Что такое напряжение
Следовательно, напряжение измеряется в аналогичных величинах, то есть в вольтах. А напряжение — это разность потенциалов между двумя точками цепи. Кроме того, эти потенциалы рассматриваются только в электростатическом поле.
Получается, что если мы с вами переместим заряд в 1 кулон и точку n. 1 до точки n. 2, мы также сделаем работу в 1 Джоуль при условии, что разность потенциалов между точками равна 1 Вольт.
Кажется, что это то же самое, но в случае напряжения наличие электростатического поля является обязательным условием. Откуда это взялось? Таким образом, источником этого поля является источник ЭДС, подключенный к цепи.
На изображении хорошо видна разница между ЭДС и напряжением. С правой стороны жидкость движется за счет давления (натяжения), а с левой стороны за счет работы внешних сил (электродвижущей силы).
Получается, что если взять какой-нибудь гальванический элемент, например, аккумулятор, и измерить его напряжение мультиметром без подключенной нагрузки, мы получим значение ЭДС.
Если мы создадим замкнутую схему, в которую будет подключена любая нагрузка, то измеряя напряжение на тех же выводах АКБ, мы уже увидим напряжение и оно будет немного меньше значения ЭДС.
Это связано с тем, что внутри любого источника ЭДС есть внутреннее сопротивление, и когда мы подключаем нагрузку, падение напряжения происходит не только на концах нагрузки, но и на внутреннем сопротивлении источника ЭДС.
Если вам понравилась статья, пожалуйста, поставьте лайк и благодарим за внимание.
Чем ЭДС отличается от напряжения
Изучая физику, мы сталкиваемся с такими понятиями, как ЭДС, что сокращенно от электродвижущей силы и напряжения. Обе величины измеряются в вольтах, что сбивает с толку. Ведь если величины имеют одну и ту же единицу измерения, то сами величины, по логике, должны быть одинаковыми.
На практике понятия ЭДС и напряжения приравниваются. Это действие не совсем корректно с физической точки зрения, и если в одних случаях оно спасает и позволяет решить проблему, в других это станет проблемой и приведет к неправильному восприятию. ЭДС можно приравнять к напряжению, но не в физическом смысле.
Чтобы понять эти различия, мы должны сначала вспомнить определения рассматриваемых понятий.
Определение, данное в учебнике, а также в Википедии, следующее:
Электрическое напряжение — это скалярная физическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля, совершаемой при передаче одиночного испытательного электрического заряда из точки A в точку B.
Это утверждение сложно понять человеку, который все забыл или только изучает основы теории. На практике для объяснения, что такое напряжение, больше подходит изображение:
Если мы сравним проводник с трубой, по которой течет вода, напряжение будет таким же, как давление воды. В одну трубку может течь много или мало воды. Когда воды мало, напряжение низкое. Воды много — напряжение высокое. Но количество воды уже текущее. Из этих соображений можно сделать вывод, что напряжение можно сравнить с давлением в точке стенки трубы.
Теперь об определении ЭДС. Это тоже не очень удобно».
Википедия и учебники формулируют это так:
Электродвижущая сила (ЭДС) — это скалярная физическая величина, которая характеризует работу внешних сил, действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока. В замкнутой проводящей цепи ЭДС равна работе этих сил по перемещению одного положительного заряда по всей цепи.
Из сложного определения не совсем понятно, что мы говорим о замкнутой электрической цепи, в которой присутствует источник тока. Но есть разница. В одном случае это работа электрического поля по передаче тестового заряда (напряжения), а в другом — работа внешних СИЛ по перемещению заряда по всей цепи (ЭДС).
Внешние силы — это неэлектростатические силы. Они могут быть самыми разными. Например, в аккумуляторе они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами, а в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора. Допустим, мы натерли гребень о шерстяной свитер. Это факт трения и факт проявления работы внешних сил. Что ж, в результате было сформировано обвинительное заключение. Логика та же.
Для простоты можно сказать, что ЭДС — это способность источника тока создавать разность потенциалов в цепи.
Электрический ток, как вы, наверное, уже поняли из логики определения напряжения, часто сравнивают с водопроводной системой. Прибегаем к сравнению.
Для того, чтобы вода циркулировала в трубе, эквивалентной нашему контуру, необходим насос. Этот насос является источником тока, а ЭДС — это способность такого насоса создавать давление в трубопроводе. Есть такая вещь, как давление воды. Именно она лучше всего подходит для этого сравнения.
Возвращаясь к сравнению напряжения с более высокой водой, напряжение будет давлением на трубу, а давление воды, обеспечивающей это давление, будет ЭДС.
