Elektriahelad. Elektromotoorjõud. Valemid, seadused, reeglid, näited TOE kohta Mis on vooluallika elektromotoorjõud

- EMF.
EMF ei ole jõud newtoni mõistes (koguduse õnnetu nimetus, säilinud austusavaldusena traditsioonile).
ε i esineb kui see muutub magnetvoog F läbistades kontuuri.

Lisaks vaata ettekannet "Elektromagnetiline induktsioon", samuti videoid "Elektromagnetiline induktsioon", "Faraday eksperiment", multikaid "Elektromagnetiline induktsioon", "Kaadri pöörlemine magnetväljas (generaator)"

- induktsiooni EMF ahela ühe juhi liikumise ajal (nii et F muutub). Sel juhul juhi pikkus l, liigub kiirusega v muutub jõuallikaks.

- induktsiooni EMF vooluringis, mis pöörleb magnetväljas kiirusega ω.

Muud valemid, kus EMF esineb:

- Ohmi seadus terve vooluringi jaoks. Suletud vooluringis tekitab EMF elektrivoolu I.

Induktsioonivoolu suund määratakse vastavalt reeglitele:
- reegel Lenz- suletud ahelas tekkiv induktsioonvool loendur tegutseb muuta selle voolu põhjustanud magnetvoog;
- magnetväljas liikuva juhi puhul on mõnikord lihtsam reeglit kasutada parem käsi- kui asetate avatud parema käe peopesa nii et sellesse kaasatud magnetvälja jooned IN, A pöial kõrvale torganud kiiruse suund v, See neli sõrme käed osutavad induktsioonivoolu suund I.

- Iseinduktsiooni EMF, kui juhi vool muutub.

Kui laetud kondensaatori poolused on üksteise suhtes suletud, siis selle plaatide vahele kogunenud kondensaatori mõjul algab kondensaatori välisahelas positiivsest poolusest negatiivse suunas laengukandjate - elektronide liikumine. .

Kuid tühjendusprotsessi käigus nõrgeneb liikuvatele laetud osakestele mõjuv väli kiiresti, kuni see täielikult kaob. Seetõttu on tühjendusahelas tekkinud elektrivoolul lühiajaline iseloom ja protsess laguneb kiiresti.

Juhtahelas voolu pikaajaliseks säilitamiseks kasutatakse seadmeid, mida igapäevaelus nimetatakse ebatäpselt (rangelt füüsilises mõttes see nii ei ole). Enamasti on need allikad keemilised patareid.

Neis toimuvate elektrokeemiliste protsesside tõttu kogunevad nende otstesse vastandlikud jõud.Mitteelektrostaatilist laadi jõude, mille mõjul selline laengute jaotus toimub, nimetatakse välisjõududeks.

Järgmine näide aitab mõista vooluallika EMF-i kontseptsiooni olemust.

Kujutage ette juhti elektriväljas, nagu on näidatud alloleval joonisel, st nii, et elektriväli eksisteerib ka selle sees.

On teada, et selle välja mõjul hakkab juhis voolama elektrivool. Nüüd tekib küsimus, mis juhtub laengukandjatega, kui nad jõuavad juhi lõppu ja kas see vool jääb aja jooksul samaks.

Võime kergesti järeldada, et avatud vooluringis kogunevad elektrivälja mõjul juhi otstesse laengud. Sellega seoses ei jää see konstantseks ja elektronide liikumine juhis on väga lühiajaline, nagu on näidatud alloleval joonisel.

Seega selleks, et hoida juhtivas vooluringis konstantset voolu, peab see ahel olema suletud, s.t. olema silmuse kujuline. Kuid isegi see tingimus ei ole voolu säilitamiseks piisav, kuna laeng liigub alati madalama potentsiaali suunas ja elektriväli teeb laengule alati positiivset tööd.

Nüüd, pärast suletud ringi läbimist, kui laeng naaseb alguspunkti, kust ta oma teekonda alustas, peaks potentsiaal selles punktis olema sama, mis oli liikumise alguses. Voolu voolamine on aga alati seotud potentsiaalse energia kadumisega.

Seetõttu vajame ahelasse mingit välist allikat, mille klemmidel hoitakse potentsiaalset erinevust, mis suurendab elektrilaengute liikumise energiat.

