Чем отличаются понятия напряжения и ЭДС?

Вы когда-нибудь задумывались, почему в электрической цепи возникает напряжение и что такое электродвижущая сила (ЭДС)? Хотя эти понятия тесно связаны, между ними есть важные отличия. Давайте разберемся! В этой статье я в доступной форме объясню суть напряжения и ЭДС, покажу, как их измерять, и дам практические советы по применению знаний на практике.

1. Определение основных понятий

Напряжение - это физическая величина, которая характеризует силу электрического поля по переносу заряда между двумя точками цепи. Оно измеряется в вольтах (В) и может быть выражено формулой:

U = W/q

где U - напряжение, В - работа электрического поля по перемещению заряда, Дж - заряд, Кл.

Электродвижущая сила (ЭДС) - это величина, характеризующая работу внешних сил в источнике тока. Она также измеряется в вольтах. ЭДС можно представить формулой:

ЭДС = P/I

где P - мощность источника тока, Вт - I сила тока, А.

Напряжение и ЭДС связаны соотношением:

ЭДС = U + Ir

где r - внутреннее сопротивление источника тока. На практике ЭДС всегда больше напряжения из-за внутреннего сопротивления реальных источников.

Источниками ЭДС могут быть химические батарейки, солнечные батареи, электрогенераторы.

2. Наглядные примеры и аналогии

Для наглядности часто приводят аналогию электрической цепи с водопроводом. Напор воды соответствует электродвижущей силе, а давление в трубах - напряжению. При этом потери давления из-за сопротивления труб аналогичны падению напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока.

• У идеального источника тока внутреннее сопротивление равно нулю, поэтому ЭДС = U.
• У реального источника всегда есть внутреннее сопротивление, из-за чего U < ЭДС.

Рассмотрим следующую схему:

В этом случае по закону Ома:

I = U/R = 10 B / 10 Ом = 1 A

а напряжение равно:

U = I*R = 1 A * 10 Ом = 10 B

При этом ЭДС источника осталась неизменной и равна 12 В. Это и есть разница между напряжением и ЭДС для реального источника тока.

3. Как измерить напряжение и ЭДС

Напряжение легко измерить вольтметром или мультиметром. Для этого достаточно подключить прибор параллельно к участку цепи и снять показания.

ЭДС источника тока так просто не измерить. Единственный способ - это рассчитать ее значение через напряжение, ток и внутреннее сопротивление по формуле:

ЭДС = U + Ir

Например, у источника тока при напряжении 10 В и токе 2 А внутреннее сопротивление равно 1 Ом. Тогда по формуле получаем:

ЭДС = 10 В + 2 A * 1 Ом = 10 В + 2 В = 12 В

4. Практические советы и рекомендации

В бытовой технике обычно нет необходимости учитывать внутреннее сопротивление источников тока. Достаточно ориентироваться на заявленное производителем напряжение. Однако при выборе источника для радиолюбительских целей очень важно знать его ЭДС.

Например, для питания усилителя мощности лучше брать батарейку с большей ЭДС, чтобы при подключении нагрузки выходное напряжение не падало сильно. А вот для питания микросхем нужен стабилизатор напряжения, который будет выдавать неизменное значение независимо от нагрузки.

При проектировании электрических схем очень важно правильно подобрать источник питания с учетом напряжения и ЭДС. Иначе в реальных условиях схема может работать неправильно из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении.

5. Потенциал и его отличия от напряжения и ЭДС

Помимо напряжения и ЭДС, в электротехнике часто используется понятие потенциала. Это величина, показывающая потенциальную энергию заряженной частицы в данной точке поля:

Ф = Впот / q

где Ф - потенциал, В, Впот - потенциальная энергия, Дж, q - заряд, Кл.

Как видно из формулы, чем отличается потенциал отличается от напряжения тем, что последнее характеризует работу по переносу заряда между двумя точками, а первый - энергию заряженной частицы в данной точке поля.

Потенциал также отличается от ЭДС тем, что последняя создается источником тока и равна работе внешних сил по замкнутому контуру.

6. Применение знаний на практике

Знания о различии между напряжением и ЭДС важно применять на практике при выборе источников питания. Например, Wi-Fi роутеры, видеорегистраторы и другое оборудование для бесперебойной работы нуждается в источнике питания с запасом по ЭДС.

Это позволит избежать сбоев при подключении мощной нагрузки, когда выходное напряжение начинает проседать. А вот для зарядных устройств важна стабильность выходного напряжения, поэтому они комплектуются встроенным стабилизатором.

7. Часто задаваемые вопросы

Рассмотрим несколько типичных вопросов о различии между напряжением и ЭДС:

• Можно ли считать, что напряжение на батарейке 9В - это ее ЭДС? Нет, 9В - это выходное напряжение. ЭДС батарейки больше с учетом падения на внутреннем сопротивлении.
• Зачем вообще различать ЭДС и напряжение, если они измеряются в вольтах? При расчетах электрических цепей важно понимать природу каждого параметра, чтобы получить верный результат.
• Может ли напряжение быть выше, чем ЭДС для данного источника тока? Нет, ЭДС всегда больше напряжения, потому что часть энергии рассеивается на внутреннем сопротивлении.

8. Расчет электрических цепей с учетом ЭДС

При расчетах параметров электрических цепей очень важно учитывать внутреннее сопротивление источников тока. Иначе результаты могут значительно отличаться от реальности.

Рассмотрим пример расчета цепи, состоящей из источника питания с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 1 Ом, резистора 5 Ом и лампы накаливания с сопротивлением 10 Ом:

1. Находим полное сопротивление цепи: Робщ = R1 + R2 + r = 5 Ом + 10 Ом + 1 Ом = 16 Ом
2. По закону Ома находим ток в цепи: I = E / Робщ = 12 В / 16 Ом = 0,75 А
3. Вычисляем напряжение на лампе: Ул = I*Рл = 0,75 А * 10 Ом = 7,5 В
4. Проверяем: сумма напряжений Ул + UR1 + Ur = 7,5 В + 3,75 В + 0,75 В = 12 В = ЭДС источника

Как видно из примера, если бы мы не учли внутреннее сопротивление источника, то получили бы завышенное напряжение на лампе. Это могло бы привести к ошибочным выводам о работе цепи.

9. Выбор источника питания с запасом по ЭДС

При выборе источника питания для устройства часто бывает полезно взять батарейку или блок питания с запасом по ЭДС. Это позволяет скомпенсировать падение напряжения при подключении нагрузки.

Например, для радиопередатчика требуется стабильное напряжение 9 В. Берем блок питания с выходом 12 В и высоким КПД. При подключении передатчика напряжение упадет примерно на 1 В, и на нагрузке будет около 11 В – как раз оптимально.

А если взять блок 9 В, то при подключении нагрузки выходное напряжение может упасть до 8 В или ниже – это уже недопустимо для корректной работы устройства.

10. Выбор напряжения для питания микросхем

Для питания цифровых микросхем важен не столько запас по ЭДС, сколько стабильность напряжения на выходе источника.

К примеру, для микроконтроллера нужно 5 В с отклонением не более 5%. Если напряжение выйдет за эти пределы, микросхема может начать работать неправильно или выйти из строя.

Поэтому в таких случаях обязательно нужен стабилизатор напряжения – специальная микросхема, которая обеспечивает постоянное значение на выходе вне зависимости от входного напряжения и нагрузки.