Насос создает давление воды, которое создает давление. Источник тока в цепи создает разность потенциалов, обеспечивающую напряжение. Способность создавать напряжение — это электродвижущая сила. Или можно сказать, что причиной появления напряжения является электродвижущая сила. Без ЭДС нет электрического тока, а значит, не может быть напряжения.
Оказывается, прямое согласование ЭДС и напряжения — неправильный прием. В конце концов, разница между электродвижущей силой и напряжением заключается в том, что напряжение является «следствием работы» электродвижущей силы.
Что такое ЭДС
Что такое ЭДС, думаете Вы? Сейчас расскажу!
Электродвижущая сила (ЭДС) тоже измеряется в Вольтах, как и напряжение.
Давайте возьмём прибор, который измеряет вольты (вольтметр), батарейку и произведём замер.
Прибор показывает 1,5 Вольта и это не напряжение, а электродвижущая сила (ЭДС).
А теперь подключим к батарейке лампочки.
Измерение напряжения на различных участках электрической цепи.
Заметили, что на одной лампочке напряжение (не ЭДС) составляет 1 Вольт, а на другой 0,3 вольта
Напряжение на лампочках зависит от их мощности.Мощность измеряется в Ваттах.
Мощность= Напряжение * ток (P=U*I)
Чем больше мощность лампочки, тем больше будет на ней напряжение.
Если батарейка у нас 1,5 вольта= 1 Вольт +0,3 Вольта= 1,3 Вольта, куда делись 0,2 Вольта? У батарейки есть тоже своё внутреннее сопротивление, вот туда они и ушли.
Сравнение с разностью потенциалов
Электродвижущая сила и разность потенциалов в цепи — очень похожие физические величины, поскольку обе измеряются в вольтах и определяются работой по перемещению заряда. Одним из основных смысловых отличий является то, что и т.д. С. (E) вызывается преобразованием определенной энергии в электрическую, в то время как разность потенциалов (U) реализует электрическую энергию в других формах. Остальные отличия выглядят так:
- И передает энергию по всей цепочке. U — это мера энергии между двумя точками на диаграмме.
- E является причиной U, но не наоборот.
- E индуцируется в электрическом, магнитном и гравитационном полях.
- Концепция и т.д. Применима только к электрическому полю, а разность потенциалов применяется к магнитному, гравитационному и электрическому полям.
Напряжение на выводах блока питания, как правило, отличается от ЭДС источника. Это связано с наличием внутреннего сопротивления источника (электролита и электродов, обмоток генератора). Формула, связывающая разность потенциалов и ЭДС источника тока, имеет вид U = E-Ir. В этом выражении:
- U — напряжение на выводах истока;
- r — внутреннее сопротивление источника;
- I — ток в цепи.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: электродвижущая сила, внутреннее сопротивление источника тока, закон Ома для полной электрической цепи.
До сих пор при изучении электрического тока мы рассматривали направленное движение свободных зарядов во внешней цепи
, то есть в проводниках, подсоединённых к клеммам источника тока.
Как мы знаем, положительный заряд :
• уходит во внешнюю цепь с положительной клеммы источника;
• перемещается во внешней цепи под действием стационарного электрического поля, создаваемого другими движущимися зарядами;
• приходит на отрицательную клемму источника, завершая свой путь во внешней цепи.
Режимы работы тестера
Работа мультиметра и его режимы регулируются переключателем. Его верхнее вертикальное положение означает, что устройство выключено. Разворот в любом другом направлении указывает на смену режима и обозначается следующим образом:
DCV или V с прямой линией отображает значение постоянного напряжения;- ACV или V с волной указывает на то, что измеряется напряжение переменного тока;
- Ω — символы этого типа обозначают сопротивление;
- А с прямой линией или сочетанием букв DCA — это показатель постоянного тока (ампер);
- А волной это говорит о том, что мультиметр измеряет силу переменного тока, не во всех приборах она есть;
- знак, обозначающий диод, говорит о том, что диоды могут звучать;
- hFE показывает, что можно измерить характеристики транзисторов.
Все результаты отображаются на экране тестера в секундах, с точностью до сотых долей, сообщая значение выбранного показателя.
Обозначение переменного тока на любом мультиметре можно посмотреть в виде символов AC (переменный ток). Следовательно, ACA — это мощность переменного тока, ACV — это напряжение переменного тока. Это ток, который меняет направление движения огромное, но постоянное количество раз за 1 секунду. В домашних сетях частота изменения 50 Гц.
ЭДС в быту и единицы измерения
Другие примеры можно найти в практической жизни любого обычного человека. В эту категорию попадают привычные вещи, такие как маленькие батарейки и другие миниатюрные батарейки. В этом случае рабочая ЭДС образуется за счет химических процессов, происходящих в источниках постоянного напряжения.
Когда это происходит на выводах (полюсах) аккумулятора из-за внутренних изменений, элемент полностью готов к работе. Со временем ЭДС немного уменьшается, а внутреннее сопротивление значительно увеличивается.
В результате, если вы измеряете напряжение на неподключенной батарее пальца, вы увидите 1,5 В (или около того) в норме, но когда к батарее подключена нагрузка, скажем, вы установили ее в какое-то устройство — это не работает.
Почему? Потому что если предположить, что внутреннее сопротивление вольтметра во много раз превышает внутреннее сопротивление аккумулятора, то вы измерили его ЭДС. Когда аккумулятор начал подавать ток в нагрузку, на его выводах стало не 1,5 В, а, например, 1,2 В — прибору не хватает напряжения или тока для нормальной работы. Именно эти 0,3В попали на внутреннее сопротивление гальванического элемента. Если батарея очень старая и ее электроды разрушены, на клеммах батареи может отсутствовать электродвижущая сила или напряжение, например ноль.
Закон Ома для полной цепи
После сокращения на получаем:
Вот мы и нашли ток в цепи:
Формула (4) называется законом Ома для полной цепи
.
Из-за малости внутреннего сопротивления ток короткого замыкания может быть весьма большим. Например, пальчиковая батарейка разогревается при этом так, что обжигает руки.
Зная силу тока (формула (4) ), мы можем найти напряжение на резисторе с помощью закона Ома для участка цепи:
Это напряжение является разностью потенциалов между точками и (рис. 2 ). Потенциал точки равен потенциалу положительной клеммы источника; потенциал точки равен потенциалу отрицательной клеммы. Поэтому напряжение (5) называется также напряжением на клеммах источника
.
Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то вольтметр, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС
.
Электромагнитная индукция (самоиндукция)
Начнем с электромагнитной индукции. Это явление описывает закон электромагнитной индукции Фарадея. Физическое значение этого явления — способность электромагнитного поля индуцировать электромагнитное поле в соседнем проводнике. В этом случае либо поле должно изменяться, например, по величине и направлению векторов, либо двигаться относительно проводника, либо проводник должен смещаться относительно этого поля. В этом случае на концах проводника возникает разность потенциалов
Есть еще одно похожее по смыслу явление — взаимоиндукция. Поскольку изменение направления и силы тока в катушке индуцирует ЭДС на выводах соседней катушки, он широко используется в различных областях техники, включая электрические и электронные. Это основа работы трансформаторов, в которых магнитный поток одной обмотки индуцирует ток и напряжение во второй.
В электронике физический эффект, называемый ЭДС, используется при производстве специальных преобразователей переменного тока, которые обеспечивают желаемые значения действующих значений (тока и напряжения). Благодаря явлениям индукции и самоиндукции инженеры смогли разработать множество электрических устройств: от обычного индуктора (дросселя) до трансформатора.
Понятие взаимной индукции применимо только к переменному току, во время протекания которого в цепи или проводнике изменяется магнитный поток.
Для электрического тока постоянного направления характерны и другие проявления этой силы, например, разность потенциалов на полюсах гальванического элемента, о которой мы поговорим позже.
Что такое напряжение?
Существует разница в электрических состояниях на полюсах (клеммах) источника. На отрицательном полюсе имеется избыток электронов и нехватка электронов на положительном. В замкнутой цепи тока электроны движутся от отрицательной половины к положительной половине через проводники и приборы. Разность электрических потенциалов называется электрическим напряжением . Электрическое напряжение равно количеству работ, выполняемых электрической силой при перемещении заряда из одной точки поля в другую и этой зарядке. Электрическое напряжение измеряется вольтах . Измеритель напряжения называется вольтметром.
В чем разница между электродвижущей силой (ЭДС) и напряжением
Напряжение — это следствие прохождения электрического тока по цепи. Это происходит в областях с сопротивлением на пути электрического тока. Любая материя имеет сопротивление (кроме сверхпроводников), поэтому на всем пути электрический ток имеет напряжение, которое толкает его по цепи. Где-то больше, где-то меньше, это зависит от силы конкретного участка.
Электродвижущая сила (ЭДС) — это сила, которая перемещает заряды в замкнутой цепи.
Возьмем пример по аналогии с замкнутой схемой.
Подаем воду по трубе. Это создаст давление на стенки трубы. И откуда это давление? Из воды? Нет. Это давление — часть головки, которая перемещает воду по трубке. А давление — это ЭДС. Напряжение в этом примере — это давление на стенки трубы. То есть вода сама по себе не потечет по трубе, если нет давления. И давление в трубке не поднимется, если давления нет. Конечно, в этом примере не все так точно, но он позволяет гораздо легче понять суть.
Сумма всех напряжений в цепи = ЭДС. Это второй закон Кирхгофа. Электродвижущая сила является причиной движения электронов по цепи.
