям.
И если мы говорим о какой-либо электрической цепи, то можем судить и о разности потенциалов между 2-мя точками таковой цепи, если в ней на этот момент действует электростатическое поле, при этом как раз так как рассматриваемые точки цепи будут находится сразу и в электростатическом поле определенной напряженности.
Как было сказано выше, разность электрических потенциалов измеряется в вольтах (1 вольт = 1 Дж/1Кл).
Электростатическое поле — электрическое поле, создаваемое недвижными электрическими зарядами. Для того, дабы электрические заряды были недвижны, на них не должны действовать силы в тех местах, где эти заряды могли бы двигаться. Но снутри проводников заряды могут свободно двигаться, потому при наличии электрического поля снутри проводников в них появилось бы движение зарядов (электрический ток).
Поэтому, заряды могут оставаться недвижными только в этом случае, если они делают такое поле, которое всюду снутри проводников равно нулю, а на поверхности проводников ориентировано перпендикулярно к поверхности (т. к. по другому заряды двигались бы вдоль поверхности).
Для этого недвижные заряды должны размещаться только по поверхности проводников и при том конкретно таким макаром, дабы электрическое поле снутри проводников было равно нулю, а на поверхности перпендикулярно к ней.
Все произнесенное относится к случаю недвижных зарядов. В случае движения зарядов, т. е. наличия токов в проводниках, в них должно существовать электрическое поле (т. к. по другому не могли бы течь токи) и, поэтому, перемещающиеся заряды размещаются в проводниках, вообщем говоря, не так, как недвижные, и делают электрические поля, хорошие по собственной конфигурации от электростатического поля. Но по своим свойствам электростатическое поле ничем не отличается от электрического поля перемещающихся зарядов.
Электрическое напряжение U
Сейчас разглядим такое понятие как электрическое напряжение U между точками А и В в электрическом поле либо в электрической цепи. Электрическим напряжением именуется скалярная физическая величина, численно равная работе действенного электрического поля (включая и посторонние поля!), совершаемой при переносе единичного электрического заряда из точки А в точку В.
Электрическое напряжение измеряется в вольтах, как и разность электрических потенциалов. В случае с напряжением принято считать, что перенос заряда не изменит рассредотачивания зарядов, являющихся источниками действенного электростатического поля. И напряжение в данном случае будет складываться из работы электрических сил и работы посторониих сил.
Если посторонние силы отсутствуют, то работу совершит только возможное электрическое поле, и в данном случае электрическое напряжение между точками А и В цепи будет численно в точности равно разности потенциалов между данными точками, другими словами отношению работы по переносу заряда из точки А в точку В к величине заряда q:
Но в общем случае напряжение между точками A и B отличается от разности потенциалов между этими точками на работу посторониих сил по перемещению единичного положительного заряда:
Эту работу посторониих сил как раз и именуют электродвижущей силой на данном участке цепи, сокращенно — ЭДС:
Электродвижущая сила — ЭДС
Электродвижущая сила — ЭДС так же, как и напряжение, в Интернациональной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах.
ЭДС является скалярной физической величиной, характеризующей работу конкретно действующих посторониих сил (всех сил кроме электростатических) в цепях неизменного либо переменного тока. А именно, в замкнутой проводящей цепи ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.
Тут по мере надобности вводят в рассмотрение электрическую напряженность посторониих сил Еex, являющуюся векторной физической величиной, равной отношению величины действующей на пробный электрический заряд посторонней силы к величине данного заряда. Тогда в замкнутом контуре L ЭДС будет равна:
Можно гласить об электродвижущей силе на любом участке электрической цепи. Это будет, на самом деле, удельная работа посторониих сил только на рассматриваемом ее участке. ЭДС гальванического элемента, например, есть ни что другое, как работа посторониих сил при перемещении единичного положительного заряда только снутри этого гальванического элемента, а конкретно — от 1-го его полюса к другому.
Работа посторониих сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как посторонние силы непотенциальны и их работа зависит (!) от формы линии движения. Так, к примеру, работа посторониих сил при перемещении заряда между клеммами источника тока за пределами данного источника равна нулю.
ЭДС может быть получена разными методами, из которых можно именовать следующие:
с помощью источников ЭДС, использующих хим процессы (гальванические элементы, батареи — хим источники тока);
с помощью источников ЭДС, в каких применяются характеристики магнитного поля (электрические машины — генераторы);
с помощью источников ЭДС, в каких термическая энергия преобразуется в электрическую (термоэлектрические преобразователи);
с помощью источников ЭДС, модифицирующих энергию светового излучения в электрическую (фотоприемники, солнечные батареи).
