Električna vezja. Elektromotorna sila. Formule, zakoni, pravila, primeri na TOE Kaj je elektromotorna sila tokovnega vira

- EMF.
EMF ni sila v Newtonovem smislu (nesrečno ime za količino, ohranjeno kot poklon tradiciji).
pojavi se ε i ko se spremeni magnetni tok F prodiranje v konturo.

Dodatno oglejte si predstavitev "Elektromagnetna indukcija", pa tudi videe "Elektromagnetna indukcija", "Faradayev poskus", risanke "Elektromagnetna indukcija", "Vrtenje okvirja v magnetnem polju (generator)"

- EMF indukcije med gibanjem enega od prevodnikov vezja (tako da se spremeni F). V tem primeru dolžina prevodnika l, ki se premika s hitrostjo v postane vir energije.

- EMF indukcije v tokokrogu, ki se vrti v magnetnem polju s hitrostjo ω.

Druge formule, kjer se pojavi EMF:

- Ohmov zakon za celotno vezje. V zaprtem krogu EMF ustvarja električni tok I.

Smer indukcijskega toka se določi po pravilih:
- pravilo Lenz- indukcijski tok, ki nastane v zaprtem krogu števec deluje na sprememba magnetni tok, ki je povzročil ta tok;
- za prevodnik, ki se giblje v magnetnem polju, je včasih lažje uporabiti pravilo desna roka- če postavite odprto desna dlan tako da vanj vključeno magnetne silnice IN, A palec odložiti koničasto smer hitrosti v, To štiri prste roke bodo pokazale smer indukcijskega toka I.

- EMF samoindukcije, ko se spremeni tok v prevodniku.

Če sta poli nabitega kondenzatorja zaprta drug proti drugemu, se pod vplivom nakopičenega med njegovimi ploščami v zunanjem vezju kondenzatorja v smeri od pozitivnega do negativnega pola začne premikanje nosilcev naboja - elektronov .

Vendar med procesom praznjenja polje, ki deluje na premikajoče se nabite delce, hitro slabi, dokler popolnoma ne izgine. Zato ima tok električnega toka, ki je nastal v razelektritvenem krogu, kratkotrajen značaj in proces hitro zamre.

Za dolgotrajno vzdrževanje toka v prevodnem tokokrogu se uporabljajo naprave, ki se v vsakdanjem življenju netočno imenujejo (v strogo fizičnem smislu to ni tako). Najpogosteje so ti viri kemične baterije.

Zaradi elektrokemičnih procesov, ki se pojavljajo v njih, se na njihovih terminalih kopičijo nasprotne sile.Sile neelektrostatične narave, pod vplivom katerih se izvaja takšna porazdelitev nabojev, imenujemo zunanje sile.

Naslednji primer bo pomagal razumeti naravo koncepta EMF tokovnega vira.

Predstavljajte si prevodnik v električnem polju, kot je prikazano na spodnji sliki, torej tako, da električno polje obstaja tudi znotraj njega.

Znano je, da pod vplivom tega polja v prevodniku začne teči električni tok. Zdaj se postavlja vprašanje, kaj se zgodi z nosilci naboja, ko dosežejo konec prevodnika, in ali bo ta tok skozi čas ostal enak.

Zlahka lahko sklepamo, da se bodo v odprtem tokokrogu zaradi vpliva električnega polja na koncih prevodnika nabirali naboji. V zvezi s tem ne bo ostal konstanten in gibanje elektronov v prevodniku bo zelo kratkotrajno, kot je prikazano na spodnji sliki.

Torej, da bi ohranili konstanten tok toka v prevodnem tokokrogu, mora biti ta tokokrog zaprt, tj. biti v obliki zanke. Vendar tudi ta pogoj ne zadošča za vzdrževanje toka, saj se naboj vedno premika proti nižjemu potencialu, električno polje pa vedno opravi pozitivno delo na naboj.

Zdaj, po potovanju skozi zaprt krog, ko se naboj vrne na začetno točko, kjer je začel svojo pot, bi moral biti potencial na tej točki enak, kot je bil na začetku gibanja. Vendar je tok vedno povezan z izgubo potencialne energije.

Zato potrebujemo v vezju nek zunanji vir, na sponkah katerega se vzdržuje potencialna razlika, kar poveča energijo gibanja električnih nabojev.

Tak vir omogoča, da naboj potuje od nižjega potenciala k višjemu v smeri, nasprotni gibanju elektronov pod delovanjem elektrostatične sile, ki poskuša potisniti naboj od višjega potenciala k nižjemu.

Ta sila, ki povzroči, da se naboj premakne od nižjega k višjemu potencialu, se običajno imenuje vir toka - to je fizikalni parameter, ki označuje delo, porabljeno za premikanje nabojev znotraj vira zaradi zunanjih sil.

Kot naprave, ki zagotavljajo EMF tokovnega vira, se, kot je bilo že omenjeno, uporabljajo baterije, pa tudi generatorji, termoelementi itd.

Zdaj vemo, da zaradi svoje notranje emf zagotavlja potencialno razliko med izhodi vira, kar prispeva k neprekinjenemu gibanju elektronov v nasprotni smeri od elektrostatične sile.

EMF tokovnega vira, katerega formula je navedena spodaj, kot tudi potencialna razlika, je izražena v voltih:

E \u003d A st / Δq,

kjer je A st delo zunanjih sil, Δq je naboj, ki se premika znotraj vira.

Za vzdrževanje določene vrednosti električnega toka v prevodniku je potreben nek zunanji vir energije, ki bi vedno zagotavljal zahtevano potencialno razliko na koncih tega prevodnika. Takšni viri energije so tako imenovani viri električnega toka, ki jih je nekaj podanih elektromotorna sila, ki je sposoben ustvariti in vzdrževati potencialno razliko dolgo časa.

Elektromotorna sila ali skrajšano EMF je označena z latinično črko E. Merska enota je volt. Tako je za neprekinjeno gibanje električnega toka v prevodniku potrebna elektromotorna sila, to je vir električnega toka.

Zgodovinska referenca. Prvi takšen vir toka v elektrotehniki je bil "voltaični steber", ki je bil sestavljen iz več bakrenih in cinkovih krogov, obloženih z govejo kožo, namočeno v šibki kislinski raztopini. Tako se šteje, da je najenostavnejši način za pridobitev elektromotorne sile kemična interakcija številnih snovi in ​​materialov, zaradi česar se kemična energija pretvori v električno energijo. Viri energije, v katerih elektromotorna sila EMF nastane na podoben način, se imenujejo kemični viri toka.

Danes se kemični viri energije - baterije in vse možne vrste baterij - zelo uporabljajo v elektroniki in elektrotehniki ter v elektroenergetiki.

Pogosti so tudi različni tipi generatorjev, ki kot edini vir lahko oskrbujejo industrijska podjetja z električno energijo, zagotavljajo razsvetljavo mest, upravljajo železniški, tramvajski in metro sistem.

EMF deluje na povsem enak način tako na kemične vire kot na generatorje. Njegovo delovanje je ustvariti potencialno razliko na vsakem od napajalnih priključkov in jo vzdrževati ves potreben čas. Sponke napajalnika se imenujejo poli. Na enem od polov se vedno ustvari pomanjkanje elektronov, tj. tak pol ima pozitiven naboj in je označen z " + ”, na drugi strani pa se nasprotno ustvari povečana koncentracija prostih elektronov, t.j. ta pol ima negativen naboj in je označen z znakom " - ».

Viri EMF se uporabljajo za povezovanje različnih naprav in naprav, ki so porabniki električne energije. S pomočjo žic se porabniki povežejo s poli tokovnih virov, tako da dobimo sklenjen električni krog. Potencialna razlika, ki je nastala v zaprtem električnem krogu, je dobila ime in je označena z latinsko črko "U". Napetostna enota ena volt. Na primer vnos U=12 V označuje, da je napetost vira EMF 12 V.

Za merjenje napetosti ali emf se uporablja posebna merilna naprava - .

