Электродвижущая сила - формулы и определение с примерами

Электродвижущая сила:

Простейшая электрическая цепь состоит из источника тока, потребителей (электробытовые приборы, лампочки, резисторы, электроизмерительные приборы), соединительных проводов и выключателя.

Для существования постоянного тока в цепи необходимо поддерживать постоянную разность потенциалов между полюсами электрической цепи. Можно сказать иначе — следует непрерывно разделять электрические заряды противоположных знаков, которые под действием сил Кулона стремятся соединиться. Для этой цели необходимы силы иной природы, так называемые сторонние силы, работа которых по замкнутому контуру, в отличие от потенциальных кулоновских сил, не равна нулю.

Характеристикой действия сторонних сил является электродвижущая сила (ЭДС), которая численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда внутри источника тока:

Термин «электродвижущая сила» был введен Ампером в 1822 г. Аббревиатуру УК ЭДС принято читать без расшифровки.

Работа сторонних сил осуществляется внутри источника тока (рис. 113), обеспечивающего непрерывное разделение электрических зарядов в цепи. Внутри источника тока под действием сторонних сил электрические заряды движутся против направления действия кулоновских сил (см. рис. ИЗ).
Именно за счет работы, совершаемой сторонними силами внутри источника тока, восстанавливается энергия электрического поля, расходуемая в различных элементах замкнутой электрической цепи.

Таким образом, источник тока обеспечивает замкнутое движение электрических зарядов в одном направлении. Проводник, соединяющий клеммы источника снаружи, называют внешним участком цепи. Внутри самого источника заряды движутся по внутреннему участку цепи. Сопротивление источника обозначают r и называют внутренним сопротивлением.

Устройство, способное поддерживать разность потенциалов между концами электрической цепи и обеспечивать упорядоченное движение электрических зарядов во внешней цепи, называется источником тока.

Отметим, что источники ЭДС, вообще говоря, делятся на два вида: источники тока, у которых и источники напряжения, у которых где r — внутреннее сопротивление источника, R — сопротивление внешнего участка цепи. Так, розетка бытовой сети является источником напряжения, поскольку сопротивление лампы накаливания мощностью Р = 60 Вт (R~400 0м) гораздо больше внутреннего сопротивления (r~0,1 Ом).

Источник электрического тока имеет два полюса (две клеммы), к которым присоединяются концы проводников, образующих внешний участок цепи.
На электрических схемах источник тока обозначается так, как показано на рисунке 114.

Положительный полюс (клемма) источника тока условно изображается более длинной чертой, чем отрицательный. Основные характеристики источника тока — величину ЭДС  и его внутреннее сопротивление r — также указывают на электрических схемах.

Положительный полюс (клемма) источника тока имеет наибольшее значение электрического потенциала в цепи. Поскольку на каждом из элементов цепи, обладающих сопротивлением, происходит некоторое падение напряжения, то чем дальше точка внешней части цепи от положительного полюса источника, тем ниже ее потенциал относительно данного полюса.

Иными словами, потенциал уменьшается (падает) вдоль внешней части цепи от точки к точке в направлении прохождения тока. Соответственно, наименьший потенциал в цепи имеет отрицательный полюс источника тока.

Схема распределения потенциала вдоль цепи, содержащей источник тока, может быть представлена при помощи механической аналогии с катящимся шариком, изображенной на рисунке 115.

Внешняя часть замкнутой цепи соответствует участку АВС контура, внутренняя (источник тока) — участку СА. Самостоятельно шарик будет катиться только от точки А к точке С, а для подъема его от точки С к точке А необходимо действие сторонних сил.

Сравнивая электрический ток с течением жидкости в трубах, можно отметить, что потенциал является аналогом гидростатического давления в жидкости. Действительно, распределение гидростатического давления в трубе, по которой течет вода, аналогично распределению потенциалов вдоль проводника с током. Как течение воды обусловлено разностью гидростатических давлений (напором) на участке трубы, так и ток обусловлен разностью потенциалов
(напряжением) на однородном участке цепи.

Участок цепи, на котором есть источник тока, является неоднородным участком цепи.

Электрические заряды внутри источника тока (на внутреннем участке цепи)
движутся против кулоновских сил под действием сторонних сил, а во всей остальной цепи (на внешнем участке цепи) их приводит в движение электрическое поле, создаваемое источником.

• Заказать решение задач по физике

Продолжая аналогию между течением электрического тока и течением жидкости по трубам, можно сказать, что источник тока является аналогом насоса, подающего воду под давлением в трубы (рис. 116).

В разомкнутой цепи разность потенциалов между клеммами источника тока равна его ЭДС, которую в этом случае можно измерить с помощью вольтметра (рис. 117).

В настоящее время выпускается множество различных источников ЭДС — от маленьких батареек (сухих элементов) для часов и калькуляторов до мощных промышленных генераторов.

Простейшая батарея (гальванический элемент) состоит из двух электродов (пластин или стержней) из разнородных металлов, погруженных в разбавленную кислоту (электролит). В сухом элементе электролит представляет собой желеобразную массу. При соединении проводником электродов в замкнутой цепи будет проходить ток вследствие возникновения ЭДС на границе соприкосновения различных проводников. Кроме того, один из проводников меняет химический состав под действием электрического тока. В результате химических превращений внутренняя (химическая) энергия тел, составляющих цепь, уменьшается, и таким образом поддерживается ток в цепи. Гальванический элемент является химическим источником тока, так как в нем происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую.

На рисунке 118 приведено устройство наиболее широко распространенного марганцево-цинкового сухого элемента. В цинковый корпус 1, выполняющий роль отрицательного электрода, помещен угольный стержень 2, являющийся положительным электродом батареи. Свободное пространство 3 между электродами заполнено вязким раствором щелочи или раствором хлорида аммония.

Перечислим наиболее распространенные источники тока.
Гальванические элементы (1—2 В) и аккумуляторы (2—20 В) расходуют химическую энергию веществ, способных взаимодействовать с растворами кислот, щелочей, солей.

Для промышленного производства электроэнергии используются мощные генераторы (динамо-машины), дающие напряжение до 15 кВ за счет использования механической энергии, производимой турбинами (рис. 119), двигателями внутреннего сгорания и т. д.

В последнее время широкое распространение получили так называемые альтернативные источники электроэнергии. К ним относятся термоэлементы, использующие энергию теплового движения заряженных частиц, а также фотоэлементы, создающие ток за счет энергии электромагнитного излучения (рис. 120).