В электротехнике источники питания электрических цепей характеризуются электродвижущей силой (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:
Величина ЭДС в системе СИ измеряется в вольтах (В).
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.
В технике применяются различные виды ЭДС:
Таким образом, ЭДС необходима для поддержания постоянного тока и находит применений в различных видах техники.
«Физика - 10 класс»
Любой источник тока характеризуется электродвижущей силой, или сокращённо ЭДС. Так, на круглой батарейке для карманного фонарика написано: 1,5 В.
Что это значит?
Если соединить проводником два разноимённо заряженных шарика, то заряды быстро нейтрализуют друг друга, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электрическое поле исчезнет (рис. 15.9, а).
Сторонние силы.
Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, кроме электрических сил, должны действовать силы неэлектростатического происхождения (рис. 15.9, б). Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле ) не способно поддерживать постоянный ток в цепи.
Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т. е. кулоновских), называют сторонними силами .
Вывод о необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи станет ещё очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии.
Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нём заряженных частиц по замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии - проводник нагревается. Следовательно, в цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий её в цепь. В нём, помимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторонние, непотенциальные силы. Работа этих сил вдоль замкнутого контура должна быть отлична от нуля.
Именно в процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока энергию и отдают её затем проводникам электрической цепи.
Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.
При замыкании цепи создаётся электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле (см. рис. 15.9, б).
Природа сторонних сил.
Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонние силы - это силы, действующие со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.
В гальваническом элементе, например в элементе Вольта, действуют химические силы.
Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещённых в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. (Медь очень мало растворяется в серной кислоте.) Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая и обусловливает ток во внешней электрической цепи.
Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращённо ЭДС).
Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к абсолютной величине этого заряда:
Электродвижущую силу как и напряжение, выражают в вольтах.
Разность потенциалов на клеммах батареи при разомкнутой цепи равна электродвижущей силе. ЭДС одного элемента батареи обычно 1-2 В.
Можно говорить также об электродвижущей силе и на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всём контуре, а только на данном участке.
Электродвижущая сила гальванического элемента есть величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.
Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов.
До сих пор при изучении электрического тока мы рассматривали направленное движение свободных зарядов во внешней цепи , то есть в проводниках, подсоединённых к клеммам источника тока.
Как мы знаем, положительный заряд :
Уходит во внешнюю цепь с положительной клеммы источника;
Перемещается во внешней цепи под действием стационарного электрического поля, создаваемого другими движущимися зарядами;
Приходит на отрицательную клемму источника, завершая свой путь во внешней цепи.
Теперь нашему положительному заряду нужно замкнуть свою траекторию и вернуться на положительную клемму. Для этого ему требуется преодолеть заключительный отрезок пути - внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной. Но вдумайтесь: идти туда ему совсем не хочется! Отрицательная клемма притягивает его к себе, положительная клемма его от себя отталкивает, и в результате на наш заряд внутри источника действует электрическая сила , направленная против движения заряда (т.е. против направления тока).
Тем не менее, ток по цепи идёт; стало быть, имеется сила, «протаскивающая» заряд сквозь источник вопреки противодействию электрического поля клемм (рис. 1 ).
Рис. 1. Сторонняя сила
Эта сила называется сторонней силой ; именно благодаря ей и функционирует источник тока. Сторонняя сила не имеет отношения к стационарному электрическому полю - у неё, как говорят, неэлектрическое происхождение; в батарейках, например, она возникает благодаря протеканию соответствующих химических реакций.
Обозначим через работу сторонней силы по перемещению положительного заряда q внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной. Эта работа положительна, так как направление сторонней силы совпадает с направлением перемещения заряда. Работа сторонней силы называется также работой источника тока .
Во внешней цепи сторонняя сила отсутствует, так что работа сторонней силы по перемещению заряда во внешней цепи равна нулю. Поэтому работа сторонней силы по перемещению заряда вокруг всей цепи сводится к работе по перемещению этого заряда только лишь внутри источника тока. Таким образом, - это также работа сторонней силы по перемещению заряда по всей цепи .
Мы видим, что сторонняя сила является непотенциальной - её работа при перемещении заряда по замкнутому пути не равна нулю. Именно эта непотенциальность и обеспечивает циркулирование электрического тока; потенциальное электрическое поле, как мы уже говорили ранее, не может поддерживать постоянный ток.
Опыт показывает, что работа прямо пропорциональна перемещаемому заряду . Поэтому отношение уже не зависит от заряда и является количественной характеристикой источника тока. Это отношение обозначается :
(1)
Данная величина называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока. Как видим, ЭДС измеряется в вольтах (В), поэтому название «электродвижущая сила» является крайне неудачным. Но оно давно укоренилось, так что приходится смириться.
Когда вы видите надпись на батарейке: «1,5 В», то знайте, что это именно ЭДС. Равна ли эта величина напряжению, которое создаёт батарейка во внешней цепи? Оказывается, нет! Сейчас мы поймём, почему.
Любой источник тока обладает своим сопротивлением , которое называется внутренним сопротивлением этого источника. Таким образом, источник тока имеет две важных характеристики: ЭДС и внутреннее сопротивление.
Пусть источник тока с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением подключён к резистору (который в данном случае называется внешним резистором , или внешней нагрузкой , или полезной нагрузкой ). Всё это вместе называется полной цепью (рис. 2 ).
Рис. 2. Полная цепь
Наша задача - найти силу тока в цепи и напряжение на резисторе .
За время по цепи проходит заряд . Согласно формуле (1) источник тока совершает при этом работу:
(2)
Так как сила тока постоянна, работа источника целиком превращается в теплоту, которая выделяется на сопротивлениях и . Данное количество теплоты определяется законом Джоуля–Ленца:
(3)
Итак, , и мы приравниваем правые части формул (2) и (3) :
После сокращения на получаем:
Вот мы и нашли ток в цепи:
(4)
Формула (4) называется законом Ома для полной цепи .
Если соединить клеммы источника проводом пренебрежимо малого сопротивления , то получится короткое замыкание . Через источник при этом потечёт максимальный ток - ток короткого замыкания :
Из-за малости внутреннего сопротивления ток короткого замыкания может быть весьма большим. Например, пальчиковая батарейка разогревается при этом так, что обжигает руки.
Зная силу тока (формула (4) ), мы можем найти напряжение на резисторе с помощью закона Ома для участка цепи:
(5)
Это напряжение является разностью потенциалов между точками и (рис. 2 ). Потенциал точки равен потенциалу положительной клеммы источника; потенциал точки равен потенциалу отрицательной клеммы. Поэтому напряжение (5) называется также напряжением на клеммах источника .
Мы видим из формулы (5) , что в реальной цепи будет - ведь умножается на дробь, меньшую единицы. Но есть два случая, когда .
1. Идеальный источник тока . Так называется источник с нулевым внутренним сопротивлением. При формула (5) даёт .
2. Разомкнутая цепь . Рассмотрим источник тока сам по себе, вне электрической цепи. В этом случае можно считать, что внешнее сопротивление бесконечно велико: . Тогда величина неотличима от , и формула (5) снова даёт нам .
Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то вольтметр, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС .
Нетрудно понять, почему резистор называется полезной нагрузкой. Представьте себе, что это лампочка. Теплота, выделяющаяся на лампочке, является полезной , так как благодаря этой теплоте лампочка выполняет своё предназначение - даёт свет.
Количество теплоты, выделяющееся на полезной нагрузке за время , обозначим .
Если сила тока в цепи равна , то
Некоторое количество теплоты выделяется также на источнике тока:
Полное количество теплоты, которое выделяется в цепи, равно:
КПД электрической цепи - это отношение полезного тепла к полному:
КПД цепи равен единице лишь в том случае, если источник тока идеальный .
Простой закон Ома справедлив для так называемого однородного участка цепи - то есть участка, на котором нет источников тока. Сейчас мы получим более общие соотношения, из которых следует как закон Ома для однородного участка, так и полученный выше закон Ома для полной цепи.
Участок цепи называется неоднородным , если на нём имеется источник тока. Иными словами, неоднородный участок - это участок с ЭДС.
На рис. 3 показан неоднородный участок, содержащий резистор и источник тока. ЭДС источника равна , его внутреннее сопротивление считаем равным нулю (усли внутреннее сопротивление источника равно , можно просто заменить резистор на резистор ).
Рис. 3. ЭДС «помогает» току:
Сила тока на участке равна , ток течёт от точки к точке . Этот ток не обязательно вызван одним лишь источником . Рассматриваемый участок, как правило, входит в состав некоторой цепи (не изображённой на рисунке), а в этой цепи могут присутствовать и другие источники тока. Поэтому ток является результатом совокупного действия всех источников, имеющихся в цепи.
Пусть потенциалы точек и равны соответственно и . Подчеркнём ещё раз, что речь идёт о потенциале стационарного электрического поля, порождённого действием всех источников цепи - не только источника, принадлежащего данному участку, но и, возможно, имеющихся вне этого участка.
Напряжение на нашем участке равно: . За время через участок проходит заряд , при этом стационарное электрическое поле совершает работу:
Кроме того, положительную работу совершает источник тока (ведь заряд прошёл сквозь него!):
Сила тока постоянна, поэтому суммарная работа по продвижению заряда , совершаемая на участке стационарным элетрическим полем и сторонними силами источника, целиком превращается в тепло: .
