Что такое электродвижущая сила
Подробно этот вопрос мы рассмотрели в отдельной статье: https://samelectrik.ru/chto-takoe-eds-obyasnenie-prostymi-slovami.html
Под ЭДС понимается физическая величина, характеризующая работу каких-либо сторонних сил, находящихся в источниках питания постоянного или переменного тока. При этом, если имеется замкнутый контур, то можно сказать, что ЭДС равна работе сил по перемещению положительного заряда к отрицательному по замкнутой цепи. Или простыми словами, ЭДС источника тока представляет работу, необходимую для перемещения единичного заряда между полюсами.
При этом если источник тока имеющего бесконечную мощность, а внутреннее сопротивление будет отсутствовать (позиция А на рисунке), то ЭДС можно рассчитать по закону Ома для участка цепи, т.к. напряжение и электродвижущая сила в этом случае равны.
I=U/R,
где U – напряжение, а в рассмотренном примере — ЭДС.
Однако, реальный источник питания имеет конечное внутреннее сопротивление. Поэтому такой расчет нельзя применять на практике. В этом случае для определения ЭДС пользуются формулой для полной цепи.
I=E/(R+r),
где E (также обозначается как «ԑ») — ЭДС; R – сопротивление нагрузки, r – внутреннее сопротивление источника электропитания, I – ток в цепи.
Однако, эта формула не учитывает сопротивление проводников цепи. При этом необходимо понимать, что внутри источника постоянного тока и во внешней цепи, ток течет в разных направлениях. Разница заключается в том, что внутри элемента он течет от минуса к плюсу, то во внешней цепи от плюса к минусу.
Это наглядно представлено на ниже приведенном рисунке:
При этом электродвижущая сила измеряется вольтметром, в случае, когда нет нагрузки, т.е. источник питания работает в режиме холостого хода.
Чтобы найти ЭДС через напряжение и сопротивление нагрузки нужно найти внутреннее сопротивление источника питания, для этого измеряют напряжение дважды при разных токах нагрузки, после чего находят внутреннее сопротивление. Ниже приведен порядок вычисления по формулам, далее R1, R2 — сопротивление нагрузки для первого и второго измерения соответственно, остальные величины аналогично, U1, U2 – напряжения источника на его зажимах под нагрузкой.
Итак, нам известен ток, тогда он равен:
I1=E/(R1+r)
I2=E/(R2+r)
При этом:
R1=U1/I1
R2=U2/I2
Если подставить в первые уравнения, то:
I1=E/( (U1/I1)+r)
I2=E/( (U2/I2)+r)
Теперь разделим левые и правые части друг на друга:
(I1/I2)= [E/( (U1/I1)+r)]/[E/( (U2/I2)+r)]
После вычисления относительно сопротивления источника тока получим:
r=(U1-U2)/(I1-I2)
Внутреннее сопротивление r:
r= (U1+U2)/I,
где U1, U2 — напряжение на зажимах источника при разном токе нагрузки, I — ток в цепи.
Тогда ЭДС равно:
E=I*(R+r) или E=U1+I1*r
Что такое EMF?
Электрически заряженные тела могут быть получены путем отделения электронов от атомов путем потребления какой-либо другой энергии, например. механический, легкий или химический. Такое разделение существует в электрических источниках. Из-за энергетической активности в источнике генерируется ЭДС, что дополнительно вызывает избыток отрицательного заряда (отрицательный полюс) и отсутствие отрицательного заряда (положительный полюс). В электротехнике понятие ЭДС определяет работу, требуемую для разделения носителей заряда в источнике электрического тока, в котором сила, действующая на заряды на концах источника, не является прямым следствием поля. EMF определяется как количество выполненных работ (A) в преобразовании энергии и количество электричества (Q), которое проходит через генератор E = A / Q. Устройство такое же, как и для напряжения (V-вольт). Устройство, которое подает электрическую цепь и производит электродвижущую силу, называется источником электродвижущей силы или более короткой EMS (электродвижущим источником).
