Elektriske kretser. Elektromotorisk kraft. Formler, lover, regler, eksempler på TOE Hva er den elektromotoriske kraften til en strømkilde

- EMF.
EMF er ikke en kraft i newtonsk forstand (et uheldig navn på en mengde, beholdt som en hyllest til tradisjonen).
ε i oppstår når det endres magnetisk fluks F trenge gjennom konturen.

I tillegg se presentasjonen "Elektromagnetisk induksjon", samt videoene "Elektromagnetisk induksjon", "Faradays eksperiment", tegneserier "Elektromagnetisk induksjon", "Rotasjon av rammen i et magnetfelt (generator)"

- EMF av induksjon under bevegelsen av en av lederne i kretsen (slik at F endres). I dette tilfellet lederlengden l, beveger seg med en hastighet v blir en strømkilde.

- EMF av induksjon i en krets som roterer i et magnetisk felt med en hastighet ω.

Andre formler der EMF forekommer:

- Ohms lov for en komplett krets. I en lukket krets genererer EMF en elektrisk strøm I.

Retningen til induksjonsstrømmen bestemmes i henhold til reglene:
- regel Lenz- induksjonsstrøm som oppstår i en lukket krets disk handler til endring den magnetiske fluksen som forårsaket denne strømmen;
- for en leder som beveger seg i et magnetfelt, er det noen ganger lettere å bruke regelen høyre hånd- hvis du plasserer den åpne høyre håndflate så inn i det inkludert magnetiske feltlinjer I, A tommel sette til side spiss hastighetsretning v, Det fire fingre hendene vil peke retning for induksjonsstrøm I.

- EMF av selvinduksjon når strømmen i lederen endres.

Hvis polene til en ladet kondensator er lukket for hverandre, begynner bevegelsen av ladningsbærere - elektroner under påvirkning av det akkumulerte mellom platene, i den eksterne kretsen til kondensatoren i retning fra den positive polen til den negative. .

Men under utladningsprosessen svekkes feltet som virker på bevegelige ladede partikler raskt inntil det forsvinner helt. Derfor har strømmen av elektrisk strøm som har oppstått i utladningskretsen en kortvarig karakter og prosessen forfaller raskt.

For å opprettholde strømmen i en ledende krets i lang tid, brukes enheter som kalles unøyaktig i hverdagen (i strengt fysisk forstand er dette ikke tilfelle). Oftest er disse kildene kjemiske batterier.

På grunn av de elektrokjemiske prosessene som forekommer i dem, akkumuleres motsatte krefter ved deres terminaler.Krakter av ikke-elektrostatisk natur, under påvirkning av hvilken en slik fordeling av ladninger utføres, kalles eksterne krefter.

Følgende eksempel vil bidra til å forstå karakteren av begrepet EMF for en gjeldende kilde.

Se for deg en leder i et elektrisk felt, som vist i figuren under, det vil si på en slik måte at det også eksisterer et elektrisk felt inne i den.

Det er kjent at under påvirkning av dette feltet begynner en elektrisk strøm å strømme i lederen. Spørsmålet oppstår nå om hva som skjer med ladebærere når de når enden av en leder, og om denne strømmen vil forbli den samme over tid.

Vi kan enkelt konkludere med at i en åpen krets, som et resultat av påvirkningen av det elektriske feltet, vil ladninger samle seg i endene av lederen. I denne forbindelse vil den ikke forbli konstant og bevegelsen av elektroner i lederen vil være svært kortvarig, som vist i figuren nedenfor.

For å opprettholde en konstant strømflyt i en ledende krets må denne kretsen være lukket, dvs. være i form av en løkke. Selv denne tilstanden er imidlertid ikke tilstrekkelig til å opprettholde strømmen, siden ladningen alltid beveger seg mot et lavere potensial, og det elektriske feltet alltid gjør positivt arbeid på ladningen.

Nå, etter å ha reist gjennom en lukket krets, når ladningen returnerer til startpunktet der den startet reisen, bør potensialet på dette punktet være det samme som det var ved begynnelsen av bevegelsen. Imidlertid er strømmen alltid forbundet med tap av potensiell energi.

Derfor trenger vi en ekstern kilde i kretsen, på terminalene som opprettholdes en potensiell forskjell, noe som øker energien til bevegelsen av elektriske ladninger.

En slik kilde lar ladningen bevege seg fra et lavere potensial til et høyere i motsatt retning av bevegelsen av elektroner under påvirkning av en elektrostatisk kraft som prøver å presse ladningen fra et høyere potensial til et lavere.

Denne kraften, som får ladningen til å bevege seg fra et lavere til et høyere potensial, kalles vanligvis en strømkilde - dette er en fysisk parameter som karakteriserer arbeidet som brukes på å flytte ladninger inne i kilden av eksterne krefter.

Som enheter som gir EMF til den nåværende kilden, som allerede nevnt, brukes batterier, så vel som generatorer, termoelementer, etc.

Vi vet nå at den, på grunn av sin interne emf, gir en potensiell forskjell mellom utgangene fra kilden, noe som bidrar til den kontinuerlige bevegelsen av elektroner i motsatt retning av den elektrostatiske kraften.

EMF for strømkilden, hvis formel er gitt nedenfor, så vel som potensialforskjellen, er uttrykt i volt:

E \u003d A st / Δq,

der A st er arbeidet til ytre krefter, Δq er ladningen som beveges inne i kilden.

For å opprettholde en gitt verdi av elektrisk strøm i en leder, kreves det en ekstern energikilde, som alltid vil gi den nødvendige potensialforskjellen i endene av denne lederen. Slike energikilder er de såkalte kildene til elektrisk strøm, som har noen gitte elektromotorisk kraft, som er i stand til å skape og opprettholde en potensiell forskjell i lang tid.

Den elektromotoriske kraften eller forkortet EMF er indikert med den latinske bokstaven E. Måleenhet er volt. For å oppnå en kontinuerlig bevegelse av elektrisk strøm i en leder, er det derfor nødvendig med en elektromotorisk kraft, det vil si en kilde til elektrisk strøm.

Historisk referanse. Den første slike strømkilde i elektroteknikk var den "voltaiske kolonnen", som var laget av flere kobber- og sinksirkler foret med okseskinn dynket i en svak syreløsning. Den enkleste måten å oppnå en elektromotorisk kraft på anses derfor å være den kjemiske interaksjonen mellom en rekke stoffer og materialer, som et resultat av at kjemisk energi omdannes til elektrisk energi. Strømkilder der den elektromotoriske kraften til EMF genereres ved en lignende metode kalles kjemiske strømkilder.

I dag er kjemiske kraftkilder – batterier og alle mulige batterityper – mye brukt innen elektronikk og elektroteknikk, samt i elkraftindustrien.

Ulike typer generatorer er også vanlige, som som eneste kilde er i stand til å forsyne industribedrifter med elektrisk energi, gi belysning til byer, for å drive jernbane-, trikk- og metrosystemer.

EMF virker på nøyaktig samme måte både på kjemiske kilder og på generatorer. Dens handling er å skape en potensiell forskjell ved hver av strømforsyningsterminalene og opprettholde den i hele nødvendig tid. Terminalene til strømforsyningen kalles poler. Ved en av polene skapes det alltid mangel på elektroner, d.v.s. en slik pol har en positiv ladning og er merket " + ”, og på den annen side skapes det tvert imot en økt konsentrasjon av frie elektroner, dvs. denne polen har negativ ladning og er merket med tegnet " - ».

EMF-kilder brukes til å koble sammen ulike enheter og enheter som er forbrukere av elektrisk energi. Ved hjelp av ledninger kobles forbrukerne til polene til strømkilder, slik at en lukket elektrisk krets oppnås. Potensialforskjellen som har oppstått i en lukket elektrisk krets har fått et navn og er betegnet med den latinske bokstaven "U". Spenningsenhet en volt. For eksempel oppføringen U=12 V indikerer at spenningen til EMF-kilden er 12 V.

For å måle spenning eller emf, brukes en spesiell måleenhet - .

Hvis det er nødvendig å foreta korrekte målinger av EMF eller strømforsyningsspenning, kobles voltmeteret direkte til polene. Med en åpen elektrisk krets vil voltmeteret vise EMF. Når kretsen er lukket, vil voltmeteret vise spenningsverdien ved hver terminal på strømforsyningen. PS: Strømkilden utvikler alltid mer EMF enn spenningen på terminalene.

Video leksjon: EMF

Videoleksjon: Elektromotorisk kraft fra en fysiklærer

Spenningen ved hver av terminalene til strømkilden er mindre enn den elektromotoriske kraften med verdien av spenningsfallet som oppstår på den indre motstanden til strømkilden:

For ideelle kilder avhenger ikke spenningen ved terminalene av mengden strøm som trekkes.

Alle kilder til elektromotorisk kraft har parametere som karakteriserer dem: åpen kretsspenning U xx, kortslutning jeg kz og intern motstand (for en DC-kilde R utv). U xx er spenningen når kildestrømmen er null. Ved en ideell kilde ved enhver strøm U xx \u003d 0. jeg kz er strømmen ved null spenning. For en ideell spenningskilde er den uendelig I kz = ∞. Intern motstand bestemmes fra forholdstallene. Siden spenningen ved en ideell spenningskilde er konstant ved enhver strøm ∆U = 0, da har dens indre motstand også nullverdier.

R ext \u003d ΔU / ΔI \u003d 0;

Med en positiv spenning og strøm sender kilden sin elektriske energi til kretsen og fungerer i generatormodus. Med motsatt strømflyt mottar kilden elektrisk energi fra kretsen og fungerer i mottakermodus.

Når det gjelder en ideell strømkilde, er verdien ikke avhengig av størrelsen på spenningen ved terminalene: i = konst.

Siden strømmen fra en ideell strømkilde er uendret ∆I = 0, så har den en indre motstand lik uendelig.

R ext \u003d ΔU / ΔI \u003d ∞

Med en positiv spenning og strøm sender kilden energi inn i kretsen og fungerer i generatormodus. I motsatt retning fungerer den i mottakermodus.

Med en reell kilde til elektromotorisk kraft, avtar spenningen over terminalene når strømmen øker. En slik CVC tilsvarer en ligning for å bestemme spenningen ved en hvilken som helst strømverdi.

U \u003d U xx - R ext × I,

Hvor , beregnes av formelen

R ext \u003d ΔU / Δ I≠ 0

Det kan også beregnes via U xx Og jeg kz

R vn \u003d U xx / II kz

Når en strømkilde er koblet til en lukket krets, begynner området avgrenset av denne kretsen å bli gjennomboret av eksterne magnetiske kraftlinjer. Hver kraftlinje, fra utsiden, krysser lederen, og induserer en EMF av selvinduksjon i den.

>>Fysikk: Elektromotorisk kraft

Enhver strømkilde er preget av elektromotorisk kraft, eller, for kort, EMF. Så, på et rundt batteri for en lommelykt står det skrevet: 1,5 V. Hva betyr dette?
Koble to metallkuler som bærer ladninger av motsatte fortegn med en leder. Under påvirkning av det elektriske feltet til disse ladningene oppstår en elektrisk strøm i lederen ( fig.15.7). Men denne strømmen vil være svært kortvarig. Ladningene nøytraliserer raskt hverandre, potensialene til kulene blir de samme, og det elektriske feltet forsvinner.
Tredjepartsstyrker. For at strømmen skal være konstant, er det nødvendig å opprettholde en konstant spenning mellom kulene. Dette krever en enhet gjeldende kilde), som ville flytte ladningene fra en kule til en annen i motsatt retning av retningen til kreftene som virker på disse ladningene fra kulenes elektriske felt. I en slik enhet, i tillegg til elektriske krefter, må ladningene påvirkes av krefter av ikke-elektrostatisk opprinnelse ( fig.15.8). Bare ett elektrisk felt av ladede partikler ( Coulomb-feltet) er ikke i stand til å opprettholde en konstant strøm i kretsen.

Alle krefter som virker på elektrisk ladede partikler, med unntak av krefter av elektrostatisk opprinnelse (dvs. Coulomb), kalles ytre krefter.
Konklusjonen om behovet for ytre krefter for å opprettholde en konstant strøm i kretsen vil bli enda tydeligere hvis vi vender oss til loven om bevaring av energi. Det elektrostatiske feltet er potensielt. Arbeidet til dette feltet når du flytter ladede partikler i det langs en lukket elektrisk krets er null. Passasjen av strøm gjennom lederne er ledsaget av frigjøring av energi - lederen varmes opp. Derfor må det være en eller annen energikilde i kretsen som leverer den til kretsen. I den, i tillegg til Coulomb-styrkene, må tredjeparts, ikke-potensielle styrker nødvendigvis handle. Arbeidet til disse kreftene langs en lukket kontur må være forskjellig fra null. Det er i ferd med å utføre arbeid av disse kreftene at ladede partikler får energi inne i strømkilden og deretter gir den til lederne i den elektriske kretsen.
Tredjepartskrefter setter i gang ladede partikler inne i alle strømkilder: i generatorer på kraftverk, i galvaniske celler, batterier, etc.
Når kretsen er lukket, dannes et elektrisk felt i alle ledere i kretsen. Inne i den aktuelle kilden beveger ladningene seg under påvirkning av ytre krefter vs. Coulomb-krefter(elektroner fra en positivt ladet elektrode til en negativ), og i den eksterne kretsen settes de i bevegelse av et elektrisk felt (se fig. fig.15.8).
Naturen til fremmede krefter. Naturen til ytre krefter kan varieres. I kraftverksgeneratorer er ytre krefter krefter som virker fra magnetfeltet på elektroner i en bevegelig leder.
I en galvanisk celle, for eksempel Volta-cellen, virker kjemiske krefter. Volta-elementet består av sink- og kobberelektroder plassert i en løsning av svovelsyre. Kjemiske krefter får sinken til å løse seg opp i syren. Positivt ladede sinkioner går inn i løsningen, og selve sinkelektroden blir negativt ladet. (Kobber løser seg svært lite i svovelsyre.) Det oppstår en potensiell forskjell mellom sink- og kobberelektrodene, som bestemmer strømmen i en lukket elektrisk krets.
Virkningen av ytre krefter er preget av en viktig fysisk størrelse kalt elektromotorisk kraft(forkortet EMF).
Den elektromotoriske kraften til strømkilden er lik forholdet mellom arbeidet til eksterne krefter når ladningen beveges langs en lukket krets til verdien av denne ladningen:

Elektromotorisk kraft, som spenning, uttrykkes i volt.
Vi kan også snakke om den elektromotoriske kraften i hvilken som helst del av kretsen. Dette er det spesifikke arbeidet til eksterne krefter (arbeidet med å flytte en enhetsladning) ikke i hele kretsen, men bare i dette området. Elektromotorisk kraft til en galvanisk celle er en verdi numerisk lik arbeidet til ytre krefter når en enhets positiv ladning flyttes inne i elementet fra en pol til en annen. Ytre krefters arbeid kan ikke uttrykkes i form av potensiell forskjell, siden ytre krefter er ikke-potensiale og deres arbeid avhenger av formen på ladningsbanen. Så for eksempel er arbeidet til eksterne krefter når du flytter en ladning mellom terminalene til en strømkilde utenfor selve kilden lik null.
Nå vet du hva EMF er. Hvis 1,5 V er skrevet på batteriet, betyr dette at tredjepartskrefter (kjemiske i dette tilfellet) gjør 1,5 J arbeid når de flytter en ladning på 1 C fra en pol på batteriet til en annen. Likestrøm kan ikke eksistere i en lukket krets hvis eksterne krefter ikke virker i den, det vil si at det ikke er noen EMF.

???
1. Hvorfor er det elektriske feltet til ladede partikler (Coulomb-feltet) ikke i stand til å opprettholde en konstant elektrisk strøm i kretsen?
2. Hvilke krefter kalles vanligvis tredjepart?
3. Hva kalles elektromotorisk kraft?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fysikk klasse 10

Nettbibliotek med lærebøker og bøker om fysikk, timeplaner i alle fag, oppgaver i fysikk for 10. klasse

Hvis du har rettelser eller forslag til denne leksjonen,

EMF. Numerisk måles den elektromotoriske kraften ved arbeidet utført av en elektrisk energikilde ved overføring av en enkelt positiv ladning gjennom en lukket krets. Hvis kilden til energi, gjør arbeid EN, gir overføring gjennom hele den lukkede ladekretsen q, deretter dens elektromotoriske kraft ( E) vil være lik

SI-enheten for elektromotorisk kraft er volt (v). En kilde til elektrisk energi har en emf på 1 volt hvis det arbeides lik 1 joule når den beveger seg gjennom hele den lukkede kretsen med en ladning på 1 coulomb. Den fysiske naturen til elektromotoriske krefter i forskjellige kilder er svært forskjellig.

selvinduksjon- forekomsten av EMF-induksjon i en lukket ledende krets når strømmen som flyter gjennom kretsen endres. Når strømmen endres Jeg i kretsen endres også den magnetiske fluksen proporsjonalt B gjennom overflaten avgrenset av denne konturen. En endring i denne magnetiske fluksen, på grunn av loven om elektromagnetisk induksjon, fører til eksitering av en induktiv emk i denne kretsen E. Dette fenomenet kalles selvinduksjon.

Konseptet er relatert til konseptet gjensidig induksjon, som er dets spesielle tilfelle.

Makt. Effekt er arbeidet som utføres per tidsenhet Power er arbeidet utført per tidsenhet, dvs. å overføre ladning til el. kretsen eller i en lukket krets bruker energi, som er lik A \u003d U * Q, siden mengden elektrisitet er lik produktet av strømstyrken, så Q \u003d I * t, følger det at 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 effektbalanseformel. Pr-generatorkraft (emf)

Pr=E*I, Pp=I*U nyttig kraft, dvs. kraft som forbrukes uten tap. Po=I^2*R-mistet kraft. For at kretsen skal fungere, er det nødvendig å opprettholde en strømbalanse i den elektriske kretsen.

12.Ohms lov for en kretsseksjon.

Strømstyrken i en kretsseksjon er direkte proporsjonal med spenningen ved endene av denne lederen og omvendt proporsjonal med motstanden:
I=U/R;

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

13.Ohms lov for en komplett krets.

Strømstyrken i kretsen er proporsjonal med EMF som virker i kretsen og omvendt proporsjonal med summen av kretsmotstandene og den indre motstanden til kilden.

EMF til spenningskilden (V), - strøm i kretsen (A), - motstand til alle eksterne elementer i kretsen (Ohm), - intern motstand til spenningskilden (Ohm) .1) E \u003d I (R +r)? 2)R+r=E/I

14.Serie, parallellkobling av motstander, ekvivalent motstand. Fordeling av strøm og spenning.

Ved seriekopling flere motstander slutten av den første motstand koblet til begynnelsen av den andre, slutten av den andre - til begynnelsen av den tredje, etc. Med en slik forbindelse går gjennom alle elementene i seriekretsen
samme strøm I.

Ue=U1+U2+U3. Derfor er spenningen U ved kildeklemmene lik summen av spenningene over hver av motstandene koblet i serie.

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

Ved seriekopling øker motstanden til kretsen.

Parallellkobling av motstander. En parallellkobling av motstander er en slik forbindelse der begynnelsen av motstandene er koblet til en terminal på kilden, og endene til den andre terminalen.

Den totale motstanden til motstandene som er koblet parallelt, bestemmes av formelen

Den totale motstanden til parallellkoblede motstander er alltid mindre enn den minste motstanden som er inkludert i denne forbindelse.

når motstandene er koblet parallelt, er spenningene over dem lik hverandre. Ue=U1=U2=U3 Strøm I strømmer inn i kretsen, og strømmer I 1, I 2, I 3 strømmer ut av den. Siden bevegelige elektriske ladninger ikke akkumuleres på et punkt, er det åpenbart at den totale ladningen som strømmer til grenpunktet er lik den totale ladningen som strømmer bort fra det: Dvs=I1+I2+I3 Derfor kan den tredje egenskapen til en parallellforbindelse formuleres som følger: Størrelsen på strømmen i den uforgrenede delen av kretsen er lik summen av strømmene i de parallelle grenene. For to parallelle motstander: