Валентина ???
Гений
(71098)
13 лет назад
Когда в задаче стоит такой вопрос, необходимо 2 раза записаит закон Ома для полной цепи (см. условие задачи) и решить систему двух уравнений с двумя неизвестными: E, r.
1 2
Ученик
(147)
13 лет назад
Мощность (W) = сила тока (I) * напряжение (U)
откуда U=W/I
полученное напряжение и есть ЭДС
Сопротивление (R) = напряжение (U) / силу тока (I)
если нам дан ток короткого замыкания (без нагрузки) , то это и есть внутреннее сопротивление. А если есть нагрузка, то это общее сопротавление, и из него надо вычесть сопротивление нагрузки.
Источник: Опыт
На чтение 9 мин Просмотров 1.9к. Опубликовано 11.09.2022 Обновлено 11.09.2022
Содержание
- Понятие ЭДС и единица измерения
- Где и как образуется электродвижущая сила
- Виды ЭДС
- Законы и формулы
- ЭДС аккумуляторной батареи
- ЭДС индукции
- Внутреннее сопротивление источника ЭДС
- Закон Ома для полной цепи
- Как найти мощность ЭДС
Чтобы в какой-либо среде (металле, растворе, ионизированном газе и т.п.) протекал электрический ток в течение продолжительного времени, недостаточно наличия свободных носителей заряда и электрического поля. Еще потребуется сила, которая будет разделять заряды в направлении, противоположном направлению электрического поля.
Понятие ЭДС и единица измерения
Если имеется заряженный предмет и соединить его с электрически нейтральным (или противоположно заряженным предметом), некоторое время в цепи будет существовать ток. Как только все свободные электроны перейдут от одного тела к другому, и заряды уравняются, ток прекратится.
Это можно увидеть на примере школьного опыта с двумя электроскопами. Один из них заряжен (например, положительно), а другой заряда не имеет. Если их соединить металлическим стержнем, то заряды перейдут от одного прибора к другому. Количество зарядов уравновесится, потенциалы электроскопов станут равными, электрическое поле прекратит действие на электроны, и ток перестанет течь.
Чтобы ток продолжался, надо носители зарядов из второго электроскопа перенести обратно в первый. Для этого нужна сторонняя сила, действующая против направления электрического поля. Такая сила называется ЭДС. Расшифровка этого сокращения – электродвижущая сила.
Можно провести аналогию с водой. Если есть два бассейна, один из которых находится выше другого, то вода может перетекать из верхнего водоема в нижний. Но как только запас воды закончится, переток прекратится. Чтобы он продолжался, надо воду из нижнего бассейна перекачивать обратно в верхний (например, с помощью насоса).
ЭДС обозначается греческой буквой ε (эпсилон), а иногда E. Измеряется ЭДС, как и напряжение, в вольтах (1 В). Понятие электродвижущей силы является не очень удачным – сила не измеряется в вольтах. Но этот термин укоренился и широко применяется.
Из-за сходства единиц измерения часто происходит путаница ЭДС и напряжения. Эти термины регулярно подменяются друг с другом. В некоторых случаях действительно принципиальной разницы нет, но в целом эти понятия различны.
В видео простыми словами объясняется чем отличаются ЭДС и напряжение
Где и как образуется электродвижущая сила
Электродвижущая сила образуется в источнике питания. Это необходимое условие существования разности потенциалов на выходных клеммах такого источника. Образовываться ЭДС может по-разному, в зависимости от устройства источника.
Виды ЭДС
Электродвижущая сила может быть различной природы (но всегда неэлектрической). В зависимости от типа источника питания ЭДС может быть:
- фотоэлектрического характера – возникает в полупроводниковых переходах при облучении видимым светом или ультрафиолетом (на этом эффекте основана работа солнечных батарей);
- электрохимической природы – всем известные гальванические элементы и аккумуляторы;
- термоэлектрической ЭДС – возникает при разности температур между холодным и горячим спаем металлов (термопары для генерации электроэнергии и измерения температуры);
- пьезоэлектрической природы (возникает при деформации некоторых материалов) – применяется в пьезозажигалках;
- ЭДС электромагнитного характера – генераторы электростанций, автомобилей и т.п.
В технике встречаются и некоторые другие виды ЭДС, но реже.
Законы и формулы
Электродвижущая сила совершает работу по переносу заряда, а движущийся заряд представляет собой электрический ток/ Этот ток равен I=qt, где q – заряд, перенесенный полем за время t. За это время поле совершает работу A=ε*q= ε*I*t.
Можно определить ЭДС, как отношение работы по переносу заряда к величине этого заряда:
ε=A/q=A/(I*t)
ЭДС аккумуляторной батареи
ЭДС аккумуляторной батареи определяется типом электрохимических реакций, протекающих внутри элемента. Для различных технологий батарей наибольшая электродвижущая сила составит:
- Свинцово-кислотные элементы – 2,17 вольта.
