Сторонние силы и ЭДС

ЭДС: определение и формула, в чём измеряется, работа источника электродвижущей силы

Сторонние силы и ЭДС

Электрический ток не протекает в медном проводе по той же причине, по которой остаётся неподвижной вода в горизонтальной трубе.

Если один конец трубы соединить с резервуаром таким образом, чтобы образовалась разность давлений, жидкость будет вытекать из одного конца.

Аналогичным образом, для поддержания постоянного тока необходимо внешнее воздействие, перемещающее заряды. Это воздействие называется электродвижущая сила или ЭДС.

От электростатики к электрокинетике

Между концом XVIII и началом XIX века работы таких учёных, как Кулон, Лагранж и Пуассон, заложили математические основы определения электростатических величин. Прогресс в понимании электричества на этом историческом этапе очевиден. Франклин уже ввёл понятие «количество электрической субстанции», но пока ещё и он, ни его преемники не смогли его измерить.

Следуя за экспериментами Гальвани, Вольта пытался найти подтверждения того, что «гальванические жидкости» животного были одной природы со статическим электричеством.

В поисках истины он обнаружил, что когда два электрода из разных металлов контактируют через электролит, оба заряжаются и остаются заряженными несмотря на замыкание контура нагрузкой.

Это явление не соответствовало существующим представлениям об электричестве потому, что электростатические заряды в подобном случае должны были рекомбинировать.

Вольта ввёл новое определение силы, действующей в направлении разделения зарядов и поддержании их в таком состоянии. Он назвал её электродвижущей. Подобное объяснение описания работы батареи не вписывалось в теоретические основы физики того времени. В Кулоновской парадигме первой трети XIX века э. д. с. Вольта определялась способностью одних тел вырабатывать электричество в других.

Важнейший вклад в объяснение работы электрических цепей внёс Ом. Результаты ряда экспериментов привели его к построению теории электропроводности. Он ввёл величину «напряжение» и определил её как разность потенциалов на контактах.

Подобно Фурье, который в своей теории различал количество тепла и температуру в теплопередаче, Ом создал модель по аналогии, связывающую количество перемещаемого заряда, напряжение и электропроводность.

Закон Ома не противоречил накопленным знаниям об электростатическом электричестве.

Вам это будет интересно  Выбор и особенности подключения счётчика энергомера

Затем, благодаря Максвеллу и Фарадею, пояснительные модели тока получили новую теорию поля. Это позволило разработать связанную с полем концепцию энергии как для статических потенциалов, так и для электродвижущей силы. Основные даты эволюции понятия ЭДС:

  • 1800 г. — создание Вольтой гальванической батареи;
  • 1826 г. — Ом формулирует свой закон для полной цепи;
  • 1831 г. — обнаружение электромагнитной индукции Фарадеем.

Определение и физический смысл

Приложение некоторой разности потенциалов между двумя концами проводника создаст перетекание электронов от одного конца к другому. Но этого недостаточно для поддержания потока зарядов в проводнике.

Дрейф электронов приводит к уменьшению потенциала до момента его уравновешивания (прекращение тока).

Таким образом, для создания постоянного тока необходимы механизмы, непрерывно возвращающие описанную систему в первоначальную конфигурацию, то есть, препятствующие агрегации зарядов в результате их движения. Для этой цели используются специальные устройства, называемые источники питания.

В качестве иллюстрации их работы удобно рассматривать замкнутый контур из сопротивления и гальванического источника питания (батареи). Если предположить, что внутри батареи тока нет, то описанная проблема объединения зарядов остаётся неразрешённой.

Но в цепи с реальным источником питания электроны перемещаются постоянно. Это происходит благодаря тому, что поток ионов протекает и внутри батареи от отрицательного электрода к положительному. Источник энергии, перемещающий эти заряды в батарее — химические реакции.

Такая энергия называется электродвижущей силой.

ЭДС является характеристикой любого источника энергии, способного управлять движением электрических зарядов в цепи. В аналогии с замкнутым гидравлическим контуром работа источника э. д. с. соответствует работе насоса для создания давления воды. Поэтому значок, обозначающий эти устройства, неотличим на гидравлических и электрических схемах.

