Електрорушійна сила
Що таке ЕРС(Електрорушійна сила) у фізиці? Електричний струм зрозумілий далеко не кожному. Як космічна далечінь, тільки під самим носом. Взагалі він і вченим зрозумілий не до кінця. Досить згадати з його знаменитими експериментами, що на віки випередили свій час і навіть у наші дні таємниці, що залишаються в ореолі. Сьогодні ми не розгадуємо великих таємниць, але намагаємося розібратися в тому, що таке ЕРС у фізиці.
Визначення ЕРС у фізиці
ЕРС- електрорушійна сила. Позначається буквою E або маленькою грецькою буквою епсілон.
Електрорушійна сила- скалярна фізична величина, що характеризує роботу сторонніх сил ( сил неелектричного походження), що діють у електричних ланцюгахзмінного та постійного струму.
ЕРС, як і напругие, вимірюється у вольтах. Однак ЕРС та напруга – явища різні.
Напруга(між точками А і Б) – фізична величина, що дорівнює роботі ефективного електричного поля, що здійснюється при перенесенні одиничного пробного заряду з однієї точки до іншої.
Пояснюємо суть ЕРС «на пальцях»
Щоб розібратися в тому, що є, можна навести приклад-аналогію. Припустимо, що у нас є водонапірна вежа, повністю заповнена водою. Порівняємо цю вежу з батареєю.
Схема водонапірної башти
Вода чинить максимальний тиск на дно вежі, коли вежа заповнена повністю. Відповідно, чим менше води в вежі, тим слабший тиск і натиск води, що витікає з крана. Якщо відкрити кран, вода поступово витікатиме спочатку під сильним натиском, а потім все повільніше, поки натиск не ослабне зовсім. Тут напруга – це той тиск, який вода чинить на дно. За рівень нульової напруги приймемо саме дно вежі.
Водокачка
Те саме і з батарейкою. Спочатку ми включаємо наше джерело струму (батарейку) у ланцюг, замикаючи його. Нехай це буде годинник або ліхтарик. Поки рівень напруги достатній і батарейка не розрядилася, ліхтарик світить яскраво, потім поступово гасне, поки зовсім не згасне.
Але як зробити так, щоб натиск не зникав? Іншими словами, як підтримувати у вежі постійний рівень води, а на полюсах джерела струму – постійну різницю потенціалів. За прикладом вежі ЕРС є насосом, який забезпечує приплив в вежу нової води.
Радянська батарея
Природа ЕРС
Причина виникнення ЕРС різних джерел струму різна. За природою виникнення розрізняють такі типи:
- Хімічна ЕРС.Виникає в батареях та акумуляторах внаслідок хімічних реакцій.
- Термо ЕРС.Виникає, коли контакти різнорідних провідників з'єднані при різних температурах.
- ЕРС індукції.Виникає в генераторі при приміщенні провідника, що обертається, в магнітне поле. ЕРС наводитиметься у провіднику, коли провідник перетинає силові лінії постійного магнітного поляабо коли магнітне поле змінюється за величиною.
- Фотоелектрична ЕРС.Виникненню цієї ЕРС сприяє явище зовнішнього чи внутрішнього фотоефекту.
- П'єзоелектрична ЕРС.ЕРС виникає при розтягуванні чи стисканні речовин.
Дорогі друзі, сьогодні ми розглянули тему ЕРС для чайників. Як бачимо, ЕРС – сила неелектричного походження, яка підтримує перебіг електричного струмув ланцюзі. Якщо Ви хочете дізнатися, як вирішуються завдання з ЕРС, радимо звернутися до – скрупульозно відібраних та перевірених фахівців, які швидко та зрозуміло роз'яснять хід вирішення будь-якого тематичного завдання. І за традицією наприкінці пропонуємо Вам переглянути навчальне відео. Приємного перегляду та успіхів у навчанні!
ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА(Едс) - феноменологічна характеристика джерел струму. Введена Г. Омом (G. Ohm) у 1827 р. для ланцюгів пост. струму і визначена Г. Кірхгофом (G. Kirchhoff) у 1857 р. як робота "сторонніх" сил при переносі одиничного електрич. уздовж замкнутого контуру. Потім поняття ЕДС стали трактувати ширше - як міру питомих (на одиницю заряду, що переноситься струмом) перетворень енергії, що здійснюються в квазістаціонарних [див. Квазистаціонарне (квазістатичне) наближення] електрич. ланцюгах не тільки "сторонніми" джерелами (гальваніч. батареями, акумуляторами, генераторами тощо), але і "навантажувальними" елементами (електромоторами, акумуляторами в режимі зарядки, дроселями, трансформаторами тощо).
Повне назв. величини - Е. с.- пов'язано з механіч. аналогіями процесів в електрич. ланцюгах і застосовується рідко; Найбільш уживаним є скорочення - едс. У СІ ЕДС вимірюється у вольтах (В); у гаусової системі (СГСЕ) одиниця едс спец. назви не має (1 СДСЕ300 В).
У разі квазілінійного пост. струму в замкнутому (без розгалужень) ланцюга потужність сумарного припливу ел-магн. енергії, що виробляється джерелами, повністю витрачається виділення тепла (див. Джоулеві втрати:)
де -ЕДС в провідному контурі, I-струм, R- опір (знак ЕДС, як і знак струму, залежить від вибору напрямку обходу по контуру).
При описі квазістаціонарних процесів в електрич. ланцюгах в ур-нії енергетич. балансу (*) необхідний облік змін накопиченої магнітної W mта електричної W eенергій:
За зміни магн. поля у часі виникає вихрове електрич. поле E
s, циркуляцію якого вздовж проводить контуру прийнято називати едс електромагнітної індукції:
Зміни електрич. енергії істотні, як правило, у тих випадках, коли ланцюг містить елементи з великою електрич. напр. конденсатори. Тоді dW e /dt = D U. I, де D U-Різниця потенціалів між обкладками конденсатора.
Допустимі, однак, та ін інтерпретації енергетич. перетворень на електрич. ланцюги. Так, напр., якщо в ланцюг перем. гармонійний. струму включений соленоїд з L, то взаємні перетворення електрич. та магн. енергій у ньому можуть бути охарактеризовані як едс ел-магн. індукції і падінням на ефективному реактивному опорі Z L(Див. Імпеданс):У рухомих у магн. поле тілах (напр., у якорі уніполярного індуктора) навіть робота сил опору може давати внесок у едс.
У розгалужених ланцюгах квазілінійних струмів співвідношення між ЕДС і падіннями напруги на ділянках ланцюга, що становлять замкнутий контур, визначається другим Кірхгофа правилом.
ЕРС є інтегральною характеристикою замкнутого контуру, і в загальному випадку не можна суворо вказати місце її "додатку". Однак досить часто ЕДС можна вважати приблизно локалізованою в певних пристроях або елементах ланцюга. У разі її прийнято вважати характеристикою пристрою (гальванич. батареї, акумулятора, динамо-машини тощо.) і визначати через різницю потенціалів між його розімкненими полюсами. За типом перетворень енергії в цих пристроях розрізняють наступні види ЕДС: хімічеська ЕДС в гальванич. батареях, ваннах, акумуляторах, при корозійних процесах (гальваноефекти), фото е т е р е ч е я едс (фотоедс) при зовніш. та внутр. (Фотоелементи, фотодіоди); електромагнітна едс - едс ел-магн. індукції (динамо-машини, трансформатори, дроселі, електромотори тощо); е л е к т р о с т а т і ч с к а я едс, що виникає, напр., при механіч. тертя (електрофорні машини, електризація грозових хмар тощо); п'є з е л е к т р і ч о с к а я едс - при здавлюванні або розтягуванні
У фізиці таке поняття, як електрорушійна сила(скорочено – ЕРС) використовується як основна енергетична характеристика джерел струму.
Електрорушійна сила (ЕРС)
Електрорушійна сила (ЕРС) – здатність джерела енергії створювати та підтримувати на затисках різницю потенціалів.
ЕРС– вимірюється у Вольтах
Напруга на затискачах джерела завжди менша ЕРСна величину падіння напруги.
Електрорушійна сила
U RH = E - U R0
U RH – напруга на затискачі джерела. Вимірюється при замкненому зовнішньому ланцюзі.
Е – ЕРС – вимірюється на заводі-виробнику.
Електрорушійна сила (ЕРС) являє собою фізичну величину, яка дорівнює частці від розподілу тієї роботи, яка при переміщенні електричного заряду здійснюється сторонніми силами в умовах замкнутого ланцюга, до цього заряду.
Слід зауважити, що електрорушійна силау джерелі струму виникає і за відсутності самого струму, тобто тоді, коли ланцюг є розімкнутим. Таку ситуацію прийнято називати «холостим ходом», а сама величина ЕРСпри ній дорівнює різниці тих потенціалів, які є на затискачі джерела струму.
Хімічна електрорушійна силаХімічна електрорушійна силає в акумуляторах, гальванічних батареях при протіканні корозійних процесів. Залежно від цього, якому саме принципі побудована робота тієї чи іншої джерела живлення, вони називаються або акумуляторами, або гальванічними елементами.
Однією з основних відмінностей гальванічних елементів є те, що ці джерела струму є, так би мовити, одноразовими. При їхньому функціонуванні ті активні речовини, завдяки яким виділяється електрична енергія, В результаті перебігу хімічних реакцій розпадаються практично повністю. Саме тому якщо гальванічний елемент повністю розряджений, то як джерело струму використовувати його далі неможливо.
На відміну від гальванічних елементів, акумулятори передбачають багаторазове використання. Це можливо тому, що ті хімічні реакції, які у них протікають, мають оборотний характер.
Електромагнітна електрорушійна силаЕлектромагнітна ЕРСвиникає при функціонуванні таких пристроїв, як динамомашини, електродвигуни, дроселі, трансформатори і т.п.
Суть її полягає в наступному: при поміщенні провідників у магнітне поле та їх переміщенні в ньому таким чином, щоб відбувався перетин магнітних силових ліній, відбувається наведення ЕРС. Якщо ланцюг замкнутий, то в ньому виникає електричний струм.
У фізиці описане вище явище називається електромагнітною індукцією. Електрорушійну силу, яка при цьому індукується, називають ЕРСіндукції.
Слід зауважити, що наведення ЕРСіндукції відбувається у випадках, як у магнітному полі провідник переміщається, а й тоді, що він залишається нерухомим, але за цьому здійснюється зміна величини самого магнітного поля.
Фотоелектрична електрорушійна силаЦей різновид електрорушійної силивиникає тоді, коли є або зовнішній, або внутрішній фотоефект.
У фізиці під фотоефектом (фотоелектричним ефектом) мається на увазі та група явищ, яка виникає тоді, коли на речовину впливає світло, і при цьому відбувається емісія електронів. Це називають зовнішнім фотоефектом. Якщо при цьому з'являється електрорушійна силаабо змінюється електропровідність речовини, то говорять про внутрішній фотоефект.
Зараз і зовнішній, і внутрішній фотоефекти дуже широко використовуються для проектування та виробництва величезної кількості таких приймачів світлового випромінювання, які перетворюють світлові сигнали на електричні. Всі ці пристрої називаються фотоелементами та використовуються як у техніці, так і при проведенні різноманітних наукових досліджень. Зокрема, саме фотоелементи використовуються для того, щоб робити найбільш об'єктивні оптичні виміри.
Електростатична рушійна силаЩодо цього типу електрорушійної сили, то вона, наприклад, виникає при механічному терті, що виникає в електрофорних агрегатах (спеціальних лабораторних демонстраційних і допоміжних приладах), вона має місце бути і в грозових хмарах.
Генератори Вімшурста (це ще одна назва електрофорних машин) для свого функціонування використовують таке явище, як електростатична індукція. При їх роботі електричні зарядинакопичуються на полюсах, у лейденських банках, причому різниця потенціалів може досягати дуже солідних величин (до кількох сотень тисяч вольт).
