Электродвижущая сила — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, то есть любых сил неэлектрического происхождения, действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.
Электродвижущая сила измеряется в вольтах.
Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы не потенциальны и их работа зависит от формы траектории.
Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называется электромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением:
где
ф — поток магнитного поля через замкнутую поверхность S, ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре.
Мощность, отдаваемая источником энергии во внешнюю цепь, является полезной мощностью , а мощность, получаемая им извне (от источника энергии механической, химической и т. д.) — потребляемой . Приемник электрической энергии, потребляя энергию из сети источника электрической энергии, преобразует ее в энергию другого вида — механическую, тепловую и т. д.
Для оценки свойств преобразователя энергии (источника или приемника электрической энергии) служит коэффициент полезного действия, равный отношению полезной мощности источника или приемника энергии к мощности, потребляемой им .
Мощность, отдаваемая источником электрической энергии во внешнюю цепь (полезная мощность), равна произведению напряжения на его зажимах на силу тока в цепи, т. е. =UI.
Изложить сущность преобразования электрической энергии в другие виды энергии, объяснить количественное выражение энергии при нагревании проводника электрическим током, сформулировать закон Джоуля — Ленца.
Закон Джоуля – Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Закон установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем.
Закон: Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля.
Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах: Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.
Нагревание проводника электрическим током. Электрический ток, проходящий через проводник, нагревает его. Количество тепла, выделяемое при нагревании, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению, а также времени прохождения тока. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии.
Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников. Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.
Преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Преобразование электрической энергии в другие виды энергии, например в тепловую, механическую или химическую, всегда связано с использованием электрического тока. Для преобразования электрической энергии в механическую служат электромагниты и электродвигатели. Преобразование электрической энергии в магнитную происходит в процессе изменения тока в обмотке электромагнита. Преобразование электрической энергии в тепловую имеет большое практическое значение для создания ламп накаливания, нагревательных приборов и печей.
«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ИСТОЧНИКА ТОКА МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №3.3
для студентов всех специальностей
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ИСТОЧНИКА ТОКА МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ
Определить ЭДС не менее трех неизвестных источников.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
1. Набор источников тока.
2. Нормальный элемент.
Условием движения электрических зарядов в проводнике является наличие в нем электрического поля, которое создается и поддерживается особыми устройствами, получившими название источников тока.
Основной величиной, характеризующей источник тока, является его электродвижущая сила. Электродвижущей силой источника (сокращенно ЭДС) называется скалярная физическая величина – количественная мера способности источника создавать на его зажимах (полюсах) разность потенциалов. Она равна работе сторонних сил по перемещению заряженной частицы с положительным единичным зарядом от одного полюса источника к другому, т.е.
. (1)
В СИ ЭДС измеряется в вольтах (В), т.е. в тех же единицах, что и напряжение.
Сторонние силы источника – это силы, которые осуществляют разделение зарядов в источнике и тем самым создают на его полюсах разность потенциалов. Эти силы могут иметь различную природу, но только не электрическую (отсюда и название).
Если электрическую цепь разделить на два участка – внешний, с сопротивлением R, и внутренний, с сопротивлением r, то ЭДС источника тока окажется равной сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи:
. (2)
По закону Ома напряжение на любом участке цепи определяется величиной протекающего тока и его сопротивлением:
.
Так как , следовательно
, (3)
т.е. напряжение на полюсах источника при замкнутой цепи зависит от соотношения сопротивлений внутреннего и внешнего участков цепи. Если
Два источника ЭДС и x включены навстречу друг другу. Сопротивления R1 и R2 выполнены в виде однородной проволоки, натягиваемой между точками А и В, а точка С определяется скользящим контактом (при необходимости очень высокой точности измерений R1 и R2 представляют собой магазины сопротивлений).
Выберем положительные направления токов, как показано на рис.1, и применим к рассматриваемой схеме правила Кирхгофа. Первое правило для точек А и С дает
(4)
Второе правило для контуров АBCA и АxСА приводит к уравнениям:
(5)
(6)
Эти уравнения вполне определяют все неизвестные токи. Однако мы ограничимся частным случаем и предположим, что сопротивления R1 и R2 подобраны таким образом, что ток Ix в цепи гальванометра G равен 0. В этом случае уравнения (4)-(6) принимают вид
,
Из двух последних уравнений находим
, (7)
где R – полное сопротивление струны, которое не зависит от положения скользящего контакта С.
Предположим теперь, что вместо источника с неизвестной ЭДС x мы включили в схему другой источник н с известной ЭДС и перемещением контакта С, а следовательно, изменением переменных сопротивлений, вновь добились компенсации (I1=0). Для этого вместо сопротивления rx потребовалось ввести сопротивление rн. Тогда
. (8)
Разделив почленно (7) на (8), получим
. (9)
Это равенство и лежит в основе сравнения ЭДС методом компенсации.
Отметим, что отношение сравниваемых ЭДС не зависит от внутренних сопротивлений источников и от других сопротивлений схемы, а определяется только отношением сопротивлений участка цепи, к которому поочередно подключают сравниваемые источники ЭДС. Не требуется знать и ЭДС вспомогательного источника , которая только должна быть достаточно постоянна во время измерения и больше обеих сравниваемых ЭДС ЭДС гальванического элемента Схема соединения приборов изображена на рис.2, где — вспомогательный источник питания; АВ – струна реохорда со скользящим контактом С;
Решение равенства (9) относительно позволяет получить формулу для вычисления ЭДС исследуемого элемента
(10)
Струна АВ является однородным проводником постоянного сечения.
Сопротивления ее участков цепи R1 и R1н (длиной lx и lн соответственно), входящих в (10), можно выразить как