Če je potrebno opraviti pravilne meritve EMF ali napajalne napetosti, se voltmeter priključi neposredno na poli. Z odprtim električnim tokokrogom bo voltmeter pokazal EMF. Ko je tokokrog sklenjen, bo voltmeter prikazal vrednost napetosti na vsakem priključku napajalnika. PS: Vir toka vedno razvije več EMF kot napetost na sponkah.

Video lekcija: EMF

Video lekcija: Elektromotorna sila od učitelja fizike

Napetost na vsakem od sponk tokovnega vira je manjša od elektromotorne sile za vrednost padca napetosti, ki se pojavi na notranjem uporu vira energije:

Pri idealnih virih napetost na sponkah ni odvisna od količine pretočenega toka.

Vsi viri elektromotorne sile imajo parametre, ki jih označujejo: napetost odprtega tokokroga U xx, tok kratkega stika I kz in notranji upor (za vir enosmernega toka R ekst). U xx je napetost, ko je tok vira nič. Pri idealnem viru pri katerem koli toku U xx \u003d 0. I kz je tok pri ničelni napetosti. Za idealen vir napetosti je neskončna I kz = ∞. Notranji upor se določi iz razmerij . Ker je napetost pri idealnem viru napetosti konstantna pri katerem koli toku ∆U = 0, potem ima tudi njegov notranji upor ničelne vrednosti.

R ext \u003d ΔU / ΔI \u003d 0;

S pozitivno napetostjo in tokom pošilja vir svojo električno energijo v vezje in deluje v generatorskem načinu. Pri nasprotnem toku toka vir prejema električno energijo iz vezja in deluje v načinu sprejemnika.

V primeru idealnega tokovnega vira njegova vrednost ni odvisna od velikosti napetosti na njegovih sponkah: i = konst.

Ker je tok iz idealnega tokovnega vira nespremenjen ∆I = 0, potem ima notranji upor enak neskončnosti.

R ext \u003d ΔU / ΔI \u003d ∞

S pozitivno napetostjo in tokom pošilja vir energijo v vezje in deluje v generatorskem načinu. V nasprotni smeri deluje v načinu sprejemnika.

Pri resničnem viru elektromotorne sile se napetost na sponkah z naraščanjem toka zmanjšuje. Takšen CVC ustreza enačbi za določanje napetosti pri kateri koli trenutni vrednosti.

U \u003d U xx - R ekst × I,

Kjer je , se izračuna po formuli

R ext \u003d ΔU / Δ I≠ 0

Lahko se izračuna tudi prek U xx in I kz

R vn \u003d U xx / II kz

Ko je vir toka priključen na kateri koli zaprt tokokrog, območje, ki ga omejuje to vezje, začnejo prebadati zunanje magnetne črte sile. Vsaka črta sile od zunaj prečka vodnik in v njem inducira EMF samoindukcije.

>>Fizika: Elektromotorna sila

Za vsak vir toka je značilna elektromotorna sila ali na kratko EMF. Torej, na okrogli bateriji za svetilko je napisano: 1,5 V. Kaj to pomeni?
Dve kovinski krogli z nabojem nasprotnih predznakov poveži z vodnikom. Pod vplivom električnega polja teh nabojev v prevodniku nastane električni tok ( sl.15.7). Toda ta tok bo zelo kratkotrajen. Naboji se hitro nevtralizirajo, potenciali kroglic postanejo enaki in električno polje izgine.
Sile tretjih oseb. Da bi bil tok konstanten, je potrebno vzdrževati konstantno napetost med kroglicama. To zahteva napravo trenutni vir), ki bi premikala naboje iz ene kroglice v drugo v smeri, nasprotni smeri sil, ki delujejo na te naboje iz električnega polja kroglic. V taki napravi morajo poleg električnih sil na naboje delovati tudi sile neelektrostatičnega izvora ( sl.15.8). Samo eno električno polje nabitih delcev ( Coulombovo polje) ni sposoben vzdrževati konstantnega toka v tokokrogu.