Природа статичної електрики полягає в тому, що вона виникає тоді, коли через втрату або придбання електронів порушується внутрішньомолекулярна або внутрішньоатомна рівновага.
П'єзоелектрична електрорушійна силаЦей різновид електрорушійної силивиникає тоді, коли відбувається або здавлювання, або розтяг речовин, званих п'єзоелектриками. Вони широко використовуються в таких конструкціях, як п'єзодатчики, кварцових генераторах, гідрофонах та деяких інших.
Саме п'єзоелектричний ефект покладено основою роботи п'єзоелектричних датчиків. Самі вони належать до датчиків так званого генераторного типу. Вони вхідний величиною є сила, а вихідний – кількість електрики.
Щодо таких пристроїв, як гідрофони, то в основу їх функціонування закладено принцип так званого прямого п'єзоелектричного ефекту, який мають п'єзокерамічні матеріали. Суть його полягає в тому, що якщо на поверхню цих матеріалів виявляється звуковий тиск, то на їх електрода виникає різниця потенціалів. У цьому вона пропорційна величині звукового тиску.
Однією з основних сфер застосування п'єзоелектричних матеріалів є виробництво кварцових генераторів, що мають у своїй конструкції кварцові резонатори. Призначені такі пристрої для того, щоб отримувати коливання строго фіксованої частоти, які стабільні за часом, так і при зміні температури, а також мають зовсім невисокий рівень фазових шумів.
Термоіонна електрорушійна силаЦей різновид електрорушійної силивиникає тоді, коли з поверхні розігрітих електродів відбувається термоемісія заряджених частинок. Термоіонна емісія на практиці застосовується досить широко, наприклад, на ній заснована робота практично всіх радіоламп.
Термоелектрична електрорушійна силаЦей різновид ЕРСвиникає тоді, коли на різних кінцях різнорідних провідників або просто на різних ділянках ланцюга температура розподіляється дуже неоднорідно.
Термоелектрична електрорушійна силавикористовується в таких пристроях, як пірометри, термопари та холодильні машини. Датчики, робота яких заснована на цьому явищі, називаються термоелектричними, і є, по суті, термопарами, що складаються з спаяних між собою електродів, виготовлених з різних металів. Коли ці елементи або нагріваються або охолоджуються, між ними виникає ЕРС, яка за своєю величиною пропорційна до зміни температури.
Ідеальним способом виміру е. д. с. гальванічного елемента (потенціометричного осередку) є компенсаційний метод Поггендорфа, в якому на електроди в потенціометричному осередку за допомогою дільника напруги накладають напругу (V) від зовнішнього джерелапостійного струму, протилежно спрямоване е. д. с. комірки. При цьому в момент, коли струму в ланцюгу відсутня, градієнти е. д. с. та V рівні між собою. Завдання полягає, отже, в поступовій зміні напруги до тих пір, поки через комірку не перестане проходити струм, що можна простежити будь-яким індикатором струму. Другим завданням є визначення величини напруги, що накладається, що відповідає даному моменту, що також можна здійснити за допомогою вимірювача напруги (вольтметра). Таким чином, коли в ланцюзі відсутній струм , згідно з рівнянням (де різниця являє собою е. д. с. потенціометричного осередку), напруга V дорівнює е. д. с.
Якщо потенціал одного електрода постійний (електрод порівняння) і відомий щодо НБЕ, то за напругою можна визначити потенціал індикаторного електрода або простежити за його зміною в процесі титрування.
Майже всі прилади для виміру е. д. с. Потенціометричні осередки - потенціометри - мають наступну схему (рис. 4). Один полюс зовнішнього джерела постійного струму 1 (сухі батареї або акумулятори кислотні або лужні через перемикач г нерухомо приєднаний до одного з кінців (А) дільника напруги 3 з рівномірним перерізом дроту і з невеликим опором (10-100 ом). Дільник напруги 3 зазвичай забезпечений шкалою з рівномірними поділами 1100. Інший полюс джерела струму 1 приєднаний до змінного опору малої величини 4 з яким другий кінець (В) дільника напруги 3 з'єднується за допомогою рухомого контакту 5. Таким чином, напруга джерела 1 падає на постійній ділянці АВ і на деякій ділянці змінного опору . Кінець У дільника напруги 3 приєднують до одного з електродів комірки 6, дотримуючись при цьому полярність з'єднання, тобто полюс джерела струму 1 і електрод тим же знаком повинні бути приєднані до одного і того ж кінця дільника 3. Другий електрод підключають послідовно через перемикач 7, переривник струму 8 і індикатор струму 9 до рухомого контакту 10, вільно переміщується на дільнику напруги 3. Додатково до кінця дільника напруги 3 підключають один з полюсів стандартного елемента Вестона (дотримуючись того ж порядку полярності з'єднання, див. вище), інший полюс якого може бути з'єднаний за допомогою перемикача 7 з рухомим контактом 10. Отже, при одному положенні перемикача 7 замикається через переривник струму ланцюг, що містить елемент Вестона II, а при іншому - ланцюг, що містить потенціометричну комірку 6.
Елемент Вестона 11 встановлюється для контролю ціни одного поділу шкали дільника напруги 3 (милливольтах), так як е. д. с. зовнішніх джерел струму відома з недостатньою точністю і згодом мимоволі падає (джерело тої розряджається).
Перед роботою прилад налаштовують так, щоб один розподіл шкали дільника напруги відповідав 3 . Для цього за допомогою вимикача 2 замикають ланцюг зовнішнього джерела струму. Після досягнення постійної напруги (через 10-15 хв) перемикачем 7 ланцюг включають елемент Вестона II і фіксують контакт 10 на розподілі 1018,6 шкали дільника напруги 3 (точка D). Бо е. д. с. елемента Вестона II дорівнює , дільниці BD напруга його повністю падає, т. е. кожному розподілі напруга зменшується на .
Мал. 4. Найпростіша схемаустановки для виміру е. д. с. гальванічних елементів компенсаційним методом при потенціометричному титруванні: 1- джерело постійного струму з малою вихідною напругою; 2 вмикач струму; 3 – дільник напруги; 4- змінний опір; 5, 10 - ковзні контакти; 6 - електролітичний осередок; 7 - перемикач струму; 8 - переривник струму; 9- індикатор струму; 11 - елемент Вестона; і - електроди (індикаторний та порівняння).
Якщо при короткому замиканні ланцюга з переривником 8 через ланцюг потече струм, що виявляється за допомогою індикатора струму 9, це означає, що на ділянці BD падіння напруги джерела струму 1 більше або менше е. д. с. елемент Вестона II. Пересуваючи контакт 5 і періодично замикаючи ланцюг переривником 8, знаходять таке положення контакту 5 на змінному опорі 4, при якому індикатор 9 струму показує відсутність струму в ланцюгу.
Для виміру е. д. с. потенціометричного осередку її включають в ланцюг перемикачем 7 і, не змінюючи положення контакту 5, пересувають контакт 10 в ту чи іншу сторону до тих пір, поки при періодичному замиканні ланцюга переривником 8 гальванометр 9 знову не покаже відсутність струму. Величину е. д. с. осередки в мілівольтах можна відрахувати за місцем розташування контакту 10 на шкалі дільника напруги 3.
При вимірюваннях замикати ланцюг переривником струму 8 можна лише на дуже короткий час (не більше кількох секунд), щоб уникнути поляризації електродів. Після закінчення роботи слід обов'язково розмикати ланцюг вимикачем 2 та арретувати індикатор струму 9.
Дія багатьох потенціометрів заснована на описаному принципі.
З вітчизняних приладів широко застосовуються потенціометри постійного струму високоомні типу ППТВ-1,
І інші, а також лампові потенціометри -метри. Останні мають подвійне призначення - вимір е. д. с. гальванічних елементів та розчинів (при цьому використовують скляний електрод). Зазвичай точність виміру е. д. с. -метрів менше, ніж потенціометрами. Прилади працюють за компенсаційним методом, а й інші - за некомпенсаційним. Робота з некомпенсаційними приладами простіше, тому що величини, що вимірюються, безпосередньо відраховуються за положенням стрілки приладу.