Selline allikas võimaldab laengul liikuda madalamalt potentsiaalilt kõrgemale elektronide liikumisele vastupidises suunas elektrostaatilise jõu toimel, mis üritab laengut kõrgemalt potentsiaalilt madalamale lükata.

Seda jõudu, mis põhjustab laengu liikumise madalamalt potentsiaalilt kõrgemale, nimetatakse tavaliselt vooluallikaks – see on füüsikaline parameeter, mis iseloomustab tööd, mis kulub laengute liigutamisele allika sees välisjõudude poolt.

Vooluallika EMF-i tagavate seadmetena, nagu juba mainitud, kasutatakse patareisid, samuti generaatoreid, termoelemente jne.

Nüüd teame, et tänu oma sisemisele emf-ile annab see allika väljundite vahel potentsiaalse erinevuse, aidates kaasa elektronide pidevale liikumisele elektrostaatilisele jõule vastupidises suunas.

Vooluallika EMF, mille valem on toodud allpool, ja potentsiaalide erinevus väljendatakse voltides:

E \u003d A st / Δq,

kus A st on välisjõudude töö, Δq on allika sees liikuv laeng.

Elektrivoolu etteantud väärtuse säilitamiseks juhis on vaja mõnda välist energiaallikat, mis tagaks alati vajaliku potentsiaalide erinevuse selle juhi otstes. Sellised energiaallikad on nn elektrivoolu allikad, millel on mõned antud elektromotoorjõud, mis suudab tekitada ja säilitada potentsiaalset erinevust pikka aega.

Elektromotoorjõud või lühendatud EMF on tähistatud ladina tähega E. Mõõtühik on volt. Seega on elektrivoolu pideva liikumise saavutamiseks juhis vaja elektromotoorjõudu, st elektrivoolu allikat.

Ajalooline viide. Esimene selline vooluallikas elektrotehnikas oli "voltaic kolonn", mis oli valmistatud mitmest vasest ja tsingist ringist, mis olid vooderdatud nõrgas happelahuses leotatud veisenahaga. Seega peetakse kõige lihtsamaks elektromotoorjõu saamise viisiks mitmete ainete ja materjalide keemilist vastasmõju, mille tulemusena keemiline energia muundub elektrienergiaks. Toiteallikaid, milles EMF-i elektromotoorjõud tekitatakse sarnasel meetodil, nimetatakse keemilisteks vooluallikateks.

Tänapäeval kasutatakse elektroonikas ja elektrotehnikas, aga ka elektrienergiatööstuses laialdaselt keemilisi jõuallikaid – akusid ja kõiki võimalikke akutüüpe.

Levinud on ka erinevat tüüpi generaatorid, mis ainsa allikana suudavad varustada tööstusettevõtteid elektrienergiaga, valgustada linnu, opereerida raudtee-, trammi- ja metroosüsteeme.

EMF toimib täpselt samamoodi nii keemiliste allikate kui ka generaatorite puhul. Selle eesmärk on tekitada potentsiaalide erinevus igas toiteallika klemmis ja säilitada seda kogu vajaliku aja. Toiteallika klemme nimetatakse poolusteks. Ühel poolusel tekib alati elektronide puudus, s.t. sellisel poolusel on positiivne laeng ja see on märgistatud " + ”, ja teisalt, vastupidi, tekib vabade elektronide suurenenud kontsentratsioon, s.t. sellel poolusel on negatiivne laeng ja see on tähistatud märgiga " - ».

EMF-i allikaid kasutatakse erinevate seadmete ja seadmete ühendamiseks, mis on elektrienergia tarbijad. Juhtmete abil ühendatakse tarbijad vooluallikate poolustega, nii et saadakse suletud elektriahel. Suletud elektriahelas tekkinud potentsiaalide erinevus on saanud nime ja seda tähistatakse ladina tähega "U". Pingeühik üks volt. Näiteks kanne U = 12 V näitab, et EMF-i allika pinge on 12 V.

Pinge või emf mõõtmiseks kasutatakse spetsiaalset mõõteseadet - .

Kui on vaja teha õigeid EMF-i või toitepinge mõõtmisi, ühendatakse voltmeeter otse postidega. Avatud elektriahela korral näitab voltmeeter EMF-i. Kui vooluahel on suletud, näitab voltmeeter pinge väärtust toiteallika igas klemmis. PS: Vooluallikas arendab alati rohkem EMF-i kui klemmide pinge.

