Постоянный ток

Электродвижущая сила и напряжение источника тока

Под действием сил внешнего электрического поля и при наличии на концах проводника разности потенциалов — в проводнике возникает электрический ток. Источники электрического тока как раз и являются источниками разности потенциалов. В каждом источнике электрической энергии (тока) существующая разность потенциалов создаётся и поддерживается сторонними неэлектрическими силами. В источнике электрического тока происходит преобразование неэлектрической формы энергии в электрическую энергию.

Эта сила в источнике тока называется — электродвижущая сила. Сокращенное обозначение — ЭДС (э.д.с.), обозначается латинской буквой E.

Определение электродвижущей силы следующее:

Величина, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе частицы с зарядом, равной единице, по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой. Она равна разности потенциалов на зажимах незамкнутого источника.

ЭДС можно выразить следующей формулой:

Формула ЭДС

Именно электродвижущая сила является той причиной, по которой в электрической цепи существует электрический ток. В зависимости от типа источника ЭДС, природа сторонних сил, которые рождают электрическую разность потенциалом может быть: электрохимической (аккумуляторы, гальванические элементы и т.п.), электромагнитной (динамомашина, электрогенераторы), электротермической (элементы Пельтье), полупроводниковой (солнечные элементы).

Если в раствор серной кислоты опустить две металлические пластинки, например цинковую и медную, то между пластинами возникнет электродвижущая сила. Какова сущность этого явления?

Гальванический элемент

В растворе молекулы серный кислоты под влиянием электролитической диссоциации распадаются на положительные и отрицательные ионы. Цинковая пластина, частично растворяясь под действием химических сил, выделяет в раствор положительные ионы. Эти ионы соединяются с отрицательными ионами серной кислоты. В результате и те и другие нейтрализуются и образуются нейтральные молекулы. Этот процесс приводит к тому, что цинковая пластина имея избыток отрицательных зарядов, соответственно заряжается отрицательно, а раствор, имея избыток положительных зарядов — заряжается положительно.

Медная пластина, практически не растворяется, она заряжается положительным зарядом как и раствор и имеет потенциал раствора.

В результате между двумя пластинами благодаря химическому взаимодействию устанавливается разность потенциалов. Химическая энергия преобразуется в электрическую.

Электродвижущую силу можно представить на примере двух сосудов с водой, которые с друг другом связаны. Пусть имеются два сообщающихся сосуда A и B, которые сообщаются через насос H. Кран K, через который также могут сообщатся два сосуда — это в открытом состоянии замкнутая электрическая цепь (клеммы замкнуты, например через лампу накаливания), а закрытом состоянии — это разомкнутая электрическая цепь, когда на клеммы ничего не подсоединяется (медная и цинковая пластины свободны от нагрузки). Соответственно трубка T подобна проводнику цепи.

Если в ручную с помощью насоса H перекачать воду из сосуда B в сосуд A, так, чтобы уровень в сосуде A был выше чем в сосуде B, то разница уровней воды в обоих сосудах как раз и будет подобием разности электрических потенциалов. Когда мы откроем кран K — вода потечёт из сосуда A в сосуд B и будет течь до тех пор, пока уровни не сравняются, а значит до тех пор пока не исчезнет разность потенциалов. Чтобы разность потенциалов или уровней воды была постоянной или одинаковой, допустим 5 см, или 10 Вольт, то для этого нужно совершать работу, то есть откачивать постоянно воду обратно из сосуда B в сосуд A. Причем откачивать надо так, чтобы держался постоянный уровень в 5 см.

ЭДС на примере насоса

Если здесь на примере нам требуется откачивать ручным насосом воду, а значит совершать механическую работу, то в химическом источнике тока эту работу совершают химические силы благодаря окислительно-восстановительным процессам. Выбор цинка и меди неслучаен, а соответствует электрохимическому ряду металлов, где один из металлов находится левее или правее другого и между ними образуется электрохимическая разность потенциалов.

Единицей измерения ЭДС является Вольт.

ЭДС источника тока равна одному Вольту, если при переносе одного Кулона электричества по замкнутой цепи источник совершает работу, равную одному Джоулю.

При замкнутой электрической цепи ЭДС источника распределяется, или затрачивается на внутреннюю (внутри источника тока) и внешнюю часть цепи. Эти две части называются падением напряжения. То падение напряжения, что происходит внутри источника называют — внутреннее падение напряжения, а то падение напряжения, что происходит во внешней части цепи (подсоединено на клеммы источника тока) — называется внешним напряжением, или напряжением источника тока и обозначается буквой U. Внутреннее падение напряжения обозначается как U0.

В итоге можно записать такую формулу:

ЭДС источника тока

ЭДС источника тока E и напряжение источника тока U — это не одно и то же, они не могут быть равны, потому как всегда имеется U0, которое больше нуля. Обычно хорошие источники тока имеют очень незначительную величину U0, во много раз меньшую чем значение ЭДС источника тока, тогда значением внутреннего падения напряжения можно пренебречь и условно принять его за равным нулю в проводимых расчётах.

Дата: 08.04.2019

© Валентин Григорьев



Возможно Вам будут интересны следующие статьи из этого раздела:

Если Вы не нашли ничего интересного в этом разделе, тогда Вам следует воспользоваться левым вертикальным меню, чтобы попасть в интересующий Вас раздел сайта.