Određivanje elektromotorne sile. Elektromotorna sila. EMF s hidrauličkog gledišta

Elektromotorna sila (EMF)- u uređaju koji forsira razdvajanje pozitivnih i negativnih naboja (generator), u voltima se mjeri vrijednost brojčano jednaka razlici potencijala između stezaljki generatora u odsutnosti struje u njegovom krugu.

Izvori elektromagnetske energije (generatori)- uređaji koji pretvaraju bilo koju neelektričnu energiju u električnu energiju. Takvi izvori su npr.

generatori u elektranama (termo, vjetroelektrane, nuklearne, hidro), pretvaranje mehaničke energije u električnu energiju;

galvanske ćelije (baterije) i akumulatori svih vrsta koji pretvaraju kemijsku energiju u električnu i dr.

EMF je numerički jednak radu vanjskih sila prilikom pomicanja jediničnog pozitivnog naboja unutar izvora ili samog izvora, provodeći jedinični pozitivni naboj kroz zatvoreni krug.

Elektromotorna sila EMF E je skalarna veličina koja karakterizira sposobnost vanjskog polja i induciranog električnog polja da izazovu električnu struju. EMF E je brojčano jednak radu (energiji) W u džulima (J) koji troši ovo polje premjestiti jedinicu naboja (1 C) s jedne točke u polju na drugu.

Jedinica za EMF je volt (V). Dakle, emf je jednaka 1 V ako se pri micanju naboja od 1 C po zatvorenom krugu izvrši rad od 1 J: [E] = I J/1 C = 1 V.

Kretanje naboja po površini popraćeno je utroškom energije.

Vrijednost brojčano jednaka radu koji izvrši izvor provođenjem jednog pozitivnog naboja kroz određeni dio strujnog kruga naziva se napon U. Budući da se strujni krug sastoji od vanjskog i unutarnjeg dijela, koncepti napona u vanjskom Uvsh i unutarnjem Uvt razlikuju se odjeljci.

Iz rečenog je očito da EMF izvora jednaka je zbroju napona na vanjskom U i unutarnjem U dijelu kruga:

E = Uin + Uin.

Ova formula izražava zakon održanja energije za električni krug.

Moguće je mjeriti napone u različitim dijelovima strujnog kruga samo kada je strujni krug zatvoren. EMF se mjeri između priključaka izvora s otvorenim krugom.

Smjer EMF je smjer prisilnog kretanja pozitivnih naboja unutar generatora od minusa do plusa pod utjecajem prirode koja nije električna.

Unutarnji otpor generatora je otpor strukturnih elemenata unutar njega.

Idealan izvor EMF- generator čija je vrijednost nula, a napon na njegovim stezaljkama ne ovisi o opterećenju. Snaga idealnog EMF izvora je beskonačna.

Konvencionalna slika (električni dijagram) idealnog EMF generatora magnitude E prikazano na sl. 1, a.

Pravi EMF izvor, za razliku od idealnog, sadrži unutarnji otpor Ri i njegov napon ovisi o opterećenju (slika 1, b), a snaga izvora je konačna. Električni krug realnog EMF generatora je serijski spoj idealnog EMF generatora E i njegovog unutarnjeg otpora Ri.

U praksi, da bi se režim rada realnog generatora EMF približio režimu rada idealnog, nastoji se unutarnji otpor realnog generatora Ri učiniti što manjim, a otpor opterećenja Rn mora biti povezan s vrijednošću ne manjom od 10 puta većom od unutarnjeg otpora generatora , tj. mora biti ispunjen sljedeći uvjet: Rn >> Ri

Kako bi se osiguralo da izlazni napon stvarnog EMF generatora ne ovisi o opterećenju, stabilizira se pomoću posebnih elektroničkih krugova stabilizacije napona.

Budući da se unutarnji otpor stvarnog EMF generatora ne može učiniti beskonačno malim, minimiziran je i standardiziran za mogućnost koordiniranog spajanja potrošača energije na njega. U radiotehnici, standardni izlazni otpor EMF generatora je 50 Ohma (industrijski standard) i 75 Ohma (kućanski standard).

Primjerice, svi televizijski prijamnici imaju ulaznu impedanciju od 75 Ohma i na antene se spajaju koaksijalnim kabelom upravo te impedancije.

Da bi se približili idealnim EMF generatorima, izvori napona napajanja koji se koriste u svoj industrijskoj i kućanskoj elektroničkoj opremi izrađeni su pomoću posebnih elektroničkih krugova za stabilizaciju izlaznog napona, koji omogućuju održavanje gotovo konstantnog izlaznog napona izvora napajanja u zadanom rasponu struja. troši iz izvora EMF (ponekad se naziva izvor napona).

Na električnim dijagramima izvori EMF-a prikazani su na sljedeći način: E - izvor konstantnog EMF-a, e(t) - izvor harmonijskog (varijabilnog) EMF-a u obliku funkcije vremena.

Elektromotorna sila E baterije istih elemenata spojenih u seriju jednaka je elektromotornoj sili jednog elementa E pomnoženoj s brojem n elemenata baterije: E = nE.

Treće strane (nepotencijalne) sile u izvorima posta. ili naizmjenično Trenutno; u zatvorenoj vodljivoj petlji jednak je radu tih sila za pomicanje jedinične pozicije. naboj duž cijelog kruga. Ako koristimo Esgr za označavanje jakosti polja vanjskih sila, tada emf? u zatvorenoj petlji L je jednako

gdje je dl element duljine konture.

Moćan. elektrostatičke sile polja ne mogu podržavati post. tih sila na zatvorenoj putanji je nula. Prolazak struje kroz vodiče prati oslobađanje energije – zagrijavanje vodiča. Vanjske sile dovode do naboja. dijelovi unutar generatora, galvanski. elementi, baterije i drugi izvori struje. Podrijetlo vanjskih sila može biti različito: kod generatora to su sile iz vrtložne električne. polje koje nastaje pri promjeni magnetskog polja. polja s vremenom, ili Lorentz, koja djeluju s magnetske strane. polja na elektronima u vodiču koji se kreće; u galvanskom elementi i baterije su kemijski. sila itd. EMF izvora jednaka je električnom naponu na njegovim stezaljkama kada je strujni krug otvoren. Emf određuje jakost struje u strujnom krugu pri danom otporu (vidi OMA ZAKON). Mjeri se kao električna energija. , u voltima.

Fizički enciklopedijski rječnik. - M.: Sovjetska enciklopedija. . 1983 .

ELEKTROMOTORNA SILA

(emf) - fenomenološka karakteristika izvora struje. Uveo G. Ohm 1827. za istosmjerne krugove. struje i definirao ju je G. Kirchhoff 1857. kao rad "vanjskih" sila tijekom prijenosa jedinice električne struje. naboj duž zatvorene petlje. Tada se koncept emf počeo tumačiti šire - kao mjera specifičnih (po jedinici naboja prenesenih strujom) energetskih transformacija koje se provode u kvazistacionarnim [vidi. Kvazistacionarna (kvazistatička) aproksimacija]električni strujne krugove ne samo izvorima "treće strane" (galvanske baterije, akumulatori, generatori itd.), već i elementima "opterećenja" (elektromotori, baterije u načinu punjenja, prigušnice, transformatori itd.).

Puno ime veličina - E. s. - povezana je s mehaničkim. analogije procesa u elektricitetu. lanci i rijetko se koristi; Češća je skraćenica emf. U SI, emf se mjeri u voltima (V); u Gaussovom sustavu (SGSE) jedinica emf posebna. nema naziv (1 SGSE 300 V).

U slučaju kvazilinearnog posta. struja u zatvorenom (bez grana) strujnom krugu ukupnog influksa el.magnet. Energija koju generiraju izvori u potpunosti se troši na proizvodnju topline (vidi. Džulovi gubici):

gdje je emf u vodljivom krugu, ja-Trenutno, R- otpor (predznak emf, kao i predznak struje, ovisi o izboru smjera prijelaza duž konture).

Pri opisivanju kvazistacionarnih procesa u elektrotehnici krugova u energetskoj razini. ravnoteže (*) potrebno je uzeti u obzir promjene akumuliranog magnetskog Wm i električni mi energije:

Prilikom mijenjanja magnetskog polje u vremenu, pojavljuje se vrtložni električni. E s,čije se kruženje duž vodljivog kruga obično naziva emf elektromagnetska indukcija:

Električne promjene energije su značajne, u pravilu, u slučajevima kada strujni krug sadrži veliku električnu kapacitet, na primjer kondenzatori. Zatim dW e /dt = D U. ja, gdje D U- razlika potencijala između ploča kondenzatora.

Međutim, prihvatljiva su i druga tumačenja energije. transformacije u električnu energiju lanci. Tako npr. ako se u krugu izmjenične struje. skladan struja povezana s induktivnošću L, zatim međusobne transformacije elektriciteta. i mag. energije u njemu možemo okarakterizirati kao emf el.-magn. indukcija i pad napona na efektivnoj reaktanciji Z L(cm. Impedancija): U kretanju u magnetskim polja u tijelima (npr. u armaturi unipolarnog induktora), čak i rad sila otpora može pridonijeti emf.

U razgranatim krugovima kvazilinearnih struja, odnos između emf i padova napona u dijelovima kruga koji čine zatvoreni krug određen je sekundom Kirchhoffovo pravilo.

Emf je integralna karakteristika zatvorene petlje, au općem slučaju nemoguće je strogo naznačiti mjesto njegove "primjene". Međutim, često se emf može smatrati približno lokaliziranim u određenim uređajima ili elementima kruga. U takvim slučajevima obično se smatra svojstvom uređaja (galvanske baterije, akumulatora, dinama itd.) i određuje se kroz razliku potencijala između njegovih otvorenih polova. Na temelju vrste pretvorbe energije u ovim uređajima razlikuju se sljedeće vrste emf: x i m i h e emf u galvansku emf. baterije, kade, akumulatori, tijekom korozijskih procesa (galvanski učinci), fotoelektrični emf (fotonon) s vanjskim. i unutarnje fotoelektrični učinak (fotoćelije, fotodiode); e lec t r o m a g n i t e emf - e.m.f. indukcijski (dinamo, transformatori, prigušnice, elektromotori itd.); elektro ostatska emf, koja nastaje npr. tijekom mehaničkih trenje (elektroforni strojevi, elektrifikacija grmljavinskih oblaka itd.); piezoelektrični emf - pri stiskanju ili istezanju piezoelektrika (piezoelektrični senzori, hidrofoni, stabilizatori frekvencije itd.); Toplinska emf povezana s toplinskom emisijom naboja. čestice s površine zagrijanih elektroda; Termoelektrična emf ( termoenergija) - na kontaktima različitih vodiča ( Seebeckov učinak I Peltier efekt) ili u dijelovima lanca s nejednolikom raspodjelom temperature ( Thomsonov učinak). Termoenergija se koristi u termoparovima, pirometrima i rashladnim strojevima.

M. A. Miller, G. V. Permitin.

Fizička enciklopedija. U 5 svezaka. - M.: Sovjetska enciklopedija. Glavni urednik A. M. Prokhorov. 1988 .

Pogledajte što je "ELEKTRIČNA MOTORNA SILA" u drugim rječnicima:

elektromotorna sila- Skalarna veličina koja karakterizira sposobnost vanjskog polja i induciranog električnog polja da izazovu električnu struju. Napomena - Elektromotorna sila jednaka je linearnom integralu jakosti vanjskog polja i induciranog... ... Vodič za tehničke prevoditelje Moderna enciklopedija - skalarna veličina koja karakterizira sposobnost vanjskog polja i induciranog električnog polja da izazovu električnu struju...

