Электричество пронизывает все сферы нашей жизни. Но что такое электродвижущая сила, благодаря которой работают электроприборы? Давайте разберемся!
1. Понятие электродвижущей силы (ЭДС)
Электродвижущая сила (ЭДС) - это скалярная физическая величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по контуру цепи.
ЭДС измеряется в вольтах (В) и численно равна напряжению на зажимах источника тока при разомкнутой цепи. Например, ЭДС батарейки равна 1,5 В.
ЭДС источника тока (ε) — это физический параметр, который характеризует работу сторонних сил (Аст), затраченную на перемещение зарядов (q) внутри источника.
Сторонние силы - это силы неэлектростатического происхождения, например силы трения, диффузии, гравитации.
Благодаря сторонним силам электрический ток внутри источника течет в обратном направлении по сравнению с внешней цепью. Это позволяет поддерживать постоянный электрический ток в цепи.
Примеры источников ЭДС:
- Гальванические элементы (батарейки)
- Аккумуляторы
- Фотоэлементы (солнечные батареи)
- Термоэлементы
- Электрогенераторы
2. Основные формулы для расчета ЭДС
Основная формула для расчета электродвижущей силы выводится из определения:
ЭДС (ε) = Аст / q, где
Аст - работа сторонних сил,
q - заряд.
Для неоднородного участка цепи, где действуют сторонние силы, справедливо соотношение:
ε = U + Ir, где
U - напряжение на участке цепи,
I - сила тока,
r - внутреннее сопротивление источника.
Рассмотрим пример расчета ЭДС гальванического элемента. Допустим, при разомкнутой цепи напряжение на клеммах элемента равно 1,5 В. Внутреннее сопротивление элемента 0,2 Ом. При замыкании цепи через элемент течет ток 0,1 А. Тогда ЭДС элемента равна:
ε = U + Ir = 1,5 В + 0,1 А ∙ 0,2 Ом = 1,7 В.
3. ЭДС и напряжение на элементах цепи
Как уже говорилось, ЭДС источника тока численно равно напряжению на его зажимах при разомкнутой цепи: ε = U
Если во внешней цепи протекает ток I, то на источнике выделяется напряжение:
U = ε - Ir
Величина тока в цепи при этом определяется законом Ома:
I = (ε - U)/R,
где R - полное сопротивление внешней цепи.
Мощность, выделяемая во внешней нагрузке, рассчитывается по формуле:
P = IU
4. Короткое замыкание источника тока
Коротким замыканием называют режим работы источника тока, при котором его выводы замкнуты проводником с нулевым или близким к нулю сопротивлением.
В этом случае напряжение на нагрузке U = 0, и в соответствии с формулой ЭДС имеем:
ε = Ir, где I - ток короткого замыкания.
Ток короткого замыкания может в сотни и тысячи раз превышать номинальный ток источника, что приводит к выходу его из строя и возникновению пожара.
Для защиты от коротких замыканий в цепь включают предохранители, автоматические выключатели, УЗО.
5. Расчет сложных цепей постоянного тока
Для расчета сложных электрических цепей, содержащих несколько источников ЭДС и резисторов, используют метод контурных токов и метод узловых потенциалов.
В основе метода контурных токов лежит второй закон Кирхгофа - алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре равна алгебраической сумме падений напряжения.
Например, для цепи на рисунке запишем:
1 контур: ε1 - I1R1 - I2R2 = 0
2 контур: ε2 + ε3 - I2R2 - I3R3 = 0
Решив эту систему уравнений, найдем токи в всех ветвях.
6. Метод узловых потенциалов
Метод узловых потенциалов основан на законе сохранения заряда и первом законе Кирхгофа. Согласно этому методу, разность потенциалов между двумя точками цепи равна падению напряжения между этими точками.
На рисунке точки A и B являются узловыми. Для них можно записать уравнения:
(φA - φB)/R1 + (φA - φB)/R2 = 0
(φC - φB)/R3 + (φB - φA)/R2 = 0
Решение этой системы позволяет найти потенциалы в узлах и далее - все токи и напряжения в цепи.
7. КПД источника тока
Долю полезно использованной энергии источника тока оценивают с помощью его КПД, который рассчитывают по формуле:
η = Ппотр/Пист = Пнагр/ε·I = Рнагр/(Рнагр + r)
где Пист - мощность, отдаваемая источником;
Ппотр - мощность, потребляемая нагрузкой;
Пнагр - то же самое, что Ппотр;
Рнагр - сопротивление нагрузки.
Для повышения КПД нужно уменьшать внутренне сопротивление источника r и увеличивать Рнагр.
8. Формула ЭДС магнитного поля
Формула ЭДС индукции, вызванной изменением магнитного потока в контуре:
ε = -N·ΔΦ/Δt
где N - число витков контура, ΔΦ - изменение магнитного потока за время Δt.
Этот закон называется законом электромагнитной индукции. Он лежит в основе работы всех электрических генераторов и трансформаторов.
Амплитуда ЭДС в катушке индуктивности определяется выражением:
ε0 = ωΦm sin(ωt+ψ),
где Φm - амплитуда переменного магнитного потока, ψ - начальная фаза.
9. Применение ЭДС индукции
Электродвижущая сила индукции широко используется в электротехнических устройствах.
Основные области применения:
- Электрические генераторы для выработки электроэнергии
- Трансформаторы для передачи и распределения электроэнергии
- Электродвигатели различных конструкций
- Индукционный нагрев металлов
- Индукционная сварка
Во всех этих устройствах происходит преобразование энергии за счет электромагнитной индукции и используется формула ЭДС Фарадея.
10. Способы увеличения ЭДС индукции
Согласно формуле ε = -N·ΔΦ/Δt, для увеличения амплитуды ЭДС индукции в катушке можно:
- Увеличить число витков катушки N
- Увеличить скорость изменения магнитного потока ΔΦ/Δt путем:
- Увеличения амплитуды Φm магнитного потока (сильнее магнит)
- Увеличения частоты f перемагничивания (быстрее двигать магнит)
Однако на практике имеются технические ограничения для роста N, Φm и f, поэтому нужен разумный компромисс параметров.
11. Выбор оптимальной ЭДС для нагрузки
При выборе источника ЭДС для питания нагрузки нужно учитывать:
- Напряжение, требуемое нагрузкой
- Максимальный ток нагрузки
- Сопротивление нагрузки
- Мощность, потребляемую нагрузкой
ЭДС источника должна быть достаточна большой по величине, чтобы обеспечить нужное напряжение при максимальном токе. При этом внутреннее сопротивление источника желательно минимизировать.
12. Безопасное использование источников ЭДС
Чтобы избежать поражения электрическим током при работе с источниками ЭДС, необходимо соблюдать следующие меры безопасности:
- Изолировать все токоведущие части, находящиеся под напряжением
- Устанавливать недоступную для случайного прикосновения высоту расположения силового оборудования
- Использовать надежное заземление корпусов всех установок
- Применять автоматические выключатели для защиты от токов короткого замыкания
Также перед включением установки нужно убедиться в отсутствии видимых повреждений изоляции проводов и защитного заземления.
