Формула работы сторонних сил. Эдс индукции в движущихся проводниках. Темы кодификатора ЕГЭ: электродвижущая сила, внутреннее сопротивление источника тока, закон Ома для полной электрической цепи

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

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

1. ens.tpu.ru ().
2. physbook.ru ().
3. electrodynamics.narod.ru ().

Домашнее задание

1. Что такое сторонние силы, какова их природа?
2. Как связано напряжение на разомкнутых полюсах источника тока с его ЭДС?
3. Как превращается и передается энергия в замкнутой цепи?
4. *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.

«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.

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.

Для поддержаниязаданного значения электрического тока в проводнике требуется какой-то внешний источник энергии, который все время обеспечивал бы нужную разность потенциалов на концах этого проводника. Такими источниками энергии являются так называемые источники электрического тока, обладающие какой-то заданной электродвижущей силой , которая способна создать и длительное время поддерживать разность потенциалов.

Электродвижущая сила или сокращенно ЭДС обозначается латинской буквой Е . Единицей измерения является вольт . Таким образом, чтобы получить непрерывное движение электрического тока в проводнике, нужна электродвижущая сила, т. е. требуется источник электрического тока.

Историческая справка . Первым подобным источником тока в электротехнике являлся "вольтов столб", который был сделан из нескольких медных и цинковых кружков, проложенных коровьей кожей, смоченной в слабом растворе кислоты. Таким образом, самым простым способом получения электродвижущей силы считается химическое взаимодействие ряда веществ и материалов, в результате чего химическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Источники питания, в которых подобным методом генерируется электродвижущая сила ЭДС, получили название химических источников тока.

Сегодня химические источники питания - батарейки и все возможные виды аккумуляторов - получили огромное распространение в электронике и электротехнике, а также электроэнергетике.

Также распространены и различные виды генераторов, которые в роли единственного источника, способны запитать электрической энергией промышленные предприятия, дать освещение в города, на фунционирование систем железных дорог, трамваев и метро.

ЭДС действует совершенно одинаково как на химические источники, так и на генераторы. Ее действие заключается в создании разности потенциалов на каждом из зажимов источника питания и поддержании ее в течение всего необходимого времени. Зажимы источника питания называют полюсами. На одном из полюсов всегда создается нехватка электронов, т.е. такой полюс имеет положительный заряд и маркируется «+ », а на другом наоборот создается повышенная концентрация свободных электронов, т.е. этот полюс имеет отрицательный заряд и маркируется знаком « - ».

Источники ЭДС применяются для подключения различных приборов и устройств, являющихся потребителями электрической энергии. С помощью проводов потребители подключаются к полюсам источников тока, так что получается замкнутая электрическая цепь. Разность потенциалов, возникшая в замкнутой электроцепи получило название и обозначают латинской буквой «U». Единица измерения напряжения один вольт . Например, запись U=12 В говорит о том, что напряжение источника ЭДС составляет 12 В.

Для того, чтобы измерить напряжение или ЭДС применяют специальный измерительный прибор - .

При необходимости осуществить правильные измерения ЭДС или напряжения источника питания, вольтметр подсоединяют напрямую к полюсам. При разомкнутой электрической цепи вольтметр будет показывать ЭДС. При замкнутой цепи вольтметр выведит на дисплей значение напряжение на каждом зажиме источника питания. PS: Источник тока всегда развивает большую ЭДС, чем напряжение на зажимах.

Видео урок: ЭДС

Видео урок: Электродвижущая сила от учителя физики

Напряжение на каждом из зажимов источника тока меньше электродвижущей силы на значение величины падения напряжения, имеющее место быть на внутреннем сопротивлении источника питания:

Идеальный источник

У идеальных источников, напряжение на зажимах не зависит от величины потребляемого тока.

Все источники электродвижущей силы обладают характеризующими их параметрами: напряжение холостого хода U хх , ток короткого замыкания I кз и внутреннее сопротивление (для источника постоянного тока R вн ). U хх – это напряжение при токе источника равным нулю. У идеального источника при любом токе U хх =0 . I кз – это ток при напряжении равном нулю. У идеального источника напряжения он бесконечен I кз = ∞ . Внутреннее сопротивление определяется из соотношений . Так как напряжение у идеального источника напряжения постоянно при любом токе ΔU = 0, то его внутреннее сопротивление также имеет нулевые значения.

R вн =ΔU / ΔI = 0;

При положительном напряжении и токе источник шлет свою электрическую энергию в эцепь и работает в режиме генератора. При противоположном движении тока – источник принимает электрическую энергию из цепи и работает в режиме приёмника.

В случае идеального источника тока егот значение, не зависит от велечины напряжения на его зажимах: I = const .

Так как, ток у идеального источника тока неизменен ΔI = 0 , то он имеет внутреннее сопротивление, равное бесконечности.

R вн =ΔU / ΔI = ∞

При положительном напряжении и токе источник шлет в цепь энергию и работает в режиме генератора. При обратном направлении он работает в режиме приёмника.

Реальный источник электродвижущей силы

У реального источника электродвижущей силы напряжение на зажимах снижается при увеличении тока. Такой ВАХ соответствует уравнение для определения напряжения при любом значении токе.

U = U xx - R вн ×I,

Где , вычисляется по формуле

R вн =ΔU / Δ I≠ 0

Его также можно вычислить и через U хх и I кз

R вн =U хх / II кз

Самоиндукция. ЭДС самоиндукции

При подсоединении источника тока в любую замкнутую цепь площадь, ограниченная этой цепью, начинает пронизываться внешними магнитными силовыми линиями. Каждая силовая линия, извне, пересекая проводник, наводя в нем ЭДС самоиндукции.