Электродвижущая сила (ЭДС): Формула расчета и определение

Что такое ЭДС: объяснение простыми словами

Под ЭДС понимают удельную работу внешних сил по перемещению единичного заряда в цепи электрической цепи. Это понятие в электричестве включает множество физических интерпретаций, связанных с различными областями технических знаний. В электротехнике это удельная работа внешних сил, возникающая в обмотках индуктивности при приложении к ним переменного поля. В химии под ним понимают разность потенциалов, возникающую при электролизе, а также в реакциях, сопровождающихся разделением электрических зарядов.

Что такое фоторезистор. Подробнее Маркировка SMD транзисторов. Подробнее Как сделать датчик движения своими руками читать далее

В физике это соответствует, например, электродвижущей силе, возникающей на концах электрической термопары. Чтобы объяснить суть ЭМП простыми словами, нужно рассмотреть каждый из вариантов толкования. Перед тем, как перейти к основной части статьи, отметим, что ЭДС и напряжение очень близкие по смыслу понятия, но все же несколько разные. Короче говоря, ЭДС на источнике тока без нагрузки, а когда к нему подключена нагрузка, это уже напряжение. Потому что количество вольт на ИП под нагрузкой почти всегда несколько меньше, чем без. Это связано с внутренним сопротивлением источников тока, таких как трансформаторы и гальванические элементы.

Дополнительный материал по теме: Простыми словами о преобразователях напряжения.

Электродвижущая сила (ЭДС), физическая величина, характеризующая действие внешних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда по контуру. Если Estr обозначает напряженность поля внешних сил, то ЭДС в замкнутом контуре (L) равна , где dl — элемент длины контура.

Потенциальные силы электростатического (или стационарного) поля не могут поддерживать постоянный ток в цепи, так как работа этих сил на замкнутом пути равна нулю. Прохождение тока по проводникам сопровождается выделением энергии — нагревом проводников.

Внешние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источников тока: генераторов, гальванических элементов, батарей и т д. Происхождение внешних сил может быть различным. В генераторах внешними силами называются силы со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля во времени, или сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике; в гальванических элементах и ​​батареях это химические силы и т д. ЭДС определяет силу тока в цепи при заданном сопротивлении (см закон Ома).

ЭДС измеряется, как и напряжение, в вольтах.

Что такое ЭДС.

Природа ЭДС

причина возникновения ЭДС в разных источниках питания различна. По характеру возникновения различают следующие виды:

•  Химическая ЭДС. Возникает в батареях и аккумуляторах вследствие химических реакций.
• Тепловая ЭДС. Возникает при соединении контактов разных проводников при разной температуре.
• ЭДС индукции. Возникает в генераторе при помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет индуцироваться в проводнике, когда проводник пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
• Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этого ЭДС способствует явление внешнего или внутреннего фотоэффекта.
• Пьезоэлектрическая эдс. ЭДС возникает, когда вещество растягивается или сжимается.

Электромагнитная индукция (самоиндукция)

Начнем с электромагнитной индукции. Это явление описывает закон электромагнитной индукции Фарадея. Физический смысл этого явления заключается в способности электромагнитного поля индуцировать ЭДС в близлежащем проводнике. При этом либо поле должно изменяться, например по величине и направлению векторов, либо двигаться относительно проводника, либо проводник должен двигаться относительно этого поля. При этом на концах проводника возникает разность потенциалов.

Опыт показывает появление ЭДС в катушке при воздействии на нее изменяющегося магнитного поля постоянного магнита. Есть еще одно похожее по смыслу явление — взаимная индукция. Он заключается в том, что изменение направления и силы тока катушки индуцирует ЭДС на выводах соседней катушки, что широко используется в различных областях техники, в том числе в электротехнике и электронике. Он лежит в основе работы трансформаторов, где магнитный поток одной обмотки индуцирует ток и напряжение в другой.

Что такое самоиндукция.

В электрических деталях физический эффект, называемый ЭДС, используется при производстве специальных преобразователей переменного тока, которые обеспечивают желаемые значения действующих величин (ток и напряжение). Благодаря явлениям индукции и самоиндукции инженеры смогли разработать множество электрических устройств: от обычного дросселя (дросселя) до трансформатора. Понятие взаимной индуктивности применимо только к переменному току, во время которого изменяется магнитный поток в цепи или проводнике.

Таблица параметров силы электродвижущей индукции.

Резистор

У всех настоящих лидеров есть сопротивление, но они стараются сделать его незначительным. В заданиях обычно используют термин «идеальный лидер», что означает, что они лишают его сопротивления.

Из-за того, что проводник у нас «вокруг-так-идеален», чаще всего за сопротивление в цепи отвечает резистор. Это устройство, которое нагружает цепь сопротивлением.

Вот как показано сопротивление на диаграммах:

В школьном курсе физики используется европейский термин, поэтому мы его просто запоминаем. Американское обозначение можно встретить, например, в программе Micro-Cap, где инженеры моделируют схемы.

Вот так сопротивление выглядит в естественной среде обитания:

Полосы на нем показывают сопротивление.

На сайте компании Ekits, торгующей электронными модулями, можно выбрать цвет резистора и узнать номинал резистора:

ЭДС в быту и единицы измерения

Другие примеры можно найти в практической жизни любого обычного человека. В эту категорию входят такие привычные вещи, как маленькие батарейки, а также другие миниатюрные батарейки. В этом случае рабочая ЭДС формируется за счет химических процессов, происходящих внутри источников постоянного напряжения. Когда это происходит на выводах (полюсах) батареи из-за внутренних изменений, элемент полностью готов к работе. Со временем величина ЭДС несколько снижается, а внутреннее сопротивление заметно возрастает.

В результате, если вы измерите напряжение пальчиковой батареи, которая ни к чему не подключена, вы увидите 1,5В (или около того) нормально для нее, но когда к батарее подключена нагрузка, допустим, вы установили ее в какой-то устройство — не работает. Почему? Потому что если предположить, что внутреннее сопротивление вольтметра во много раз превышает внутреннее сопротивление аккумулятора, то вы измерили его ЭДС. Когда аккумулятор стал отдавать ток в нагрузку, на клеммах стало не 1,5В, а, например, 1,2В — устройству не хватает ни напряжения, ни тока для нормальной работы.

Расчет ЭДС.

Только эти 0,3 В приходились на внутреннее сопротивление гальванического элемента. Если батарея очень старая и электроды повреждены, то на клеммах батареи может вообще отсутствовать электродвижущая сила или напряжение — т.е ноль. Внутри приемной антенны также наводится очень небольшая электродвижущая сила, которая затем усиливается специальными каскадами, и мы принимаем сигнал нашего ТВ, радио и даже Wi-Fi.

Закон Ома для произвольного участка цепи

Часть цепи, на которую действуют сторонние силы, называется неоднородной. Выполняется равенство:

$$U_{12}=varphi_{1}-varphi_{2}+varepsilon_{12}(4)$

где U12=IR21 — падение напряжения (или напряжения) на участке цепи 1-2 (I ток); $varphi_{1}-varphi_{2}$ – разность потенциалов концов участка; $varepsilon_12$ — электродвижущая сила в сечении цепи. $varepsilon_12$ равно алгебраической сумме ЭДС всех источников, расположенных в этой области.

Следует помнить, что ЭДС может быть положительной и отрицательной. ЭДС называется положительной, если она увеличивает потенциал в направлении тока (ток течет от минуса к плюсу источника).

Таблица удельных сопротивлений различных материалов

Материал	Удельное сопротивление ρ, Ом мм2/м
Алюминий	0,028
Бронза	0,095–0,1
Висмут	1,2
Вольфрам	0,05
Утюг	0,1
Золото	0,023
Иридий	0,0474
Константан (сплав NiCu + Mn)	0,5
Латунь	0,025–0,108
Магний	0,045
Манганин (сплав меди с марганцем и никелем — инструментальный)	0,43–0,51
Медь	0,0175
Молибден	0,059
Нейзильбер (сплав меди, цинка и никеля)	0,2
Натрий	0,047
Никелин (сплав меди и никеля)	0,42
Никель	0,087
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)	1,05–1,4
Банка	0,12
Платина	0,107
Меркурий	0,94
Вести	0,22
Серебряный	0,015
Стали	0,103–0,137
Титан	0,6
Хромальный	1,3–1,5
Цинк	0,054
Чугун	0,5–1,0

Параллельное и последовательное соединение

Все это время мы говорили о схемах с одним резистором. Подумайте, что произойдет, если их станет больше.