В ЭДС внешние силы (химические реакции, солнечная энергия, механическая работа и т.д.) действительно работают, перемещая заряд по замкнутой цепи от отрицательного к положительному потенциалу. Проще говоря, ЭМП — это объект для выработки электроэнергии.
А напряжение — это часть ЭДС в замкнутых участках цепи. Напряжение, в отличие от ЭДС, выполняет электрическую работу по перемещению зарядов по цепи. Например, при последовательном подключении он везде может быть разным. И это, видимо, связано с тем, что на пути электронов есть препятствия. И чем сильнее это препятствие, тем больше поле должно затратить энергии на перемещение заряда.
То есть от электрического тока и сопротивления зависит, какое падение напряжения (часть ЭДС) будет на нагрузке: U = RI.
А ЭДС, в свою очередь, является источником всех напряжений в цепи. Без ЭДС нет и электрического тока. А также напряжение.
Проще говоря, ЭДС равномерно распределяется по электрической цепи в виде напряжения, когда цепь замкнута. Когда цепь не замкнута, в ней нет напряжения. Напряжение выполняет только электрическую работу по перемещению зарядов по цепи. Но без замыкания цепи нет напряжения.
Само напряжение невозможно измерить, не замкнув цепь. Невозможно измерить незамкнутый источник вольтметром или мультиметром. Просто потому, что прибор замыкает цепь и измеряет ток, протекающий по ней. Этот ток умножается на выбранный шунт (сопротивление), и получается измеренное напряжение.
Здесь нет противоречия. Разность потенциалов источника (ЭДС) перемещает заряды по цепи. Эта работа распределяется по всем участкам схемы в зависимости от сопротивлений. И только когда цепь замкнута и электроны могут идти по цепи (им есть куда идти) — напряжение возрастает. Поэтому измерить напряжение без замыкания цепи невозможно. И также теоретически невозможно рассчитать напряжение без замыкания цепи. Чтобы узнать напряжение, нужно знать мощность или силу тока. Данные о силе тока или мощности можно найти только после замыкания цепи тоже теоретически.
Почему же тогда на батареях или аккумуляторах, или в любом другом источнике указывается напряжение, а не ЭДС? Дело в том, что в идеальном источнике нет внутреннего сопротивления. Внутреннее сопротивление может быть контактами, материалами, химическими реакциями, реакциями.
А поскольку они обладают сопротивлением, когда через них протекает электрический ток, на них появляется напряжение. Следовательно, в вольтах на клеммах источника тока это называется напряжением, а не электродвижущей силой.
Только сверхпроводники могут иметь практически нулевое сопротивление.
Такое смешение понятий часто вводит в заблуждение, например: «Если напряжение является следствием прохождения тока, то почему напряжение является причиной движения зарядов?» Причина прохождения электрического тока в цепи — ЭДС. Следствием прохождения тока по цепи в гостиничных зонах является возникновение напряжения. Напряжение всей цепи равно ЭДС.
Например, электродвижущая сила батареи составляет 4,88 В, а напряжение на ее выводах составляет 4,85 В. Стоит ли использовать значения электродвижущей силы, если на клеммах источника все еще остается небольшой процент вольт?
В быту не принято употреблять термин ЭДС, в этом нет необходимости. Но если вы проектируете схемы, собираете их или паяете, сопротивление блока питания — очень важный параметр. Регулировка сопротивления влияет на всю работу схемы. И это касается не только блоков питания, но и всей аналоговой и цифровой техники.
Теория относительности и напряжение
Допустим, есть три шара.
Один из них заряжается +15 В, второй + 5 В и третий 0. Какой из них будет более положительным, а какой — отрицательным? Вся материя состоит из молекул. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов.
Атомы имеют разные свойства, но у каждого есть протон и электрон, и почти все они имеют нейтрон в дополнение к вышеупомянутому. Что определяет заряд атома? Это компенсация зарядов электронов и протонов. Электрон — это минус, а протон — плюс. Если электронов не хватает, атом заряжен положительно, если избыток — отрицательно. Почему это происходит? Это результат физических свойств атомов, окружающей среды и взаимодействия с другими материалами. Например, валентные электроны могут покидать атомы, делая их положительными.
Третий шар, который является нейтральным (с компенсацией протонов и электронов), будет отрицательным по отношению к первым двум. Потому что по сравнению с этими шарами у этого шара больше электронов. Позитивные люди склонны принимать это и тянутся к нему. А как насчет двух положительных шариков? Кто менее позитивен, становится негативным. Если вычесть значение второго шара из остальных, получится следующая ситуация: первый шар имеет + 10В, второй — 0В, а третий — -5В.