Напряжение в цепи с эдс
260 дн. с момента
до конца учебного года
Веб-сайт имеет мобильную версию. Вы будете автоматом на нее перенаправлены, если зайдете на веб-сайт с мобильного устройства
ЭДС. Закон Ома для полной цепи.
Если свободные заряды передвигаются в электрической цепи по замкнутой линии движения, то такую цепь именуют полной либо замкнутой.
При всем этом на каждом из участков таковой цепи работа электростатических сил перебегает в термическую, механическую либо энергию хим связей. Так как работа электростатических сил, перемещающих заряд по замкнутой линии движения, всегда равна нулю, то только силы электростатического поля не могут обеспечить неизменное движение зарядов по замкнутой линии движения.
Дабы электрический ток в замкнутой цепи не прекращался, нужно включить в неё источник тока (см. рис. а), снутри которого перемещение свободных зарядов происходило бы не под действием электростатических сил, а при участии всех других сил, именуемых посторонними . Посторонние силы — силы неэлектростатического происхождения, действующих на заряды со стороны источника тока. Природа посторониих сил может быть различной (не считая недвижных зарядов):
1) хим реакции – в гальванических элементах (батарейках), аккумах (посторонние силы появляются в итоге хим реакций между электродами и водянистым электролитом),
2) электромагнитной – в генераторах. При всем этом генераторы могут применять а) механическую энергию – ГЭС, б) ядерную – АЭС, в) термическую – ТЭС, г) приливов и отливов – ПЭС, д) ветровую – ВЭС и т.д. (силы, действующие на свободные заряды, перемещающиеся в магнитном поле).
3) внедрение фотоэффекта – фото-ЭДС в калькуляторах и солнечных батареях (в фотоэлементах посторонние силы появляются при действии света на электроны атомов, входящих в состав некоторых веществ),
4) пьезоэффект – пьезо-ЭДС, к примеру, в пьезозажигалках,
5) контактная разность потенциалов – термо-ЭДС в термопарах и т.д.
К примеру, в цепи на рис. а, свободные заряды, передвигаются от тела А к телу Б под действием электростатических сил, а посторонние силы источника питания принуждают их ворачиваться назад – от Б к А.
Посторонние силы в источнике тока делят разноимённые электрические заряды друг от друга, совершая работу против электростатических (кулоновских сил). Контакт (полюс) источника тока, где в итоге деяния посторониих сил скапливается положительный заряд, именуют положительным, а обратно заряженный полюс – отрицательным, обозначая их так, как изображено на рис. б. Разумеется, что чем больший заряд накопится на полюсе источника тока, тем больше работы сделали посторонние силы по разделению зарядов, т.к. работа против кулоновских сил прямо пропорциональна величине заряда. Потому отношение работы, Аст , посторониих сил, перемещающих заряд q снутри источника тока от отрицательного полюса к положительному, не находится в зависимости от величины заряда и служит чертой источника тока, именуемой электродвижущей силой (ЭДС) источника,
Как и разность потенциалов, ЭДС в СИ определяют в вольтах.
Сопротивление источника тока либо внутреннее сопротивление тоже является его принципиальной чертой. Внутренним сопротивлением гальванического элемента, к примеру, является сопротивление электродов и электролита, находящегося между ними. Наружным участком замкнутой цепи именуют её участок, подсоединённый снаружи к источнику тока (см. рис. а).
Дабы найти, как зависит сила тока от ЭДС источника в цепи, изображённой на рис. а, нарисуем эквивалентную схему (см. рис. в), где R соответствует сопротивлению проводника между А и Б, (наружняя цепь), а r – внутреннему сопротивлению источника тока. Согласно закону Джоуля-Ленца работа Аполн тока, протекающего по замкнутой цепи, за интервал времени t равна: Аполн = I 2. R . t + I 2. r . t . Из закона сохранения энергии следует, что работа тока должна быть равна работе посторониих сил Астор = Ɛ . q = Ɛ . It . Приравняв Аполн и Астор , получаем следующее выражение для
которое именуют законом Ома для полной цепи .
1) Напряжение на зажимах источника, а соответственно и во наружной цепи
где величина Ir — падение напряжения снутри источника тока.
2) Если наружное сопротивление замкнутой цепи равно нулю, то таковой режим источника тока именуется маленьким замыканием.
3) Для полной цепи закон Джоуля-Ленца
Просто показать, что, если полная цепь содержит несколько последовательно соединённых источников тока, то для вычисления силы тока следует заместо Ɛ взять алгебраическую сумму ЭДС всех этих источников, выбрав какое-нибудь направление обхода цепи, к примеру, по часовой стрелке (рис. г). Если при таком обходе мы идём от положительного полюса источника тока к отрицательному , то ЭДС данного источника следует суммировать со знаком минус .