	Последовательное соединение	Параллельное соединение
Схема	Противники следуют друг за другом	Между резисторами два узла Узел – это соединение трех и более проводников
Сила тока	Ток одинаков на всех резисторах Я = я1 = я2	Сила тока, входящего в узел, равна сумме сил выходящих из него токов Я = я1 + я2
Напряжение	Общее напряжение цепи представляет собой сумму напряжений на каждом резисторе У = У1 + У2	Напряжение одинаково на всех резисторах У=У1=У2
Сопротивление	Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений каждого резистора Р = Р1 + Р2	Общее сопротивление для бесконечного числа резисторов, соединенных параллельно 1/R = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn Суммарное сопротивление двух параллельно соединенных резисторов Суммарное сопротивление бесконечного числа одинаковых резисторов, соединенных параллельно Р = Рл/н

Зачем нужны эти соединения, если можно сразу взять резистор нужного номинала?

Начнем с того, что все электронные компоненты изготавливаются по ГОСТу. То есть есть определенные номиналы резисторов, от которых нельзя отклоняться при производстве. Это значит, что не всегда есть резистор с нужным характером, и его надо строить из других резисторов.

Параллельное соединение также используется как «запасной аэродром»: когда общее сопротивление не сильно повлияет на конечный результат, но при выходе из строя одного из резисторов другой будет работать.

Будем честными: схемы, которые обычно даются в упражнениях (миллион резисторов соединенных параллельно, к ним еще и серийный, и еще миллион параллельно этому последовательному) в жизни не существуют. Но навык расчета таких цепей потом упрощает расчет реальных схем, потому что так невооруженным глазом отличишь последовательное соединение от параллельного.

Мы решим несколько задач для последовательного и параллельного соединения.

Смутные времена

Найдите полное сопротивление цепи.

R1 = 1 Ом, R2 = 2 Ом, R3 = 3 Ом, R4 = 4 Ом.

Решение:

Общее сопротивление при последовательном соединении рассчитывается по формуле:

R = R1 + R2 + R3 + R4 = 1 + 2 + 3 + 4 = 10 Ом

Ответ: полное сопротивление цепи 10 Ом

Проблема вторая

Найдите полное сопротивление цепи.

R1 = 4 Ом, R2 = 2 Ом

Решение:

Общее сопротивление при параллельном соединении рассчитывается по формуле:

Ом

Ответ: Общее сопротивление цепи равно Ом

Задача третья

Найдите общее сопротивление цепи, состоящей из резистора и двух ламп.

R1 = 1 Ом, R2 = 2 Ом, R3 = 3 Ом

Решение:

Во-первых, констатируем, что лампы с точки зрения элемента электрической цепи ничем не отличаются от резисторов. То есть у них тоже есть сопротивление, и они тоже влияют на цепь.

В этом случае связь смешанная. Лампы соединены параллельно, а резистор к ним последовательно.

Для начала рассчитаем общее сопротивление ламп. Общее сопротивление при параллельном соединении рассчитывается по формуле:

Ом

Общее сопротивление при последовательном соединении рассчитывается по формуле:

R = R1 + R ламп = 1 + 1,2 = 2,2 Ом

Ответ: Общее сопротивление цепи равно 2,2 Ом.

Наконец последнее и самое сложное задание! Все самое серьезное собрано в этой статье .

Задание четвертое со звездой

Лампочка и два параллельно соединенных резистора сопротивлением 10 Ом каждый подключены к батарее с ЭДС 12 В. Известно, что сила тока в цепи равна 0,5 А, а сопротивление лампочки равно R / 2. Найти внутреннее сопротивление аккумулятора.

Решение:

Сначала найдем сопротивление лампы.

Rламп = R/2 = 10/2 = 5 Ом

Теперь найдите общее сопротивление двух параллельно соединенных резисторов.

Ом

А общее сопротивление цепи равно:

R = Rлампочки + Rрезисторы = 5 + 5 = 10 Ом

Выразим внутреннее сопротивление источника из закона Ома для полной цепи.

Р + г = е / я

г = ε / I — R

Замените значения:

r = 12/0,5 — 10 = 14 Ом

Ответ: Внутреннее сопротивление источника 14 Ом.

