Kako odrediti veličinu emf i njegov predznak. Elektromotorna sila

Karakterizira se svaki izvor struje elektromotorna sila, ili EMF. Dakle, na bateriji okrugle svjetiljke piše: 1,5 V. Što to znači?
U § 2.3 utvrdili smo da je za dugotrajno postojanje električne struje u vodiču potrebno održavati konstantnu razliku potencijala na njegovim krajevima. Kako se to može postići?
Do
F,
Do
1

A)
Riža. 2.47
F,
b)
Ako uzmemo dva nabijena tijela (na primjer, dvije lopte) A i B, koja nose naboje suprotnog predznaka+q i -q, te ih spojiti vodičem, zatim a električno polje i struja će teći (slika 2.47, a). Tijekom prolaska struje oba će se tijela isprazniti (elektroni s kuglice B preći će na kuglicu A), potencijalna razlika između njih počet će padati; uskoro će postati jednak nuli, a struja u vodiču AB će prestati.
Vanjske sile
Da struja u vodiču AB ne bi prestala, već da bi bila konstantna, kuglice Am B moraju se cijelo vrijeme puniti kako bi se osigurala konstantna razlika potencijala među njima. Za to je potrebno imati uređaj (naziva se izvor struje) koji bi kontinuirano pomicao naboje u smjeru suprotnom od smjera Coulombovih sila koje djeluju na te naboje sa strane električno polje nabijene kuglice. U takvom uređaju na naboje moraju djelovati sile koje nisu Coulombove (Sl. 2.47, b). Same elektrostatske (Coulombove) sile ne mogu održavati konstantnu struju u krugu.
Sve sile koje djeluju na električki nabijene čestice, s izuzetkom elektrostatičkih (Coulombovih) sila, nazivaju se vanjskim silama.
Zaključak o potrebi vanjskih sila za održavanje istosmjerna struja u električnom krugu postat će još očitije okrenemo li se zakonu održanja energije.
Već smo rekli (vidi § 2.3) da je stacionarno električno polje povezano s vodičem kroz koji teče struja potencijalno. Rad ovog polja kada se nabijene čestice kreću po zatvorenom krugu jednak je nuli. Prolazak struje kroz vodiče prati oslobađanje energije – vodiči se zagrijavaju. Stoga, u bilo kojem krugu mora postojati neki izvor energije koji ga opskrbljuje krugu. U njemu, osim Coulombovih sila, moraju djelovati i treće nepoencijalne sile, čiji je rad duž zatvorenog kruga različit od nule. Radom tih sila nabijene čestice dobivaju energiju, a zatim je oslobađaju kada se kreću u vodičima električnog kruga.
Sile treće strane pokreću nabijene čestice unutar izvora struje: u generatoru u elektrani, u galvanskoj ćeliji, bateriji itd. Kao rezultat toga, naboji suprotnog predznaka pojavljuju se na terminalima izvora, a određeni između stezaljki se stvara razlika potencijala. Kada se krug zatvori, počinje djelovati mehanizam za stvaranje površinskih naboja, stvarajući električno polje u cijelom krugu (vidi § 2.3).
Unutar izvora naboji se gibaju pod utjecajem vanjskih sila nasuprot silama elektrostatskog polja (pozitivni - od negativno nabijene elektrode prema pozitivno nabijenoj, a negativni - obrnuto), au ostatku strujnog kruga pokreću stacionarno električno polje (vidi sl. 2.47, b).
Mehanička analogija električnog kruga