Главные отличия ЭДС от напряжения
Электродвижущей силой, называют напряжение, которое согласно своему определению, является отношением работы сторонних сил, касательно перенесению положительного заряда непосредственно к самой величине этого заряда. Напряжением, в свою очередь, считается уже отношение работы электрического поля, касательно перенесения так называемого электрического заряда. Так, к примеру, если в вашем автомобиле предусмотрен аккумулятор, то его ЭДС всегда будет равна 13 Вольтам. Ну а вот если к вышеупомянутому прибору вы при включенных фарах присоедините еще и вольтметр — прибор, предназначающийся для измерения напряжения, то последний показатель окажется гораздо меньшим, чем 13 Вт. Такая, возможно несколько странноватая тенденция, обуславливается тем, что в аккумуляторе, в качестве сторонних сил, воспринимается именно действие химической реакции. При этом, в автомобиле предусмотрен также и генератор, который во время работы двигателя вырабатывает простой электрический ток.
Ввиду вышесказанного, мы и можем говорить об основных отличительных особенностях ЭДС и напряжения:
- ЭДС будет зависеть от самого источника. Ну а вот если говорить мы будет об напряжение, то его показатель, напрямую зависит от того, что подключение и какой ток сейчас течет по цепи.
- ЭДС — это физическая величина, которая нужна для того, чтобы характеризовать работу некулоновских сил, а напряжение характеризует работа тока, касательно перемещения заряда последним.
- Понятия эти являются разными еще и потому что электродвижущая сила, предназначается для магнитной индукции, в то время, как напряжение, чаще всего используется по отношению к постоянному току.
Электрический ток.
Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Носителями заряда, при этом, могут быть электроны, ионы, протоны и дырки. Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. В зависимости от наличия или отсутствия заряженных частиц в веществах, они могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Условно направлением движения тока считается направление от положительно заряженного полюса к отрицательному. На практике направление движения зараженных частиц зависит от знака их заряда: отрицательно заряженные электроны движутся от минуса к плюсу, положительно заряженные ионы – от плюса к минусу.
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. Сила тока обозначается буквой I и измеряется в Амперах (А). Сила тока в 1 А возникает при прохождении через поперечное сечение проводника заряда в 1 К за 1 сек.
Вернемся к примеру, с водой в емкости. Возьмем два резервуара с одинаковым уровнем воды, но разными диаметрами труб на выходе.
Сравним характер вытекания воды из обоих резервуаров: уровень воды в левом баке уменьшается быстрее, чем в правом. Т. е. интенсивность истечения воды зависит от диаметра трубы. Попробуем уравнять два потока: добавим в правый бак воду, таким образом увеличив высоту столба жидкости. Это повысит давление в правом баке и, соответственно, увеличит интенсивность истечения воды. Аналогично и в электрических цепях: с увеличением напряжения тока, увеличивается и его сила. Аналогом диаметра трубы в цепи является электрическое сопротивление проводника.
Приведенные примеры с водой наглядно демонстрируют связь между электрическим током, напряжением тока и сопротивлением.
Что такое напряжение
Электрическое напряжение (обозначается как U) – это физическая величина, которая отражает количественную характеристику работы электрического поля по переносу заряда из точки А в точку В. Соответственно напряжение может быть между двумя точками цепи, но в отличии от ЭДС оно может быть между двумя выводами какого-то из элементов цепи. Напомним, что ЭДС характеризует работу, выполненную сторонними силами, то есть работу самого источника тока или ЭДС по переносу заряда через всю цепь, а не на конкретном элементе.
Это определение можно выразить простым языком. Напряжение источников постоянного тока – это сила, которая перемещает свободные электроны от одного атома к другому в определенном направлении.
Для переменного тока используют следующие понятия:
- мгновенное напряжение — это разность потенциалов между точками в данный промежуток времени;
- амплитудное значение – представляет максимальную величину по модулю мгновенного значения напряжения за промежуток времени;
- среднее значение – постоянная составляющая напряжения;
- среднеквадратичное и средневыпрямленное.
Напряжение участка цепи зависит от материала проводника, сопротивления нагрузки и температуры. Так же как и электродвижущая сила измеряется в Вольтах.