Читайте также: Как подсоединить телефонную розетку к проводу: схема цветов провода. Как проверить напряжение телефонного провода тестером

Формула расчета ЭДС в электрических цепях, состоящих из замкнутых контуров

Работа электростатических сил равна нулю, потому что заряды (электроны) приходят почти туда же, откуда пришли. Только равнодействующая работы электродвижущих сил цепи не равна нулю.

Величина определяется по формуле электродвижущей силы:

Формула

Формула ЭДС:

varepsilon=frac{A}{q}.

Это и есть электродвижущая сила. А – работа внешних сил, т.е. ЭДС.

Обратите внимание, что направление ЭДС — это направление движения положительных зарядов внутри источника. Часто оно противоположно направлению движения реальных носителей заряда, которое в подавляющем большинстве случаев осуществляется электронами.

При наличии только одного источника тока направление ЭДС в цепи совпадает с ним.

Размерность электродвижущей силы не равна размерности силы или работы. В системе СИ значение ЭДС измеряется в вольтах. Это мера разности потенциалов, создаваемой на клеммах, когда генератор разомкнут.

Ток короткого замыкания

Если к полюсам источника тока присоединить проводник с сопротивлением R<,> току короткого замыкания:

I_{st}=frac{ε}{r} , где

Iкз — ток короткого замыкания (А); е — ЭДС источника тока (В); r — внутреннее сопротивление (К).

Короткое замыкание — это соединение концов участка цепи с проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Мгновенное увеличение силы тока приводит к сильному нагреву, плавлению металлов, а иногда и к пожарам.

К чему может привести авария среди электронов? Если сравнить поток электронов с потоком автомобилей, то ток короткого замыкания — это авария на шоссе. Поток машин решил слиться в другой. В результате на дороге произошло ДТП. Но машины продолжают наезжать друг на друга (как в Норильске в метель). В случае короткого замыкания ток будет увеличиваться до тех пор, пока механизмы расцепления не остановят ток.

Как образуется ЭДС

Идеальным источником ЭДС является генератор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение на его зажимах не зависит от нагрузки. Мощность идеального источника ЭМП бесконечна. Реальный источник ЭДС, в отличие от идеального, содержит внутреннее сопротивление Ri и напряжение зависит от нагрузки (рис. 1., б), а влияние источника конечно.

Электрическая цепь реального генератора ЭДС представляет собой последовательное соединение идеального генератора ЭДС Е и его внутреннего сопротивления Ri.

На практике, чтобы приблизить режим работы реального генератора ЭДС к идеальному режиму работы, внутреннее сопротивление реального генератора Ri стараются сделать как можно меньшим, а сопротивление нагрузки Rn необходимо подключить к величине не менее чем в 10 раз больше этого внутреннего сопротивления генератора, т.е необходимо выполнение условия: Rn >> Ri

Для того чтобы выходное напряжение реального генератора ЭДС не зависело от нагрузки, его стабилизируют с помощью специальных электронных схем стабилизации напряжения. Поскольку внутреннее сопротивление реального генератора ЭДС нельзя сделать бесконечно малым, его минимизируют и выполняют эталонным для возможности последовательного подключения к нему потребителей энергии. В радиотехнике стандартное выходное сопротивление генераторов ЭМП составляет 50 Ом (промышленный стандарт) и 75 Ом (бытовой стандарт).

Например, все ТВ-приемники имеют входное сопротивление 75 Ом и подключаются к антеннам коаксиальным кабелем именно с таким волновым сопротивлением. С целью приближения к идеальным генераторам ЭДС источники питающего напряжения, применяемые во всей промышленной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре, выполняются с использованием специальных электронных схем стабилизации выходного напряжения, позволяющих поддерживать практически постоянное выходное напряжение источника питания в заданном диапазоне потребляемых токов от источника ЭДС (иногда его называют источником напряжения).

На электрических схемах источники ЭДС изображают следующим образом: Э — источник постоянной ЭДС, е(t) — источник гармонической (переменной) ЭДС в виде функции времени. Электродвижущая сила Е батареи с последовательно соединенными одинаковыми элементами равна электродвижущей силе элемента Е, умноженной на число элементов в батарее: Е = nE.

Постоянный ток и ЭДС.

Виды ЭДС

Электродвижущая сила может быть разных видов (но всегда неэлектрическая). В зависимости от типа источника питания ЭДС может быть:

• фотоэлектрическая природа – возникает в полупроводниковых соединениях при облучении видимым светом или ультрафиолетом (в основе этого эффекта лежит работа солнечных элементов);
• электрохимическая природа – привычные гальванические элементы и батареи;
• термоэлектрическая ЭДС – возникает при разнице температур между холодным и горячим спаем металлов (термопары для выработки электроэнергии и измерения температуры);
• пьезоэлектрическая природа (возникает при деформации некоторых материалов) – используется в пьезозажигалках;
• ЭМП электромагнитной природы — генераторы электростанций, автомобилей и т.п.

В технике встречаются и некоторые другие виды ЭМП, но реже.

Фактчек

• ЭДС источника тока (ε) — физический параметр, характеризующий работу, затрачиваемую на перемещение зарядов внутри источника внешними силами:

ε=frac{A_{st}}{q}

• Внутреннее сопротивление (r) — определяет величину потерь энергии при прохождении тока через источник питания.
• Закон Ома для полной цепи: Ток в замкнутой цепи равен отношению ЭДС цепи к полному сопротивлению:

I=frac{ε}{R+r}

• Предельное значение тока для данного источника тока называется током короткого замыкания:

I_{kz}=frac{ε}{r}

• Суммарная мощность схемы равна мощности источника тока: Pист = εI .

Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии

Для поддержания электрического тока в проводнике требуется внешний источник энергии, который постоянно создает разность потенциалов между концами этого проводника. Такие источники энергии называются источниками электрической энергии (или источниками питания). Источники электрической энергии обладают определенной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС), которая создает и поддерживает в течение длительного времени разность потенциалов между концами проводника.

Источник электрической энергии выполняет определенную работу, перемещая электрические заряды по замкнутой цепи. За единицу измерения электродвижущей силы принят вольт (сокращенно вольт обозначается буквой V или V — «ve» на латыни). ЭДС источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении кулона электричества по замкнутой цепи источник электрической энергии работает равным одному джоулю:

Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии.

На практике для измерения ЭДС используются как более крупные, так и более мелкие единицы, а именно:

• 1 киловольт (кВ, кВ) равен 1000 В;
• 1 милливольт (мВ, мВ), равный одной тысячной вольта (10-3 В),
• 1 микровольт (мкВ, мкВ), равный одной миллионной вольта (10-6 В).

очевидно, 1 кВ = 1000 В; 1 В = 1000 мВ = 1 000 000 мкВ; 1 мВ = 1000 мкВ.

В настоящее время существует несколько видов источников электрической энергии. Впервые в качестве источника электрической энергии была использована гальваническая батарея, состоящая из нескольких цинковых и медных кругов, между которыми помещалась смоченная в подкисленной воде кожа. В гальванической батарее химическая энергия преобразовывалась в электрическую (подробнее об этом будет сказано в главе XVI). Гальваническая батарея получила свое название от итальянского физиолога Луиджи Гальвани (1737-1798), одного из основоположников теории электричества.

Многочисленные опыты по совершенствованию и практическому использованию гальванических батарей провел русский ученый Василий Владимирович Петров. В начале прошлого века он создал самую большую в мире гальваническую батарею и использовал ее для ряда блестящих экспериментов. Источники электрической энергии, работающие по принципу преобразования химической энергии в электрическую, называются химическими источниками электрической энергии.

Другим основным источником электрической энергии, широко применяемым в электро- и радиотехнике, является генератор. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Для химических источников электрической энергии и для генераторов электродвижущая сила проявляется одинаково, создавая разность потенциалов на зажимах источника и поддерживая ее длительное время.

Эти называются полюсами источника электрического тока. Полюс источника электрической энергии имеет положительный потенциал (отсутствие электронов), обозначается знаком плюс (+) и называется положительным полюсом.

Другой полюс имеет отрицательный потенциал (избыток электронов), обозначается знаком минус (-) и называется отрицательным полюсом. От источников электрической энергии электрическая энергия передается по проводам к потребителям (электрические лампы, электродвигатели, электрические дуги, электронагреватели и т д).