По сравнению с первым шаром, два других стали отрицательными, и разность потенциалов увеличилась. Следовательно, если два тела заряжены положительно (или отрицательно) с разницей, они могут быть противоположны друг другу.
Это не противоречит закону Кулона. Два положительных (или отрицательных) шара отталкиваются друг от друга при одинаковом заряде. То есть, если есть два шара + 5V и + 5V, они начнут отталкивать друг друга, но если у них + 4V и + 5V, они начнут притягиваться, пока не компенсируют друг другу заряды одинакового значения (+ 4,5 В). Однако по сравнению с 0 положительно заряженные тела остаются.
Практика
Мы уже упомянули о том, что в быту электрическое поле проявляется, когда вы снимаете шерстяную или синтетическую одежду с себя и проскакивают искорки между волосами и шерстью, когда натрете пластиковую линейку и проведете над мелкими бумажками, а они притягиваются и прочее. Но это не является нормальными техническими примерами.
В проводниках малейшее ЭП вызывает движение носителей зарядов и их перераспределение. В диэлектриках, так как ширина запрещенной зоны в этих веществах большая, ЭП вызовет движение носителей зарядов только в случае пробоя диэлектрика. В полупроводниках действие находится между диэлектриком и проводником, но нужно преодолеть небольшую ширину запрещенной зоны, передав энергию порядка 0.3…0.7 эВ (для германия и кремния).
Из того, что есть в каждом доме – это электронные бытовые приборы, в том числе и блоки питания. В них есть важная деталь, которая работает благодаря электрическому полю – это конденсатор. В нём заряды удерживаются на обкладках, разделенных диэлектриком, как раз таки благодаря работе электрического поля. На картинке ниже вы видите условное изображение зарядов на обкладках конденсатора.
Другое применение в электротехнике — это полевые транзисторы или МДП-транзисторы. В их названии уже упоминается принцип действия. В них принцип работы основан на изменении проводимости СТОК-ИСТОК под воздействием на полупроводник поперечного электрического поля, а в МДП (МОП, MOSFET – одно и то же) и вовсе затвор отделен диэлектрическим слоем (окислом) от проводящего канала, так что влияние токов ЗАТВОР-ИСТОК невозможно по определению.
Другое применение уже отошедшее в быту, но еще «живое» в промышленной и лабораторной технике – электроннолучевые трубки (ЭЛТ или т.н. кинескопы). Где одним из вариантов устройства для перемещения луча по экрану является электростатическая отклоняющая система.
Если рассказать простым языком, то есть пушка, которая излучает (эмитирует) электроны. Есть система, которая отклоняет этот электрон в нужную точку на экране, для получения необходимого изображения. Напряжение прикладывается к пластинам, а на эмитированный летящий электрон воздействуют кулоновские силы, соответственно и электрическое поле. Все описанное происходит в вакууме. Тогда к пластинам прикладывают высокое напряжение, а для его формирования устанавливают трансформатор строчной развертки и обратноходовой преобразователь.
На видео ниже кратко и понятно объясняется, что такое электрическое поле и какими свойствами обладает этот особый вид материи:
Главные отличия ЭДС от напряжения
Электродвижущая сила называется напряжением, которое, согласно ее определению, является отношением работы внешних сил по отношению к передаче положительного заряда непосредственно к самому значению этого заряда. Напряжение, в свою очередь, уже является соотношением между работой электрического поля по отношению к передаче так называемого электрического заряда. Так, например, если в вашем автомобиле есть аккумулятор, его ЭДС всегда будет 13 Вольт. Что ж, если к вышеупомянутому прибору с включенными фарами еще подключить вольтметр, прибор, предназначенный для измерения напряжения, последний показатель окажется намного ниже 13 Вт. Эта тенденция, возможно, немного странная, связана с тем, что Дело в том, что в аккумуляторе, как внешние силы, воспринимается действие химической реакции. При этом в автомобиле предусмотрен и генератор, который вырабатывает простой электрический ток при работающем двигателе.
В свете вышесказанного можно говорить об основных отличительных особенностях ЭДС и напряжения:
- ЭДС будет зависеть от самого источника. Ну а если говорить о напряжении, то его показатель напрямую зависит от того, какое соединение и какой ток сейчас течет по цепи.
- ЭДС — это физическая величина, необходимая для характеристики работы некулоновских сил, а напряжение характеризует работу тока по отношению к движению заряда последним.
- Эти концепции также различаются, потому что электродвижущая сила предназначена для магнитной индукции, в то время как напряжение чаще используется по отношению к постоянному току.
КПД электрической цепи
Нетрудно понять, почему резистор называется полезной нагрузкой. Представьте себе, что это лампочка. Теплота, выделяющаяся на лампочке, является полезной
, так как благодаря этой теплоте лампочка выполняет своё предназначение — даёт свет.
