Электродвижущая сила (ЭДС)

Источник тока
Мы знаем, что в наших розетках есть ток, и не задумываемся, откуда он там взялся. Есть и есть, главное, с ним не сталкиваться, а то можно и пострадать серьезно. И без него мы жить не можем. Кто же еще будет помогать нам заряжать гаджеты?
Так вот ток для наших Айфонов поступает к розеткам от источника. Это может быть батарейка, аккумулятор, генератор или даже солнечная панель. Эти устройства создают и поддерживают поток электронов, который двигается по электрической цепи.
Источник тока — это специальное приспособление, которое может преобразовать энергию разного вида в электрическую.
Источник тока имеет два полюса: положительный и отрицательный. Они позволяют производить разделение заряженных частиц на положительные и отрицательные и накапливать их. И если его подключить к цепи, то заряды придут в движение и с помощью проводника создадут некий поток, который и поможет нам зарядить гаджет.
Определение и формула ЭДС
А кто же заставляет наши заряженные частицы начать двигаться вдруг куда-то? Сидели бы и сидели на своих полюсах, а тут бегут, стремятся заряжать наши телефоны! Здесь мы и переходим к определению.
Электродвижущая сила источника — это сила, которая заставляет заряженные частицы двигаться в электрической цепи. Простыми словами, это то, что заставляет ток протекать по проводам.
А что говорит нам более научное определение об этой волшебной силе? Ученые объясняют, что электродвижущая сила ЭДС — это величина, которая характеризует отношение работы сторонних сил по перемещению единичного заряда к величине этого заряда.
Сложновато? Тогда давай посмотрим на формулу ЭДС источника тока. Она измеряется в вольтах (В) и обозначается буквами E или ε.
ε = Аст / q.
Вот и получается, что мы имеем заряд q, и для его перемещения по цепи производится некоторая работа Аст. А сторонняя сила, возникающая в разных источниках по разным причинам, равна отношению работы к величине заряда.
Закон Ома для участка цепи
Теперь поговорим о том, как работает электродвижущая сила в большой реальной замкнутой цепи. И для этого вспомним один важный закон.
Закон Ома для участка цепи: сила тока через участок цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка. U = IR.
Но что связывает эти характеристики и ЭДС? А то, что сила нам для всего этого движения тоже нужна. Но тут важно понять, что есть на пути наших заряженных частиц препятствия — внутреннее и внешнее сопротивление.
Используя закон ома, мы можем определить, какое же напряжение создается во внешней среде — то есть в самой цепи, и внутри — в рамках источника тока.
Потребитель энергии в цепи — это внешнее сопротивление, обозначается буквой R.
UR = IR
А сам источник имеет внутреннее сопротивление, которое обозначается буквой r.
Ur = Ir
То есть, нам нужно столько ЭДС, чтобы преодолеть не только сопротивление в цепи, но и сопротивление источника. И тогда ЭДС в этой цепи можно вычислить по формуле:
E = I * r + I * R = Ur + UR
Мощность и КПД источника тока
Мощность и коэффициент полезного действия (КПД) также играют важную роль в электрических цепях. И они тоже связаны с работой, которая совершается при движении частиц.
Выделяют две величины работы по перемещению зарядов: полезную и полную. Мы снова должны учесть, что есть определенные параметры на всей цепи и в самом источнике.
Полезная работа совершается на внешней цепи (без учета внутреннего сопротивления):
Aполезн = qU = IUt = I2Rt
Полная работа – это уже та работа по перемещению зарядов, которая происходит во всей цепи:
Aполн = qε = Iεt = I2 (R + r) r
Мощность — это количество энергии, которое передается или потребляется в цепи. Она измеряется в ваттах (Вт). И тоже бывает двух видов: полезная и полная — разделение происходит по тому же принципу, что и разделение работы.
Pполезн = Aполезн / t = IU = I2R
Pполн = Aполн / t = Iε = I2 (R + r)
КПД — это отношение полезной мощности к всей потребляемой мощности.
Он измеряется в процентах и показывает, насколько хорошо устройство использует поданную на него ЭДС.
𝛈 = (Рполезн / Рполн) * 100% = (U / ε) * 100%.
Проверь себя
Что такое электродвижущая сила?
– сила, которая заставляет вставать по утрам в школу;
– отношение работы по перемещению единичного заряда к величине заряда;
– отношение работы по перемещению единичного заряда ко времени перемещения.
По какой формуле можно определить напряжение на участке цепи?
– U = IR;
– U = I / R;
– U = I2R
Что такое КПД?
– отношение полезной мощности ко вредной;
– отношение полезной мощности ко всей потрбеляемой мощности;
– аббревиатура от: кто-то получит двойку.