Закон Ома для полной цепи

Мы выяснили закон Ома для части цепи. Теперь выясним, что будет, если цепь полная: в ней есть исток, проводники, резисторы и другие элементы.

В этом случае для полной цепи вводится закон Ома: сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Да, стоп. Слишком много незнакомых слов — разбираемся по порядку.

Что такое ЭДС и откуда она берется

ЭДС обозначает электродвижущую силу. Обозначается греческой буквой ε и измеряется, как и напряжение, в вольтах.

ЭДС — это сила, которая перемещает заряженные частицы в цепи. Он взят из текущего источника. Например от аккумулятора.

Химическая реакция внутри гальванического элемента (это синоним батарейки) происходит с выделением энергии в электрическую цепь. Именно эта энергия заставляет частицы двигаться вдоль проводника.

Часто приравнивают напряжение и ЭДС и говорят, что это одно и то же. Формально это не так, но при решении задач разницы обычно нет, так как эти величины и измеряются в вольтах, и определяют процессы, по сути очень похожие.

В форме формулы закон Ома для полной цепи будет выглядеть так:

Закон Ома для полной цепи I — сила тока А ε — ЭДС В R — сопротивление нагрузки Ом r — внутреннее сопротивление источника Ом

Каждый источник не идеален. В задачах это возможно («считать исходник идеальным», это предложения), а в реальной жизни — точно нет. В связи с этим источник имеет внутреннее сопротивление, препятствующее протеканию тока.

Решим задачу для полной цепочки.

Задача

Найти силу тока в полной цепи, состоящей из резистора сопротивлением 3 Ом и источника с ЭДС равной 4 В и внутренним сопротивлением 1 Ом

Решение:

Примем закон Ома для полной цепи:

Замените значения:

ОДИН

Ответ: Сила тока в цепи равна 1 А.

Урок 31. Лабораторная работа № 08. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

Лаборатория №8

Тема: «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока».

Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;

2. Источник электрической энергии;

3 соединительных провода,

4. Набор резисторов 2 Ом и 4 Ом;

5. Однополюсный переключатель; ключ.

Теория.

Существование разности потенциалов на полюсах любого источника есть результат разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит за счет работы, совершаемой внешними силами.

Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда от источников тока, называются внешними силами.

При движении электрических зарядов по цепи постоянного тока внутри источников тока действуют внешние силы.

Физическая величина, равная отношению работы внешних сил Ast при движении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

ЭДС определяется работой, совершаемой внешними силами при перемещении одного положительного заряда.

Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах В.

Для измерения ЭДС источника необходимо присоединить к нему вольтметр с разомкнутой цепью.

Источник питания является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называется внутренним сопротивлением источника и обозначается r.

Если цепь разомкнута, работа внешних сил преобразуется в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия используется для работы движущихся зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r, т е. ε = IR + Ir.

Если цепь состоит из внешней части с сопротивлением R и внутреннего сопротивления r, то по закону сохранения энергии ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешней и внутренней частях цепи , так как при движении по замкнутому контуру заряд возвращается в исходное положение , где IR — напряжение на внешней части цепи, а Ir — напряжение на внутренней части цепи.

Для части цепи, содержащей ЭДС:

Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней и внутренней частей цепи.

ε и r можно определить эмпирически.

Часто источники электрической энергии соединяются вместе для питания цепи. Соединение источников в батарее может быть последовательным или параллельным.

При последовательном соединении два соседних источника соединяются противоположными полюсами.

То есть для последовательного соединения аккумуляторов положительный полюс первого аккумулятора соединяется с «плюсом» электрической цепи. Положительную клемму второй батареи соединяют с ее отрицательной клеммой и т д. Минусовую клемму последней батареи соединяют с «минусом» электрической цепи.

Аккумулятор, поступающий от последовательного соединения, имеет такую ​​же емкость, как и одиночный аккумулятор, а напряжение такого аккумулятора равно сумме напряжений входящих в него аккумуляторов. Если батареи имеют одинаковое напряжение, напряжение батареи равно напряжению одной батареи, умноженному на количество батарей в батарее.