Videotund: EMF

Videotund: Elektromotoorjõud füüsikaõpetajalt

Pinge vooluallika igas klemmis on väiksem kui elektromotoorjõud toiteallika sisetakistusel esineva pingelanguse võrra:

Ideaalsete allikate puhul ei sõltu klemmide pinge vooluhulgast.

Kõigil elektromotoorjõu allikatel on neid iseloomustavad parameetrid: avatud vooluahela pinge U xx, lühisevool ma kz ja sisetakistus (alalisvooluallika jaoks R välim). U xx on pinge, kui allika vool on null. Ideaalsel allikal igal voolul U xx \u003d 0. ma kz on vool nullpingel. Ideaalse pingeallika jaoks on see lõpmatu I kz = ∞. Suhtarvudest määratakse sisetakistus . Kuna pinge ideaalsel pingeallikal on konstantne mis tahes voolu korral ∆U = 0, siis on ka tema sisetakistus nullväärtused.

R ext = ΔU / ΔI \u003d 0;

Positiivse pinge ja voolu korral saadab allikas oma elektrienergia ahelasse ja töötab generaatori režiimis. Vastupidise vooluga saab allikas ahelast elektrienergiat ja töötab vastuvõtja režiimis.

Ideaalse vooluallika korral ei sõltu selle väärtus selle klemmide pinge suurusest: i = konst.

Kuna ideaalse vooluallika vool on muutumatu ∆I = 0, siis on selle sisetakistus võrdne lõpmatusega.

R ext \u003d ΔU / ΔI \u003d ∞

Positiivse pinge ja voolu korral saadab allikas energiat ahelasse ja töötab generaatori režiimis. Vastupidises suunas töötab see vastuvõtja režiimis.

Reaalse elektromotoorjõu allika korral väheneb voolu suurenedes klemmide pinge. Selline CVC vastab võrrandile pinge määramiseks mis tahes vooluväärtusel.

U \u003d U xx - R ext × I,

Kus , arvutatakse valemiga

R ext \u003d ΔU / Δ I≠ 0

Seda saab arvutada ka kaudu U xx Ja ma kz

R vn \u003d U xx / II kz

Kui vooluallikas on ühendatud mis tahes suletud vooluringiga, hakkavad selle ahelaga piiratud ala läbistama välised magnetilised jõujooned. Iga väljastpoolt tuleva jõujoon, mis ületab juhti, indutseerib selles eneseinduktsiooni EMF-i.

>>Füüsika: elektromotoorjõud

Iga vooluallikat iseloomustab elektromotoorjõud või lühidalt EMF. Niisiis, taskulambi ümmarguse patarei peal on kirjutatud: 1,5 V. Mida see tähendab?
Ühendage juhiga kaks metallkuuli, mis kannavad vastupidise märgi laenguid. Nende laengute elektrivälja mõjul tekib juhis elektrivool ( joon.15.7). Kuid see vool on väga lühiajaline. Laengud neutraliseerivad üksteist kiiresti, kuulide potentsiaalid muutuvad samaks ja elektriväli kaob.
Kolmandate osapoolte jõud. Selleks, et vool oleks konstantne, on vaja hoida pallide vahel pidevat pinget. Selleks on vaja seadet praegune allikas), mis liigutaks laenguid ühelt kuulilt teisele kuulide elektriväljast nendele laengutele mõjuvate jõudude suunale vastupidises suunas. Sellises seadmes peavad laenguid lisaks elektrijõududele mõjutama ka mitteelektrostaatilist päritolu jõud ( joon.15.8). Ainult üks laetud osakeste elektriväli ( Coulombi väli) ei suuda ahelas konstantset voolu hoida.