Несмотря на название, электродвижущая сила на самом деле не является силой и измеряется в вольтах. Её численное значение равно работе по перемещению заряда по замкнутой цепи. ЭДС источника выражается формулой E=A/q, в которой:

  • E — электродвижущая сила в вольтах;
  • A — работа сторонних сил по перемещению заряда в джоулях;
  • q — перемещённый заряд в кулонах.

Из этой формулы ЭДС следует, что электродвижущая сила не является свойством цепи или нагрузки, а есть способность генератора электроэнергии к разделению зарядов.

Сравнение с разностью потенциалов

Электродвижущая сила и разность потенциалов в цепи очень похожие физические величины, так как оба измеряются в вольтах и определяются работой по перемещению заряда.

Одно из основных смысловых различий заключается в том, что э. д. с. (E) вызывается путём преобразования какой-либо энергии в электрическую, тогда как разность потенциалов (U) реализует электрическую энергию в другие виды.

Другие различия выглядят так:

  • E передаёт энергию всей цепи. U является мерой энергии между двумя точками на схеме.
  • Е является причиной U, но не наоборот.
  • Е индуцируется в электрическом, магнитном и гравитационном поле.
  • Концепция э. д. с. применима только к электрическому полю, в то время как разность потенциалов применима к магнитным, гравитационным и электрическим полям.

Напряжение на клеммах источника питания, как правило, отличается от ЭДС источника. Это происходит из-за наличия внутреннего сопротивления источника (электролита и электродов, обмоток генератора). Связывающая разность потенциалов и ЭДС источника тока формула выглядит как U=E-Ir. В этом выражении:

  • U — напряжение на клеммах источника;
  • r — внутреннее сопротивление источника;
  • I — ток в цепи.

Из этой формулы электродвижущей силы следует, что э. д. с. равна напряжению когда ток в цепи не течёт. Идеальный источник ЭДС создаёт разность потенциалов независимо от нагрузки (протекающего тока) и не обладает внутренним сопротивлением.

В природе не может существовать источника с бесконечной мощностью при замыкании на клеммах, как и материала с бесконечной проводимостью. Идеальный источник используется как абстрактная математическая модель.

Источники электродвижущей силы

Суть источника ЭДС заключается в преобразовании других видов энергии в электрическую с помощью сторонних сил. С точки зрения физики обеспечения э. д. с различают следующие два основных вида источников:

  • гальванические;
  • электромагнитные.

Первые представляют собой электрохимические источники, основанные на вовлечение в химическую реакцию процесса переноса электронов. В обычных условиях химические взаимодействия сопровождаются выделением или поглощением тепла, но существует немало реакций, в результате которых генерируется электрическая энергия.

Электрохимические процессы в большинстве случаев обратимы, поскольку энергия электрического тока может быть использована, чтобы заставить реагировать вещества между собой. Эта возможность позволяет создавать возобновляемые гальванические источники — аккумуляторы.

В генераторах тока э. д. с. создаётся другим способом. Разделение зарядов происходит с помощью явления электромагнитной индукции, которое заключается в том, что изменение величины или направления магнитного поля создаёт ЭДС. Согласно закону Фарадея, нахождение э. д. с. индукции возможно из выражения E=—dФ/dt. В этой формуле:

  • Ф — магнитный поток;
  • t — время.

ЭДС индукции измеряется также в вольтах. В зависимости от того, каким способом вызываются изменения магнитного потока, различают:

  • Динамически индуцированную. Когда в стационарном магнитном поле перемещается проводник. Характерен для генераторов.
  • Статически индуцированную. Когда изменения потока возникают из-за изменений магнитного поля вокруг неподвижного проводника. Так работают трансформаторы.

Существуют также источники э. д. с, не основанные на электрохимии или магнитной индукции. К таким устройствам можно отнести полупроводниковые фотоэлементы, контактные потенциалы и пьезокристаллы.

Понятие ЭДС имеет практическое применение прежде всего как параметр выбора источников питания для тех или иных целей. Чтобы получить максимальный эффект от работы устройств в цепи, нужно согласовывать их возможности и характеристики.

Прежде всего внутреннее сопротивление источника ЭДС силы с характеристиками подключаемой нагрузки.