- Никель-кадмиевые батареи – 1,37 вольта.
- Никель-металлогидридные элементы – 1,37 вольта.
- Щелочные аккумуляторы – 1,45 вольта.
- Литий-ионные элементы – 4,2 вольта.
Электродвижущая сила химических источников тока не зависит от размеров и площади пластин. Чтобы повысить выходное напряжение, единичные аккумуляторы соединяют в батареи последовательно.
ЭДС индукции
Основной источник получения электроэнергии на Земле – генераторы постоянного и переменного тока. Их принцип действия основан на создании ЭДС индукции.
Если замкнутый контур находится в магнитном поле, и его пронизывает магнитный поток Ф, и этот поток изменяется во времени (по направлению или по величине), то в контуре возникает ЭДС. Ее величина равна:
ε=∆Ф/∆t, где Ф – магнитный поток, а t – время его изменения.
В свою очередь магнитный поток зависит от величины магнитной индукции и площади поверхности, охватываемой контуром. Следовательно, чтобы увеличить ЭДС, надо усиливать магнитное поле (повышением тока возбуждения), или увеличивать площадь витка (при разработке или изготовлении генератора), или заставить магнитный поток изменяться быстрее (например, увеличивая скорость вращения ротора генератора). Каждый путь имеет определенные технические ограничения, поэтому в генераторах делают большое количество витков, соединяя их последовательно. При этом электродвижущие силы всех контуров складываются.
Внутреннее сопротивление источника ЭДС
Пусть имеется источник тока — например, аккумулятор — с напряжением на разомкнутых клеммах (в отсутствие нагрузки) 12 вольт. Если его нагрузить на сопротивление в 5 Ом, напряжение на клеммах упадет (например, до 11,5 вольт). Если нагрузить аккумулятор на сопротивление 1 Ом, на его выходных терминалах напряжение снизится до 9,86 вольт.
Это явление легко объяснить, если ввести понятие внутреннего сопротивления источника питания. При разделении зарядов они движутся к соответствующим полюсам, но при этом взаимодействуют с кристаллической решеткой вещества, с ионами электролитов и отдают часть своей энергии. Движение носителей заряда замедляется, ток уменьшается, его ограничивает внутреннее сопротивление источника.
Это сопротивление включается последовательно с нагрузкой, и часть выходного напряжения падает на нем. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше ток, тем больше потеря напряжения на внутреннем сопротивлении источника.
Внутреннее сопротивление определяется его конструкцией и типом ЭДС. Например, в аккумуляторе внутреннее сопротивление зависит от электрохимических реакций, протекающих в источнике тока.
Для анализа электрических цепей внутреннее сопротивление рисуется на схеме в виде резистора, подключенного внутри источника параллельно его выходным клеммам. На самом деле, конечно, никакого резистора там нет, но это удобно для рассмотрения процессов, протекающих в цепи.
Для наглядности рекомендуем видео-урок.
Закон Ома для полной цепи
Один из фундаментальных законов электротехники – закон Ома для участка цепи. Согласно ему, ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
Ток в полной цепи, в которую кроме нагрузки входит еще и источник, определяется величиной ЭДС, приложенной к внутреннему сопротивлению r и сопротивлению внешней нагрузки R, включенными последовательно. Общее значение сопротивления равно r+R. Следовательно, ток определяется соотношением I=ε/(R+r).
Как найти мощность ЭДС
Идеальный источник имеет нулевое внутреннее сопротивление. В нем напряжение под нагрузкой не уменьшается и всегда равно ЭДС. На практике таких источников не бывает.
Согласно закону Ома для полной цепи, формула ЭДС источника выглядит, как ε=I*R+I*r (в таком виде формулируется второй закон Кирхгофа). В этом выражении:
- I*R=Uвнеш – напряжение на внешней нагрузке;
- i*r=Uвнутр – падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника.
Если источник идеален, то r=0 и вся ЭДС прикладывается к нагрузке. Чем выше r и выше ток, тем меньше напряжения достается потребителю, тем меньшая мощность выделяется на нем. Отсюда очевидно, что с ростом внутреннего сопротивления r, при равном токе, снижается напряжение на внешней нагрузке.
Внутреннее сопротивление источника можно рассчитать по результатам измерений напряжения на терминалах источника ЭДС по итогам двух замеров. Для этого надо воспользоваться законом Ома для полной цепи. Так, в рассмотренном примере, в первом случае падение напряжения на резисторе в 5 Ом составляет 11,5 вольт. Тогда можно найти ток в цепи по формуле:
I=U/R=11,5/5=2,3 А.
Выражение для ЭДС примет вид:
ε= 2,3*5+2,3*r=11,5+2,3*r.
Для второго замера на сопротивлении 1 Ом ток составит:
I=U/R=9,86/1=9,86 ампер
Следовательно,
ε= 9,86 *1+9,86 *r=9,86 +9,86 *r.