Часто для понимания физического смысла напряжения, его сравнивают с водонапорной башней. Столб воды отождествляют с напряжением, а поток с током.
При этом столб воды в башне постепенно уменьшается, что характеризует понижение напряжения и уменьшения силы тока.
Мощность в активном сопротивлении
Мгновенное значение мощности для цепи с резистором:
Из рисунка видно, что потребляемая резистором мгновенная мощность остается все время положительной, но пульсирует с удвоенной по отношению к силе тока и э. д. с. частотой.
Действующее значение мощности:
Активная мощность в цепи с идеальной катушкой индуктивности и конденсатором равна 0. Реактивная мощность определяется выражением:
Аналогично можно проделать для цепи с идеальным конденсатором:
В произвольной цепи переменного тока потребляемая одновременно активной и реактивной нагрузками суммарная мощность
Но так как , следовательно, . Мы приходим к выводу, что суммарная средняя мощность, потребляемая полной цепью переменного тока, равна активной мощности.
где S — полная мощность, вырабатываемая генератором переменного тока, ВА;
a — сдвиг по фазе между колебаниями э. д. с. и силы тока.
Дополнительно по теме
- История формирования ТОЭ
- Основные понятия электрических цепей
- Электрические цепи постоянного тока
- Пример расчета цепей постоянного тока
- Электрические цепи переменного тока
- Расчет цепей переменного тока
- Символический метод расчета цепей
- Резонансные явления
- Переходные процессы
- Трехфазные цепи
- Симметричные составляющие трехфазной системы
- Нелинейные цепи
- Несинусоидальные токи и напряжения
- Магнитные цепи
Кривые напряжения и тока в активном сопротивлении
Величину переменного напряжения или тока можно оценить значением амплитуды или средним значением за полупериод или действующим значением. При изменении напряжения или тока по закону синуса среднее значение напряжения определяется:
При большой частоте вращения ротора генератора, т. е. при большой частоте колебаний э. д. с. и силы тока, измерять их амплитуды на практике крайне неудобно. По этой причине ввели величины, названные действующими значениями э. д. с, силы тока и напряжения.
Действующим значением силы переменного тока называют силу такого постоянного тока, при прохождении которого по той же цепи и за то же время выделяется такое же количество теплоты, как и при прохождении переменного тока.
откуда
При синусоидальном законе действующие значения тока и напряжения:
Приборы электромагнитной системы, применяемые для измерений напряжений и токов на переменном токе, регистрируют действующие значения. Соответственно градуируются и шкалы этих приборов.
Ток, протекающий через индуктивность L (рис. 7), меняется по закону синуса /’ = Im sin(co/ + у;).
Что такое электричество.
Электричество – это совокупность физических явлений, связанных с возникновением, накоплением, взаимодействием и переносом электрического заряда. По мнению большинства историков науки, первые электрические явления были открыты древнегреческим философом Фалесом в седьмом веке до нашей эры. Фалес наблюдал действие статического электричества: притяжение к натертому шерстью янтарю легких предметов и частичек. Чтобы повторить этот опыт самостоятельно вам необходимо потереть о шерстяную или хлопковую ткань любой пластиковый предмет (например, ручку или линейку) и поднести его к мелконарезанным кусочкам бумаги.
Первой серьезной научной работой, в которой описаны исследования электрических явлений стал трактат английского ученого Уильяма Гилберта «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» изданный в 1600 г. В этой работе автор описал результаты своих опытов с магнитами и наэлектризованными телами. Здесь же впервые упоминается термин электричество.
Исследования У. Гилберта дали серьезный толчок развитию науки об электричестве и магнетизме: за период с начала 17 до конца 19 века было проведено большое количество экспериментов и сформулированы основные законы, описывающие электромагнитные явления. А в 1897 году английский физик Джозеф Томсон открыл электрон – элементарную заряженную частицу, которая определяет электрические и магнитные свойства вещества. Электрон (на древнегреческом языке электрон – это янтарь) имеет отрицательный заряд примерно равный 1,602*10-19 Кл (Кулона) и массу равную 9,109*10-31 кг. Благодаря электронам и другим заряженным частицам происходят электрические и магнитные процессы в веществах.