Vse sile, ki delujejo na električno nabite delce, z izjemo sil elektrostatičnega izvora (tj. Coulombovih), imenujemo zunanje sile.
Sklep o potrebi po zunanjih silah za vzdrževanje konstantnega toka v vezju bo postal še bolj očiten, če se obrnemo na zakon o ohranitvi energije. Elektrostatično polje je potencialno. Delo tega polja pri premikanju nabitih delcev v njem po zaprtem električnem krogu je nič. Prehod toka skozi vodnike spremlja sproščanje energije - prevodnik se segreje. Zato mora biti v tokokrogu nek vir energije, ki jo dovaja v tokokrog. V njej morajo poleg Coulombovih sil nujno delovati tudi nepotencialne sile tretjih oseb. Delo teh sil vzdolž zaprte konture mora biti različno od nič. V procesu dela s temi silami nabiti delci pridobijo energijo znotraj tokovnega vira in jo nato oddajo prevodnikom električnega tokokroga.
Tuje sile poganjajo nabite delce znotraj vseh tokovnih virov: v generatorjih v elektrarnah, v galvanskih členih, baterijah itd.
Ko je vezje sklenjeno, se v vseh vodnikih vezja ustvari električno polje. Znotraj tokovnega vira se naboji premikajo pod vplivom zunanje sile proti Coulombovim silam(elektroni od pozitivno nabite elektrode k negativni), v zunanjem tokokrogu pa jih poganja električno polje (glej sl. sl.15.8).
Narava tujih sil. Narava zunanjih sil je lahko različna. Pri generatorjih elektrarn so zunanje sile sile, ki delujejo iz magnetnega polja na elektrone v gibljivem prevodniku.
V galvanskem členu, na primer Voltovem členu, delujejo kemične sile. Element Volta je sestavljen iz cinkove in bakrene elektrode, nameščene v raztopino žveplove kisline. Kemične sile povzročijo, da se cink raztopi v kislini. Pozitivno nabiti cinkovi ioni preidejo v raztopino, sama cinkova elektroda pa postane negativno nabita. (Baker se zelo malo topi v žveplovi kislini.) Med cinkovi in ​​bakreno elektrodo se pojavi potencialna razlika, ki določa tok v sklenjenem električnem krogu.
Za delovanje zunanjih sil je značilna pomembna fizikalna veličina, imenovana elektromotorna sila(skrajšano EMF).
Elektromotorna sila tokovnega vira je enaka razmerju dela zunanjih sil pri premikanju naboja vzdolž zaprtega kroga na vrednost tega naboja:

Elektromotorna sila je tako kot napetost izražena v voltih.
Prav tako lahko govorimo o elektromotorni sili v kateremkoli delu vezja. To je specifično delo zunanjih sil (delo premikanja enote naboja) ne v celotnem vezju, ampak samo na tem območju. Elektromotorna sila galvanskega člena je vrednost, številčno enaka delu zunanjih sil pri premikanju enote pozitivnega naboja znotraj elementa z enega pola na drugega. Dela zunanjih sil ne moremo izraziti s potencialno razliko, saj so zunanje sile nepotencialne in je njihovo delo odvisno od oblike trajektorije naboja. Tako je na primer delo zunanjih sil pri premikanju naboja med sponkami tokovnega vira zunaj samega vira enako nič.
Zdaj veste, kaj je EMF. Če na bateriji piše 1,5 V, potem to pomeni, da tuje sile (v tem primeru kemične) opravijo delo 1,5 J pri premikanju naboja 1 C z enega pola baterije na drugega. Enosmerni tok ne more obstajati v zaprtem krogu, če v njem ne delujejo zunanje sile, to je, da ni EMF.