Za bolje razumijevanje značaja izvora struje u zatvorenom električnom krugu, razmotrite sljedeću mehaničku analogiju. Slika 2.48 prikazuje zatvorenu petlju koja se sastoji od cijevi i pumpe. Kako bismo isključili učinak gravitacije, pretpostavljamo da je kontura vodoravna. Cijeli krug je ispunjen tekućinom, poput vode. Na bilo kojem mjestu horizontalna cijev tekućina teče zbog razlike tlakova na krajevima presjeka. Tekućina se giba u smjeru pada tlaka. Ali sila pritiska koja se javlja zbog kompresije tekućine vrsta je elastične sile koja je potencijalna. Stoga je rad tih sila na zatvorenom putu, kao i rad Coulombovih sila, jednak nuli. Posljedično, same te sile ne mogu uzrokovati dugotrajno kruženje tekućine u zatvorenom krugu, budući da je strujanje tekućine popraćeno gubicima energije zbog djelovanja sila trenja.
Za cirkulaciju vode potrebna je pumpa - analog izvora energije. Rotor ove pumpe djeluje na čestice tekućine i stvara stalnu razliku tlaka (pritisak) na ulazu i izlazu iz pumpe, zbog čega tekućina teče kroz cijevi. Ulogu vanjskih sila u pumpi igra sila koja djeluje na vodu iz rotirajućeg rotora. Unutar pumpe voda teče iz područja nižeg tlaka u područja višeg tlaka.
Priroda vanjskih sila
Priroda vanjskih sila može varirati. Na primjer, u bateriji ili galvanskom članku ova sila nastaje zbog kemijskih reakcija na granici kontakta elektroda s otopinom elektrolita (vidi § 2.12). U fotoćeliji te sile nastaju djelovanjem svjetlosti na tvar. U generatorima elektrana, sila treće strane može biti sila koja djeluje izvana magnetsko polje na elektrone u vodiču koji se kreće (o tome će biti više riječi u 4. poglavlju).
Elektromotorna sila
Fizička veličina koja karakterizira djelovanje vanjskih sila u izvorima struje naziva se elektromotorna sila (skraćeno EMF). Elektromotorna sila u zatvorenom vodljivom krugu jednaka je omjeru rada vanjskih sila za pomicanje naboja duž kruga prema tom naboju.
Označimo EMF slovom rad vanjskih sila - Ast i preneseni naboj - q, tada iz definicije EMF-a slijedi da
V- - . (2.11.1)
q
Iz ove formule jasno je da je jedinica za emf, kao i za napon, volt.
O elektromotornoj sili možemo govoriti na bilo kojem dijelu strujnog kruga. Ovo je specifičan rad vanjskih sila ne u cijelom krugu, već samo u određenom području. Elektromotorna sila galvanskog članka, na primjer, brojčano je jednaka radu vanjskih sila pri premještanju jednog pozitivnog naboja unutar elementa od njegova negativnog pola do pozitivnog.

fg 6)
Riža. 2.49
zabhoda?>0 a)
Budući da elektromotorna sila predstavlja specifični rad, ona je skalarna veličina koja može biti pozitivna ili negativna. Znak EMF-a određuje se ovisno o proizvoljno odabranom smjeru premosnice dijela električnog kruga u kojem je uključen izvor struje. Ako je unutar izvora struje krug napravljen od negativnog pola do pozitivnog, tada je EMF pozitivan (?> 0) (Sl. 2.49, a). U ovom slučaju djeluju vanjske sile unutar izvora pozitivan rad. Ako je strujni krug napravljen od pozitivnog pola prema negativnom, onda je EMF negativan (e Sada znate što je EMF. Ako na bateriji piše 1,5 V, to znači da vanjske sile (u ovom slučaju kemijske) čine 1,5 J rada pri prenošenju naboja od 1 C s jednog pola baterije na drugi. Istosmjerna struja ne može postojati u zatvorenom krugu ako u njemu ne djeluju vanjske sile, tj. nema izvora EMF.

>>Fizika: Elektromotorna sila

Svaki izvor struje karakterizira elektromotorna sila ili, ukratko, EMF. Dakle, na bateriji okrugle svjetiljke piše: 1,5 V. Što to znači?
Dvije metalne kuglice s nabojima suprotnih predznaka spojite vodičem. Pod utjecajem električnog polja ovih naboja, a struja (Sl.15.7). Ali ova će struja biti vrlo kratkog vijeka. Naboji se brzo međusobno neutraliziraju, potencijali kuglica će postati isti, a električno polje će nestati.
Vanjske sile. Da bi struja bila konstantna, potrebno je održavati konstantan napon između kuglica. Za ovo vam je potreban uređaj ( strujni izvor), 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, naknade, osim električne sile, moraju djelovati sile neelektrostatičkog podrijetla ( Sl.15.8). 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 vanjskim silama.
Zaključak o potrebi vanjskih sila za održavanje stalne 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 mora postojati neki izvor energije u strujnom krugu koji je opskrbljuje strujnim krugom. Osim Coulombovih sila, u njemu moraju djelovati i tuđe, 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 s pozitivno nabijene elektrode na negativnu) i in vanjski krug pokreće ih električno polje (vidi. Sl.15.8).
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 javlja se razlika potencijala koja određuje struju u zatvorenom električnom krugu.
Djelovanje vanjskih sila karakterizira važna fizička količina, nazvao elektromotorna sila(skraćeno EMF).
Elektromotorna sila izvora struje jednaka je omjeru rada vanjskih sila pri pomicanju naboja duž zatvorenog kruga prema veličini ovog naboja:

Elektromotorna sila se, kao i napon, izražava u voltima.
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 pomicanju 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. Tako je, na primjer, rad vanjskih sila pri pomicanju naboja između priključaka izvora struje izvan samog izvora jednak nuli.
Sada znate što je EMF. Ako na bateriji piše 1,5 V, to znači da vanjske sile (u ovom slučaju kemijske) izvrše rad od 1,5 J pri premještanju naboja od 1 C s jednog pola baterije na drugi. Istosmjerna struja ne može postojati u zatvorenom krugu ako u njemu ne djeluju vanjske sile, tj. nema EMF.

???
1. Zašto električno polje nabijenih čestica (Coulombovo polje) nije u stanju održavati stalnu električnu struju u krugu?
2. Koje se snage obično nazivaju trećim stranama?
3. Što se naziva elektromotorna sila?

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

Online knjižnica s udžbenicima i knjigama iz fizike, nastavnim planovima za sve predmete, zadacima iz fizike za 10. razred

Sadržaj lekcije bilješke lekcije prateći okvir lekcija prezentacija metode ubrzanja interaktivne tehnologije Praksa zadaci i vježbe radionice za samotestiranje, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća pitanja za raspravu retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video isječci i multimedija fotografije, slike, grafike, tablice, dijagrami, humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, križaljke, citati Dodaci sažetakačlanci trikovi za znatiželjne jaslice udžbenici osnovni i dodatni rječnik pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i nastaveispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje ulomka u udžbeniku, elementi inovacije u nastavi, zamjena zastarjelih znanja novima Samo za učitelje savršene lekcije kalendarski plan za godinu smjernice programi rasprava Integrirane lekcije

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,

Ako se u vodiču stvori električno polje i ne poduzmu mjere za njegovo održavanje, tada će, kao što je već utvrđeno, kretanje nositelja naboja vrlo brzo dovesti do činjenice da će polje unutar vodiča nestati i, prema tome, struja će prestati. Da bi se struja održala dovoljno dugo, potrebno je kontinuirano odstranjivati ​​naboje koje je ovdje donijela struja s kraja vodiča s nižim potencijalom (pretpostavlja se da su nositelji struje pozitivni), te ih kontinuirano dovoditi u završiti s većim potencijalom. Oni. potrebno je izvršiti kruženje naboja u kojem bi se oni kretali po zatvorenoj putanji (17.1). Poznato je da je cirkulacija vektora jakosti elektrostatskog polja nula. Dakle, u zatvorenom krugu, uz dijelove u kojima se pozitivni naboji kreću u smjeru pada potencijala, moraju postojati dijelovi u kojima se prijenos pozitivnih naboja događa u smjeru povećanja, tj. protiv sila elektrostatičkog polja. Kretanje naboja u tim područjima moguće je samo uz pomoć sila neelektrostatskog podrijetla, tzv. vanjske sile. Dakle, za održavanje struje potrebne su vanjske sile koje djeluju duž cijele duljine strujnog kruga ili u njegovim pojedinačnim dijelovima. Mogu biti uzrokovani kemijskim procesima, difuzijom nositelja naboja u nehomogenom mediju ili preko granice dviju različitih tvari, električnim (ali ne i elektrostatskim) poljima koja stvaraju vremenski promjenjiva magnetska polja itd.

Snage treće strane mogu se okarakterizirati radom koji obavljaju na nabojima koji se kreću duž lanca. Taj se rad sastoji od rada protiv električnog polja unutar izvora struje (A ist) i rada protiv sila otpora okoline (A’), tj. A st = A ist + A’

Vrijednost jednaka omjeru rada vanjskih sila pri pomicanju točkastog pozitivnog naboja duž cijelog strujnog kruga, uključujući izvor struje, prema naboju naziva se elektromotorna sila izvora struje:

(17.3)

Rad protiv sila električnog polja je, po definiciji, jednak

Ako su polovi izvora otvoreni, tada

oni. EMF izvora struje kada je vanjski strujni krug otvoren jednaka je razlici potencijala koja se stvara na njegovim polovima. Dakle, dimenzija emf se podudara s dimenzijom potencijala. Stoga se mjeri u istim jedinicama kao i volti. Sila treće strane F sv, djelujući na naboj, mogu se prikazati u obliku

F st =E*q

Vektorska veličina E* naziva se jakost polja vanjskih sila. Rad vanjskih sila na naboju q kroz cijeli zatvoreni krug može se izraziti na sljedeći način:

Podijelivši ovaj rad s q, dobivamo emf koji djeluje u krugu:

(17.4)

Tako, EMF koja djeluje u zatvorenom krugu može se definirati kao kruženje vektora jakosti polja vanjskih sila.

Za dio lanca elektromotorna sila koja djeluje na određeni dio 1 -2 očito je jednaka

Osim vanjskih sila, na naboj djeluju i sile elektrostatskog polja

Elektromotorna sila (emf; ε) je veličina koja karakterizira izvor energije neelektrostatske prirode u električnom krugu, neophodan za održavanje električne struje u njemu. Potencijalne sile elektrostatskog (ili stacionarnog) polja ne mogu održavati konstantnu struju u krugu. Za održavanje kontinuirane struje u krugu potrebno je, odnosno generatorom električne struje, osigurati djelovanje vanjskih sila. Sile trećih strana nisu elektrostatičkog podrijetla i djeluju unutar izvora struje (generatora, galvanskih članaka, baterija itd.), stvarajući potencijalnu razliku između krajeva ostatka kruga i pokrećući nabijene čestice unutar izvora struje .

Od kada se kreće električno punjenje u zatvorenom strujnom krugu rad elektrostatičkih sila jednak je nuli, tada se naboj giba samo pod utjecajem vanjskih sila. Stoga će elektromotorna sila strujnog izvora biti brojčano jednaka radu vanjskih sila A u izvorima stalne odn. naizmjenična struja kretanjem jednog pozitivnog naboja Q po zatvorenom krugu. EMF koji djeluje u krugu definiran je kao kruženje vektora napetosti vanjskih sila.

Podrijetlo vanjskih sila može varirati. Razlika potencijala stvorena na stezaljkama otvorenog generatora uzima se kao mjera elektromotorne sile koja djeluje u generatoru. Isti izvor struje, ovisno o jakosti uzete struje, može imati različite napone na elektrodama. Izvori struje - baterije, termoelementi, električni generatori - istovremeno se zatvaraju strujni krug. Struja teče kroz vanjski dio strujnog kruga - vodič - i kroz unutarnji dio - izvor struje. Izvor struje ima dva pola: pozitivan (veći potencijal) i negativan (niži potencijal). Sile treće strane, čija priroda može biti različita (kemijska, mehanička, toplinska), odvajaju naboje u izvoru struje. Ukupna emf u istosmjernom strujnom krugu (maksimalni od ovih napona koji postoji kada je strujni krug otvoren) jednaka je razlici potencijala na krajevima otvorenog strujnog kruga i pokazuje emf izvora.

EMF određuje jakost struje u krugu pri određenom otporu (Ohmov zakon). EMF, poput napona, mjeri se u voltima. Za održavanje kontinuirane električne struje koriste se generatori kao izvori elektromotorne sile. U generatorima, vanjske sile su sile iz vrtložnog električnog polja koje nastaje kada se magnetsko polje mijenja tijekom vremena, ili Lorentzova sila koja djeluje iz magnetskog polja na elektrone u vodiču koji se kreće; u galvanskim člancima i baterijama to su kemijske sile.

A kakav je njegov odnos s ostalim parametrima?Napomenimo odmah da, unatoč činjenici da u Svakidašnjica sve uspješno koristimo električni uređaji, mnogi su zakoni izvedeni empirijski i prihvaćeni kao aksiom. To je jedan od razloga zašto definicije postaju nepotrebno komplicirane. Nažalost, čak i elektromotorna sila, ta osnova elektrotehnike, obrađena je na takav način da je čovjeku neupućenom u elektricitet prilično teško išta razumjeti. Objasnimo ovo pitanje koristeći izraze i primjere koje svatko može razumjeti.

Usmjereno kretanje nabijenih čestica u vodiču naziva se "električna struja". Kao što znate, svi objekti u našem materijalnom svijetu sastoje se od atoma. Da bismo pojednostavili razumijevanje, možemo pretpostaviti da je svaki atom predstavljen milijunima puta smanjenim, u središtu je jezgra, a na na različitim udaljenostima elektroni rotiraju iz njega u kružnim orbitama.

Kroz bilo koji vanjski utjecaj u vodiču koji tvori zatvoreni strujni krug stvara se elektromotorna sila i udar "izbacuje" valentne elektrone iz njihovih orbita u atomima, pa nastaju slobodni elektroni i pozitivno nabijeni ioni.

Elektromotorna sila je neophodna kako bi se naboji "prisilili" da se stalno kreću duž vodiča i elemenata strujnog kruga u određenom smjeru. Bez njega, struja nestaje gotovo trenutno. Usporedba elektriciteta s vodom pomoći će vam da shvatite što je elektromotorna sila. Ravni dio cijevi je vodič. S obje strane otvara se u vodene površine. Sve dok su razine vode u rezervoarima jednake i nema nagiba, tekućina u cijevi je nepomična.

Očito, možete ga pokrenuti na tri načina: stvoriti visinsku razliku (nagibom ili količinom tekućine u rezervoarima) ili prisilnim pumpanjem. Važna točka: Ako govorimo o visinskoj razlici, to je napetost. Za EMF, kretanje je "prisilno", budući da vanjske sile koje vrše utjecaj nisu potencijalne.

Svaki izvor električne struje ima EMF - silu koja održava kretanje nabijenih čestica (u gornjoj analogiji, ona pokreće vodu). Mjereno u voltima. Naziv govori sam za sebe: EMF karakterizira rad vanjskih sila primijenjenih na dio kruga, pomičući svaki jedinični naboj s jednog pola na drugi (između terminala). Brojčano je jednak omjeru rada primijenjenih vanjskih sila i veličine prenesenog naboja.

Neizravno, potreba za izvorom EMF može se izvesti iz zakona održanja energije i svojstava vodiča kroz koji teče struja. U zatvorenom krugu, rad polja za pomicanje naboja jednak je nuli. Međutim, vodič se zagrijava (i što više to više struje prolazi kroz njega u jedinici vremena). Zaključak: u krugu mora postojati udio energije treće strane. Navedene vanjske sile su magnetsko polje u generatorima, koje stalno pobuđuje elektrone; energija kemijskih reakcija u baterijama.

Elektromotorna sila indukcije prvi put je eksperimentalno otkrivena 1831. On je otkrio da električna struja nastaje u vodiču probijenom linijama intenziteta promjenjivog magnetskog polja. Utjecaj polja predaje vanjskim elektronima u atomima energiju koja im nedostaje, uslijed čega se oni otrgnu i počnu kretati (pojavljuje se struja). Naravno, nema izravnog kretanja čestica (kako se ne prisjetiti relativnosti aksioma elektrotehnike). Umjesto toga, postoji izmjena čestica između obližnjih atoma.

Razvijena elektromotorna sila unutarnja je karakteristika svakog izvora energije.