Kõiki elektriliselt laetud osakestele mõjuvaid jõude, välja arvatud elektrostaatilise päritoluga jõud (st Coulombi jõud), nimetatakse välised jõud.
Järeldus väliste jõudude vajadusest konstantse voolu säilitamiseks vooluringis muutub veelgi ilmsemaks, kui pöördume energia jäävuse seaduse poole. Elektrostaatiline väli on potentsiaalne. Selle välja töö selles olevate laetud osakeste liigutamisel mööda suletud elektriahelat on null. Voolu läbimisega juhtide kaudu kaasneb energia vabanemine - juht kuumeneb. Seetõttu peab ahelas olema mingi energiaallikas, mis seda vooluringi varustab. Selles peavad lisaks Coulombi vägedele tegutsema ka kolmandate isikute mittepotentsiaalsed jõud. Nende jõudude töö suletud kontuuril peab erinema nullist. Just nende jõudude toimel omandavad laetud osakesed vooluallika sees energiat ja annavad selle seejärel elektriahela juhtidele.
Kolmandate osapoolte jõud panevad liikuma laetud osakesed kõigis vooluallikates: elektrijaamade generaatorites, galvaanilistes elementides, akudes jne.
Kui ahel on suletud, tekib elektriväli kõigis ahela juhtides. Vooluallika sees liiguvad laengud mõjul välised jõud vs Coulombi jõud(elektronid positiivselt laetud elektroodist negatiivsele) ja välises vooluringis pannakse need liikuma elektrivälja toimel (vt joonis 1). joon.15.8).
Kõrvaliste jõudude olemus. Väliste jõudude olemus võib olla erinev. Elektrijaamade generaatorites on välisjõud jõud, mis mõjuvad magnetväljast liikuvas juhis elektronidele.
Galvaanielemendis, näiteks Volta elemendis, toimivad keemilised jõud. Volta element koosneb tsink- ja vaskelektroodidest, mis on asetatud väävelhappe lahusesse. Keemilised jõud põhjustavad tsingi lahustumist happes. Positiivselt laetud tsingiioonid liiguvad lahusesse ja tsingi elektrood ise saab negatiivse laengu. (Vask lahustub väävelhappes väga vähe.) Tsingi- ja vaseelektroodide vahel ilmneb potentsiaalide erinevus, mis määrab suletud elektriahela voolu.
Väliste jõudude toimet iseloomustab oluline füüsikaline suurus nn elektromotoorjõud(lühendatult EMF).
Vooluallika elektromotoorjõud on võrdne välisjõudude töö suhtega, kui laengut liigutatakse mööda suletud ahelat, selle laengu väärtuseni:

Elektromotoorjõudu, nagu ka pinget, väljendatakse voltides.
Samuti võime rääkida elektromotoorjõust ahela mis tahes osas. See on välisjõudude spetsiifiline töö (ühiklaengu liigutamise töö) mitte kogu vooluringis, vaid ainult selles piirkonnas. Galvaanielemendi elektromotoorjõud on väärtus, mis on arvuliselt võrdne välisjõudude tööga elemendi sees ühikulise positiivse laengu liigutamisel ühelt pooluselt teisele. Välisjõudude tööd ei saa väljendada potentsiaalide vahega, kuna välisjõud on mittepotentsiaalsed ja nende töö sõltub laengu trajektoori kujust. Nii on näiteks välisjõudude töö laengu liigutamisel vooluallika klemmide vahel väljaspool allikat ennast võrdne nulliga.
Nüüd teate, mis on EMF. Kui akule on kirjutatud 1,5 V, siis see tähendab, et kolmanda osapoole jõud (antud juhul keemilised) teevad 1,5 J tööd aku 1 C laengu teisaldamisel ühelt aku poolilt teisele. Alalisvoolu ei saa suletud ahelas eksisteerida, kui selles ei mõju välised jõud, see tähendab, et puudub EMF.

???
1. Miks ei suuda laetud osakeste elektriväli (Coulombi väli) säilitada konstantset elektrivoolu ahelas?
2. Milliseid jõude nimetatakse tavaliselt kolmandateks osapoolteks?
3. Mida nimetatakse elektromotoorjõuks?

G.Ja.Mjakišev, B.B.Buhhovtsev, N.N.Sotski, füüsika 10. klass

Veebiraamatukogu füüsika õpikute ja raamatutega, kõigi ainete tunniplaanid, füüsika ülesanded 10. klassile

Kui teil on selle õppetüki jaoks parandusi või ettepanekuid,

EMF. Numbriliselt mõõdetakse elektromotoorjõudu tööga, mida elektrienergia allikas teeb ühe positiivse laengu ülekandmisel suletud ahelas. Kui energiaallikas, teeb tööd A, tagab ülekande kogu suletud laadimisahelas q, siis selle elektromotoorjõud ( E) on võrdne

Elektromotoorjõu SI-ühik on volt (v). Elektrienergia allika emf on 1 volt, kui 1 kulonilise laenguga kogu suletud ahelas liikudes tehakse tööd 1 džauliga. Elektromotoorjõudude füüsikaline olemus erinevates allikates on väga erinev.

eneseinduktsioon- EMF-i induktsiooni tekkimine suletud juhtivas ahelas, kui ahelat läbiv vool muutub. Kui praegune muutub I ahelas muutub võrdeliselt ka magnetvoog B läbi selle kontuuriga piiratud pinna. Selle magnetvoo muutus, mis tuleneb elektromagnetilise induktsiooni seadusest, põhjustab selles vooluringis induktiivse emf-i ergastamist E. Seda nähtust nimetatakse eneseinduktsiooniks.

Mõiste on seotud vastastikuse induktsiooni mõistega, olles selle erijuhtum.

Võimsus. Võimsus on ajaühikus tehtud töö Võimsus on ajaühikus tehtud töö ehk laengu ülekandmine el. ahel või suletud vooluringis kulutab energiat, mis on võrdne A \u003d U * Q, kuna elektri kogus võrdub voolutugevuse korrutisega, siis Q \u003d I * t, sellest järeldub, et A \u003d U * I * t. P=A/t=U*Q/t=U*I=I*t*R=P=U*I(I)

1W=1000mV, 1kW=1000V, Pr=Pp+Po võimsusbilansi valem. Pr-generaatori võimsus (emf)

Pr=E*I, Pp=I*U kasulik võimsus, st võimsus, mis kulub kadudeta. Po=I^2*R-kadus võimsus. Ahela toimimiseks on vaja säilitada elektriahelas jõudude tasakaal.

12.Ohmi seadus vooluringi sektsiooni jaoks.

Voolutugevus vooluahela sektsioonis on otseselt võrdeline pingega selle juhi otstes ja pöördvõrdeline selle takistusega:
I=U/R;

1) U = I*R, 2) R = U/R

13.Ohmi seadus tervikliku vooluringi jaoks.

Voolutugevus vooluringis on võrdeline vooluringis toimiva EMF-iga ja pöördvõrdeline vooluahela takistuste ja allika sisetakistuse summaga.

Pingeallika EMF (V), - vooluahela vool (A), - vooluahela kõigi väliste elementide takistus (Ohm), - pingeallika sisetakistus (Ohm) .1) E \u003d I (R) + r)? 2) R+r=E/I

14.Seeria, takistite paralleelühendus, ekvivalenttakistus. Voolude ja pinge jaotus.

Kui see on ühendatud järjestikku mitu takistit esimese lõpp takistiühendatud teise algusega, teise lõpuga - kolmanda algusega jne. Sellise ühendusega läbib jadaahela kõiki elemente
sama vool I.

Ue=U1+U2+U3. Seetõttu on pinge U allika klemmidel võrdne pingete summaga iga järjestikku ühendatud takisti vahel.

Re=R1+R2+R3, Ie=I1=I2=I3, Ue=U1+U2+U3.

Jadamisi ühendamisel ahela takistus suureneb.

Takistite paralleelühendus. Takistite paralleelühendus on selline ühendus, kus takistuste algused on ühendatud allika ühe klemmiga ja otsad teise klemmiga.

Paralleelselt ühendatud takistite kogutakistus määratakse valemiga

Paralleelselt ühendatud takistite kogutakistus on alati väiksem kui sellesse ühendusse kuuluv väikseim takistus.

kui takistused on ühendatud paralleelselt, on nende pinged üksteisega võrdsed. Ue=U1=U2=U3 Voolu I voolab ahelasse ja voolud I 1, I 2, I 3 väljuvad sellest. Kuna liikuvad elektrilaengud ühes punktis ei kogune, on ilmne, et hargnemispunkti voolav kogulaeng on võrdne sealt eemale voolava kogulaenguga: Ie=I1+I2+I3 Seetõttu saab paralleelühenduse kolmanda omaduse sõnastada järgmiselt: Voolutugevus vooluringi hargnemata osas on võrdne paralleelsete harude voolude summaga. Kahe paralleelse takisti jaoks: