Як визначити величину ЕДС її знак. Електрорушійна сила

Будь-яке джерело струму характеризується електрорушійною силою, або ЕРС. Так, на круглій батарейці для кишенькового ліхтарика написано: 1,5 В. Що це означає?
У § 2.3 ми встановили, що для тривалого існування електричного струму в провіднику на його кінцях має підтримуватись постійна різниця потенціалів. Як це здійснити?
до
F,
до
1

а)
Мал. 2.47
F,
б)
Якщо взяти два заряджені тіла (наприклад, дві кулі) А і В, що несуть заряди протилежного знака+q і -q, і з'єднати їх провідником, то в ньому виникне електричне полета потече струм (рис. 2.47, а). У процесі проходження струму обидва тіла будуть розряджатися (електрони з кулі будуть переходити на кулю А), різниця потенціалів між ними почне падати; незабаром вона дорівнюватиме нулю, і струм у провіднику АВ припиниться.
Сторонні сили
Для того щоб струм у провіднику АВ не припинявся, а був постійним, треба кулі Am У весь час заряджати, щоб забезпечити постійну різницю потенціалів між ними. Для цього необхідно мати пристрій (воно називається джерелом струму), який безперервно переміщував би заряди в напрямку, протилежному напрямку кулонівських сил, що діють на ці заряди з боку електричного полязаряджених куль. У такому пристрої на заряди повинні діяти сили, відмінні від кулонівських (рис. 2.47, б). Одні лише електростатичні (кулонівські) сили не можуть підтримувати постійний струм у ланцюзі.
Будь-які сили, які діють електрично заряджені частинки, крім електростатичних (кулонівських) сил, називаються сторонніми силами.
Висновок про необхідність дії сторонніх сил для підтримки постійного струмув електричному ланцюзі стане ще очевиднішим, якщо звернутися до закону збереження енергії.
Ми вже говорили (див. § 2.3), що стаціонарне електричне поле, пов'язане із провідником зі струмом, є потенційним. Робота цього поля при переміщенні заряджених частинок уздовж замкненого ланцюга дорівнює нулю. Проходження ж струму провідниками супроводжується виділенням енергії - провідники нагріваються. Отже, у будь-якому ланцюзі має бути якесь джерело енергії, що постачає її в ланцюг. У ньому, крім кулонівських сил, обов'язково повинні діяти сторонні непотенційні сили, робота яких уздовж замкненого ланцюга відмінна від нуля. Саме за рахунок роботи цих сил заряджені частинки набувають енергію і віддають її потім під час руху у провідниках електричного ланцюга.
Сторонні сили надають руху заряджені частинки всередині джерел струму: в генераторі на електростанції, в гальванічному елементі, акумуляторі і т. д. В результаті на клемах джерела з'являються заряди протилежного знака, і між клемами створюється певна різниця потенціалів. При замиканні ланцюга починає діяти механізм утворення поверхневих зарядів, що утворюють електричне поле у ​​всьому ланцюгу (див. § 2.3).
Усередині джерела заряди рухаються під дією сторонніх сил проти сил електростатичного поля (позитивні - від негативно зарядженого електрода до позитивно зарядженого, а негативні - навпаки), а у всій іншій частині ланцюга їх приводить в рух стаціонарне електричне поле (див. .рис.2.47, б).
Механічна аналогія електричного ланцюга

Для кращого розуміння значення джерела струму в замкнутому електричному ланцюзі розглянемо наступну механічну аналогію. На малюнку 2.48 зображено замкнутий контур, що складається з труб та насоса. Щоб унеможливити дію сили тяжіння, припустимо, що контур розташований горизонтально. Весь контур заповнений рідиною, наприклад, водою. На будь-якій ділянці горизонтальної трубирідина тече з допомогою різниці тисків кінцях ділянки. Рідина переміщується у бік зменшення тиску. Але сила тиску, що з'являється внаслідок стиснення рідини, - це вид сил пружності, які потенційні. Тому робота цих сил на замкнутому шляху, як і робота кулонівських сил, дорівнює нулю. Отже, одні ці сили не можуть викликати тривалу циркуляцію рідини в замкнутому контурі, оскільки перебіг рідини супроводжується втратами енергії внаслідок дії тертя.
Для циркуляції води необхідний насос – аналог джерела струму. Крильчатка цього насоса діє на частинки рідини і створює постійну різницю тисків (напір) на вході та виході насоса, завдяки чому рідина тече по трубах. Роль сторонніх сил у насосі грає сила, що діє на воду з боку крильчатки, що обертається. Усередині насоса вода тече від ділянок із меншим тиском до ділянок із більшим тиском.
Природа сторонніх сил
Природа сторонніх сил може бути різною. Наприклад, в акумуляторі або гальванічному елементі ця сила виникає завдяки хімічним реакціям на межі зіткнення електродів із розчином електроліту (див. § 2.12). У фотоелементі ці сили виникають завдяки дії світла на речовину. У генераторах електростанцій стороння сила - це може бути сила, що діє з боку магнітного поляна електрони в провіднику, що рухається (докладніше про це буде говорити в розділі 4).
Електрорушійна сила
Фізична величина, що характеризує дію сторонніх сил у джерелах струму, називається електрорушійною силою (скорочено ЕРС). Електрорушійна сила в замкнутому провідному контурі дорівнює відношенню роботи сторонніх сил по переміщенню заряду вздовж контуру до цього заряду.
Позначимо ЕРС буквою роботу сторонніх сил - Аст, а перенесений заряд - q, тоді з визначення ЕРС слід, що
в- - . (2.11.1)
q
З цієї формули видно, що одиницею ЕРС, як і напруги, є вольт.
Можна говорити про електрорушійну силу на будь-якій ділянці ланцюга. Це питома робота сторонніх сил у всьому контурі, лише на даному ділянці. Електрорушійна сила гальванічного елемента, наприклад, чисельно дорівнює роботі сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду всередині елемента від його негативного полюса до позитивного.

fg 6)
Мал. 2.49
збхода?>0 a)
Так як електрорушійна сила є питомою роботою, то вона є скалярною величиною, яка може бути як позитивною, так і негативною. Знак ЕРС визначається залежно від довільно обраного напрямку обходу тієї ділянки електричного ланцюга, на якому включено джерело струму. Якщо всередині джерела струму обхід відбувається від негативного полюса до позитивного, то ЕРС є позитивною (? > 0) (рис. 2.49, а). Сторонні сили всередині джерела роблять при цьому позитивну роботу. Якщо обхід відбувається від позитивного полюса до негативного, то ЕРС негативна (е Тепер ви знаєте, що таке ЕРС. Якщо на батарейці написано 1,5 В, то це означає, що сторонні сили (хімічні в даному випадку) виконують роботу 1,5 Дж при переміщенні заряду в 1 Кл від одного полюса батарейки до іншого Постійний струм не може існувати в замкнутому ланцюгу, якщо в ньому не діють сторонні сили, тобто немає джерела ЕРС.

>>Фізика: Електрорушійна сила

Будь-яке джерело струму характеризується електрорушійною силою, або, скорочено, ЕРС. Так, на круглій батарейці для кишенькового ліхтарика написано: 1,5 В. Що це означає?
З'єднайте провідником дві металеві кульки, що несуть заряди протилежних знаків. Під впливом електричного поля цих зарядів у провіднику виникає електричний струм (рис.15.7). Але цей струм буде дуже короткочасним. Заряди швидко нейтралізують один одного, потенціали кульок стануть однаковими, та електричне поле зникне.
Сторонні сили.Для того, щоб струм був постійним, треба підтримувати постійну напругу між кульками. Для цього необхідний пристрій ( джерело струму), яке переміщало б заряди від однієї кульки до іншої в напрямку, протилежному до напряму сил, що діють на ці заряди з боку електричного поля кульок. У такому пристрої на заряди, крім електричних сил, повинні діяти сили неелектростатичного походження ( рис.15.8). Одне лише електричне поле заряджених частинок ( кулонівське поле) не здатне підтримувати постійний струм у ланцюзі.

Будь-які сили, що діють на електрично заряджені частинки, за винятком сил електростатичного походження (тобто кулонівських), називають сторонніми силами.
Висновок про необхідність сторонніх сил для підтримки постійного струму в ланцюзі стане ще очевиднішим, якщо звернутися до закону збереження енергії. Електричне поле потенційно. Робота цього поля при переміщенні в ньому заряджених частинок уздовж замкненого електричного кола дорівнює нулю. Проходження ж струму провідниками супроводжується виділенням енергії - провідник нагрівається. Отже, в ланцюзі має бути якесь джерело енергії, яке постачає її в ланцюг. У ньому, окрім кулонівських сил, обов'язково мають діяти сторонні, непотенційні сили. Робота цих сил уздовж замкнутого контуру має бути відмінна від нуля. Саме в процесі виконання роботи цими силами заряджені частинки набувають усередині джерела струму енергію і віддають її потім провідникам електричного ланцюга.
Сторонні сили надають руху заряджені частинки всередині всіх джерел струму: в генераторах на електростанціях, в гальванічних елементах, акумуляторах і т.д.
При замиканні ланцюга створюється електричне поле у ​​всіх провідниках ланцюга. Усередині джерела струму заряди рухаються під дією сторонніх сил проти кулонівських сил(Електрони від позитивно зарядженого електрода до негативного), а в зовнішнього ланцюгаїх надає руху електричне поле (див. рис.15.8).
Природа сторонніх сил.Природа сторонніх сил може бути різноманітною. У генераторах електростанцій сторонні сили - це сили, що діють з боку магнітного поля на електрони в провіднику, що рухається.
У гальванічному елементі, наприклад, елементі Вольта, діють хімічні сили. Елемент Вольта складається з цинкового та мідного електродів, поміщених у розчин сірчаної кислоти. Хімічні сили викликають розчинення цинку у кислоті. У розчин переходять позитивно заряджені іони цинку, а сам цинковий електрод у своїй заряджається негативно. (Мідь дуже мало розчиняється в сірчаній кислоті.) Між цинковим і мідним електродами з'являється різниця потенціалів, яка і обумовлює струм у замкнутому електричному ланцюзі.
Дія сторонніх сил характеризується важливою фізичною величиноюзваної електрорушійною силою(скорочено ЕРС).
Електрорушійна сила джерела струму дорівнює відношенню роботи сторонніх сил при переміщенні заряду по замкнутому контуру до величини цього заряду:

Електрорушійну силу, як і напруга, виражають у вольтах.
Можна говорити також про електрорушійну силу і на будь-якій ділянці ланцюга. Це питома робота сторонніх сил (робота з переміщення одиничного заряду) над всьому контурі, лише на даному ділянці. Електрорушійна сила гальванічного елементає величина, чисельно рівна роботі сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду всередині елемента від одного полюса до іншого. Робота сторонніх сил може бути виражена через різницю потенціалів, оскільки сторонні сили непотенційні та його робота залежить від форми траєкторії переміщення зарядів. Так, наприклад, робота сторонніх сил при переміщенні заряду між клемами джерела струму поза джерелом дорівнює нулю.
Тепер ви знаєте, що таке ЕРС. Якщо на батарейці написано 1,5 В, це означає, що сторонні сили (хімічні в даному випадку) виконують роботу 1,5 Дж при переміщенні заряду в 1 Кл від одного полюса батарейки до іншого. Постійний струм не може існувати в замкнутому ланцюзі, якщо в ньому не діють сторонні сили, тобто немає ЕРС.

???
1. Чому електричне поле заряджених частинок (кулонівське поле) не здатне підтримувати постійний електричний струм у ланцюзі?
2. Які сили прийнято називати сторонніми?
3. Що називають електрорушійною силою?

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотський, Фізика 10 клас

Онлайн бібліотека з підручниками та книгами з фізики, плани-конспекти уроків з усіх предметів, завдання з фізики для 10 класу

Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендаціїпрограми обговорення Інтегровані уроки

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,

Якщо у провіднику створити електричне поле і не вжити заходів для його підтримки, то, як було встановлено, переміщення носіїв заряду призведе дуже швидко до того, що поле всередині провідника зникне і, отже, припиниться струм. Для того щоб підтримувати струм досить довго, потрібно від кінця провідника з меншим потенціалом (носії струму передбачаються позитивними) безперервно відводити заряди, що приносяться сюди струмом, а до кінця з великим потенціалом безперервно їх підводити. Тобто. необхідно здійснити кругообіг зарядів, при якому вони рухалися б замкнутим шляхом (17.1). Циркуляція вектора напруженості електростатичного поля, як відомо, дорівнює нулю. Тому в замкненому ланцюзі поряд з ділянками, на яких позитивні заряди рухаються у бік зменшення потенціалу, повинні бути ділянки, на яких перенесення позитивних зарядів відбувається в напрямку зростання , тобто. проти сил електростатичного поля. Переміщення зарядів на цих ділянках можливе лише за допомогою сил не електростатичного походження, які називаються сторонніми силами. Таким чином, для підтримки струму необхідні сторонні сили, що діють або протягом усього ланцюга, або на окремих її ділянках. Вони можуть бути обумовлені хімічними процесами, дифузією носіїв заряду в неоднорідному середовищі або через кордон двох різнорідних речовин, електричними (але не електростатичними) полями, породженими магнітними полями, що змінюються в часі, і т.д.

Сторонні сили можна охарактеризувати роботою, яку вони здійснюють над зарядами, що переміщуються по ланцюгу. Ця робота складається з роботи, що здійснюється проти електричного поля всередині джерела струму (А іст і роботи, що здійснюється проти сил опору середовища (А'), тобто А ст = А іст + А '

Величина, що дорівнює відношенню роботи, яку здійснюють сторонні сили при переміщенні точкового позитивного заряду вздовж усього ланцюга, включаючи джерело струму, до заряду, називається електрорушійною силою джерела струму:

(17.3)

Робота проти сил електричного поля, за визначенням, дорівнює

Якщо полюси джерела розімкнуті, то й тоді

тобто. едс джерела струму при розімкнутому зовнішньому ланцюгу дорівнює різниці потенціалів, що створюється на його полюсах.Таким чином, розмірність ЕДС збігається з розмірністю потенціалу. Тому вимірюється у тих самих одиницях, що і - у вольтах. Сторонню силу F ст, що діє на заряд, можна подати у вигляді

F ст = E * q

Векторну величину Е* називають напруженістю поля сторонніх сил. Роботу сторонніх сил над зарядом q на всьому протязі замкненого ланцюга можна виразити так:

Розділивши цю роботу на q, отримаємо ЕДС, що діє в ланцюгу:

(17.4)

Таким чином, ЕДС, що діє в замкнутому ланцюгу, може бути визначена як циркуляція вектора напруженості поля сторонніх сил.

Для ділянки ланцюга електрорушійна сила, що діє на деякій ділянці 1 -2 очевидно дорівнює

Окрім сторонніх сил на заряд діють сили електростатичного поля

Електродвигуна сила (едс; ε) - величина, що характеризує джерело енергії неелектростатичної природи в електричному ланцюзі, необхідний для підтримки в ній електричного струму. Потенційні сили електростатичного (або стаціонарного) поля не можуть підтримувати постійний струм у ланцюзі. Для підтримки в ланцюзі безперервного струму необхідний або генератор електричного струму, що забезпечує дію сторонніх сил. Сторонні сили мають неелектростатічне походження і діють усередині джерел струму, (генераторів, гальванічних елементів, акумуляторів і т. д.), створюючи різницю потенціалів між кінцями решти ланцюга і рухаючи заряджені частинки всередині джерел струму.

Бо при переміщенні електричного зарядупо замкненому ланцюзі робота, що здійснюється електростатичними силами, дорівнює нулю, то заряд переміщається лише під дією сторонніх сил. Тому електрорушійна сила джерела струму чисельно дорівнює роботі сторонніх сил А в джерелах постійного або змінного струмупо переміщенню одиничного позитивного заряду Q уздовж замкнутого ланцюга. ЕРС, що діє в ланцюзі, визначається як циркуляція вектора напруженості сторонніх сил.

Походження сторонніх сил може бути різним. Як міра електрорушійної сили, що діє в генераторі, приймають різницю потенціалів, створювану на затискачах розімкнутого генератора. Один і той же джерело струму, залежно від сили струму, що відбирається, може мати різну напругу на електродах. Джерела струму – акумулятори, термоелементи, електричні генератори – одночасно замикають електричний ланцюг. Струм тече по зовнішній частині ланцюга - провіднику та по внутрішньому - джерелу струму. Джерело струму має два полюси: позитивний (з більш високим потенціалом) та негативний (з більш низьким потенціалом). Сторонні сили, природа яких може бути різною (хімічною, механічною, тепловою), поділяють заряди у джерелі струму. Повна ЕРС в ланцюгу постійного струму (максимальна з цих напруг, що існує при розімкнутому ланцюгу), дорівнює різниці потенціалів на кінцях розімкнутого ланцюга і показує ЕРС джерела.

ЕРС визначає силу струму в ланцюзі при заданому опорі (Ома закон). Вимірюється ЕРС, як і напруга, у вольтах. Для підтримки безперервного електричного струму використовуються генератори, що є джерелом електродвигуна. У генераторах сторонні сили - це сили з боку вихрового електричного поля, що виникає при зміні магнітного поля з часом, або Лоренца сила, що діє з боку магнітного поля на електрони в провіднику, що рухається; у гальванічних елементах та акумуляторах - це хімічні сили.

І який її взаємозв'язок з іншими параметрами Відразу зазначимо, незважаючи на те, що в повсякденному життіми всі успішно використовуємо електричні приладиБагато законів були виведені досвідченим шляхом і прийняті за аксіому. Це одна з причин надмірного ускладнення визначень. На жаль, навіть електрорушійна сила, ця основа електротехніки, висвітлюється так, що людині, незнайомій з електрикою, зрозуміти щось досить складно. Пояснимо це питання за допомогою зрозумілих кожному термінів та прикладів.

Спрямований рух заряджених частинок у провіднику зветься «електричний струм». Як відомо, всі предмети нашого матеріального світу складаються з атомів. Для спрощення розуміння можна вважати, що кожен атом представлений у вигляді зменшеної в мільйони разів у центрі розташоване ядро, а на різному видаленнівід нього круговими орбітами обертаються електрони.

За допомогою будь-якого зовнішнього впливуУ провіднику, що утворює замкнутий контур, створюється електрорушійна сила і виникає вплив «вибиває» валентні електрони з їх орбіт в атомах, тому утворюються вільні електрони і позитивно заряджені іони.

Електрорушійна сила необхідна для того, щоб «змусити» заряди постійно рухатися провідником та елементами ланцюга в певному напрямку. Без неї струм практично миттєво згасає. Розібратися в тому, що таке електрорушійна сила, дозволить порівняння електрики з водою. Пряма ділянка труби – це провідник. Двома своїми сторонами вона виходить у водоймища. Доки рівні води у водоймах рівні і відсутня ухил, рідина, що знаходиться в трубі, нерухома.

Очевидно, змусити її рухатись можна трьома способами: створити перепад висот (ухилом чи кількістю рідини у водоймах) або примусово прокачувати. Важливий момент: якщо говорити про перепад висот то мається на увазі напруга Для ЕРС рух «примусово», оскільки сторонні сили, що впливають, є непотенційними.

Будь-яке джерело електричного струму має ЕРС - ту саму силу, яка підтримує рух заряджених частинок (у наведеній аналогії змушує воду рухатися). Вимірюється у вольтах. Назва говорить сама за себе: ЕРС характеризує роботу прикладених до ділянки ланцюга сторонніх сил, що виконують переміщення кожного одиничного заряду від одного полюса до іншого (між клем). Вона чисельно дорівнює відношенню роботи прикладених сторонніх сил до величини заряду, що переміщується.

Побічно необхідність у джерелі ЕРС можна вивести із закону збереження енергії та властивостей провідника зі струмом. У замкнутому ланцюзі робота поля з переміщення зарядів дорівнює нулю. Однак провідник нагрівається (причому сильніше, чим більший струм по ньому проходить в одиницю часу). Висновок: у ланцюзі має бути частка сторонньої енергії. Зазначені сторонні сили - це магнітне поле в генераторах, що постійно збуджує електрони; енергія хімічних реакцій у батареях.

Електрорушійна сила індукції була вперше виявлена ​​експериментальним шляхом у 1831 році Він встановив, що в провіднику, що пронизується лініями напруженості магнітного поля, що змінюється, виникає електричний струм. Вплив поля повідомляє зовнішніх електронів в атомах енергію, що їм не вистачає, в результаті чого вони відриваються і починають рухатися (з'являється струм). Звичайно, безпосереднього руху частинок не існує (як тут не згадати про відносність аксіом електротехніки). Швидше, має місце обмін частинками між найближчими атомами.

Розвивається електрорушійна сила - це внутрішня характеристика будь-якого джерела живлення.