Подставляем сюда выражения для , и закон Джоуля–Ленца:
Сокращая на , получаем закон Ома для неоднородного участка цепи :
(6)
или, что то же самое:
(7)
Обратите внимание: перед стоит знак «плюс». Причину этого мы уже указывали - источник тока в данном случае совершает положительную работу, «протаскивая» внутри себя заряд от отрицательной клеммы к положительной. Попросту говоря, источник «помогает» току протекать от точки к точке .
Отметим два следствия выведенных формул (6) и (7) .
1. Если участок однородный, то . Тогда из формулы (6) получаем - закон Ома для однородного участка цепи.
2. Предположим, что источник тока обладает внутренним сопротивлением . Это, как мы уже упоминали, равносильно замене на :
Теперь замкнём наш участок, соединив точки и . Получим рассмотренную выше полную цепь. При этом окажется, что и предыдущая формула превратится в закон Ома для полной цепи:
Таким образом, закон Ома для однородного участка и закон Ома для полной цепи оба вытекают из закона Ома для неоднородного участка.
Может быть и другой случай подключения, когда источник «мешает» току идти по участку. Такая ситуация изображена на рис. 4 . Здесь ток, идущий от к , направлен против действия сторонних сил источника.
Рис. 4. ЭДС «мешает» току:
Как такое возможно? Очень просто: другие источники, имеющиеся в цепи вне рассматриваемого участка, «пересиливают» источник на участке и вынуждают ток течь против . Именно так происходит, когда вы ставите телефон на зарядку: подключённый к розетке адаптер вызывает движение зарядов против действия сторонних сил аккумулятора телефона, и аккумулятор тем самым заряжается!
Что изменится теперь в выводе наших формул? Только одно - работа сторонних сил станет отрицательной:
Тогда закон Ома для неоднородного участка примет вид:
(8)
где по-прежнему - напряжение на участке.
Давайте соберём вместе формулы (7) и (8) и запишем закон Ома для участка с ЭДС следующим образом:
Ток при этом течёт от точки к точке . Если направление тока совпадает с направлением сторонних сил, то перед ставится «плюс»; если же эти направления противоположны, то ставится «минус».
>>Физика: Электродвижущая сила
Любой источник тока характеризуется электродвижущей силой, или, сокращенно, ЭДС. Так, на круглой батарейке для карманного фонарика написано: 1,5 В. Что это значит?
Соедините проводником два металлических шарика, несущих заряды противоположных знаков. Под влиянием электрического поля этих зарядов в проводнике возникает электрический ток (рис.15.7
). Но этот ток будет очень кратковременным. Заряды быстро нейтрализуют друг друга, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электрическое поле исчезнет.
Сторонние силы.
Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство (источник тока
), которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, кроме электрических сил, должны действовать силы неэлектростатического происхождения (рис.15.8
). Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле
) не способно поддерживать постоянный ток в цепи.
Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т. е. кулоновских), называют сторонними силами.
Вывод о необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи станет еще очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии. Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нем заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии - проводник нагревается. Следовательно, в цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий ее в цепь. В нем, помимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторонние, непотенциальные силы. Работа этих сил вдоль замкнутого контура должна быть отлична от нуля. Именно в процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока энергию и отдают ее затем проводникам электрической цепи.
Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.
При замыкании цепи создается электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил
(электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле (см. рис.15.8
).
Природа сторонних сил.
Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонние силы - это силы, действующие со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.
В гальваническом элементе, например элементе Вольта, действуют химические силы. Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещенных в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. (Медь очень мало растворяется в серной кислоте.) Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая и обусловливает ток в замкнутой электрической цепи.
Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой
(сокращенно ЭДС).
Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда :
Электродвижущую силу, как и напряжение, выражают в вольтах.
Можно говорить также об электродвижущей силе и на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке. Электродвижущая сила гальванического элемента
есть величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока вне самого источника равна нулю.
Теперь вы знаете, что такое ЭДС. Если на батарейке написано 1,5 В, то это означает, что сторонние силы (химические в данном случае) совершают работу 1,5 Дж при перемещении заряда в 1 Кл от одного полюса батарейки к другому. Постоянный ток не может существовать в замкнутой цепи, если в ней не действуют сторонние силы, т. е. нет ЭДС.
???
1. Почему электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный электрический ток в цепи?
2. Какие силы принято называть сторонними?
3. Что называют электродвижущей силой?
Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс
Онлайн библиотека с учебниками и книгами по физике , планы-конспекты уроков по всем предметам , задания по физике для 10 класса
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиЕсли у вас есть исправления или предложения к данному уроку,
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:
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
Домашнее задание