U ovoj lekciji pobliže ćemo pogledati mehanizam za pružanje dugotrajne električne struje. Uvedimo pojmove "izvor energije", "vanjske sile", opišemo princip njihovog djelovanja, a također uvedemo pojam elektromotorne sile.

Tema: Zakoni istosmjerne struje
Lekcija: Elektromotorna sila

U jednoj od prethodnih tema (uvjeti za postojanje električne struje) već je dotaknuto pitanje potrebe izvora energije za održavanje postojanja električne struje kroz dulje vrijeme. Sama struja, naravno, može se dobiti bez takvih izvora energije. Na primjer, kondenzator se prazni kada kamera bljeska. Ali takva će struja biti previše kratkotrajna (slika 1).

Riža. 1. Kratkotrajna struja tijekom međusobnog pražnjenja dva suprotno nabijena elektroskopa ()

Coulombove sile uvijek nastoje spojiti suprotne naboje, čime se izjednačuju potencijali u cijelom krugu. I, kao što znate, za prisutnost polja i struje potrebna je potencijalna razlika. Stoga je nemoguće bez drugih sila koje razdvajaju naboje i održavaju razliku potencijala.

Definicija. Sile treće strane su sile neelektričnog podrijetla usmjerene na razrjeđivanje naboja.

Ove sile mogu biti različite prirode ovisno o vrsti izvora. U baterijama su kemijskog podrijetla, u električnim generatorima su magnetskog podrijetla. Oni osiguravaju postojanje struje, budući da je rad električnih sila u zatvorenom krugu uvijek jednak nuli.

Druga zadaća izvora energije, osim održavanja razlike potencijala, je nadoknada gubitaka energije uslijed sudara elektrona s drugim česticama, zbog čega prve gube kinetičku energiju, a povećava se unutarnja energija vodiča.

Vanjske sile unutar izvora rade protiv električnih sila, šireći naboje u smjerovima suprotnim njihovom prirodnom tijeku (dok se kreću u vanjskom krugu) (Sl. 2).

Riža. 2. Shema djelovanja snaga treće strane

Analogom djelovanja izvora energije može se smatrati pumpa za vodu, koja ispušta vodu protiv prirodnog toka (odozdo prema gore, u stanove). Naprotiv, voda prirodno teče prema dolje pod utjecajem gravitacije, ali za kontinuirani rad dovoda vode u stan neophodan je kontinuirani rad crpke.

Definicija. Elektromotorna sila je omjer rada vanjskih sila za pomicanje naboja i veličine tog naboja. Oznaka - :

Jedinica mjere:

Umetnuti. EMF otvorenog i zatvorenog kruga

Razmotrite sljedeći krug (slika 3):

Riža. 3.

S otvorenim prekidačem i idealnim voltmetrom (otpor je beskonačno visok), u strujnom krugu neće biti struje, a unutar galvanskog članka odvijat će se samo rad na odvajanju naboja. U tom će slučaju voltmetar pokazati vrijednost EMF-a.

Kada je ključ zatvoren, struja će teći kroz krug, a voltmetar više neće pokazivati ​​vrijednost EMF-a, pokazat će vrijednost napona, isto kao na krajevima otpornika. Sa zatvorenom petljom:

Ovdje: - napon na vanjskom krugu (na žicama opterećenja i napajanja); - napon unutar galvanskog članka.

U sljedećoj lekciji proučavat ćemo Ohmov zakon za cijeli krug.

Bibliografija

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizika (osnovna razina) - M.: Mnemosyne, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizika 10. razred. - M.: Ilexa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizika. Elektrodinamika. - M.: 2010.

1. ens.tpu.ru ().
2. physbook.ru ().
3. elektrodinamika.narod.ru ().

Domaća zadaća

1. Što su vanjske sile, kakva je njihova priroda?
2. Kako je napon na otvorenim polovima izvora struje povezan s njegovom EMF?
3. Kako se energija pretvara i prenosi u zatvorenom krugu?
4. *Emp baterije svjetiljke je 4,5 V. Hoće li žarulja dizajnirana za 4,5 V gorjeti punim intenzitetom iz ove baterije? Zašto?

« Fizika - 10. razred"

Svaki izvor struje karakterizira elektromotorna sila ili skraćeno EMF. Dakle, na bateriji okrugle svjetiljke piše: 1,5 V.
Što to znači?

Ako spojite dvije suprotno nabijene kuglice s vodičem, naboji će se brzo neutralizirati, potencijali kuglica postat će isti, a električno polje će nestati (slika 15.9, a).

Vanjske sile.

Da bi struja bila konstantna, potrebno je održavati konstantan napon između kuglica. Za to vam je potreban uređaj (izvor struje) koji bi pomicao naboje s jedne kuglice na drugu u smjeru suprotnom od smjera sila koje na te naboje djeluju iz električnog polja kuglica. U takvom uređaju, osim električnih sila, naboji moraju djelovati silama neelektrostatskog podrijetla (slika 15.9, b). Samo električno polje nabijenih čestica ( Coulombovo polje) nije u stanju održavati konstantnu struju u krugu.

Sve sile koje djeluju na električki nabijene čestice, s izuzetkom sila elektrostatskog podrijetla (tj. Coulombovih sila), nazivaju se vanjske sile.

Zaključak o potrebi vanjskih sila za održavanje konstantne struje u krugu postat će još očitiji ako se obratimo zakonu održanja energije.

Elektrostatsko polje je potencijalno. Rad ovog polja kada se nabijene čestice kreću u njemu po zatvorenom električnom krugu jednak je nuli. Prolazak struje kroz vodiče prati oslobađanje energije – vodič se zagrijava. Stoga u strujnom krugu mora postojati neki izvor energije koji je opskrbljuje strujnim krugom. U njemu, osim Coulombovih sila, moraju djelovati i treće strane, nepotencijalne sile. Rad tih sila duž zatvorene petlje mora biti različit od nule.

Upravo u procesu obavljanja rada pomoću tih sila nabijene čestice dobivaju energiju unutar izvora struje i zatim je predaju vodičima električnog kruga.

Sile trećih strana pokreću nabijene čestice unutar svih izvora struje: u generatorima u elektranama, u galvanskim ćelijama, baterijama itd.

Kada je strujni krug zatvoren, u svim vodičima kruga stvara se električno polje. Unutar izvora struje naboji se kreću pod utjecajem vanjske sile protiv Coulombovih sila(elektroni od pozitivno nabijene elektrode do negativne), au vanjskom krugu ih pokreće električno polje (vidi sl. 15.9, b).

Priroda vanjskih sila.

Priroda vanjskih sila može biti različita. U generatorima elektrana, strane sile su sile koje djeluju iz magnetskog polja na elektrone u vodiču koji se kreće.

U galvanskom članku, kao što je Voltin, djeluju kemijske sile.

Volta ćelija se sastoji od cinkove i bakrene elektrode smještene u otopinu sumporne kiseline. Kemijske sile uzrokuju otapanje cinka u kiselini. Pozitivno nabijeni ioni cinka prelaze u otopinu, a sama cinkova elektroda postaje negativno nabijena. (Bakar se vrlo malo otapa u sumpornoj kiselini.) Između cinčane i bakrene elektrode pojavljuje se razlika potencijala koja određuje struju u vanjskom električnom krugu.

Djelovanje vanjskih sila karakterizira važna fizikalna veličina tzv elektromotorna sila(skraćeno EMF).

Elektromotorna sila izvor struje jednak je omjeru rada vanjskih sila pri pomicanju naboja duž zatvorenog kruga prema apsolutnoj vrijednosti ovog naboja:

Elektromotorna sila se, kao i napon, izražava u voltima.

Razlika potencijala na stezaljkama baterije kada je strujni krug otvoren jednaka je elektromotornoj sili. EMF jedne baterije je obično 1-2 V.

Također možemo govoriti o elektromotornoj sili u bilo kojem dijelu strujnog kruga. Ovo je specifičan rad vanjskih sila (rad za pomicanje jednog naboja) ne kroz cijeli krug, već samo u određenom području.

Elektromotorna sila galvanskog članka je veličina brojčano jednaka radu vanjskih sila pri premještanju jednog pozitivnog naboja unutar elementa s jednog pola na drugi.

Rad vanjskih sila ne može se izraziti kroz razliku potencijala, jer su vanjske sile nepotencijalne i njihov rad ovisi o obliku putanje naboja.

Na krajevima vodiča, a time i struje, neophodna je prisutnost vanjskih sila neelektrične prirode, uz pomoć kojih dolazi do razdvajanja električnih naboja.

Od vanjskih sila su sve sile koje djeluju na električki nabijene čestice u krugu, s izuzetkom elektrostatičke (tj. Coulombove).

Sile trećih strana pokreću nabijene čestice unutar svih izvora struje: u generatorima, elektranama, galvanskim ćelijama, baterijama itd.

Kada je strujni krug zatvoren, u svim vodičima kruga stvara se električno polje. Unutar izvora struje naboji se kreću pod utjecajem vanjskih sila protiv Coulombovih sila (elektroni se kreću od pozitivno nabijene elektrode do negativne), a kroz ostatak strujnog kruga pokretani su električnim poljem (vidi gornju sliku).

U izvorima struje, u procesu odvajanja nabijenih čestica, različite vrste energije pretvaraju se u električnu energiju. Na temelju vrste pretvorene energije razlikuju se sljedeće vrste elektromotornih sila:

- elektrostatički- u elektroforskom stroju, u kojem se mehanička energija trenjem pretvara u električnu;

- termoelektrični- u termoelementu - unutarnja energija zagrijanog spoja dviju žica od različitih metala pretvara se u električnu energiju;

- fotonaponski- u fotoćeliji. Ovdje se događa pretvorba svjetlosne energije u električnu energiju: kada se osvijetle određene tvari, na primjer, selen, bakrov (I) oksid, silicij, uočava se gubitak negativnog električnog naboja;

- kemijski- u galvanskim člancima, baterijama i drugim izvorima u kojima se kemijska energija pretvara u električnu.

Elektromotorna sila (EMF)— karakteristike izvora struje. Pojam EMF uveo je G. Ohm 1827. za krugove istosmjerne struje. Kirchhoff je 1857. definirao EMF kao rad vanjskih sila tijekom prijenosa jediničnog električnog naboja duž zatvorenog kruga:

ɛ = A st /q,

Gdje ɛ — EMF izvora struje, A sv- rad vanjskih sila, q- iznos prenesene naknade.

Elektromotorna sila se izražava u voltima.

O elektromotornoj sili možemo govoriti na bilo kojem dijelu strujnog kruga. Ovo je specifičan rad vanjskih sila (rad za pomicanje jednog naboja) ne kroz cijeli krug, već samo u određenom području.

Unutarnji otpor izvora struje.

Neka postoji jednostavan zatvoreni krug koji se sastoji od izvora struje (na primjer, galvanskog članka, baterije ili generatora) i otpornika s otporom R. Struja u zatvorenom krugu se nigdje ne prekida, dakle, postoji i unutar izvora struje. Bilo koji izvor predstavlja određeni otpor struji. To se zove unutarnji otpor izvora struje a označava se slovom r.

U generatoru r- ovo je otpor namota, u galvanskoj ćeliji - otpor otopine elektrolita i elektroda.

Dakle, izvor struje karakteriziraju vrijednosti EMF-a i unutarnjeg otpora, koji određuju njegovu kvalitetu. Na primjer, elektrostatički strojevi imaju vrlo visok EMF (do nekoliko desetaka tisuća volti), ali je u isto vrijeme njihov unutarnji otpor ogroman (do stotine megaoma). Stoga su neprikladni za stvaranje velikih struja. Galvanski članci imaju EMF od samo približno 1 V, ali je i unutarnji otpor nizak (oko 1 Ohm ili manje). To im omogućuje dobivanje struja mjerenih u amperima.