Источник: https://rusenergetics.ru/praktika/istochniki-eds

Сторонние силы и ЭДС

Сторонние силы и ЭДС

Для того чтобы в проводнике ток существовал длительное время, необходимо, чтобы движение заряженных частиц, например, электронов, поддерживалось какой-либо внешней силой.

Следовательно, нужно, чтобы от конца проводника с меньшим потенциалом (считаем, что носители электрического тока положительные) непрерывно отводились приносимые туда заряды, а к концу с большим потенциалом заряды постоянно подводились. То есть необходим круговорот зарядов по замкнутому пути, именно тогда ток будет течь.

Данный факт согласуется с замкнутостью линий тока. То есть ЭДС — это работа, прилагаемая по перемещению положительного заряда в замкнутом контуре.

Замечание 1

Сторонняя электродвижущая сила (далее сторонняя сила) не может быть электростатической, потому что электростатическое поле потенциально.

Работа потенциальной силы, для контура с током, равна нулю. При таком условии ток существовать не может, так как ток должен совершать работу по преодолению сопротивления проводников.

Сторонняя сила может быть механической или электрической (не электростатической), иметь химическое происхождение и т.д..

Также для замкнутого контура причиной возникновения ЭДС может стать изменение потока магнитного поля, это связано с явлением электромагнитной индукции.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

С учетом сторонних сил закон Ома в локальной форме записывается в виде:

$\overrightarrow{j}=\sigma \left(\overrightarrow{E}+\overrightarrow{E_{stor}}\right)\left(1\right)$, где:

  • $\overrightarrow{j}$ — вектор плотности электрического тока,
  • $\sigma $ — удельная проводимость,
  • $\overrightarrow{E}$ — напряжённость поля кулоновских сил, $\overrightarrow{E_{stor}}$ — напряженность поля сторонних сил.

Пример сторонних сил

Простейшая схема источника сторонней силы (источника тока), которая имеет механическое происхождение, представлена на рис.1.

Рисунок 1. Схема источника сторонней силы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Пусть между электродами А и В (рис.1) находится электрически нейтральная среда с равным зарядов противоположного знака.

Сторонняя сила неэлектрического происхождения перемещает положительные заряды к электроду В (данный электрод заряжается положительно), а отрицательная к электроду А (отрицательно заряженный электрод). Во внешней цепи течет электрический ток. Ток производит работу.

Энергия, которая необходима для производства такой работы, сообщается внешними силами, которые тратят ее на разделение зарядов между электродами. Ток внутри источника сторонней силы замыкает ток внешней цепи.

Направление электрического тока во внешней цепи — от положительного электрода к отрицательному, внутри источника тока, наоборот. Практической реализацией такой схемы является электростатическая машина.

Электродвижущая сила

Сторонние силы характеризуются работой, совершающей ими при перемещении заряда по цепи. Так электродвижущей силой (ЭДС) ($\mathcal E$) называют:

$\mathcal E=\frac{A}{q}\left(2\right)$, где:

  • $q$ — заряд,
  • $A$ — работа сторонних сил.

Основная размерность ЭДС в системе СИ: $\left[\mathcal E \right]=В$.

ЭДС, действующую на участке 1-2 можно выразить как:

$\mathcal E_{12}=\int\limits2_1{\overrightarrow{E_{stor}}d\overrightarrow{s}\left(3\right),}$, где:

  • $\overrightarrow{E_{stor}}$ — напряженность поля сторонних сил,
  • $d\overrightarrow{s}$— вектор перемещения.

Интеграл (3) для замкнутой цепи даст выражение для ЭДС в этой цепи, как циркуляции вектора напряженности сторонних сил:

$\mathcal E=\oint{\overrightarrow{E_{stor}}d\overrightarrow{s}\left(4\right).}$

ЭДС связана с падением напряжения или просто напряжением ($U$) на участке цепи 1-2 соотношением:

$U_{12}={\varphi }_1-{\varphi }_2+\mathcal E_{12}\left(5\right).$

Задание № 1: Опишите механизмы, которые позволяют использовать гальванические элементы в качестве источников постоянного тока.

Решение:

Часто встречаются источники постоянного тока, которые называют гальваническими элементами. При контакте твердого тела и жидкости появляется разность потенциалов. В некоторых случаях при таком контакте проходит химическая реакция.