Левые части уравнений равны, тогда можно приравнять правые:
11,5+2,3*r=9,86 +9,86 *r
Путем несложных вычислений получается, что r=0,217 Ом. Если источник имеет меньшее внутреннее сопротивление, то при подключении той же нагрузки на ней будет большее напряжение. Напряжение на разомкнутых клеммах (на холостом ходу) в отсутствие ток будет примерно равно значению величины ЭДС. Таким образом, чем меньше внутреннее сопротивление, тем большее напряжение способен выдавать источник в нагрузку и тем больше мощность ЭДС.
Если же идеальный источник тока замкнуть накоротко, ток короткого замыкания будет бесконечным, так как R=r=0. На самом деле этого не происходит – в реальном источнике ток КЗ при R=0 ограничивается внутренним сопротивлением r.
Электродвижущая сила является одним из основополагающих понятий в физике. Ее суть и значение надо четко осознавать, в противном случае дальнейшее освоение электротехники будет затруднено.
Определение ЭДС аккумуляторов
ЭДС покоя Eо свинцового аккумулятора с достаточной для практики точностью определяют по формуле
(1.3)
1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 J, г/см3
Рис. 1. Изменение равновесной ЭДС и электродных потенциалов свинцового аккумулятора в зависимости от плотности электролита:
1- ЭДС; 2 — потенциал положительного электрода; 3 — потенциал отрицательного электрода
При рабочих плотностях электролита 1,07-1,30 г/см3 ЭДС не дает точного представления о степени разряженности аккумулятора, так как ЭДС разряженного аккумулятора с электролитом большей плотности будет выше. ЭДС не зависит от количества заложенных в аккумулятор активных материалов и от геометрических размеров электродов. ЭДС аккумуляторной батареи увеличивается пропорционально числу последовательно включенных аккумуляторов m:
Еаб=mЕ. (1.3.1.)
Но величину ЭДС с достаточной точностью можно определить и вольтметром без нагрузки, так как
(1.4)
| где | Uв | – показания вольтметра; |
| Iв | – сила тока потребляемая вольтметром; | |
| RА | – внутреннее сопротивление аккумулятора. |
Так как величины Iв и RА малы, то практически величина Iв·RА близка к нулю и вольтметр показывает величину Eо, т.е. Uв = Eо. Сравнивая величины ЭДС, подсчитанной и измеренной, судят о наличии неисправностей батареи.
Если Uв равно Eо, то степень разряженности, подсчитанная по плотности, соответствует действительной.
Если Uв значительно меньше Eо (Uв = 0,5…1,5 В), в аккумуляторе имеется частичное замыкание электродов. Если Uв больше Eо, в аккумуляторе сульфатированы электроды или отстоялся электролит.
Если Uв равно нулю, то в аккумуляторе имеет место полное короткое замыкание электродов или обрыв в цепи. Для уточнения неисправности необходимо замерить общее напряжение неисправного и соседнего с ним аккумулятора. Если и в этом случае не будет показаний вольтметра, значит в неисправном аккумуляторе имеется обрыв штыря баретки от мостика пластин или от межэлементного соединения. Если вольтметр покажет напряжение только одного соседнего аккумулятора, то в неисправном аккумуляторе имеется короткое замыкание.
У аккумуляторных батарей со скрытыми межэлементными соединениями замеряется ЭДС всей батареи, а ЭДС по плотности подсчитывается как сумма Eо всех аккумуляторов. Если при измерении напряжение батареи равно нулю, то в цепи одного или нескольких аккумуляторов имеется обрыв. Если при измерении напряжение батареи равно 10 В, то в одном аккумуляторе полное или в нескольких – частичное короткое замыкание.
Для измерения ЭДС у аккумуляторных батарей с внешними межэлементными соединениями используют аккумуляторный пробник Э108 или нагрузочную вилку ЛЭ-2, у аккумуляторных батарей со скрытыми межэлементными соединениями – аккумуляторный пробник Э107. Измерения проводят при выключенном нагрузочном сопротивлении. На сильно окисленных выводах необходимо сделать царапины ножками прибора для создания надежного электрического контакта.
С помощью измерения и подсчета ЭДС невозможно выявить наличие таких неисправностей, как уплотнение активного вещества и разрушение электродов. Определить эти неисправности, а также выявить общую пригодность аккумуляторных батарей к эксплуатации позволяет измерение напряжения под нагрузкой.
Неэлектростатический характер ЭДС
Внутри источника ЭДС ток течёт в направлении, противоположном нормальному. Это невозможно без дополнительной силы неэлектростатической природы, преодолевающей силу электрического отталкивания
Как показано на рисунке, электрический ток, нормальное направление которого — от «плюса» к «минусу», внутри источника ЭДС (например, внутри гальванического элемента) течёт в противоположном направлении. Направление от «плюса» к «минусу» совпадает с направлением электростатической силы, действующей на положительные заряды. Поэтому для того, чтобы заставить ток течь в противоположном направлении, необходима дополнительная сила неэлектростатической природы (центробежная сила, сила Лоренца, силы химической природы, сила со стороны вихревого электрического поля) которая бы преодолевала силу со стороны электростатического поля. Диссипативные силы, хотя и противодействуют электростатическому полю, не могут заставить ток течь в противоположном направлении, поэтому они не входят в состав сторонних сил, работа которых используется в определении ЭДС.