Некоторое количество теплоты выделяется также на источнике тока:
Полное количество теплоты, которое выделяется в цепи, равно:
КПД электрической цепи
— это отношение полезного тепла к полному:
Как определить значение переменного напряжения в сети
Важным моментом при определении переменного напряжения является то, что щупы мультиметра подключены параллельно измеряемому устройству. Это связано с тем, что само напряжение представляет собой разность потенциалов между двумя точками.
можно использовать тот же принцип, что и в случае переменного тока. Отрегулируйте диапазон значений от максимума до минимума, не забывая о положении датчиков.
Например, вы можете использовать стандартную батарею для измерения переменного напряжения. Переключатель установлен в соответствующий режим, интервал выставлен. В этом случае щупы касаются батареи параллельно с обеих сторон. И сразу видно, как на экране отображается значение напряжения исследуемого элемента.
С постоянным напряжением ситуация такая же, только нужно не забыть перевести переключатель в правильный режим.
Вне зависимости от модели и специфики работы мультиметра важно соблюдать правила пожарной безопасности, правильно обращаться с электрическими приборами, не подвергая опасности свое здоровье.
Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии
Для поддержания электрического тока в проводнике требуется внешний источник питания, который непрерывно создает разность потенциалов между концами этого проводника. Такие источники энергии называются источниками электрической энергии (или источниками тока). Источники электрической энергии обладают определенной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС), которая создает и поддерживает разность потенциалов между концами проводника в течение длительного времени.
Иногда говорят, что ЭДС создает в цепи электрический ток. Необходимо помнить об условности такого определения, поскольку выше мы уже установили, что причиной появления и существования электрического тока является электрическое поле.
Источник электроэнергии выполняет некоторую работу, перемещая электрические заряды через весь замкнутый контур. За единицу измерения электродвижущей силы принимается вольт (сокращенно вольт обозначается буквой B или V — латинское «ve»). ЭДС источника электроэнергии равна одному вольту, если при движении кулона электричества по всему замкнутому контуру источник электроэнергии выполняет работу, равную одному джоулю:
Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии.
На практике для измерения ЭДС используются как большие, так и меньшие единицы, а именно:
- 1 киловольт (кВ, кВ) равен 1000 В;
- 1 милливольт (мВ, мВ), равный одной тысячной вольта (10-3 В),
- 1 микровольт (мкВ, мкВ), равный одной миллионной вольта (10-6 В).
Очевидно, 1 кВ = 1000 В; 1 В = 1000 мВ = 1.000.000 мкВ; 1 мВ = 1000 мкВ.
В настоящее время существует несколько типов источников электроэнергии. Впервые в качестве источника электричества использовалась гальваническая батарея, состоящая из нескольких кружков из цинка и меди, между которыми помещалась кожа, пропитанная подкисленной водой. В гальванической батарее химическая энергия была преобразована в электрическую (подробнее об этом в главе XVI). Гальваническая батарея получила свое название от итальянского физиолога Луиджи Гальвани (1737-1798), одного из основоположников теории электричества.
Многочисленные эксперименты по совершенствованию и практическому использованию гальванических батарей проводил русский ученый Василий Владимирович Петров. В начале прошлого века он создал самую большую гальваническую батарею в мире и использовал ее для серии блестящих экспериментов. Источники электрической энергии, работающие по принципу преобразования химической энергии в электрическую, называются химическими источниками электрической энергии.
Другой важный источник электроэнергии, широко используемый в электротехнике и радиотехнике, — это генератор. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую. В химических источниках электроэнергии и генераторах электродвижущая сила проявляется таким же образом, создавая разность потенциалов на выводах источника и сохраняя ее в течение длительного времени.
Эти клеммы называются полюсами источника электрической энергии. Один полюс источника электрической энергии имеет положительный потенциал (отсутствие электронов), обозначается знаком плюс (+) и называется положительным полюсом.
Другой полюс имеет отрицательный потенциал (избыток электронов), обозначенный знаком минус (-), и называется отрицательным полюсом. От источников электрической энергии электрическая энергия передается по проводам к своим потребителям (электрические лампы, электродвигатели, электрические дуги, электронагревательные устройства и т.д.).
Резюме
- Количество, адекватно представляющее генератор как элемент электрической цепи и количественно характеризующее его способность поддерживать ток в цепи и преобразовывать другие формы энергии в электрическую, называется электродвижущей силой. Для того чтобы источник имел разность потенциалов полюса, электроны должны «перемещаться» от одного полюса к другому, т. Е. Требуется операция разделения заряда. Работа, выполняемая на блоке заряда внешней силой путем деления зарядов на источнике электрического тока, называется электродвижущей силой. Электродвижущая сила (ЭДС) имеет размер напряжения (единица напряжения) и также называется внутренним напряжением источника (U0). Электродвижущая сила того же размера, что и разность потенциалов между положительным и отрицательным соединениями генератора, когда он находится в режиме ожидания.