Допустим, если цинковую пластинку опустить в раствор серной кислоты, то цинк растворяется. В раствор перемещаются положительные ионы цинка, то есть раствор имеет положительный заряд, а сама цинковая пластина отрицательный, возникает электрический ток.

При некоторой разности потенциалов переход ионов цинка в раствор заканчивается. Эта разность потенциалов называется электрохимическим потенциалом. (Он зависит от свойств металла, жидкости и концентрации ионов металла в растворе).

Для растворов в серной кислоте этот потенциал цинка равен – 0,5В, для меди электрохимический потенциал равен +0,6В.

При погружении двух металлов в раствор возникает разность потенциалов между ними, которая равна разности из электрохимических потенциалов. Система из двух электродов из разных металлов, погруженная в раствор называется гальваническим элементом, разность потенциалов между металлами — ЭДС элемента.

Так, например, элемент Вольта состоит из медной и цинковой пластин, которые находятся в растворе серной кислоты. Зная электрохимические потенциалы цинка и меди, получим ЭДС элемента Вольта:

$\mathcal E=\left(0,6-(-0,5)\right)=1,1\left(В\right).$

В гальваническом источнике Вольта имеются 2 сторонние $\mathcal E$, которые сосредоточены в поверхностных слоях, где соприкасаются цинковая и медная пластины с раствором. Толщина этих слоев — молекула.

В остальном объеме раствора сторонних $\mathcal E$ нет. Когда пластины соединяют проводником, по нему течет ток от медной (положительной) пластины к цинковой (отрицательной) пластине.

В растворе между электродами направление тока — обратное: от цинковой пластины к медной.

Сторонняя ЭДС элемента определена его свойствами, и не зависит от силы тока, который течет по цепи. Изменение напряжения на внешней цепи всегда меньше, чем ЭДС элемента. Чем меньше внутренне сопротивление гальванического элемента, тем выше качество источника тока.

При прохождении тока в цепи элемента Вольта положительные ионы цинка переходят в раствор, там они соединяются с отрицательными ионами, на который, наряду с положительным ионом водорода, диссоциирует серная кислота. То есть в растворе проходит химическая реакция.

Продукты реакции частично выпадают в виде осадка. При этом положительные ионы водорода движутся к медной пластине, там они нейтрализуются электронами тока проводимости в пластине. На поверхности медной пластины образуется водородная пленка.

Эта пленка увеличивает внутреннее сопротивление элемента и одновременно, образует дополнительный электрохимический потенциал, который направлен против потенциала, который был на пластине до образования пленки. Так, ЭДС элемента уменьшается.

Подобные процессы, называют поляризацией элемента.

Для того чтобы уменьшить падение ЭДС гальванического элемента применяют различные методы деполяризации, например, используют сильные окислители, которые связывают водород и кислород с образованием воды.

Задание № 2: Источник ЭДС $\mathcal E=1$ В имеет внутреннее сопротивление $r=1$ Ом включен в цепь, которая содержит сопротивление $R=9$ Ом. Найдите силу тока в цепи ($I$), падение напряжения во внешней цепи ($U$), падение потенциала внутри элемента ($U_r$).

Решение:

Для замкнутой цепи, которая содержит источник ЭДС запишем закон Ома в виде:

$I=\frac{\mathcal E}{R+r}\left(2.1\right)$, где:

  • $\mathcal E$ — ЭДС источника тока,
  • $R$ — внешнее сопротивление цепи,
  • $r$ — сопротивление источника ЭДС.

Закон Ома для однородного участка запишем как:

$I=\frac{U}{R}\to U=IR\left(2.2\right).$

И для источника тока:

$I=\frac{U_r}{r}\to U_r=Ir\left(2.3\right).$

Так как все данные задачи записаны в системе СИ, проведем вычисления:

$I=\frac{\ 1}{9+1}=0,1\ \left(А\right).$

$U=0,1\cdot 9=0,9\ \left(В\right).$

$U_r=0,1\cdot 1=0,1\ \left(В\right).$

Ответ: $I=0,1В; U=0,9В; U_r=0,1В$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/postoyannyy_elektricheskiy_tok/storonnie_sily_i_eds/

Booksm
Добавить комментарий