1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε1 + ε2 + ε3

2. Общее сопротивление батареи источника равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r батареи = r1 + r2 + r3

Если к аккумулятору подключено n одинаковых источников, то ЭДС аккумулятора ε= nε1, а сопротивление rbattery= nr1

3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

При параллельном соединении все положительные и все отрицательные полюса двух или n источников соединяются вместе.

То есть при параллельном соединении аккумуляторы соединяются так, что положительные выводы всех аккумуляторов подключаются к одной точке электрической цепи («плюс»), а отрицательные выводы всех аккумуляторов подключаются к другой точке в цепи. («минус″).

Параллельно соединяются только источники с одинаковой ЭДС. Аккумулятор, полученный в результате параллельного соединения, имеет то же напряжение, что и одиночный аккумулятор, а емкость такого аккумулятора равна сумме емкостей входящих в него аккумуляторов. Если батареи имеют одинаковую емкость, емкость батареи равна емкости одной батареи, умноженной на количество батарей в батарее.

1. ЭДС батареи с идентичными источниками равна ЭДС источника. ε= ε1= ε2 = ε3

2. Сопротивление батареи меньше сопротивления источника rбатарея = r1/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

Электрическая энергия, запасенная в аккумуляторе, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, соединены ли аккумуляторы параллельно или последовательно.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной и той же технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому, так как при параллельном соединении емкость батареи равна сумме емкостей входящих в нее батарей, то есть по мере ее увеличения внутреннее сопротивление уменьшается.

Прогресс.

1. Нарисуйте таблицу:

№ опыт	Источник электрической энергии ВУП, В	1 счет	2 счета	ЭЦП ε , В	Внутреннее сопротивление, р, Ом
Р1, Ом	Сила тока И1, А	Р2, Ом	Сила тока И2, А
один	один	один		2

2. Рассмотрите шкалу амперметра и определите цену одного деления.
3. Создайте электрическую цепь по схеме, показанной на рис. 1. Установите переключатель в среднее положение.

Рисунок 1.

4. Замкнуть цепь, введя меньшее сопротивление R1. Запишите значение тока I1. Откройте цепь.

5. Замкнуть цепь, введя большее сопротивление R2. Запишите значение тока I2. Откройте цепь.

6. Рассчитайте значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.

Закон Ома для всей цепи для каждого случая: 
а также    

Отсюда получаем формулы для вычисления ε и r:

7. Запишите результаты всех измерений и расчетов в таблицу.

8. Сделайте вывод.

9. Ответьте на контрольные вопросы.

ПРОВЕРОЧНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Раскройте физический смысл термина «электродвижущая сила к источнику тока».

2. Определить сопротивление внешней части цепи по результатам полученных измерений и закону Ома для всей цепи.

3. Объясните, почему внутреннее сопротивление увеличивается при последовательном соединении батарей и уменьшается при параллельном соединении по сравнению с сопротивлением r0 одиночной батареи.

4. В каком случае вольтметр, подключенный к клеммам генератора, показывает ЭДС генератора, а в каком случае напряжение на концах внешней части цепи? Можно ли считать это напряжение также напряжением на концах внутренней части цепи?

Вариант измерения.

Опыт 1. Сопротивление R1=2 Ом, ток I1=1,3 А.

Сопротивление R2=4 Ом, ток I2=0,7 А.

Мощность источника тока

Запишем закон Ома для всей цепи в виде:

ε = I(R + r) = IR + Ir,

умножьте уравнение на силу тока I и получите выражение, где каждый член имеет смысл:

εI = I2R + I2r

Суммарная мощность схемы равна мощности источника тока:

Р_{ист}={εI}, где

Pист — мощность источника тока (Вт); е — ЭДС источника тока (В); I — сила тока (А).

Единицей измерения Pist является Вт (Ватт).

Тепловая мощность, выделяемая на сопротивлении:

Pпол=I2R

Потери мощности при передаче электроэнергии (потеря мощности):

Рпот=I2р

В тот день батарея долго не работала, пришлось выкинуть.

Кстати, а вы умеете правильно утилизировать разряженные батарейки?

Вы не можете просто выбросить это. Утилизация аккумуляторов – самый сложный процесс, так как они содержат токсичные вещества, оказывающие негативное влияние на здоровье человека и природу. Чтобы этого не произошло, необходимо найти пункты самовывоза в своем городе и поместить аккумуляторы в специальный контейнер.