Советуем изучить — Краткий конспект на тему «припои и флюсы, применяемые при пайке»
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.
Советуем изучить — Билет №10
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.
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.
Электрические цепи. Электродвижущая сила
Электрическая цепь
состоит из источника тока, потребителей электроэнергии, соединительных проводов и ключа, служащего для размыкания и замыкания цепи и других элементов (рис. 1).
Рис. 1
Рисунки, на которых изображены способы соединения электрических приборов в цепь, называются электрическими схемами
. Приборы на схемах обозначаются условными знаками.
Как отмечалось, для поддержания в цепи электрического тока необходимо, чтобы на концах ее (рис. 2) существовала постоянная разность потенциалов φ
A —
φ
B. Пусть в начальный момент времени
φ
A >
φ
B, тогда перенос положительного заряда
q
из точки
А
в точку
В
приведет к уменьшению разности потенциалов между ними. Для сохранения постоянной разности потенциалов необходимо перенести точно 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 называемых сторонних сил. Это условие выполняется в источнике тока, который поддерживает движение электрических зарядов. В большинстве источников тока движутся только электроны, в гальванических элементах — ионы обоих знаков.
Рис. 2
Источники электрического тока могут быть различны по своей конструкции, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделение зарядов происходит под действием сторонних сил
. Сторонние силы действуют лишь внутри источника тока и могут быть обусловлены химическими процессами (аккумуляторы, гальванические элементы), действием света (фотоэлементы), изменяющимися магнитными полями (генераторы) и т.д.
Любой источник тока характеризуют электродвижущей силой — ЭДС.
Электродвижущей силой
ε
источника тока называют физическую скалярную величину, равную работе сторонних сил по перемещению единич ного положительного заряда вдоль замкнутой цепи
(~varepsilon = frac{A_{stor}}{q} .)
Единицей электродвижущей силы в СИ является вольт (В).
ЭДС является энергетической характеристикой источника тока.
В источнике тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, световой, внутренней и т.п. энергии в электрическую. Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника тока (места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют потребители). Один полюс источника тока заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника тока создается электростатическое поле. Если полюса источника тока соединить проводником, то в такой электрической цепи возникает электрический ток. При этом характер поля меняется, оно перестает быть электростатическим.
Рис. 3
На рисунке 3 схематично в виде сферического проводника изображена отрицательная клемма источника тока и сечение присоединенного к ней конца металлического провода. Пунктиром показаны некоторые линии напряженности поля клеммы до внесения в него провода, а стрелками — силы, действующие на свободные электроны провода, находящиеся в точках, помеченных цифрами. Электроны в различных точках поперечного сечения провода под действием кулоновских сил поля клеммы приобретают движение не только вдоль оси провода. Например, электрон, находящийся в точке 1
, оказывается вовлеченным в «токовое» движение. Но вблизи точек
2, 3, 4, 5
электроны имеют возможность скапливаться на поверхности провода. Причем поверхностное распределение электронов по длине провода не будет равномерным. Следовательно, подключение провода к клемме источника тока приведет к тому, что некоторые электроны начнут двигаться вдоль провода, а часть электронов будет скапливаться на поверхности. Неравномерное распределение 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 распределение электронов по поверхности проводника с течением времени не изменяется, то такое поле называют
стационарным электрическим полем
. Таким образом, главную роль в создании стационарного электрического поля играют заряды, находящиеся на полюсах источника тока. При замыкании электрической цепи взаимодействие именно этих зарядов со свободными зарядами проводника приводит к появлению на всей поверхности проводника нескомпенсированных поверхностных зарядов. Именно эти заряды создают стационарное электрическое поле внутри проводника по всей его длине. Это поле внутри проводника однородное, и линии напряженности направлены вдоль оси проводника (рис. 4). Процесс установления электрического поля вдоль проводника происходит со скоростью
c
≈ 3·108 м/с.
Рис. 4
Как и электростатическое поле, оно потенциально. Но между этими полями имеются существенные отличия:
- электростатическое поле — поле неподвижных зарядов. Источником стационарного электрического поля являются движущиеся заряды, причем общее число зарядов и картина их распределения в данном пространстве с течением времени не изменяются;
- электростатическое поле существует вне проводника. Напряженность электростатического поля всегда равна 0 внутри объема проводника, а в каждой точке внешней поверхности проводника направлена перпендикулярно к этой поверхности. Стационарное электрическое поле существует и вне и внутри проводника. Напряженность стационарного электрического поля не равна нулю внутри объема проводника, а на поверхности и внутри объема имеются составляющие напряженности, не перпендикулярные к поверхности проводника;
- потенциалы разных точек проводника, по которому проходит постоянный ток, разные (поверхность и объем проводника не эквипотенциальны). Потенциалы всех точек поверхности проводника, находящегося в электростатическом поле, одинаковы (поверхность и объем проводника эквипотенциальны);
- электростатическое поле не сопровождается появлением магнитного поля, а стационарное электрическое поле сопровождается его появлением и неразрывно с ним связано.
Взаимоиндукция
Если собрать модуль из двух катушек, в определенных условиях можно наблюдать явление взаимной индукции. Элементарное измерение покажет, что по мере увеличения расстояния между элементами уменьшается магнитный поток. Обратное явление наблюдается по мере уменьшения зазора.
Советуем изучить — Подземные трансформаторные подстанции и их оборудование общие сведения
Чтобы находить подходящие компоненты при создании электрических схем, необходимо изучить тематические вычисления:
- можно взять для примера катушки с разным количеством витков (n1 и n2);
- взаимоиндукция (M2) при прохождении по первому контуру тока I1 будет вычислена следующим образом:
M2 = (n2 * F)/ I1
после преобразования этого выражения определяют значение магнитного потока:
F = (M2/ n2) *I1
для расчета эдс электромагнитной индукции формула подойдет из описания базовых принципов:
E2 = – n2 * ΔF/ Δt = M 2 * ΔI1/ Δt
При необходимости можно найти по аналогичному алгоритму соотношение для первой катушки:
E1 = – n1 * ΔF/ Δt = M 1 * ΔI2/ Δt.
Следует обратить внимание, что в этом случае значение имеет сила (I2) во втором рабочем контуре. Совместное влияние (взаимоиндукцию – М) рассчитывают по формуле:
Совместное влияние (взаимоиндукцию – М) рассчитывают по формуле:
M = K * √(L1 * l2).
Специальным коэффициентом (K) учитывают действительную силу связи между катушками.
Лабораторная работа № 8
Тема: «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока».
Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.
Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;
2. Источник электрической энергии;
3. Соединительные провода,
4. Набор сопротивлений 2 Ом и 4 Ом;
5. Переключатель однополюсный; ключ.
Теория.
Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами.
Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.
Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах [В].
Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи.
Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r.
Если цепь разомкнута, то работа сторонних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r , т.е. ε = IR + Ir.
Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то, согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение 
, где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir – напряжение на внутреннем участке цепи.
Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:
Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.
ε и r можно определить опытным путем.
Часто источники электрической энергии соединяют между собой для питания цепи. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.
При последовательном соединении два соседних источника соединяются разноименными полюсами.
Т.е., для последовательного соединения аккумуляторов, к ″плюсу″ электрической схемы подключают положительную клемму первого аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к ″минусу″ электрической схемы.
Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.
1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε1 + ε2 + ε3
2. Общее сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников rбатареи= r1 + r2 + r3
Если в батарею соединены n одинаковых источников, то ЭДС батареи ε= nε1, а сопротивление rбатареи= nr1
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 
При параллельном соединении соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или n источников.
Т.е., при параллельном соединении, аккумуляторы соединяют так, чтобы положительные клеммы всех аккумуляторов были подключены к одной точке электрической схемы (″плюсу″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов были подключены к другой точке схемы (″минусу″).
Параллельно соединяют только источники с одинаковой ЭДС. Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.
1. ЭДС батареи одинаковых источников равна ЭДС одного источника. ε= ε1= ε2 = ε3
2. Сопротивление батареи меньше, чем сопротивление одного источника rбатареи= r1/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 
Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы – параллельно или последовательно.
Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому т.к.при параллельном соединении емкость аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов, т.е увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.
Ход работы.
1. Начертите таблицу:
|
№ опыта |
Источник электрической энергии ВУП, В |
1-й отсчет |
2-й отсчет |
Э.Д.С. ε , В |
Внутреннее сопротивление, r , Ом |
||
|
R1, Ом |
Сила тока I1 , А |
R2, Ом |
Сила тока I2 , А |
||||
|
1 |
1 |
1 |
2 |
2. Рассмотрите шкалу амперметра и определите цену одного деления.
3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 1. Переключатель поставить в среднее положение.
Рисунок 1.
4. Замкнуть цепь, введя меньшее сопротивление R1. Записать величину силы тока I1. Разомкнуть цепь.
5. Замкнуть цепь, введя большее сопротивление R2. Записать величину силы тока I2. Разомкнуть цепь.
6. Вычислить значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.
Закон Ома для полной цепи для каждого случая: 
и 
Отсюда получим формулы для вычисления ε и r:
7. Результаты всех измерений и вычислений запишите в таблицу.
8. Сделайте вывод.
9. Ответьте на контрольные вопросы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Раскройте физический смысл понятия «электродвижущая сила источника тока».
2. Определить сопротивление внешнего участка цепи, пользуясь результатами полученных измерений и законом Ома для полной цепи.
3. Объяснить, почему внутреннее сопротивление возрастает при последовательном соединении аккумуляторов и уменьшается при параллельном в сравнении с сопротивлением r0 одного аккумулятора.
4. В каком случае вольтметр, включенный на зажимы генератора, показывает ЭДС генератора и в каком случае напряжение на концах внешнего участка цепи? Можно ли это напряжение считать также и напряжением на концах внутреннего участка цепи?
Вариант выполнения измерений.
Опыт 1. Сопротивление R1=2 Ом, сила тока I1=1,3 А.
Сопротивление R2=4 Ом, сила тока I2=0,7 А.
На этой странице вы узнаете
- Где самое большое сопротивление в теле человека?
- Какой ученый променял бильярд на физику?
- К чему может привести авария среди электронов?
Весь современный мир держится на электричестве. Наряду с глобальной интернет-сетью, наш мир «опутан» сетью электрических проводов. Что такого происходит в этих тоненьких проводах, что от них зависит жизнь целого города? Давайте поближе познакомимся с электрическим током и узнаем, откуда он появляется.
Мы с вами уже познакомились с электрическими схемами в теме «Законы постоянного тока», где выяснили, какие приборы существуют и как используются в схемах. В этой статье мы поговорим о том, как в элементарных электрических цепях появляется ток. Начало положено, сопротивление бесполезно.
Источник тока
Как мы уже выяснили, электрические схемы не могут работать просто так. Представим, что вы хотите поехать на машине, в которой нет бензина. Конечно, машина не заведется, так как ее нужно заправить. Электрические схемы работают по такому же принципу. Если их не подпитывать током, то они не будут работать.
Электрический ток — это направленное, упорядоченное движение электрических зарядов. Поэтому, чтобы поддерживать в цепи ток длительное время, в нем должен быть участок, на котором будет происходить перенос зарядов против сил электростатического поля (поля, создаваемого неподвижными зарядами). То есть, то место, где электроны будут принудительно приходить в движение.
Источник тока — элемент электрической цепи, в котором на заряды действует сторонняя сила, задающая направление движения зарядов (тока).
Перемещение зарядов на этом участке возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Эти силы приводят заряды в движение. Благодаря этому поддерживается ток в цепи. Действие сторонних сил характеризуется величиной, называемой электродвижущей силой источника тока (ЭДС), о которой поговорим чуть позднее.
Примером источника тока может служить обычная батарейка. Вы наверняка замечали, что на пальчиковых батарейках с одной стороны пишется «плюс», а с другой — «минус». Это означает, что электрический ток пойдет от положительной части батарейки к отрицательной. А почему ток выходит из одной части, но заходит в другую?
Для объяснения этого явления рассмотрим картинку ниже. Главным критерием рабочей электрической цепи является ее замкнутость, то есть вся цепь неразрывно связана. Подключим нашу батарейку (источник тока) к электрической цепи, которую также называют внешней электрической цепью.
Как мы видим на этом рисунке, на заряды внутри источника тока действует сторонняя сила ((F_{ст})), от плюса к плюсу) и сила электростатического поля ((F)), которая направлена от плюса к минусу. Без действия сторонних сил внутри источника положительный заряд будет двигаться от «+» к «-» (по направлению силы (F)).
Мы действуем сторонними силами так, чтобы он стал двигаться к «+» (по направлению (F_{ст})), то есть против сил электростатического поля. Тогда заряды вылетают из источника тока и далее по внешней цепи, уже под действием обычного электростатического поля, движутся по стандартным законам от «+» к «-». Это и есть наш долгожданный электрический ток – движущиеся заряды. Если бы мы не действовали сторонними силами, все заряды бы просто сидели на месте («+» окружили бы «-», и наоборот). То есть, сама сторонняя сила задает направление движения заряда.
После того как заряд выходит из источника тока, на него действует только одна сила F. Поэтому он обходит всю цепь и возвращается в этот же источник тока. Там на него вновь действует сторонняя сила, ну а дальше вы уже знаете.
Если бы в источнике тока не было сторонних сил, то все положительные заряды застряли бы у минуса.
Основные параметры источника тока
Как и любой другой элемент электрической цепи, источник тока обладает своими характеристиками, которые могут меняться в зависимости от условий использования. Главными характеристиками являются ЭДС источника тока (электродвижущая сила) и его внутреннее сопротивление.
ЭДС источника тока (ε) — это физический параметр, который характеризует работу сторонних сил ((А_{ст})), затраченную на перемещение зарядов (q) внутри источника.
(ε) – ЭДС источника тока (В);
(А_{ст})– работа сторонних сил (Дж);
(q) – заряд, помещенный внутри источника (Кл).
Внутреннее сопротивление определяет количество потерь энергии при прохождении тока через источник тока.
Стоит понимать, что внутреннее сопротивление появляется из-за неидеальности реальных предметов. Только у идеальных источников тока отсутствует внутреннее сопротивление.
Однако при расчете характеристик электрических схем никакой сложности не возникает, так как мы просто представляем, что в цепи появляется дополнительный резистор (на схемах обозначается прямоугольником и буквой R), сопротивление которого будет равняться внутреннему сопротивлению источника тока.
Раз уж мы затронули расчеты электрических схем, то пора вплотную к ним приблизиться.
Закон Ома для участка цепи
Георг Ом рос в небогатой семье. Также он был довольно азартным человеком, любил играть в бильярд в компании друзей. В университетские годы Ом был лучшим игроком в бильярд среди студенческой молодежи, показывал прекрасные результаты в конькобежном спорте.
Но его очень манили точные науки: физика и математика. Однажды он смог собрать всю свою волю «в кулак» и начать проводить опыты в лаборатории обычной школы, где работал учителем. И так он окончательно вжился в статус ученого-физика. После этого он играл в бильярд только для получения удовольствия, а не использовал его как способ заработка.
Дальше мы с вами поговорим о напряжении на элементах электрической цепи, и, в частности, на источнике тока. Поэтому вспомним, что такое напряжение из темы «Законы постоянного тока». Напряжение – физическая величина, которая показывает, какую работу сторонние силы должны приложить, чтобы перенести заряд от одной точки до другой.
Так как у источника тока имеется внутреннее сопротивление, значит, внутри него также будет и напряжение. Чтобы найти его, воспользуемся законом Ома — умножим внутреннее сопротивление источника тока r на сам ток I и получим:
Ur = Ir.
Также мы можем найти напряжение, которое будет выделяться на внешней цепи. Для этого снова умножим ток I на общее сопротивление цепи R:
UR = IR.
Оказывается, что не вся энергия источника тока уходит в цепь. Как раз таки та часть энергии, которая уходит на преодоление внутреннего сопротивления, и будет характеризовать потери. Тогда мы можем записать еще одну формулу для нахождения ЭДС источника тока:
ε – ЭДС источника тока (В);
UR – напряжение на самой электрической цепи (В);
Ur – напряжение внутри источника тока (В).
Теперь давайте подставим вместо напряжений полученные формулы через токи и сопротивления и выразим силу тока. Так мы получим закон Ома для полной цепи:
I – ток в цепи (А);
ε – ЭДС источника тока (В);
R – сопротивление в цепи (Ом);
r – внутреннее сопротивление источника (Ом).
Сила тока в цепи с заданным источником тока (при неизменной ЭДС и с постоянным внутренним сопротивлением) зависит только от сопротивления внешней цепи R.
Самое большое электрическое сопротивление на теле человека — поверхность верхнего рогового слоя кожи человека. Оно может достигать 40000–100000 Ом. Но это не значит, что можно хвататься за оголенные провода голыми руками! Этого сопротивления далеко не достаточно, чтобы защитить человека от опасного электрического тока.
Резко уменьшают сопротивление человека потливость кожного покрова, переутомление, нервное возбуждение. Значение снижается до 800–1000 Ом. Поэтому даже самое небольшое напряжение может вызвать ожог кожи.
Задачи на данную тему встречаются в №12 ЕГЭ. Давайте рассмотрим один пример.
Задача. Найдите внутреннее сопротивление источника ЭДС, если сопротивление в цепи R = 4 Ом, а ЭДС ε=10 В. Сила тока в цепи 2 А.
Решение.Воспользуемся законом Ома для полной цепи и выразим из него внутреннее сопротивление источника ЭДС:
(I=frac{ε}{R + r}),
(r=frac{ε}{I}-R=frac{10}{2}-4=1) (Ом).
Ответ: 1 Ом
Короткозамкнутая цепь
Рассмотрим частный случай электрической цепи, в котором источник тока будет подключен сам на себя. Иначе говоря, он будет короткозамкнутым.
В этом случае отсутствует сопротивление внешней цепи и закон Ома для цепи будет выглядеть так:
(I_{кз}) – ток короткого замыкания (А);
(ε) – ЭДС источника тока (В);
(r) – сопротивление источника ЭДС (Ом).
Короткое замыкание — это такой случай соединения проводов, при котором практически весь ток проходит по пустому проводу и возвращается в источник тока.
Короткое замыкание приводит к сильному нагреву, расплавлению металлов, а иногда и к пожарам.
Если сравнить поток электронов с потоком машин, то ток короткого замыкания – это авария на автодороге. Один поток машин решил влезть в другой. В результате на дороге образовалась авария. Но машины продолжают налетать одна на другую (как в метель в Норильске).
При коротком замыкании сила тока будет увеличиваться до тех пор, пока отключающие механизмы не прекратят поступление силы тока.
Теперь, когда мы уже рассмотрели основные характеристики источника тока, можем перейти к мощности и КПД источника тока.
Мощность и КПД источника тока
Мы уже не раз говорили о том, что при протекании тока выделяется энергия. Источники тока не исключение. При подключении их к цепи на них выделяется энергия. При этом энергия выделяется и в самой цепи.
Чтобы найти мощность передачи энергии (P), выделяемой источником тока, необходимо умножить силу тока на ЭДС этого источника тока. Тогда получим:
(P_{ист}) – мощность источника тока (Вт);
(ε) – ЭДС источника тока (В);
(I) – сила тока (А).
При этом часть этой мощности уходит на элементы внешней цепи, а другая часть – на преодоление внутреннего сопротивления источника тока:
(εI = I^2R + I^2r).
Тогда мощность, выделяемая на внешней цепи:
(P_R=I^2R).
А мощность, которая теряется на внутреннее сопротивление источника тока:
(P_r=I^2r).
Теперь давайте рассмотрим коэффициент полезного действия (КПД, ) источника тока. Как мы уже говорили ранее, часть ЭДС источника тока уходит на внутреннее сопротивление, а часть – на внешнюю цепь. При этом вспомним, что КПД – это отношение полезной мощности к затраченной.
Запишем формулы для мощности:
(P_{ист}=εI=I^2(R+r)),
(P_R=IU =I^2R).
Тогда КПД:
(eta) – КПД источника тока;
(ε) – ЭДС источника тока (В);
(U) – напряжение на внешней цепи (В);
(I) – сила тока (А):
(R) – сопротивление на внешней цепи (Ом);
(r) – сопротивление источника тока (Ом).
Также задачи на тему ЭДС встречаются и в №16 ЕГЭ. Сложность данных задач заключается в установлении правильной зависимости величин друг от друга.
Задача.Определите, как изменятся сила тока (А) в цепи и сопротивление резистора (Б), если ЭДС источника тока заменить на такую же ЭДС, но с большим внутренним сопротивлением.
1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится
Решение.
Б) Внешнее сопротивление никак не зависит от источника тока. Поэтому оно не изменится — выбираем ответ 3.
А) Запишем закон Ома для полной цепи:
(I=frac{ε}{R + r})
При увеличении внутреннего сопротивления знаменатель увеличится. Следовательно, сила тока уменьшится, так что вариант 2 тоже нам подходит.
Ответ: 23
Мы с вами выяснили, что источники тока – элементы электрической цепи, без которых самой цепи не существовало бы. Хотя, конечно, она бы существовала, но была бы бесполезной. Однако и они «не без греха», так как существует опасное внутреннее сопротивление, которое является головной болью для многих инженеров. А все потому, что оно снижает КПД источников тока. Дальше вы можете ознакомиться с полноценными электрическими схемами и посмотреть, как ток ведет себя за пределами источника тока.
Термины
Напряжение – произведение сопротивления элемента и протекающего через него тока.
Резистор (или резистивный элемент) – элемент электрической цепи, который может только потреблять энергию и не может ее создавать.
Сторонние силы — это все внешние силы, воздействующие на заряд.
Электростатическое поле — невидимое поле, создаваемое постоянными электрическими зарядами.
Фактчек
- ЭДС источника тока (ε) — это физический параметр, который характеризует работу, затраченную на перемещение зарядов внутри источника сторонними силами: (ε =frac{А_{cт}}{q}).
- Внутреннее сопротивление (r) — определяет количество потерь энергии при прохождении тока через источник тока.
- Закон Ома для полной цепи: Сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению: (I =frac{ε}{R + r}).
- Предельное значение силы тока для данного источника тока называется током короткого замыкания: (I_{кз} =frac{ε}{r}).
- Полная мощность цепи — это есть мощность источника тока: (P_ист=εI).
Проверь себя
Задание 1.
Как рассчитывается ЭДС источника тока?
- (ε =frac{А_{ст}}{q})
- (ε =frac{U}{q})
- (ε =frac{А_{ст}}{I})
- (ε =frac{А_{ст}}{qt})
Задание 2.
Короткое замыкание — это:
- Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.
- Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень велико по сравнению с сопротивлением участка цепи.
- Соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого не зависит от сопротивления участка цепи.
- Отсутствие электрического тока в цепи.
Задание 3.
Чему равно ЭДС источника тока?
- (ε = U_R- U_r)
- (ε = U_R+ U_r)
- (ε = U_R U_r)
- (ε = U_R)
Задание 4.
От чего зависит сила тока в цепи с заданным источником тока?
- от внутреннего сопротивления цепи
- от внутреннего сопротивления источника тока
- от внешнего сопротивления цепи
- не зависит ни от каких величин
Задание 5.
Где самое большое сопротивление в человеке?
- в сердце
- в пищеварительной системе
- на коже
- в голове
Ответы: 1. — 1; 2. — 1; 3. — 2; 4. — 3; 5. — 3.