???
1. Zakaj električno polje nabitih delcev (Coulombovo polje) ne more vzdrževati konstantnega električnega toka v tokokrogu?
2. Katere sile se običajno imenujejo tretje osebe?
3. Kaj imenujemo elektromotorna sila?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizika 10. razred

Spletna knjižnica z učbeniki in knjigami za fiziko, učnimi načrti pri vseh predmetih, nalogami iz fizike za 10. razred

Če imate popravke ali predloge za to lekcijo,

EMF. Številčno se elektromotorna sila meri z delom, ki ga opravi vir električne energije pri prenosu enega samega pozitivnega naboja po zaprtem krogu. Če je vir energije, opravlja delo A, zagotavlja prenos skozi zaprt krog polnjenja q, potem njegova elektromotorna sila ( E) bo enako

Enota SI za elektromotorno silo je volt (v). Vir električne energije ima emf 1 volt, če se pri premikanju skozi celoten zaprt krog naboja 1 kulona opravi delo enako 1 džulu. Fizikalna narava elektromotornih sil v različnih virih je zelo različna.

samoindukcija- pojav indukcije EMF v zaprtem prevodnem tokokrogu, ko se spremeni tok, ki teče skozi tokokrog. Ko se tok spremeni jaz v tokokrogu se sorazmerno spreminja tudi magnetni pretok B skozi površino, ki jo omejuje ta kontura. Sprememba tega magnetnega pretoka zaradi zakona elektromagnetne indukcije povzroči vzbujanje induktivne emf v tem vezju E. Ta pojav imenujemo samoindukcija.

Koncept je povezan s konceptom medsebojne indukcije, saj je njen poseben primer.

Moč. Moč je opravljeno delo na časovno enoto Moč je opravljeno delo na časovno enoto, to je za prenos naboja na el. vezje ali v zaprtem vezju porabi energijo, ki je enaka A \u003d U * Q, ker je količina električne energije enaka zmnožku jakosti toka, potem Q \u003d I * t, sledi A \u003d U * I * t. P=A/t=U*Q/t=U*I=I*t*R=P=U*I(I)

1W=1000mV, 1kW=1000V, formula bilance moči Pr=Pp+Po. Moč pr-generatorja (EMF)

Pr=E*I, Pp=I*U uporabna moč, to je moč, ki se porabi brez izgube. Po=I^2*R-izgubljena moč. Da bi vezje delovalo, je potrebno vzdrževati ravnovesje moči v električnem vezju.

12.Ohmov zakon za odsek vezja.

Jakost toka v odseku vezja je neposredno sorazmerna z napetostjo na koncih tega prevodnika in obratno sorazmerna z njegovim uporom:
I=U/R;

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

13.Ohmov zakon za popolno vezje.

Jakost toka v vezju je sorazmerna z EMF, ki deluje v vezju, in obratno sorazmerna z vsoto uporov vezja in notranjega upora vira.

EMF vira napetosti (V), - tok v vezju (A), - upornost vseh zunanjih elementov vezja (Ohm), - notranji upor vira napetosti (Ohm) .1) E \u003d I (R + r)? 2)R+r=E/I

14.Zaporedna, vzporedna vezava uporov, ekvivalentni upor. Porazdelitev tokov in napetosti.

Pri zaporedni povezavi več uporov konec prvega upor povezan z začetkom drugega, konec drugega - z začetkom tretjega itd. S tako povezavo prehaja skozi vse elemente serijskega vezja
isti tok I.

Ue=U1+U2+U3. Zato je napetost U na sponkah vira enaka vsoti napetosti na vsakem zaporedno vezanem uporu.

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

Pri zaporedni povezavi se upor vezja poveča.

Vzporedna vezava uporov. Vzporedna vezava uporov je taka vezava, pri kateri so začetki uporov povezani z enim priključkom vira, konci pa z drugim priključkom.

Skupni upor vzporedno povezanih uporov je določen s formulo

Skupni upor vzporedno povezanih uporov je vedno manjši od najmanjšega upora, vključenega v to povezavo.

ko so upori povezani vzporedno, so napetosti med njimi enake. Ue=U1=U2=U3 V vezje teče tok I, iz njega pa izhajajo tokovi I 1, I 2, I 3. Ker se gibljivi električni naboji ne kopičijo v točki, je očitno, da je skupni naboj, ki teče do točke razvejanja, enak celotnemu naboju, ki teče stran od nje: Ie=I1+I2+I3 Zato lahko tretjo lastnost vzporedne povezave formuliramo na naslednji način: Velikost toka v nerazvejanem delu vezja je enaka vsoti tokov v vzporednih vejah. Za dva vzporedna upora: