В физике такое понятие, как электродвижущая сила (сокращенно – ЭДС) применяется в качестве основной энергетической свойства источников тока.
Электродвижущая сила ( ЭДС )
Электродвижущая сила (ЭДС) – способность источника энергии создавать и поддерживать на зажимах разность потенциалов.
ЭДС – измеряется в Вольтах
Напряжение на зажимах источника всегда меньше ЭДС на величину падения напряжения.
URH – напряжение на зажимах источника. Измеряется при замкнутой наружной цепи.
Е – ЭДС – измеряется на заводе изготовителе.
Электродвижущая сила (ЭДС) представляет собой физическую величину, которая равна личному от деления той работы, которая при перемещении электрического заряда совершается посторонними силами в критериях замкнутой цепи, к самому этому заряду.
Следует увидеть, что электродвижущая сила в источнике тока появляется и при отсутствии самого тока, другими словами тогда, когда цепь является разомкнутой. Такую ситуацию принято называть «холостым ходом», а сама величина ЭДС при ней приравнивается разнице тех потенциалов, которые имеются на зажимах источника тока.
Хим электродвижущая сила
Хим электродвижущая сила наличествует в аккумах, гальванических батареях при протекании коррозионных процессов. Зависимо от того, на каком конкретно принципе построена работа того либо другого источника питания, они называются или аккумами, или гальваническими элементами.
Одной из главных отличительных черт гальванических частей будет то, что эти источники тока являются, так сказать, разовыми. При их функционировании те активные вещества, благодаря которым выделяется электрическая энергия, в итоге протекания хим реакций распадаются фактически на сто процентов. Вот поэтому если гальванический элемент разряжен вполне, то в качестве источника тока применять его дальше нереально.
В отличие от гальванических частей батареи подразумевают неоднократное внедрение. Это может быть так как те хим реакции, которые в них протекают, имеют обратимый нрав.
Электромагнитная электродвижущая сила
Электромагнитная ЭДС появляется при функционировании таких устройств, как динамо-машины, электродвигатели, дроссели, трансформаторы и т.п.
Сущность ее состоит в следующем: при помещении проводников в магнитное поле и их перемещении в нем таким макаром, дабы происходило скрещение магнитных силовых линий, происходит наведение ЭДС. Если цепь замкнута, то в ней появляется электрический ток.
В физике описанное выше явление именуется электромагнитной индукцией. Электродвижущую силу, которая при всем этом индуктируется, называют ЭДС индукции.
Следует увидеть, что наведение ЭДС индукции происходит не только лишь в тех случаях, когда в магнитном поле проводник перемещается, но тогда и, когда он остается недвижным, но при всем этом осуществляется изменение величины самого магнитного поля.
Фотоэлектрическая электродвижущая сила
Эта разновидность электродвижущей силы появляется тогда, когда наличествует либо наружный, либо внутренний фотоэффект.
В физике под фотоэффектом (фотоэлектрическим эффектом) предполагается та группа явлений, которая появляется тогда, когда на вещество повлияет свет, и при всем этом в нем происходит эмиссия электронов. Это именуют наружным фотоэффектом. Если же при всем этом возникает электродвижущая сила либо меняется электропроводимость вещества, то молвят о внутреннем фотоэффекте.
На данный момент и наружный, и внутренний фотоэффекты очень обширно применяются для проектирования и производства множества таких приемников светового излучения, которые конвертируют световые сигналы в электрические. Все эти устройства именуются фотоэлементами и применяются как в технике, так и при проведении различных исследований. А именно, конкретно фотоэлементы применяются для того, дабы создавать более конкретные оптические измерения.
Электростатическая движущая сила
Что касается этого типа электродвижущей силы, то она, например, появляется при механическом трении, возникающем в электрофорных агрегатах (особых лабораторных демо и вспомогательных устройствах), она же имеет место быть и в грозовых облаках.
Генераторы Вимшурста (это очередное название электрофорных машин) для собственного функционирования применяют такое явление, как электростатическая индукция. При их работе электрические заряды скапливаются на полюсах, в лейденских банках, при этом разность потенциалов может достигать очень приличных величин (до нескольких сотен тыщ вольт).
Природа статического напряжения состоит в том, что оно появляется тогда, когда из-за утраты либо приобретения электронов нарушается внутримолекулярное либо внутриатомное равновесие.
Пьезоэлектрическая электродвижущая сила
Эта разновидность электродвижущей силы появляется тогда, когда происходит либо сдавливание, либо растяжение веществ, именуемых пьезоэлектриками. Они обширно применяются в таких конструкциях, как пьезодатчики, кварцевых генераторах, гидрофонах и некоторых другиех.
Конкретно пьезоэлектрический эффект положен в базу работы пьезоэлектрических датчиков. Сами они относятся к датчикам так именуемого генераторного типа. В них входной величиной является прилагаемая сила, а выходной – количество электричества.
Что касается таких устройств, как гидрофоны, то в базу их функционирования заложен принцип так именуемого прямого пьезоэлектрического эффекта, который имеют пьезокерамические материалы. Сущность его заключается в том, что если на поверхность этих материалов оказывается звуковое давление, то на их электродах появляется разность потенциалов. При всем этом она пропорциональна величине звукового давления.
Одной из главных сфер использования пьезоэлектрических материалов является создание кварцевых генераторов, имеющих в собственной конструкции кварцевые резонаторы. Предусмотрены такие устройства для того, дабы получать колебания строго фиксированной частоты, которые размеренны как по времени, так и при изменении температуры, также имеют совершенно низкий уровень фазовых шумов.
Термоионная электродвижущая сила
Эта разновидность электродвижущей силы появляется тогда, когда с поверхности нагретых электродов происходит термоэмиссия заряженных частиц. Термоионная эмиссия на практике применяется довольно обширно, к примеру, на ней базирована работа фактически всех радиоламп.
Термоэлектрическая электродвижущая сила
Эта разновидность ЭДС появляется тогда, когда на разных концах разнородных проводников либо же просто на разных участках цепи температура распределяется очень неоднородно.
Термоэлектрическая электродвижущая сила применяется в таких устройствах, как пирометры, термопары и холодильные машины. Датчики, работа которых базирована на этом явлении, именуются термоэлектрическими, и являются, на самом деле дела, термопарами, состоящими из спаянных между собой электродов, сделанных из различных металлов. Когда эти элементы либо греются, либо охлаждаются, между ними появляется ЭДС, которая по собственной величине пропорциональна изменению температуры.
Электрические цепи. Электродвижущая сила
Электрическая цепь состоит из источника тока, потребителей электроэнергии, соединительных проводов и ключа, служащего для размыкания и замыкания цепи и других частей (рис. 1).
Картинки, на которых изображены методы соединения электрических устройств в цепь, именуются электрическими схемами. Приборы на схемах обозначаются условными знаками.
Как отмечалось, для поддержания в цепи электрического тока нужно, дабы на концах ее (рис. 2) была неизменная разность потенциалов φA — φB. Пусть в исходный момент времени φA > φB, тогда перенос положительного заряда q из точки А в точку В приведет к уменьшению разности потенциалов между ними. Для сохранения неизменной разности потенциалов нужно перенести вточности такой же заряд из B в A. Если в направлении А → В заряды движутся под действием сил электростатического поля, то в направлении В → А перемещение зарядов происходит против сил электростатического поля, т.е. под действием сил неэлектростатической природы, так именуемых посторониих сил. Это условие осуществляется в источнике тока, который поддерживает движение электрических зарядов. В большинстве источников тока движутся только электроны, в гальванических элементах — ионы обоих символов.
Источники электрического тока могут быть различны по собственной конструкции, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и негативно заряженных частиц. Разделение зарядов происходит под действием посторониих сил. Посторонние силы действуют только снутри источника тока и могут быть обоснованы хим процессами (батареи, гальванические элементы), действием света (фотоэлементы), изменяющимися магнитными полями (генераторы) и т.д.
Хоть какой источник тока охарактеризовывают электродвижущей силой — ЭДС.
Электродвижущей силой ε источника тока именуют физическую скалярную величину, равную работе посторониих сил по перемещению единич ного положительного заряда вдоль замкнутой цепи
Единицей электродвижущей силы в СИ является вольт (В).
ЭДС является энергетической чертой источника тока.
В источнике тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит перевоплощение механической, световой, внутренней и т.п. энергии в электрическую. Разбитые частички скапливаются на полюсах источника тока (места, к которым при помощи клемм либо зажимов подсоединяют потребители). Один полюс источника тока заряжается положительно, другой — негативно. Между полюсами источника тока создается электростатическое поле. Если полюса источника тока соединить проводником, то в таковой электрической цепи появляется электрический ток. При всем этом нрав поля изменяется, оно перестает быть электростатическим.
На рисунке 3 схематично в виде сферического проводника изображена отрицательная клемма источника тока и сечение присоединенного к ней конца железного провода. Пунктиром показаны некоторые полосы напряженности поля клеммы до внесения в него провода, а стрелками — силы, действующие на свободные электроны провода, находящиеся в точках, помеченных цифрами. Электроны в разных точках поперечного сечения провода под действием кулоновских сил поля клеммы получают движение не только лишь вдоль оси провода. К примеру, электрон, находящийся в точке 1, оказывается вовлеченным в "токовое" движение. Но поблизости точек 2, 3, 4, 5 электроны имеют возможность накапливаться на поверхности провода. При этом поверхностное рассредотачивание электронов по длине провода не будет равномерным. Поэтому, подключение провода к клемме источника тока приведет к тому, что некоторые электроны начнут двигаться вдоль провода, а часть электронов будет накапливаться на поверхности. Неравномерное рассредотачивание электронов на его поверхности обеспечивает неэквипотенциальность этой поверхности, наличие составляющих напряженности электрического поля, направленных вдоль поверхности проводника. Это поле перераспределенных электронов самого проводника и обеспечивает упорядоченное движение других электронов. Если рассредотачивание электронов по поверхности проводника со временем не меняется, то такое поле именуют стационарным электрическим полем. Таким макаром, главную роль в разработке стационарного электрического поля играют заряды, находящиеся на полюсах источника тока. При замыкании электрической цепи взаимодействие конкретно этих зарядов со свободными зарядами проводника приводит к возникновению на всей поверхности проводника нескомпенсированных поверхностных зарядов. Конкретно эти заряды делают стационарное электрическое поле снутри проводника по всей его длине. Это поле снутри проводника однородное, и полосы напряженности ориентированы вдоль оси проводника (рис. 4). Процесс установления электрического поля вдоль проводника происходит со скоростью c ≈ 3·10 8 м/с.
Как и электростатическое поле, оно потенциально. Но между этими полями имеются значительные отличия:
1. электростатическое поле — поле недвижных зарядов. Источником стационарного электрического поля являются перемещающиеся заряды, при этом общее число зарядов и картина их рассредотачивания в данном пространстве со временем не меняются;
2. электростатическое поле существует вне проводника. Напряженность электростатического поля всегда равна 0 снутри объема проводника, а в каждой точке наружной поверхности проводника ориентирована перпендикулярно к этой поверхности. Стационарное электрическое поле существует и вне и снутри проводника. Напряженность стационарного электрического поля не равна нулю снутри объема проводника, а на поверхности и снутри объема имеются составляющие напряженности, не перпендикулярные к поверхности проводника;
3. потенциалы различных точек проводника, по которому проходит неизменный ток, различные (поверхность и объем проводника не эквипотенциальны). Потенциалы всех точек поверхности проводника, находящегося в электростатическом поле, одинаковы (поверхность и объем проводника эквипотенциальны);
4. электростатическое поле не сопровождается возникновением магнитного поля, а стационарное электрическое поле сопровождается его возникновением и неразрывно с ним связано.
Закон электромагнитной индукции
Электромагнитная индукция — очень непростая штука. Потому будем разбираться в ней на обручах и бабулях.
О чем эта статья:
Поделиться статьей
11 класс, ЕГЭ/ОГЭ
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы увидели ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Магнитный поток
До того как разобраться с тем, что такое электромагнитная индукция, необходимо найти такую суть, как магнитный поток.
Представьте, что вы взяли обруч в руки и вышли на улицу в ливень. Чем посильнее ливень, тем больше через этот обруч пройдет воды — поток воды больше.
Если обруч размещен горизонтально, то через него пройдет много воды. А если начать его поворачивать — уже меньше, так как он размещен не под прямым углом к вертикали.
Сейчас давайте поставим обруч вертикально — ни одной капли не пройдет через него (если ветер не подует, естественно).
Магнитный поток на самом деле собственной — это тот же самый поток воды через обруч, только считаем мы величину прошедшего через площадь магнитного поля, а не дождика.
Магнитным потоком через площадь S контура именуют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции B, площади поверхности S, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла α между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):
Магнитный поток
Ф — магнитный поток [Вб]
B — магнитная индукция [Тл]
S — площадь пронизываемой поверхности [м^2]
n — вектор нормали (перпендикуляр к поверхности) [-]
Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.
Зависимо от угла α магнитный поток может быть положительным (α < 90°) либо отрицательным (α > 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0. Это находится в зависимости от величины косинуса угла.
Поменять магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля либо размещение контура в магнитном поле (поворачивая его).
В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура, магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.
Электромагнитная индукция
Электромагнитная индукция — явление появления тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.
Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые посодействовали открыть явление электромагнитной индукции.
Опыт раз. На одну непроводящую базу намотали две катушки: витки первой катушки были размещены между витками 2-ой. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а 2-ой — подключены к источнику тока.
При замыкании ключа и протекании тока по 2-ой катушке в первой появлялся импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в обратном направлении.
Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При всем этом 2-ая катушка передвигалась относительно первой. При приближении либо удалении катушки фиксировался ток.
Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки
Вот, что проявили эти опыты:
- Индукционный ток появляется только при изменении линий магнитной индукции.
- Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
- Сила индукционного тока находится в зависимости от скорости конфигурации магнитного потока. Может изменяться само поле, либо контур может передвигаться в неоднородном магнитном поле.
Почему появляется индукционный ток?
Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют посторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС.
Означает, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем возникает ЭДС, которую именуют ЭДС индукции.
Онлайн-курсы физики в Skysmart более интересны, чем наши статьи!
Закон электромагнитной индукции
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и обратна по знаку скорости конфигурации магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Математически его можно обрисовать формулой:
Закон Фарадея
Ɛi — ЭДС индукции [В]
ΔФ/Δt — скорость конфигурации магнитного потока [Вб/с]
Символ «–» в формуле позволяет учитывать направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда ориентирован так, дабы магнитный поток поля, сделанного этим током через поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те конфигурации поля, которые вызвали возникновение индукционного тока.
Если контур состоит из N витков (другими словами он — катушка), то ЭДС индукции будет рассчитываться следующим образом.
Закон Фарадея для контура из N витков
Ɛi — ЭДС индукции [В]
ΔФ/Δt — скорость конфигурации магнитного потока [Вб/с]
N — количество витков [-]
Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением R:
Закон Ома для проводящего контура
Ɛi — ЭДС индукции [В]
I — сила индукционного тока [А]
R — сопротивление контура [Ом]
Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью v в неизменном однородном магнитном поле с индукцией B ЭДС электромагнитной индукции равна:
ЭДС индукции для перемещающегося проводника
Ɛi — ЭДС индукции [В]
B — магнитная индукция [Тл]
v — скорость проводника [м/с]
l — длина проводника [м]
Появление ЭДС индукции в перемещающемся в магнитном поле проводнике разъясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в перемещающихся проводниках. Сила Лоренца играет в данном случае роль посторонней силы.
Перемещающийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.
Количество теплоты в контуре выделяется или за счет работы наружной силы, которая поддерживает скорость проводника постоянной, или за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
- вследствие перемещения контура либо его частей в неизменном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вкупе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле
- вследствие конфигурации во времени магнитного поля при недвижном контуре. В данном случае появление ЭДС индукции уже нельзя разъяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в недвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея
Таким макаром, явления индукции в перемещающихся и недвижных проводниках протекают идиентично, но физическая причина появления индукционного тока оказывается в этих 2-ух случаях различной:
- в случае перемещающихся проводников ЭДС индукции обоснована силой Лоренца
- в случае недвижных проводников ЭДС индукции является следствием деяния на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Правило Ленца
Дабы найти направление индукционного тока, необходимо пользоваться правилом Ленца.
Академически это правило звучит следующим образом: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда ориентирован так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.
Давайте попробуем чуток проще: катушка в этом случае — это недовольная бабуля. Забирают у нее магнитный поток — она недовольна и делает магнитное поле, которое этот магнитный поток желает назад отобрать.
Дают ей магнитный поток, забирай, дескать, пользуйся, а она такая — «Да для чего сдался мне ваш магнитный поток!» и делает магнитное поле, которое этот магнитный поток выгоняет.