- Разность потенциалов между двумя точками электрического поля называется напряжением, а единица также равна напряжению. Электрическое напряжение является причиной потока электронов в электрической цепи на (-) отрицательный полюс с избытком электронов на (+) положительный полюс с электронным дефектом — электроны движутся от (-) половины до (+) полюса ,
Элементы корпуса
Поскольку цифровые модели становятся все более востребованными, основные обозначения и характеристики мультиметров будут рассмотрены именно на их примере.
Они оснащены жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаются измеренные значения. Чуть ниже находится переключатель, вращающийся вокруг своей оси. Указывает выбранный тип и диапазон измерения.
к гнездам на корпусе мультиметра подключаются 2 щупа с проводами: красный или положительный, черный или отрицательный.
Отрицательный щуп всегда подключается к разъему с надписью «земля» или «COM». Плюс подключается к любому другому разъему.
Следует отметить, что разъемов может быть 2, 3 или 4. Их количество зависит от модели и производителя. Однако даже в таких мультиметрах может меняться гнездо для подключения только положительного щупа, отрицательный остается на прежнем месте.
Что собой представляет ЭДС и почему его часто путают с напряжением?
ЭДС, или электродвижущая сила, как ее обычно называют во многих учебниках, — это физическая величина, которая характеризует работу любых внешних сил, присутствующих в источниках постоянного или переменного тока. Если мы говорим о замкнутой проводящей цепи, то следует отметить, что в этом случае ЭДС будет равна работе сил по перемещению одиночного положительного заряда по указанной выше цепи. Электродвижущая сила и напряжение путают — не без причины. Как известно, эти два понятия сегодня измеряются в вольтах. При этом можно говорить об ЭДС в любой части цели, потому что на самом деле это особая работа внешних сил, которые действуют не во всей цепи, а только в какой-то конкретной области.
Особого внимания с вашей стороны заслуживает тот факт, что ЭДС гальванического элемента предполагает работу внешних сил, работающих при перемещении одиночного положительного заряда от одного полюса к совершенно другому. Работа этих внешних сил напрямую зависит от формы траектории, но не может быть выражена через разность потенциалов. Последнее связано с тем, что внешние силы не являются потенциальными. Несмотря на то, что напряжение — одно из самых простых понятий, многие потребители не до конца понимают, что это такое. Если вы этого тоже не понимаете, мы считаем необходимым привести вам несколько примеров.
Возьмем для наглядности обычный резервуар для воды. Из такой емкости должна будет выйти обычная труба. Следовательно, высота водяного столба или давление, простыми словами, будет представлять напряжение, в то время как поток воды будет электрическим током. Ввиду вышеизложенного, чем больше воды подается в резервуар, тем выше его давление и напряжение соответственно.
Сторонняя сила
Тем не менее, ток по цепи идёт; стало быть, имеется сила, «протаскивающая» заряд сквозь источник вопреки противодействию электрического поля клемм (рис. 1 ).
Рис. 1. Сторонняя сила
Эта сила называется сторонней силой
; именно благодаря ей и функционирует источник тока. Сторонняя сила не имеет отношения к стационарному электрическому полю — у неё, как говорят,
неэлектрическое
происхождение; в батарейках, например, она возникает благодаря протеканию соответствующих химических реакций.
Обозначим через работу сторонней силы по перемещению положительного заряда q внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной. Эта работа положительна, так как направление сторонней силы совпадает с направлением перемещения заряда. Работа сторонней силы называется также работой источника тока
.
Во внешней цепи сторонняя сила отсутствует, так что работа сторонней силы по перемещению заряда во внешней цепи равна нулю. Поэтому работа сторонней силы по перемещению заряда вокруг всей цепи сводится к работе по перемещению этого заряда только лишь внутри источника тока. Таким образом, — это также работа сторонней силы по перемещению заряда по всей цепи
.
Мы видим, что сторонняя сила является непотенциальной — её работа при перемещении заряда по замкнутому пути не равна нулю. Именно эта непотенциальность и обеспечивает циркулирование электрического тока; потенциальное электрическое поле, как мы уже говорили ранее, не может поддерживать постоянный ток.
Данная величина называется электродвижущей силой
(ЭДС) источника тока. Как видим, ЭДС измеряется в вольтах (В), поэтому название «электродвижущая сила» является крайне неудачным. Но оно давно укоренилось, так что приходится смириться.
Когда вы видите надпись на батарейке: «1,5 В», то знайте, что это именно ЭДС. Равна ли эта величина напряжению, которое создаёт батарейка во внешней цепи? Оказывается, нет! Сейчас мы поймём, почему.
Последовательность подключения
важно отметить, что при начале измерения уровня переменного тока совсем не обязательно соблюдать полярность подключения щупов. Если его значение отрицательное, перед числами на экране появится знак «минус».
Ставим переключатель мультиметра, измеряющего этот показатель, в соответствующее положение и выставляем диапазон измерения.
К выбору пределов измерений следует подходить как можно более ответственно. Если измеряемый ток значительно превышает выбранный диапазон, это может вызвать перегорание предохранителя или, что еще хуже, всего мультиметра.
Обратите внимание на выбор разъема (гнезда). Ниже должно быть максимальное значение силы тока, которую вы хотите измерить. 10 А означает, что измеряется ток до 10 А (довольно большой).
Для настройки процесса измерения сначала установите переключатель на максимально допустимый диапазон значений, вставьте штекеры щупа в розетки. Также при необходимости снизьте уровень.
Для измерения силы переменного или постоянного тока мультиметр необходимо подключить в цепь последовательно с нагрузкой (фонариком, лампой, кулером, радиосхемой и т.д.). Это основное правило для всех электроизмерительных приборов. То есть для измерения тока мультиметр включают «в разрыв» цепи.
Подводим ИТОГИ:
Что такое электродвижущая сила (ЭДС)- это физическая величина, которая характеризует работу сторонних сил в источниках тока (батарейки, генераторы и т.д). ЭДС показывает нам работу источника тока по переносу заряду через всю цепь.
А напряжение показывает нам работу по переносу заряда на участке цепи.
Что такое напряжение простыми словами — это внешняя сила, которая перемещает наш с вами шарик в показанном примере выше.
А в электричестве — это сила, которая перемещает электроны от одного атома к другому.
Приведу ещё один пример, что такое электрическое напряжение :
Представьте, что вы можете поднять камень весом 50 кг, т.е Ваша подъёмная сила равна 50 кг (в электричестве это электродвижущая сила). Идетё вы и на пути у вас лежит камень массой 20 кг, вы берёте его и несёте 10 метров. Вы затратили определённую энергию по переносу этого камня (в электричестве это — напряжение). Следующий камень уже весит 40 кг и чтобы его перенести из одной точки в другую вы затратите больше энергии, чем затратили по переносу камня весом 20 кг. Подъёмная сила (в электричестве-это ЭДС) у Вас всегда одна, но в зависимости от веса камня вы всегда тратите разное количество энергии (в электричестве — это напряжение). Т.е. на каждом отрезке пути у Вас разное напряжение.
Надеюсь вы поняли, что такое электрическое напряжение!
От электростатики к электрокинетике
В конце 18 — начале 19 веков работы таких ученых, как Кулон, Лагранж и Пуассон, заложили математическую основу для определения электростатических величин. Прогресс в понимании электричества на этом историческом этапе очевиден. Франклин уже ввел понятие «количество электрического вещества», но пока ни он, ни его последователи не смогли его измерить.
После экспериментов Гальвани Вольта попытался найти доказательства того, что «гальванические жидкости» животного имеют ту же природу, что и статическое электричество. В своем поиске истины он обнаружил, что, когда два электрода из разных металлов контактируют через электролит, они оба заряжаются и остаются заряженными, несмотря на то, что цепь замыкается нагрузкой. Это явление не соответствовало существующим представлениям об электричестве, потому что электростатические заряды в этом случае должны были рекомбинировать.
Вольта ввел новое определение силы, действующей в направлении разделения зарядов и удержания их в этом состоянии. Он назвал это электромотором. Такое объяснение для описания работы батареи не соответствовало теоретическим основам физики того времени. В кулоновской парадигме первой трети XIX века и др. с. Вольта определялась способностью одних тел вырабатывать электричество в других.
Важнейший вклад в объяснение работы электрических цепей внес Ом. Результаты серии экспериментов привели его к построению теории электропроводности. Он ввел значение «напряжения» и определил его как разность потенциалов между контактами. Подобно Фурье, который в своей теории различал количество тепла и температуру при теплопередаче, Ом создал модель по аналогии, связывая количество переносимого заряда, напряжение и электрическую проводимость. Закон Ома не противоречил накопленным знаниям об электростатическом электричестве.
Итак, благодаря Максвеллу и Фарадею существующие объяснительные модели получили новую теорию поля. Это позволило разработать концепцию связанной с полем энергии как для статических потенциалов, так и для электродвижущей силы. Основные даты эволюции концепции ЭМП:
- 1800 г. — строительство гальванической батареи Вольта;
- 1826 Ом формулирует свой закон для полной цепи;
- 1831 г. — открытие Фарадеем электромагнитной индукции.
