Эдс источника тока: Формула ЭДС в физике

ЭДС. Закон Ома для полной цепи.

Если свободные заряды перемещаются в электрической цепи по
замкнутой траектории, то такую цепь называют полной или
замкнутой.

При этом на каждом из участков такой цепи работа
электростатических сил переходит в тепловую, механическую или энергию
химических связей. Так как работа электростатических сил, перемещающих заряд по
замкнутой траектории, всегда равна нулю, то только силы электростатического
поля не могут обеспечить постоянное движение зарядов по замкнутой траектории.

Чтобы
электрический ток в замкнутой цепи не прекращался, необходимо включить в неё
источник тока (см. рис. а), внутри которого перемещение свободных
зарядов происходило бы не под действием электростатических сил, а при участии
любых других сил, называемых сторонними. Сторонние силы — силы неэлектростатического
происхождения, действующих на заряды со стороны источника тока. Природа
сторонних сил может быть различной (кроме неподвижных зарядов):

1)
химические реакции – в гальванических элементах (батарейках), аккумуляторах (сторонние
силы возникают в результате химических реакций между электродами и жидким
электролитом),

2)
электромагнитной – в генераторах. При этом генераторы могут использовать а)
механическую энергию – ГЭС, б) ядерную – АЭС, в) тепловую – ТЭС, г) приливов и
отливов – ПЭС, д) ветровую – ВЭС и т.д. (силы, действующие на свободные заряды,
перемещающиеся в магнитном поле).

3)
использование фотоэффекта – фото-ЭДС в калькуляторах и солнечных батареях (в фотоэлементах
сторонние силы возникают при действии света на электроны атомов, входящих в
состав некоторых веществ),

4)
пьезоэффект – пьезо-ЭДС, например, в пьезозажигалках,

5)
контактная разность потенциалов – термо-ЭДС в термопарах и т.д.

Например, в цепи на рис. а, свободные заряды,
перемещаются от тела А к телу Б под
действием электростатических сил, а сторонние силы источника питания заставляют
их возвращаться обратно – от Б к А.

Сторонние силы в источнике тока разделяют разноимённые
электрические заряды друг от друга, совершая работу против электростатических
(кулоновских сил). Контакт (полюс) источника тока, где в результате действия
сторонних сил накапливается положительный заряд, называют положительным, а
противоположно заряженный полюс – отрицательным, обозначая их так, как
изображено на рис. б. Очевидно, что чем больший заряд накопится на
полюсе источника тока, тем больше работы совершили сторонние силы по разделению
зарядов, т.к. работа против кулоновских сил прямо пропорциональна величине
заряда. Поэтому  отношение работы, А_ст, сторонних сил, перемещающих заряд q внутри источника тока
от отрицательного полюса к положительному, не зависит от величины заряда и
служит характеристикой источника тока, называемой электродвижущей силой
(ЭДС) источника,

.

Как и разность потенциалов, ЭДС в СИ измеряют в
вольтах.

Сопротивление источника тока или внутреннее сопротивление
тоже является его важной характеристикой. Внутренним сопротивлением
гальванического элемента, например, является сопротивление электродов и
электролита, находящегося между ними. Внешним участком замкнутой цепи называют
её участок, подсоединённый снаружи к источнику тока (см. рис. а).

Чтобы определить,
как зависит сила тока от ЭДС источника в цепи, изображённой на рис. а,
нарисуем эквивалентную схему (см. рис. в), где R соответствует сопротивлению
проводника между А и Б, (внешняя цепь),
а r – внутреннему сопротивлению источника тока. Согласно закону
Джоуля-Ленца работа  А_полн
тока, протекающего по замкнутой цепи, за интервал времени t равна:
А_полн = I^2.R^.t + I^2.r^.t . 
Из закона сохранения энергии следует, что работа тока должна быть равна
работе сторонних сил А_стор = Ɛ^.q = Ɛ^.It . Приравняв
А_полн и А_стор,
получаем следующее выражение для 

которое называют законом Ома для полной цепи.

1)
Напряжение на зажимах источника, а соответственно и во внешней цепи

где величина Ir—
падение напряжения внутри источника тока.

2)
Если внешнее сопротивление замкнутой цепи равно нулю, то такой режим источника
тока называется коротким замыканием.

3)
Для полной цепи закон Джоуля-Ленца

Легко
показать, что, если полная цепь содержит несколько последовательно соединённых
источников тока, то для вычисления силы тока следует вместо Ɛ взять
алгебраическую сумму ЭДС всех этих источников, выбрав какое-нибудь направление
обхода цепи, например, по часовой стрелке (рис. г). Если при таком
обходе мы идём от положительного полюса источника тока к отрицательному,
то ЭДС данного источника следует суммировать со знаком минус.  

 
Более подробную информацию смотри ЗДЕСЬ.

Слободянюк А.И. Физика 10/11.11 — PhysBook

Содержание книги

Предыдующая страница

§11. Постоянный электрический ток

11.11 Электродвижущая сила (ЭДС) и внутреннее сопротивление источника.

Мы пришли к выводу, что для поддержания постоянного тока в замкнутой цепи, в нее необходимо включить источник тока. Подчеркнем, что задача источника заключается не в том, чтобы поставлять заряды в электрическую цепь (в проводниках этих зарядов достаточно), а в том, чтобы заставлять их двигаться, совершать работу по перемещению зарядов против сил электрического поля. Основной характеристики источника является электродвижущая сила ^[1] (ЭДС) – работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда

\(~\varepsilon = \frac{A_{st}}{q}\) . (1)

Единицей измерения ЭДС в системе единиц СИ является Вольт. ЭДС источника равна 1 вольт, если он совершает работу 1 Джоуль при перемещении заряда 1 Кулон

[1 В] = [1 Дж]/[1 Кл] .

Для обозначения источников тока на электрических схемах используется специальное обозначение (рис.295).

Электростатическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов – на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательный. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу».

В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.

Таким образом, электродвижущую силу источника можно считать алгебраической величиной, знак которой («плюс» или «минус») зависит от направления тока. В схеме, показанной на рис. 296, вне источника (во внешней цепи) ток течет ^[2] от «плюса» источника к «минусу», в внутри источника от «минуса» к «плюсу». В этом случае, как сторонние силы источника, так и электростатические силы во внешней цепи совершают положительную работу.

Если на некотором участке электрической цепи помимо электростатических действую и сторонни силы, то над перемещением зарядов «работают» как электростатические, так и сторонние силы. Суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда называется электрическим напряжением на участке цепи

\(~U = \frac{A_{el} + A_{st}}{q} = \varphi_0 — \varphi_1 + \varepsilon\) . (2)

В том случае, когда сторонние силы отсутствуют, электрическое напряжение совпадает с разностью потенциалов электрического поля.

Поясним определение напряжения и знака ЭДС на простом примере. Пусть на участке цепи, по которому протекает электрический ток, имеются источник сторонних сил и резистор (рис. 297). Для определенности будем считать, что φ₀ > φ₁, то есть электрический ток направлен от точки 0 к точке 1. При подключении источника, как показано на рис. 297а, Сторонние силы источника совершают положительную работу, поэтому соотношение (2) в этом случае может быть записано в виде

\(~U = \varphi_0 — \varphi_1 + |\varepsilon|\) .

При обратном включении источника (рис. 297б) внутри него заряды движутся против сторонних сил, поэтому работа последних отрицательна. Фактически силы внешнего электрического поля преодолевают сторонние силы. Следовательно, в этом случае рассматриваемое соотношение (2) имеет вид

\(~U = \varphi_0 — \varphi_1 — |\varepsilon|\) .

Для протекания электрического тока по участку цепи, обладающему электрическим сопротивлением, необходимо совершать работу, по преодолению сил сопротивления. Для единичного положительного заряда эта работа, согласно закону Ома, равна произведению \(IR = U\) которое, естественно совпадает с напряжением на данном участке.

Заряженные частицы (как электроны, так и ионы) внутри источника движутся в некоторой окружающей среде, поэтому со стороны среду на них также действуют тормозящие силы, которые также необходимо преодолевать. Заряженные частицы преодолевают силы сопротивления благодаря действию сторонних сил (если ток в источнике направлен от «плюса» к «минусу») либо благодаря электростатическим силам (если ток направлен от «минуса» к «плюсу»). Очевидно, что работа по преодолению этих сил не зависит от направления движения, так как силы сопротивления всегда направлены в сторону, противоположную скорости движения частиц. Так как силы сопротивления пропорциональны средней скорости движения частиц, то работа по их преодолению пропорциональна скорости движения, следовательно, силе тока силе. Таким образом, мы можем ввести еще характеристику источника – его внутренне сопротивление r, аналогично обычному электрическому сопротивлению. Работа по преодолению сил сопротивления при перемещении единичного положительного заряда между полюсами источника равна \(~\frac{A}{q} = Ir\) . Еще раз подчеркнем, эта работа не зависит от направления тока в источнике.

Примечания

1. ↑ Название этой физической величины неудачно – так электродвижущая сила является работой, а не силой в обычном механическом понимании. Но этот термин настолько устоялся, что изменять его не «в наших силах». К слову, сила тока то же не является механической силой! Не говоря уж о таких понятиях «сила духа», «сила воли», «божественная сила» и т.д.
2. ↑ Напомним, за направление движения электрического тока принято направление движения положительных зарядов.

Следующая страница

17.2. Электродвижущая сила — Лекции по физике

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то, как было уже установлено, перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратиться. Для того чтобы поддерживать ток достаточно долго, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом (носители тока предполагаются положительными) непрерывно отводить приносимые сюда током заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить. Т.е. необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути (17.1). Циркуляция вектора напряженности электростатического поля, как известно равна нулю. Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала, должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания , т.е. против сил электростатического поля. Перемещение, зарядов на этих участках возможно лишь с помощью сил не электростатического происхождения, называемых сторонними силами. Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных, веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порожденными меняющимися во времени магнитными полями и т. д.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Эта работа складываеться из работы, совершаемой против электрического поля внутри источника тока (А_ист и работы, совершаемой против сил сопративления среды (А’), т.е. А_ст=А_ист+А’

Величина, равная отношению работы, которую совершают сторонние силы при перемещении точечного положительного заряда вдоль всей цепи, включая и источник тока, к заряду , называется электродвижущей силой источника тока:

Работа против сил электрического поля, по определению равна

Если полюсы источника разомкнуты, то и тогда

т.е. эдс источника тока при разомкнутой внешней цепи равна разности потенциалов, которая создается на его полюсах. Таким образом, размерность эдс совпадает с размерностью потенциала. Поэтому измеряется в тех же единицах, что и — в вольтах. Стороннюю силу F_ст, действующую на заряд, можно представить в виде

F_ст=E*q

Векторную величину Е* называют напряженностью поля сторонних сил. Работу сторонних сил над зарядом q на всём протяжении замкнутой цепи можно выразить следующим образом:

Разделив эту работу на q , получим эдс, действующую в цепи:

Таким образом, эдс, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

Для участка цепи электродвижущая сила, действующая на некотором участке 1 -2 , очевидно равна

Кроме сторонних сил на заряд действуют силы электростатического поля

Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд q, равна

Работа, совершаемая этой силой над зарядом q на участке цепи 1-2, дается выражением

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, так что

Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением U на данном участке цепи. Из уравнения следует, что

При отсутствии сторонних сил напряжение U совпадает с разностью потенциалов

Богданов К.Ю. — учебник по физике для 10 класса

§ 42. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА. ЗАКОН ОМА
ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ.

Сила тока в замкнутой цепи равна отношению
электродвижущей силы к полному сопротивлению цепи.

Если свободные заряды
перемещаются в электрической цепи по замкнутой траектории, то такую цепь
называют полной или замкнутой. При этом на каждом из участков такой цепи
работа электростатических сил переходит в тепловую, механическую или энергию
химических связей (см. §41). Так как работа электростатических сил,
перемещающих заряд по замкнутой траектории, всегда равна нулю (см. §37), то
только силы электростатического поля не могут обеспечить постоянное движение
зарядов по замкнутой траектории.

Чтобы электрический ток в
замкнутой цепи не прекращался, необходимо включить в неё источник тока (см.
рис. 42а), внутри которого перемещение свободных зарядов происходило бы
не под действием электростатических сил, а при участии любых других сил, называемых
сторонними. Например, в цепи на рис. 42а, свободные заряды,
перемещаются от тела А к телу Б под
действием электростатических сил, а сторонние силы источника питания заставляют
их возвращаться обратно – от Б к А.

Природа сторонних сил
может быть разной. В гальванических элементах (батарейках и аккумуляторах),
которые служат источниками постоянного тока, сторонние силы возникают в
результате химических реакций между электродами и жидким электролитом. В генераторах
переменного тока различных электростанций (гидроэлектростанций, тепловых и
атомных) сторонние силы – это силы, действующие на свободные заряды,
перемещающиеся в магнитном поле. В фотоэлементах сторонние силы возникают при
действии света на электроны атомов, входящих в состав некоторых веществ.

Сторонние силы в
источнике тока разделяют разноимённые электрические заряды друг от друга,
совершая работу против электростатических (кулоновских сил). Контакт (полюс)
источника тока, где в результате действия сторонних сил накапливается
положительный заряд, называют положительным, а противоположно заряженный полюс
– отрицательным, обозначая их так, как изображено на рис. 42б. Очевидно,
что чем больший заряд накопится на полюсе источника тока, тем больше работы
совершили сторонние силы по разделению зарядов, т.к. работа против кулоновских
сил прямо пропорциональна величине заряда. Поэтому  отношение работы, А_ст,
сторонних сил, перемещающих заряд q внутри источника тока от
отрицательного полюса к положительному, не зависит от величины заряда и служит
характеристикой источника тока, называемой электродвижущей силой (ЭДС)
источника, E :

Как и разность потенциалов, ЭДС
в СИ измеряют в вольтах.

Сопротивление источника
тока или внутреннее сопротивление тоже является его важной
характеристикой. Внутренним сопротивлением гальванического элемента, например,
является сопротивление электродов и электролита, находящегося между ними.
Внешним участком замкнутой цепи называют её участок, подсоединённый снаружи к
источнику тока (см. рис. 42а).

Чтобы определить, как
зависит сила тока от ЭДС источника в цепи, изображённой на рис. 42а,
нарисуем эквивалентную схему (см. рис. 42в), где R соответствует сопротивлению
проводника между А и Б, (внешняя цепь),
а r –
внутреннему сопротивлению источника тока. Согласно закону Джоуля-Ленца
работа  А_полн тока,
протекающего по замкнутой цепи, за интервал времени t равна:

А_полн = I^2.R^.t
+ I^2.r^. t .                     (42.2)

Из закона
сохранения энергии следует, что работа тока должна быть равна работе сторонних
сил А_стор = E^.q = E^.It .
Приравняв А_полн из (42.2) и А_стор , получаем следующее выражение для I:

которое называют законом Ома для полной
цепи.

Легко показать, что, если
полная цепь содержит несколько последовательно соединённых источников тока, то
для вычисления силы тока по формуле (42.3) следует вместо E взять алгебраическую сумму ЭДС всех этих источников, выбрав какое-нибудь
направление обхода цепи, например, по часовой стрелке (рис. 42г). Если
при таком обходе мы идём от положительного полюса источника тока к отрицательному, то ЭДС данного источника следует суммировать
со знаком минус.  

Вопросы для повторения:

·       
Почему для постоянного движения свободных зарядов по
замкнутой цепи необходимы сторонние силы?

·       
Чему равна ЭДС источника тока?

·       
Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

Рис. 42. (а) – замкнутая цепь с источником тока; (б) — обозначение
источника постоянного тока; (в) – к выводу закона Ома для полной цепи;
(г) – закон Ома для полной цепи, содержащей несколько источников тока.

суть и принцип для начинающих чайников

Что такое ЭДС (электродвижущая сила) в физике? Электрический ток понятен далеко не каждому. Как космическая даль, только под самым носом. Вообще, он и ученым понятен не до конца. Достаточно вспомнить Николу Тесла с его знаменитыми экспериментами, на века опередившими свое время и даже в наши дни остающимися в ореоле тайны. Сегодня мы не разгадываем больших тайн, но пытаемся разобраться в том, что такое ЭДС в физике.

Определение ЭДС в физике

ЭДС – электродвижущая сила.  Обозначается буквой E или маленькой греческой буквой эпсилон.

Электродвижущая сила — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (сил неэлектрического происхождения), действующих в электрических цепях переменного и постоянного тока.

ЭДС, как и напряжение, измеряется в вольтах. Однако ЭДС и напряжение – явления разные.

Напряжение (между точками А и Б) – физическая величина, равная работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из одной точки в другую.

Объясняем суть ЭДС  «на пальцах»

Чтобы разобраться в том, что есть что, можно привести пример-аналогию. Представим, что у нас есть водонапорная башня, полностью заполненная водой. Сравним эту башню с батарейкой.

Схема водонапорной башни

Вода оказывает максимальное давление на дно башни, когда башня заполнена полностью. Соответственно,  чем меньше воды в башне, тем слабее давление и напор вытекающей из крана воды. Если открыть кран, вода будет постепенно вытекать сначала под сильным напором, а потом все медленнее, пока напор не ослабнет совсем. Здесь напряжение – это то давление, которое вода оказывает на дно. За уровень нулевого напряжения примем само дно башни.

Водокачка

То же самое и с батарейкой. Сначала мы включаем наш источник тока (батарейку) в цепь, замыкая ее. Пусть это будут часы или фонарик. Пока уровень напряжения достаточный и батарейка не разрядилась, фонарик светит ярко, затем постепенно гаснет, пока не потухнет совсем.

Но как сделать так, чтобы напор не иссякал? Иными словами, как поддерживать в башне постоянный уровень воды, а на полюсах источника тока – постоянную разность потенциалов. По примеру башни ЭДС представляется как бы насосом, который обеспечивает приток в башню новой воды.

Советская батарейка

Природа ЭДС

Причина возникновения ЭДС в разных источниках тока разная. По природе возникновения различают следующие типы:

•  Химическая ЭДС.  Возникает в батарейках и аккумуляторах вследствие  химических реакций.
• Термо ЭДС.  Возникает, когда находящиеся при разных температурах контакты  разнородных проводников соединены.
• ЭДС индукции. Возникает в генераторе при  помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет наводиться в проводнике, когда проводник  пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
• Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этой ЭДС способствует явление  внешнего или внутреннего фотоэффекта.
• Пьезоэлектрическая ЭДС. ЭДС возникает при растяжении или сдавливании веществ.

Дорогие друзья, сегодня мы рассмотрели тему «ЭДС для чайников». Как видим, ЭДС  –  сила неэлектрического происхождения, которая поддерживает протекание электрического тока в цепи. Если Вы хотите узнать, как решаются задачи с ЭДС, советуем обратиться к нашим авторам – скрупулезно отобранным и проверенным специалистам, которые быстро и доходчиво разъяснят ход решения любой тематической задачи.  И по традиции в конце предлагаем Вам посмотреть обучающее видео. Приятного просмотра и успехов в учебе!

Автор:
Иван

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Определение электродвижущей силы источника тока методом компенсации

Цель работы:
измерить электродвижущую силу источника
тока методом компенсации.

Приборы и
оборудования: установка для измерения
электродвижущей силы источника тока
методом компенсации.

Теоретическое
сведение

Электрическим
током называют направленное движение
электрических зарядов. Электрический
ток принято характеризовать силой тока

– скалярной величиной, определяемой
электрическими зарядами
,
проходящими через поперечное сечение
проводника за единицу времени
:

.
(1)

Единица измерения
силы тока – ампер (А). Если за любые
равные промежутки времени через
поперечное сечение проводника проходит
одинаковое количество электричества
(электрический заряд), то такой ток
называют постоянным. Условно за
направление электрического тока в
проводнике принимают направление
движения положительных зарядов (рис.
1а).

Физическая
величина, определяемая силой тока,
проходящего через единицу
площади поперечного сечения проводника

,
перпендикулярного направлению
тока, называется плотностью тока
:

.
(2)

Плотность
тока является вектором
,
направление которого совпадает с
упорядоченным
движением положительных зарядов.

В 1826
г. экспериментально установлен закон
Ома для однородного участка электрической
цепи (эл. схема на рис. 1б или участки ad,
dc,
cb
на рис. 1а ), который гласит, что сила тока
в однородном
проводнике прямо пропорциональна
напряжению

на
его концах и обратно пропорциональна
сопротивлению проводника
:

,
(3)

Сопротивление
проводника зависит от материала, из
которого изготовлен проводник, его
линейных размеров и формы:

,
(4)

где

— удельное электрическое сопротивление,
характеризующий
материал проводника;

—
длина проводника;

— площадь
поперечного сечения проводника. Единица
измерения удельного электрического
сопротивления – Ом∙м. 1 Ом·м —
это
удельное электрическое
сопротивление проводника, имеющего
электрическое сопротивление 1Oм
при длине 1м и площади поперечного
сечения 1м².

Если
в выражение (4) подставить в закон Ома
для однородного участка электрической
цепи (3), то получим

.
(5)

Учитывая,
что

и
,

а также применив
формулу (2), уравнение (5) преобразуем в
выражение, которое представляет собой
закон
Ома в дифференциальной форме для
однородного участка электрической
цепи:

,

где

— напряженность электростатического
поля внутри проводника;

— удельная электрическая проводимость
материала проводника.

В
виду того, что носители положительного
заряда в каждой точке движутся в
направлении вектора
,
то направления векторов

и

совпадают. Поэтому закон
Ома для однородного участка электрической
цепи
в
дифференциальном
виде запишется как

.

Для
того, чтобы поддерживать ток в проводнике
достаточно длительное время,
нужно от конца проводника с меньшим
потенциалом (носители заряда считаем
положительными) непрерывно отводить
приносимые положительные заряды, а к
концу с большим потенциалом непрерывно
их подводить, т. е. необходимо установить
круговорот положительных зарядов, при
котором они двигались бы по замкнутой
траектории.

В
замкнутой электрической цепи есть
участки, на которых положительные заряды
движутся в сторону
возрастания потенциала, т.е. против
электростатического поля. Перемещение
таких зарядов возможно лишь с помощью
сил неэлектростатического про­исхождения,
называемых сторонними. Природа
сторонних сил различная, т.к. их появление
обусловлено переменными магнитными
полями, а также химическими, диффузионными,
световыми процессами, происходящими в
источниках тока.

Основной
характеристикой сторонних сил является
их электродвижущая сила
(ЭДС) – это физическая величина, численно
равная работе сторонних сил
по
перемещению единичного положительного
заряда
:

,

где

— вектор напряженности поля сторонних
сил;

— вектор перемещения заряда. Единица
измерения ЭДС — В (Вольт).

Если
источник тока замкнуть на внешнюю
нагрузку, равномерно распределенную
по контуру, то потенциал будет падать
по линейному закону по мере удаления
от положительного электрода батареи
(рис. 2).

Рис. 2

Превращение
энергии
электрического тока во внутреннюю
вызывает нагревание проводника. Дж.
Джоуль и Э. Ленц экспериментально
установили, что количество тепла,
выделяющегося в проводнике, пропорционально
квадрату
силы тока в проводнике
,
сопротивлению проводника

и времени течения
тока
.

.
(6)

Используя
закон
Джоуля-Ленца, выведен закон Ома для
неоднородного участка электрической
цепи, в котором учтено действие
электростатических и сторонних
сил на движущийся положительный заряд.

Согласно
закону сохранения энергии количество
тепла, выделенного в неоднородной
электрической цепи
(эл. схема на рис. 1в), равно сумме работы
сил электрического поля и работы
сторонних сил источника
тока:

,
(7)

где

— работа сил электростатического поля;

— работа сторонних сил. Сторонние силы
совершают положительную работу по
перемещению положительного заряда,
если направления сторонних сил

и электрического тока совпадают (рис.
3), в противном случае – работа сторонних
сил отрицательна.

Учитывая,
что общее сопротивление на неоднородном
участке электрической цепи складывают
из внешнего

и внутреннего
сопротивлений,
и приравняв выражения (6), (7) получим

.

Принимая
во внимание формулу (1), преобразуем
выражение в вид:

.
(8)

Сократим
полученное выражение на заряд

и получим закон
Ома для неоднородного участка электрической
цепи

.

При
использовании этого закона необходимо
учитывать правило знаков: направление
обхода участка цепи задает индексация
потенциалов.
ЭДС
источника тока

берут со знаком «плюс», если направления
сторонних
сил

и обхода
участка электрической цепи совпадают
(рис. 4а), в противном случае – наоборот
(рис. 4б).

Если
цепь замкнута, т.е.

и
,
то получим закон
Ома для замкнутой электрической цепи
(эл. схема на рис. 1а).

На практике ЭДС
источника тока

невозможно непосредственно измерить
с помощью обычного вольтметра, т.к.
вольтметр измеряет только разность
потенциалов

и
на
клеммах источника. Из выражения (8)
следует, что ЭДС источника тока

возможно найти через разность потенциалов
на клеммах источника (,
если сила тока на участке электрической
цепи равна нулю. Данное условие реализуют
методом компенсации. Необходимую для
компенсации разность потенциалов
получают с помощью потенциометра (рис.
5). Потенциометр представляет собой
навитую на изолирующую основу калиброванную
проволоку, по которой может скользить
контакт (такое устройство называется
реохордом). Передвигая контакт C
от точки A
к B
, можно
получить любую разность потенциалов
от 0 до

(
по абсолютной величине всегда меньше
ЭДС вспомогательного источника).

Рис. 5.

Сущность метода
компенсации заключается в том, что
измеряемую ЭДС неизвестного источника
тока

(рис. 5) компенсируют напряжением на
участке потенциометра (реохорда).
Компенсацию достигают, перемещая контакт
потенциометра С (рис. 6) до тех пор, пока
гальванометр Г не покажет нулевого
значения силы тока.

Рис. 6.

Обозначим величины
потенциалов на концах реохорда через

и
,
потенциалы на концах источника тока —
через

и
.
Пусть при определенном положении
контакта С на потенциометре ток не идет
через гальванометр Г и источник тока с
ЭДС
,
то

и
,
поэтому

.
(9)

Согласно закону
Ома

,
(10)

где

— сила тока в потенциометре,

— сопротивление участка АС.

Приравняв выражения
(9) и (10) получим

.

Чтобы не производить
для определения неизвестного ЭДС
источника тока

измерения силы тока

и сопротивления
,
прибегают к сравнению неизвестной ЭДС

с
известной
.
Для этого включают вместо источника с
ЭДС

(рис. 6) источник с известной ЭДС

(ЭДС нормального источника тока). Вновь
достигают компенсации, перемещая
подвижный контакт С до нулевого показания
гальванометра. Вследствие этого ЭДС
источника тока определяют как

.
(11)

В условиях
компенсации ток течет только по цепи,
включающей потенциометр. При этом сила
тока будет одинакова. Разделим равенства
(10) на (11), сократив на силу тока
,
получим условие:

.
(12)

В виду того
потенциометр изготовлен из однородного
провода, электрическое сопротивление
которого определяют по формуле (4), то
подставим данную формулу в выражение
(12) и выразим ЭДС исследуемого источника
тока

,
(13)

где

и


длины участков, на которых происходит
компенсация ЭДС неизвестного источника
тока

и нормального источника тока

соответственно.

Необходимо также
учитывать, что нормальные элементы
быстро выходят из строя при пропускании
через них больших токов, поэтому в цепь
гальванометра вводят дополнительное
сопротивление, ограничивающее силу
тока через нормальный элемент и
гальванометр.

Описание установки

Порядок выполнения
работы

1. Включить
   электрическую цепь с помощью ключа К₁
   (рис. 7). Переключатель К поставить в
   положение соответствующее подключению
   источника
   .

2. Передвигая
   свободный контакт по реохорду найти
   такое положение, при котором ток через
   гальванометр будет равен нулю (стрелка
   гальванометра должна показывать нуль).

3. Измерить длину
   участка

   по сантиметровой линейке, на котором
   происходит компенсация ЭДС неизвестного
   источника тока. Результаты измерений
   занести в табл. 1. Повторить измерения
   5 раз согласно п.2.

Таблица 1

i	, см		, см
1
2
3
4
5
	, см		, см

4. Замкнуть ключ К
   на нормальный элемент

   и повторить измерения по п. 2, 3. Значение
   длины участка
   ,
   на котором происходит компенсация ЭДС
   нормального элемента, занести в таблицу
   1.

5. Рассчитать средние
   значения длин участков потенциометра

   ,

   на которых
   происходит компенсация ЭДС неизвестного
   и нормального источника токов и средние
   квадратичные отклонения от средних
   значений этих величин.

6. По формуле (13),
   подставляя в нее средние значения
   ,

   и

   (см. на установке), определить средние
   значения ЭДС неизвестного источника
   тока.

7. Вычислить
   доверительную границу общей погрешности
   для длин

   и
   ,
   на которых происходит компенсация ЭДС
   неизвестного и нормального источников
   тока по формулам

,

где
,

,

— диаметр проволоки реохорда (0,4 мм).

8. Рассчитать
   относительную ошибку измерений длин,
   на которых происходит компенсация ЭДС
   источников токов по формуле

,

где
величина

указана на установке.

9. Определить
   абсолютную ошибку измерений для ЭДС
   неизвестного источника тока по формуле

10. Записать
    окончательный результат измерения в
    виде

,
при
.

Контрольные вопросы

1. Что такое
   электрический ток, сила тока, плотность
   тока?

2. Вывести
   закон Ома для неоднородного участка
   электрической цепи и получит из него
   закон Ома для полной замкнутой и
   однородного участка электрической
   цепи.

3. Каков
   физический смысл ЭДС? Что такое сторонние
   силы? Каково их назначение?

4 Чем
компенсируется неизвестная ЭДС при
достижении нулевого показания
гальванометра?

5.
Если
в схеме компенсации источник заменить
другим источником с такой же
ЭДС, но с большим внутренним сопротивлением,
то в какую сторону следует сместить
движок реохорда для восстановления
компенсации?

ЛАБОРАТОРНАЯ
РАБОТА № 3

Ответы | Лаб.

4. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока — Физика, 10 класс

1. Почему вольтметр включают в цепь параллельно потребителю? Что произойдет, если вольтметр включить в цепь последовательно?

Вольтметр включают параллельно участку цепи, на котором измеряют напряжение. Напряжение на измеренном участке и напряжение на вольтметре будет одним и тем же, т.к. вольтметр и напряжение на вольтметре подключены к общим точкам.

Т.к. вольтметр обладает большим сопротивлением, то при его последовательном подключении к электрической цепи увеличится внешнее сопротивление цепи, а, значит, сила тока в цепи значительно уменьшится.

2. Почему сопротивление амперметра должно быть значительно меньше сопротивления цепи, в которой измеряют ток? Что произойдет, если амперметр включить параллельно потребителю?

Поскольку включение амперметра в электрическую цепь не должно изменять силу тока в ней, то сопротивление амперметра должно быть как можно меньше.

Сопротивление амперметра гораздо меньше сопротивления потребителя, поэтому при таком неправильном подключении почти весь ток пойдёт через амперметр. В итоге «зашкалит» и может перегореть, если вовремя не отключить. Такое включение амперметра недопустимо.

3. Почему показания вольтметра при разомкнутом и замкнутом ключе различаются?

Потому что у источника питания появляется нагрузка в виде резистора. Вольтметр, подключённый к полюсам источника питания ЭДС источника ε. При подключении нагрузки (резистора) напряжение на источнике будет падать, т.к. источник не идеальный.

4. Как можно повысить точность измерения ЭДС источника тока?

Самый простой способ — взять вольтметр с меньшей приборной погрешностью, т.е. более высокого класса точности.

Также повысить точность можно путём совершенствования методики измерения и обработки результатов, таким образом можно уменьшить систематические погрешности.

5. При каком значении КПД будет получена максимальная полезная мощность от данного источника тока? Каким должно быть при этом сопротивление внешней цепи по отношению ко внутреннему сопротивлению источника тока?

Коэффициент полезного действия источника тока определяется как отношение полезной мощности к полной, и зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника тока. Можно доказать, что КПД оказывается равным 50%.

ЭДС и внутреннее сопротивление

ЭДС и внутреннее сопротивление

Далее: резисторов последовательно и
Up: Электрический ток
Предыдущее: Сопротивление и удельное сопротивление

Теперь настоящие батареи изготавливаются из материалов с ненулевым удельным сопротивлением.
Отсюда следует, что настоящие батареи — это не просто источники чистого напряжения. Они также обладают
внутренние сопротивления .
Между прочим, чистое напряжение
Источник обычно обозначается как ЭДС (что означает электродвижущую силу ).Конечно,
ЭДС измеряется в вольтах.
Аккумулятор можно смоделировать как ЭДС, включенную последовательно с резистором.
, который представляет собой его внутреннее сопротивление. Предположим, что такие
батарея используется для управления током через внешний нагрузочный резистор, так как
показано на рис.17.
Обратите внимание, что на принципиальных схемах ЭДС представлена ​​в виде двух близко расположенных параллельных
линии неравной длины. Электрический потенциал более длинной линии больше, чем
тот из более коротких по вольтам. Резистор представлен как
зигзагообразная линия.

Рассмотрим аккумулятор на рисунке. Напряжение аккумулятора равно
определяется как разность электрического потенциала между его положительным и
отрицательные клеммы: т.е. , точки и соответственно. Когда мы переходим от к
, электрический потенциал увеличивается на вольт, когда мы пересекаем
ЭДС, но затем уменьшается на вольт, когда мы пересекаем внутренний резистор.Падение напряжения на резисторе следует из закона Ома, из которого следует, что
падение напряжения на резисторе, несущем ток
, находится в том направлении, в котором
текущие потоки. Таким образом, напряжение аккумулятора связано с его ЭДС.
и внутреннее сопротивление через

Обычно мы думаем, что ЭДС батареи по существу постоянная (поскольку она
зависит только от химической реакции, происходящей внутри батареи, которая преобразует
химическая энергия в электрическую), поэтому мы должны заключить, что напряжение
батарея на самом деле уменьшается по мере увеличения тока, потребляемого от нее.Фактически, напряжение равно только
ЭДС при пренебрежимо малом токе. Текущий розыгрыш
от аккумулятора обычно не может превышать критическое значение

поскольку
напряжение становится отрицательным (что может произойти только
если резистор нагрузки также отрицательный: это практически невозможно).
Отсюда следует, что если мы закоротим аккумулятор, подключив его
положительные и отрицательные клеммы вместе с использованием проводящего провода с незначительным сопротивлением,
ток, потребляемый от батареи, ограничен ее внутренним сопротивлением.Фактически в этом случае сила тока равна максимально возможной.
Текущий
.

Настоящая батарея обычно характеризуется
его ЭДС (, т.е. , его
напряжение при нулевом токе) и максимальный ток, который он может подавать.
Например, стандартный сухой элемент (, то есть , своего рода
аккумулятор, используемый для питания калькуляторов и фонарей) обычно рассчитан на
и скажи) . Таким образом, ничего действительно катастрофического не произойдет.
произойдет, если мы закоротим сухой элемент.Мы разрядим батарею через
сравнительно короткий промежуток времени, но опасно большой ток не будет
поток. С другой стороны, автомобильный аккумулятор обычно рассчитывается на
и что-то вроде (такой ток нужен для
запустить стартер). Понятно, что автомобильный аккумулятор должен иметь много
более низкое внутреннее сопротивление, чем у сухого элемента. Отсюда следует, что если
мы были достаточно глупы, чтобы замкнуть автомобильный аккумулятор, в результате
довольно катастрофичен (представьте себе всю энергию, необходимую для запуска двигателя
машина собирается тонким проводом, соединяющим клеммы аккумулятора вместе).

Далее: резисторов последовательно и
Up: Электрический ток
Предыдущее: Сопротивление и удельное сопротивление

6.1 Электродвижущая сила — Введение в электричество, магнетизм и электрические цепи

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

По окончании раздела вы сможете:

• Опишите электродвижущую силу (ЭДС) и внутреннее сопротивление батареи
• Объясните основную работу аккумулятора

Если вы забудете выключить автомобильные фары, они будут медленно тускнеть по мере разрядки аккумулятора. Почему они не мигают внезапно, когда разрядился аккумулятор? Их постепенное затемнение означает, что выходное напряжение батареи уменьшается по мере разряда батареи. Причина уменьшения выходного напряжения для разряженных батарей заключается в том, что все источники напряжения состоят из двух основных частей — источника электроэнергии и внутреннего сопротивления. В этом разделе мы исследуем источник энергии и внутреннее сопротивление.

Введение в электродвижущую силу

Напряжение имеет множество источников, некоторые из которых показаны на рисунке 6.1.1. Все такие устройства создают разность потенциалов и могут подавать ток, если подключены к цепи. Особый тип разности потенциалов известен как электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС — это вообще не сила, но термин «электродвижущая сила» используется по историческим причинам. Он был изобретен Алессандро Вольта в 1800-х годах, когда он изобрел первую батарею, также известную как гальваническая батарея . Поскольку электродвижущая сила не является силой, принято называть эти источники просто источниками ЭДС (произносится как «э-э-э-эфф»), а не источниками электродвижущей силы.

(рисунок 6.1.1)

Рисунок 6.1.1. Разнообразные источники напряжения. а) ветряная электростанция Бразос в Флуванна, штат Техас; (б) Красноярская плотина в России; (c) солнечная ферма; (d) группа никель-металлогидридных батарей. Выходное напряжение каждого устройства зависит от его конструкции и нагрузки. Выходное напряжение равно ЭДС только при отсутствии нагрузки. (кредит a: модификация работы «Leaflet» / Wikimedia Commons; кредит b: модификация работы Алекса Полежаева; кредит c: модификация работы Министерства энергетики США; кредит d: модификация работы Тиаа Монто)

Если электродвижущая сила не является силой, тогда что такое ЭДС и что является источником ЭДС? Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим простую схему лампы, подключенной к батарее, как показано на рисунке 6.1.2. Батарея может быть смоделирована как устройство с двумя выводами, которое поддерживает один вывод с более высоким электрическим потенциалом, чем второй вывод. Более высокий электрический потенциал иногда называют положительной клеммой и обозначают знаком плюс. Клемму с более низким потенциалом иногда называют отрицательной клеммой и обозначают знаком минус. Это источник ЭДС.

(рисунок 6.1.2)

Рисунок 6.1.2. Источник ЭДС поддерживает на одном выводе более высокий электрический потенциал, чем на другом выводе, действуя как источник тока в цепи.

Когда источник ЭДС не подключен к лампе, нет чистого потока заряда внутри источника ЭДС. Как только батарея подключена к лампе, заряды текут от одной клеммы батареи через лампу (в результате чего лампа загорается) и обратно к другой клемме батареи. Если мы рассмотрим положительный (обычный) ток, положительные заряды покидают положительный вывод, проходят через лампу и входят в отрицательный вывод.

Положительное течение тока полезно для большей части анализа схем в этой главе, но в металлических проводах и резисторах наибольший вклад в ток вносят электроны, протекающие в направлении, противоположном положительному потоку тока.Поэтому более реалистично рассмотреть движение электронов для анализа схемы на рисунке 6.1.2. Электроны покидают отрицательную клемму, проходят через лампу и возвращаются к положительной клемме. Чтобы источник ЭДС поддерживал разность потенциалов между двумя выводами, отрицательные заряды (электроны) должны быть перемещены с положительного вывода на отрицательный. Источник ЭДС действует как накачка заряда, перемещая отрицательные заряды от положительного вывода к отрицательному для поддержания разности потенциалов.Это увеличивает потенциальную энергию зарядов и, следовательно, электрический потенциал зарядов.

Сила, действующая на отрицательный заряд от электрического поля, действует в направлении, противоположном электрическому полю, как показано на рисунке 6. 1.2. Чтобы отрицательные заряды переместились на отрицательную клемму, необходимо провести работу с отрицательными зарядами. Для этого требуется энергия, которая возникает в результате химических реакций в батарее. Потенциал поддерживается высоким на положительной клемме и низким на отрицательной клемме, чтобы поддерживать разность потенциалов между двумя клеммами.ЭДС равна работе, выполняемой над зарядом на единицу заряда () при отсутствии тока. Поскольку единицей измерения работы является джоуль, а единицей заряда — кулон, единицей измерения ЭДС является вольт ().

Напряжение на клеммах батареи — это напряжение, измеренное на клеммах батареи, когда к клемме не подключена нагрузка. Идеальная батарея — это источник ЭДС, который поддерживает постоянное напряжение на клеммах, независимо от тока между двумя клеммами.Идеальная батарея не имеет внутреннего сопротивления, а напряжение на клеммах равно ЭДС батареи. В следующем разделе мы покажем, что у реальной батареи действительно есть внутреннее сопротивление, а напряжение на клеммах всегда меньше, чем ЭДС батареи.

Происхождение потенциала батареи

Сочетание химических веществ и состава клемм аккумулятора определяет его ЭДС. Свинцово-кислотный аккумулятор , используемый в автомобилях и других транспортных средствах, является одним из наиболее распространенных сочетаний химических веществ.На рисунке 6.1.3 показан один элемент (один из шести) этой батареи. Катодная (положительная) клемма ячейки соединена с пластиной из оксида свинца, а анодная (отрицательная) клемма подключена к свинцовой пластине. Обе пластины погружены в серную кислоту, электролит для системы.

(рисунок 6.1.3)

Рисунок 6.1.3 Химические реакции в свинцово-кислотном элементе разделяют заряд, отправляя отрицательный заряд на анод, который соединен со свинцовыми пластинами. Пластины из оксида свинца подключаются к положительному или катодному выводу ячейки.Серная кислота проводит заряд, а также участвует в химической реакции.

Небольшое знание того, как взаимодействуют химические вещества в свинцово-кислотной батарее, помогает понять потенциал, создаваемый батареей. На рисунке 6.1.4 показан результат единственной химической реакции. Два электрона помещаются на анод , что делает его отрицательным, при условии, что катод снабжает два электрона. Это оставляет катод и положительно заряженным, потому что он потерял два электрона.Короче говоря, разделение заряда было вызвано химической реакцией.

Обратите внимание, что реакция не происходит, если нет замкнутой цепи, позволяющей подавать на катод два электрона. Во многих случаях эти электроны выходят из анода, проходят через сопротивление и возвращаются на катод. Отметим также, что, поскольку в химических реакциях участвуют вещества, обладающие сопротивлением, невозможно создать ЭДС без внутреннего сопротивления.

(рисунок 6.1,4)

Рисунок 6.1.4. В свинцово-кислотной батарее два электрона принудительно направляются на анод элемента, а два электрона удаляются с катода элемента. В результате химической реакции в свинцово-кислотной батарее два электрона помещаются на анод и два электрона удаляются с катода. Для продолжения требуется замкнутая цепь, так как два электрона должны быть доставлены на катод.

Внутреннее сопротивление и напряжение на клеммах

Величина сопротивления протеканию тока внутри источника напряжения называется внутренним сопротивлением .Внутреннее сопротивление батареи может вести себя сложным образом. Обычно она увеличивается по мере разряда батареи из-за окисления пластин или снижения кислотности электролита. Однако внутреннее сопротивление также может зависеть от величины и направления тока через источник напряжения, его температуры и даже его истории. Например, внутреннее сопротивление аккумуляторных никель-кадмиевых элементов зависит от того, сколько раз и насколько глубоко они были разряжены. Простая модель батареи состоит из идеализированного источника ЭДС и внутреннего сопротивления (рисунок 6.1.5).

(рисунок 6.1.5)

Рисунок 6.1.5. Батарею можно смоделировать как идеализированную ЭДС () с внутренним сопротивлением (). Напряжение на клеммах аккумулятора составляет.

Предположим, что внешний резистор, известный как сопротивление нагрузки, подключен к источнику напряжения, например, к батарее, как показано на рисунке 6.1.6. На рисунке показана модель батареи с ЭДС, внутренним сопротивлением и нагрузочным резистором, подключенным к ее клеммам. При обычном протекании тока положительные заряды покидают положительную клемму батареи, проходят через резистор и возвращаются к отрицательной клемме батареи.Напряжение на клеммах аккумулятора зависит от ЭДС, внутреннего сопротивления и силы тока и равно

(6.1.1)

При заданной ЭДС и внутреннем сопротивлении напряжение на клеммах уменьшается по мере увеличения тока из-за падения потенциала внутреннего сопротивления.

(рисунок 6.1.6)

Рисунок 6.1.6. Схема источника напряжения и его нагрузочного резистора. Поскольку внутреннее сопротивление последовательно с нагрузкой, оно может существенно повлиять на напряжение на клеммах и ток, подаваемый на нагрузку.

График разности потенциалов на каждом элементе цепи показан на рисунке 6.1.7. В цепи протекает ток, и падение потенциала на внутреннем резисторе равно. Напряжение на клеммах равно падению потенциала на нагрузочном резисторе. Как и в случае с потенциальной энергией, важно изменение напряжения. Когда используется термин «напряжение», мы предполагаем, что это на самом деле изменение потенциала, или. Однако для удобства часто опускается.

(рисунок 6.1.7)

Ток через нагрузочный резистор составляет. Из этого выражения видно, что чем меньше внутреннее сопротивление, тем больше ток, подаваемый источником напряжения на свою нагрузку. По мере разряда батарей увеличивается. Если становится значительной частью сопротивления нагрузки, то ток значительно уменьшается, как показано в следующем примере.

ПРИМЕР 6.1.1

Анализ цепи с аккумулятором и нагрузкой

Данная батарея имеет ЭДС и внутреннее сопротивление.(a) Рассчитайте напряжение на его клеммах при подключении к нагрузке. (b) Какое напряжение на клеммах при подключении к нагрузке? (c) Какая мощность рассеивает нагрузка? (d) Если внутреннее сопротивление увеличивается до, найдите ток, напряжение на клеммах и мощность, рассеиваемую нагрузкой.

Стратегия

Приведенный выше анализ дает выражение для тока с учетом внутреннего сопротивления. Как только ток найден, напряжение на клеммах можно рассчитать с помощью уравнения. Как только ток будет определен, мы также сможем найти мощность, рассеиваемую резистором.

Решение

а. Ввод данных значений ЭДС, сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления в выражение выше дает

Введите известные значения в уравнение, чтобы получить напряжение на клеммах:

Напряжение на клеммах здесь лишь немного ниже, чем ЭДС, что означает, что ток, потребляемый этой легкой нагрузкой, не имеет значения.

г. Аналогично с током

Напряжение на клеммах теперь

Напряжение на клеммах значительно снизилось по сравнению с ЭДС, что означает большую нагрузку на эту батарею. «Большая нагрузка» означает большее потребление тока от источника, но не большее сопротивление.

г. Мощность, рассеиваемую нагрузкой, можно найти по формуле. Ввод известных значений дает

Обратите внимание, что эту мощность также можно получить, используя выражение или, где — напряжение на клеммах (в данном случае).

г. Здесь внутреннее сопротивление увеличилось, возможно, из-за разряда батареи, до точки, где оно равно сопротивлению нагрузки.Как и раньше, мы сначала находим ток, вводя известные значения в выражение, что дает

Теперь напряжение на клеммах

, а мощность, рассеиваемая нагрузкой, равна

Мы видим, что увеличенное внутреннее сопротивление значительно снизило напряжение на клеммах, ток и мощность, передаваемую нагрузке.

Значение

Внутреннее сопротивление батареи может увеличиваться по многим причинам.Например, внутреннее сопротивление перезаряжаемой батареи увеличивается с увеличением количества раз, когда батарея перезаряжается. Повышенное внутреннее сопротивление может иметь двоякое влияние на аккумулятор. Сначала снизится напряжение на клеммах. Во-вторых, аккумулятор может перегреться из-за повышенной мощности, рассеиваемой внутренним сопротивлением.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 6.1

Если вы поместите провод прямо через две клеммы батареи, эффективно закоротив клеммы, батарея начнет нагреваться.Как вы думаете, почему это происходит?

Тестеры батарей

Тестеры аккумуляторных батарей , такие как показанные на рис. 6.1.8, используют малые нагрузочные резисторы, чтобы намеренно потреблять ток, чтобы определить, падает ли потенциал клемм ниже допустимого уровня. Хотя трудно измерить внутреннее сопротивление батареи, тестеры батареи могут обеспечить измерение внутреннего сопротивления батареи. Если внутреннее сопротивление высокое, батарея разряжена, о чем свидетельствует низкое напряжение на клеммах.

(рисунок 6.1.8)

Рисунок 6. 1.8 Тестеры аккумуляторных батарей измеряют напряжение на клеммах под нагрузкой, чтобы определить состояние аккумуляторной батареи. (a) Техник-электронщик ВМС США использует тестер аккумуляторов для проверки больших аккумуляторов на борту авианосца USS Nimitz . Тестер батарей, который она использует, имеет небольшое сопротивление, которое может рассеивать большое количество энергии. (b) Показанное небольшое устройство используется на небольших батареях и имеет цифровой дисплей для индикации допустимого напряжения на клеммах.(кредит А: модификация работы Джейсона А. Джонстона; кредит б: модификация работы Кейта Уильямсона)

Некоторые батареи можно перезарядить, пропустив через них ток в направлении, противоположном току, который они подают в прибор. Это обычно делается в автомобилях и батареях для небольших электрических приборов и электронных устройств (рисунок 6.1.9). Выходное напряжение зарядного устройства должно быть больше, чем ЭДС аккумулятора, чтобы ток через него реверсировал. Это приводит к тому, что напряжение на клеммах аккумулятора становится больше, чем ЭДС, так как и теперь отрицательны.

(рисунок 6.1.9)

Рисунок 6.1.9 Зарядное устройство автомобильного аккумулятора меняет нормальное направление тока через аккумулятор, обращая вспять его химическую реакцию и пополняя ее химический потенциал.

Важно понимать последствия внутреннего сопротивления источников ЭДС, таких как батареи и солнечные элементы, но часто анализ цепей выполняется с помощью напряжения на клеммах батареи, как мы делали в предыдущих разделах. Напряжение на клеммах обозначается просто, опуская нижний индекс «клемма».Это связано с тем, что внутреннее сопротивление батареи трудно измерить напрямую, и оно может со временем измениться.

Кандела Цитаты

Лицензионный контент

CC, конкретная атрибуция

• Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected]. Получено с : http://cnx.org/contents/7a0f9770-1c44-4acd-9920-1cd9a99f2a1e@8. 1. Лицензия : CC BY: Attribution

Физика — Электродвижущая сила — Бирмингемский университет

Электродвижущая сила (ЭДС) равна разности потенциалов на клеммах при отсутствии тока.ЭДС и разность потенциалов на клеммах ( В, ) измеряются в вольтах, но это не одно и то же. ЭДС ( ) — это количество энергии ( E ), обеспечиваемое батареей на каждый проходящий кулон заряда ( Q ).

Как рассчитать ЭДС?

ЭДС может быть записана через внутреннее сопротивление аккумулятора ( r ) где: ϵ = I (r + R )

Что из закона Ома, мы можем затем изменить это с точки зрения оконечного сопротивления: = В + Ir

ЭДС ячейки может быть определена путем измерения напряжения на ячейке с помощью вольтметра и тока в цепи с помощью амперметра для различных сопротивлений.Затем мы можем настроить схему для определения ЭДС, как показано ниже.

ЭДС и внутреннее сопротивление электрических элементов и батарей

Исследование ЭМП

Как закон Фарадея соотносится с ЭМП?

Закон Фарадея гласит, что любое изменение магнитного поля катушки будет индуцировать в катушке ЭДС (а следовательно, и ток). Он пропорционален минус скорости изменения магнитного потока ( ϕ ) (примечание: N — количество витков в катушке).

Согласно закону Фарадея, общество извлекло выгоду из таких важных технологий, как трансформаторы, которые используются для передачи электроэнергии в национальной энергосистеме Великобритании, которая теперь необходима в наших домах. Также он используется в электрических генераторах и двигателях, таких как плотины гидроэлектростанций, которые производят электричество, которое сейчас является неотъемлемой частью наших современных технологических потребностей. Текущий исследовательский проект в Бирмингеме, MAG-DRIVE, направлен на поиск способов разработки и улучшения материалов с постоянными магнитами, которые можно использовать в электромобилях следующего поколения. ЭМП также генерируется солнечными батареями, поэтому он важен для исследований в области возобновляемых источников энергии.

Лабораторные признания

В подкасте «Лаборатория исповеди» исследователи рассказывают о своем лабораторном опыте в контексте практических экзаменов A Level. Эпизоды, посвященные правильному использованию цифровых инструментов (простое гармоническое движение), правильному построению принципиальных схем (удельное сопротивление в проводе) и использованию источников питания постоянного тока (конденсаторов), имеют отношение к эксперименту по ЭДС, ниже вы можете услышать удельное сопротивление. в проводном подкасте.

Как мы интерпретируем наши данные?

По мере увеличения сопротивления переменного резистора величина тока будет уменьшаться. График зависимости напряжения от тока должен давать линейную зависимость, где градиент линии дает отрицательное внутреннее сопротивление ячейки ( -r ), а точка пересечения дает ЭДС (напряжение, при котором ток равен 0).

Снятие нескольких показаний при разных значениях сопротивления даст больше точек на графике V-I, что сделает подбор более надежным.Также рекомендуется повторить измерения, поскольку ячейка будет постепенно стекать, что повлияет на показания. Во избежание разряда элемента / батареи ее следует отключать между измерениями. Как вариант, в схему можно включить выключатель. Также рекомендуется не использовать перезаряжаемые батареи, поскольку они имеют низкое внутреннее сопротивление.

Хотя этот эксперимент довольно прост, он поможет вам отличить конечную разницу от ЭДС, что может быть сложной концепцией для понимания учащимися.Поскольку люди становятся все более зависимыми от электричества, исследования, связанные с ЭМП, важны для развития и технического прогресса электричества.

Следующие шаги

Эти ссылки предоставлены только для удобства и в информационных целях; они не означают одобрения или одобрения Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте. Бирмингемский университет не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок.Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы относительно его содержания.

цепей RL — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Анализировать цепи, в которых последовательно соединены индуктор и резистор
• Опишите, как ток и напряжение экспоненциально растут или затухают в зависимости от начальных условий.

Цепь с сопротивлением и самоиндукцией известна как цепь RL .(Рисунок) (a) показывает схему RL , состоящую из резистора, катушки индуктивности, постоянного источника ЭДС и переключателей, а в замкнутом состоянии схема эквивалентна одноконтурной цепи, состоящей из резистора и катушки индуктивности. подключен через источник ЭДС ((Рисунок) (б)). Когда открыт и закрыт, схема становится одноконтурной схемой только с резистором и индуктором ((Рисунок) (c)).

Сначала рассмотрим схему RL (рисунок) (b).Когда он замкнут и открыт, источник ЭДС создает ток в цепи. Если бы в цепи не было самоиндукции, ток немедленно увеличился бы до постоянного значения. Однако, согласно закону Фарадея, возрастающий ток вызывает на катушке индуктивности ЭДС. В соответствии с законом Ленца наведенная ЭДС противодействует увеличению тока и направлена, как показано на рисунке. В результате I (t) начинается с нуля и асимптотически увеличивается до своего окончательного значения.

Применяя к этой схеме правило Кирхгофа, получаем

, которое является дифференциальным уравнением первого порядка для I (t) . Обратите внимание на его сходство с уравнением для последовательно соединенных конденсатора и резистора (см. RC Circuits). Точно так же решение (рисунок) можно найти, сделав замены в уравнениях, связывающих конденсатор с катушкой индуктивности. Это дает

где

— индуктивная постоянная времени цепи.

Текущее значение I (t) показано на (Рисунок) (а).Он начинается с нуля, и по мере того, как I (t) приближается асимптотически. Индуцированная ЭДС прямо пропорциональна dI / dt или наклону кривой. Следовательно, в то время как наивысшая сразу после включения переключателей, наведенная ЭДС уменьшается до нуля со временем, когда ток приближается к своему конечному значению. Схема становится эквивалентной резистору, подключенному к источнику ЭДС.

Изменение во времени (а) электрического тока и (б) величины индуцированного напряжения на катушке в цепи (рисунок) (б).

Энергия, запасенная в магнитном поле индуктора,

Таким образом, по мере приближения тока к максимальному значению, запасенная энергия в катушке индуктивности увеличивается от нуля и асимптотически приближается к максимуму

Постоянная времени говорит нам, насколько быстро ток увеличивается до своего конечного значения. При токе в цепи, начиная с (рисунок),

, который имеет окончательное значение. Чем меньше индуктивная постоянная времени, тем быстрее приближается ток.

Мы можем найти временную зависимость индуцированного напряжения на катушке индуктивности в этой цепи, используя и (рисунок):

Величина этой функции показана на (Рисунок) (b). Наибольшее значение имеет место, когда dI / dt является наибольшим, то есть сразу после закрытия и открытия. При приближении к установившемуся режиму dI / dt уменьшается до нуля. В результате напряжение на катушке индуктивности также обращается в нуль как

Постоянная времени также показывает, насколько быстро спадает наведенное напряжение.При величине наведенного напряжения

Таким образом, через одну постоянную времени напряжение на катушке индуктивности падает примерно до своего начального значения. Чем короче постоянная времени, тем быстрее падает напряжение.

По прошествии достаточного времени, чтобы ток практически достиг своего конечного значения, положения переключателей на (Рисунок) (a) меняются местами, что дает нам схему в части (c). При токе в цепи согласно правилу петли Кирхгофа получаем

Решение этого уравнения аналогично решению уравнения для разряжающегося конденсатора с аналогичными заменами.Текущий в то время т тогда

Ток начинается и уменьшается со временем по мере того, как энергия, запасенная в катушке индуктивности, истощается ((рисунок)).

Зависимость напряжения на катушке индуктивности от времени можно определить из

Это напряжение изначально, и оно спадает до нуля, как и ток. Энергия, запасенная в магнитном поле индуктора, также экспоненциально уменьшается со временем, так как она рассеивается за счет джоулева нагрева в сопротивлении цепи.

Изменение во времени электрического тока в цепи RL (Рисунок) (c). Индуцированное напряжение на катушке также экспоненциально спадает.

Проверьте свое понимание Убедитесь, что RC и L / R имеют измерения времени.

а. 2,2 с; б. 43 H; c. 1.0 с

Проверьте свое понимание Для схемы на (Рисунок) (b) покажите, что когда достигается устойчивое состояние, разница в полных энергиях, производимых батареей и рассеиваемых в резисторе, равна энергии, запасенной в магнитном поле. поле катушки.

Концептуальные вопросы

Используйте закон Ленца, чтобы объяснить, почему начальный ток в цепи RL (рисунок) (b) равен нулю.

По мере того, как ток течет через катушку индуктивности, по закону Ленца возникает обратный ток, который создается для поддержания чистого тока на уровне нуля ампер, начальном токе.

Когда ток в цепи RL (рисунок) (b) достигает своего конечного значения, какое напряжение на катушке индуктивности? Через резистор?

Зависит ли время, необходимое для того, чтобы ток в цепи RL достиг хоть какой-то доли своего установившегося значения, от ЭДС батареи?

Катушка индуктивности подключена к клеммам батареи.Зависит ли ток, который в конечном итоге протекает через катушку индуктивности, от внутреннего сопротивления батареи? Зависит ли от этого сопротивления время, необходимое для достижения окончательного значения тока?

В какое время напряжение на катушке индуктивности цепи RL (рисунок) (b) является максимальным?

At, или когда переключатель впервые включен.

В простой схеме RL (рисунок) (b) может ли ЭДС, наведенная на катушке индуктивности, когда-либо быть больше, чем ЭДС батареи, используемой для создания тока?

Если ЭДС батареи (рисунок) (b) уменьшается в 2 раза, насколько изменится установившаяся энергия, запасенная в магнитном поле индуктора?

Постоянный ток течет по цепи с большой индуктивной постоянной времени. Когда переключатель в цепи размыкается, на выводах переключателя возникает большая искра. Объяснять.

Обсудите возможные практические применения схем RL .

Глоссарий

индуктивная постоянная времени

, обозначенное как, характерное время, заданное количеством L / R конкретной серии RL цепи

Источники электродвижущей силы (ЭДС)

Текущее электричество

Текущее электричество определяется как электрический заряд в движении.Поток тока состоит из потока отрицательных электронных зарядов от атома к атому, как показано на рис. 1 , рис. 1 .

Рисунок 1 Текущее электричество.

Внешняя сила, которая вызывает поток электронов, называется электродвижущей силой (ЭДС) или напряжением , которое создается аккумулятором. На отрицательной клемме батареи имеется избыток электронов, а на положительной клемме — недостаток электронов. Поскольку на положительной клемме батареи не хватает электронов, она притягивает электроны из проводника.Точно так же отрицательный вывод с избытком электронов отталкивает электроны в проводник.

Классификация электрического тока

Текущее электричество классифицируется как постоянный (DC) или переменный (AC) ток в зависимости от источника напряжения.

Напряжение постоянного тока создает поток электронов только в одном направлении. Напряжение переменного тока создает поток электронов, который изменяется как по направлению, так и по величине.

Типичные символы и формы сигналов для источников постоянного и переменного напряжения показаны на Рисунок 2 . Батарея является обычным источником постоянного напряжения, а электрическая розетка — наиболее распространенным источником переменного напряжения.

Все источники напряжения имеют общую характеристику избытка электронов на одном выводе и недостатка на другом выводе. Это приводит к разнице электрического потенциала между двумя выводами.

Рисунок 2 Электроэнергия постоянного и переменного тока.

Идентификация полярности (+ или -) — это один из способов отличить источник напряжения. Полярность можно определить в цепях постоянного тока, но в цепях переменного тока ток постоянно меняет направление; следовательно, полярность не может быть идентифицирована.

Источники электродвижущей силы

Для движения электронов должен быть источник электродвижущей силы (ЭДС) или напряжения. Этот источник напряжения может быть получен из множества различных источников первичной энергии.Эти первичные источники поставляют энергию в одной форме, которая затем преобразуется в электрическую.

Основные источники электродвижущей силы включают трение, свет, химические реакции, тепло, давление и механико-магнитное действие.

Свет

Солнечная фотоэлектрическая система питания преобразует солнечный свет непосредственно в электрическую энергию с помощью солнечных или фотоэлектрических элементов . Они сделаны из полупроводникового, светочувствительного материала, который делает доступными электроны при воздействии световой энергии ( Рисунок 3 ).

Солнечные элементы работают на фотоэлектрическом эффекте, который возникает, когда свет, падающий на двухслойный полупроводниковый материал, создает постоянное напряжение между двумя слоями. Выходное напряжение прямо пропорционально количеству световой энергии, падающей на поверхность элемента. Один из лучших солнечных элементов — кремниевый.

Отдельный элемент может производить до 400 мВ (милливольт) с током в миллиамперном диапазоне и может использоваться для создания более крупных солнечных панелей. Слаботочные солнечные элементы часто используются в качестве датчиков в системах автоматического управления и для питания электронных устройств, таких как калькуляторы.

Рисунок 3 Производство электроэнергии из солнечного света.

Солнечный модуль или панель состоит из солнечных элементов, электрически соединенных между собой и заключенных в капсулу, как показано на Рисунок 4 . Солнечные панели обычно имеют лист стекла на стороне, обращенной к солнцу, и полупрозрачный полимерный барьер, позволяющий свету проходить сквозь них, защищая полупроводник от дождя, снега и града. Солнечные панели могут быть сгруппированы вместе, чтобы сформировать массив, способный передавать большое количество электроэнергии.

Рисунок 4 Солнечный модуль или панель.

Солнечная система , привязанная к сетке. соединяет вашу солнечную энергетическую систему с электросетью. Это позволяет вам отправлять любую избыточную мощность, которую вы производите, обратно в электрическую компанию по плану, известному как чистые измерения.

Ночью или в пасмурные дни вы просто возвращаетесь к покупке электроэнергии у коммунальной компании. При установке этого типа солнечной системы вырабатываемая вами электроэнергия либо компенсирует ваше использование, либо, если вы производите больше, чем потребляете, возвращается в электрическую сеть, пополняя ваш счет за коммунальные услуги.

Следует помнить один ключевой момент: фотоэлектрическая система, подключенная к сети, должна быть отключена при отключении электроэнергии от коммунальной компании. Это в первую очередь требование безопасности, чтобы гарантировать, что мощность не будет подаваться обратно в сеть, пока обслуживающий персонал восстанавливает ее.

На рисунке 5 показаны части типичной сетевой фотоэлектрической системы. В этих системах используются солнечные модули вместе с преобразователем постоянного тока в переменный. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный и синхронизирует мощность, вырабатываемую солнечными модулями, с электричеством, поступающим от коммунальной компании.

Операция проста. Когда солнце светит, солнечная батарея вырабатывает постоянное напряжение. Инвертор автоматически подключается к электросети и подает в сеть переменный ток.

Рисунок 5 PV-система электроснабжения.

Автономные фотоэлектрические солнечные системы используются в тех случаях, когда инженерные сети недоступны, нежелательны или слишком дороги для ввода. Автономные солнечные системы используют солнечные панели для производства электроэнергии постоянного тока, которая затем сохраняется в батарее банк ( рисунок 6 ).

Инвертор преобразует мощность постоянного тока, хранящуюся в батареях, в мощность переменного тока, которая используется в жилых или коммерческих учреждениях. Как правило, автономные системы включают резервный генератор энергии для зарядки батарей, если они становятся слишком низкими, и контроллер заряда для регулирования мощности, поступающей от фотоэлектрической панели в аккумуляторную батарею.

Рисунок 6 Автономная фотоэлектрическая система.

Химическая реакция

Батарея или гальванический элемент преобразует химическую энергию непосредственно в электрическую ( Рис. 7 ).По сути, батарея состоит из двух электродов и раствора электролита. Один электрод подключается к (+) или положительной клемме, а другой — к (-) или отрицательной клемме.

Рисунок 7 Батарея преобразует химическую энергию непосредственно в электрическую.

Когда батарея подключена к замкнутой электрической цепи, химическая энергия преобразуется в электрическую. Химическое воздействие внутри ячейки заставляет раствор электролита реагировать с двумя электродами.В результате электроны переносятся с одного электрода на другой. Это создает положительный заряд на электроде, который теряет электроны, и отрицательный заряд на электроде, который получает электроны. Хотя эта батарея является популярным портативным источником постоянного тока низкого напряжения, ее относительно высокая стоимость энергии ограничивает возможности ее применения.

Тепло

Тепловая энергия может быть напрямую преобразована в электрическую с помощью устройства, называемого термопарой. Термопары работают по принципу, согласно которому при соединении двух разнородных металлов будет генерироваться предсказуемое постоянное напряжение, которое связано с разницей в температуре между горячим спаем и холодным спаем (, рисунок 8, ).

Когда к горячему спаю прикладывается тепло, электроны перемещаются от одного металла к другому, создавая отрицательный заряд на одном и положительный — на другом. Термопара часто используется в качестве датчика температуры для устройств измерения температуры. Вольтметр , откалиброванный в градусах, подключен к выводам внешней термопары для индикации температуры.

Рисунок 8 Термопара преобразует тепловую энергию в электрическую.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрическое вещество — это вещество, которое производит электрический заряд при приложении механического давления.Некоторые кристаллы, например кварц, являются пьезоэлектрическими. Это означает, что при сжатии или ударе они генерируют электрический заряд.

Одно из распространенных применений пьезоэлектричества — пьезоэлектрический газовый воспламенитель, показанный на рис. 9 . Когда вы нажимаете на кнопку, от поверхности пьезокристалла поднимается небольшой пружинный молоток. Когда молот достигает вершины, он ударяет по кристаллу, создавая высокое напряжение. Это напряжение достаточно велико, чтобы вызвать искру, воспламеняющую газ.Пьезоэлектрические воспламенители используются в большинстве газовых печей и плит.

Рисунок 9 Пьезо-газовый запальник.

Механико-магнитный

Большая часть электроэнергии, которую мы используем, вырабатывается с помощью электрического генератора , который преобразует магнитно-механическую энергию в электрическую. Основные компоненты и принцип действия генератора переменного тока показаны на рисунке 10.

Когда якорь вращается в магнитном поле, в обмотке якоря индуцируется напряжение. К якорю прикреплены контактные кольца, которые вращаются вместе с ним. Угольные щетки скользят по контактным кольцам, проводя ток от якоря.

Якорь — это любое количество проводящих проводов, скрученных в петли, которые вращаются под действием магнитного поля. Для простоты показан один цикл. Хотя этот генератор вырабатывает электричество переменного тока, он может быть разработан для выработки электроэнергии переменного или постоянного тока.

Рисунок 10 Генератор переменного тока .

Каждый генератор должен приводиться в движение турбиной, дизельным двигателем или какой-либо другой машиной, вырабатывающей механическую энергию.Первичный двигатель — это термин, используемый для обозначения механического устройства, приводящего в действие генератор.

Чтобы получить больше электроэнергии от генератора, первичный двигатель должен подавать больше механической энергии. Например, ветряные генераторы устанавливаются в местах с сильным продолжительным ветром ( Рисунок 11, ). Ветер толкает лопасти вентилятора ветряной турбины, вращая вентилятор и вал, который приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Электричество либо используется, либо хранится в батареях.

Рисунок 11 Ветрогенератор.

Контрольные вопросы

1. Определите электрический ток .
2. Какая внешняя сила вызывает поток электронов?
3. В каком направлении текут электроны относительно полярности приложенного напряжения?
4. Сравните электрический ток в цепи постоянного и переменного тока.
5. Почему полярность обычно определяется на источниках постоянного, а не переменного напряжения?
6. Как фотоэлектрический элемент вырабатывает электричество?
7. Сравните работу сетевых и автономных фотоэлектрических солнечных систем.
8. Какова функция инвертора в солнечной энергетической системе?
9. Назовите три основных компонента аккумулятора.
10. Как термопара вырабатывает электричество?
11. Как пьезоэлектрическое вещество производит электричество?
12. Как электрический генератор производит электричество?
13. Какой тип первичного двигателя используется в составе ветрогенератора?

Ответы

1. Электрический ток — это поток электронов.
2. Внешняя сила, вызывающая поток электронов, называется электродвижущей силой или напряжением.
3. Электроны текут от отрицательной полярности к положительной.
4. В цепи постоянного тока ток течет только в одном направлении. В цепи переменного тока ток меняет направление.
5. Полярность обычно определяется в цепи постоянного тока, потому что она не меняется. Полярность в цепи переменного тока обычно не определяется, потому что она постоянно меняется.
6. Фотоэлектрический элемент вырабатывает электричество путем преобразования световой энергии в постоянное напряжение.
7. ФЭ-система, подключенная к сети, подключена к электросети и позволяет продавать энергию обратно электроэнергетической компании. Внесетевые фотоэлектрические системы работают отдельно от линий электроснабжения.
8. Инвертор преобразует постоянное напряжение системы в переменный ток, необходимый для работы системы или подключения к линиям энергоснабжения.
9. Батарея состоит из двух электродов и раствора электролита.
10. Термопара вырабатывает электричество постоянного тока из тепловой энергии, когда существует разница в температуре между двумя термопарами (которые представляют собой соединение двух разнородных металлов.)
11. Пьезоэлектрическое вещество производит электричество постоянного тока путем преобразования механической силы в электричество.
12. Электрический генератор вырабатывает электричество из механической энергии, которая вызывает вращение катушек проводов через магнитное поле, которое создает поток тока в катушках.
13. Основным двигателем ветрогенератора является ветер.

Программируемый источник постоянного тока, модель 121

Модель 121 имеет

• 7 декад выходного тока, выбираемый из 13 шагов
• Программируемый токовый выход, от 100 нА до 100 мА
• Выход с низким уровнем шума
• Большой трехзначный светодиодный дисплей
• Простой пользовательский интерфейс
• Ток функция реверсирования
• Интерфейс USB обеспечивает интеграцию с автоматизированными испытательными системами
• Пакет для монтажа на панели DIN
• Съемный выходной клеммный блок
• Сертификат CE

Обзор

Программируемый источник постоянного тока модели 121 — это прецизионный прибор, подходящий для настольного или панельного использования в лабораториях, испытательных центрах и производственных средах. Он обеспечивает малошумный, высокостабильный источник тока до 100 мА,
с удобным ручным выбором через 13 предустановленных уровней выхода, каждый из которых представляет десятикратное изменение мощности при подключении к резистивной нагрузке. «Пользовательская» настройка позволяет определять токовый выход в любом месте рабочего диапазона.
блока от 100 нА до 100 мА.

Программируемая работа также возможна через компьютерный интерфейс USB прибора, через который модели 121 можно дать команду на вывод любого желаемого тока в любое время.Таким образом, испытательные токи для конкретных приложений могут подаваться от внешнего
ПК.

Прибор работает при 5 В постоянного тока, а питание подается от внешнего настенного источника переменного тока, входящего в комплект стандартной модели 121. Источник автоматически соответствует любому линейному напряжению переменного тока в диапазоне от 100 до 240 В переменного тока, 50 или
60 Гц.

Приложения

Источник тока модели 121 идеально подходит для тестирования, измерения и эксплуатации резистивных и полупроводниковых устройств, таких как:

• Lake Shore Cernox ™ температура датчики
• Другие датчики температуры сопротивления (RTD), такие как платиновые датчики
• Диодные датчики температуры, включая Lake Shore DT-670s
• Светодиодные устройства
• Датчики Холла, используемые для измерения магнитного поля

Точный и стабильный источник тока ключ к обеспечению стабильной работы этих устройств, где падение напряжения на устройстве может зависеть от температуры, магнитного поля и других параметров. Широкий выходной диапазон инструмента
имеет большое значение при использовании с датчиками типа RTD, сопротивление которых может изменяться в зависимости от температуры на целых 6 порядков. Функция реверса тока позволяет компенсировать термо-ЭДС, что важно для точного измерения резисторов при очень высоких температурах.
низкий уровень возбуждения.

Примеры приложений включают:

• Контроль качества базового устройства (проверка «хорошо / плохо»)
• Проверка яркости светодиода (постоянный ток устройства)
• Калибровка датчика температуры (определение сопротивления в фиксированных точках калибровки)
• Измерение температуры (с использованием показания вольтметра)
• Калибровка и измерение магнитного датчика
• Измерения полупроводниковых приборов
• Прототипирование схемы (фиксированный источник тока)
• Маломасштабные электрохимические приложения

Работа в широком диапазоне условий окружающей среды, точная калибровка датчика или Простая проверка устройств на соответствие, Модель 121 представляет собой удобную и надежную альтернативу простым схемам, основанным на напряжении, и очень
доступная альтернатива более дорогим многофункциональным источникам тока. Его можно легко интегрировать в автоматизированные испытательные системы с помощью встроенного компьютерного интерфейса USB, и он предлагает легко читаемый и простой в использовании дисплей оператора.

причин и способов лечения.

Введение

Физический электронный контроль доступа почти всегда включает в себя управление каким-либо электромагнитным запорным устройством. Это может быть мощный магнит или соленоид меньшего размера внутри удара или болта. Все эти устройства подчиняются одним и тем же основным законам физики.Электромагнит будет накапливать энергию при включении и генерировать «обратную ЭДС» или противо-ЭДС (CEMF), когда питание отключено.

При подключении питания по обмоткам катушки электромагнита течет ток. Конечный ток покоя определяется сопротивлением постоянному току обмотки катушки и соединительных проводов. Этот ток создает намагничивающее поле, которое выравнивает магнитные домены в металлическом сердечнике электромагнита. Это выравнивание усиливает поле, увеличивая магнитную силу, но при этом сохраняя намного больше энергии.

Когда питание отключено, магнитное поле будет иметь тенденцию к коллапсу и при этом будет генерироваться ЭДС или (ЭДС) в обмотках катушки электромагнита.

Если эта обратная ЭДС не контролируется или не подавляется, она будет генерировать очень большие напряжения, которые, в свою очередь, могут:

• Вызывает дугу на контактах, сокращая срок службы переключателя
• Создание помех
• Повреждение электроники
• Причина потери данных

EMF — это аббревиатура от Electro-Motive Force.Этот термин немного вводит в заблуждение, поскольку на самом деле ЭДС не является силой. Это напряжение, возникающее в результате взаимодействия тока в катушке электромагнита и его магнитном поле, когда одно или оба изменяются. Отключенный электромагнит действует как источник тока; создавая любое напряжение, необходимое для поддержания исходного тока.

Подавление обратной ЭДС

Обратную ЭДС нельзя предотвратить, но ее можно контролировать. При подавлении обратной ЭДС цель состоит в предотвращении очень высоких напряжений и контролируемом рассеивании накопленной энергии.Есть несколько способов сделать это, и мы рассмотрим два наиболее распространенных метода, используемых при управлении доступом.

Диод маховика

Термин «маховое колесо» очень уместен. Ток, протекающий в электромагните, очень похож на свободно вращающееся велосипедное колесо. Когда педаль остановлена ​​(отключено напряжение питания), колесо продолжает вращаться.

Диод маховика обеспечивает средство торможения маховика. При подаче напряжения питания диод смещен в обратном направлении и фактически отключен от цепи.Когда переключатель размыкается, ток маховика вызывает обратную ЭДС противоположной полярности, и поэтому диод будет проводить. Диод очень хорошо подавляет обратную ЭДС и ограничивает напряжение примерно до одного вольта или около того. Это вполне подходит для небольших соленоидов, подобных тем, которые используются в ударных. Однако они не подходят для дверных магнитов.

Почему диоды не подходят для магнитов

Мощность, рассеиваемая диодом, мала, поскольку прямое падение напряжения меньше вольта.Таким образом, скорость отвода энергии от электромагнита мала (Энергия ≈ Мощность x Время) Таким образом:

Таким образом, меньшие потери мощности через диод будут означать большее время для рассеивания энергии. В результате ток продолжает течь, и магнит дольше удерживает якорь. Это может длиться от одной до двух секунд, что приводит к неприятной задержке открывания двери.

Почему MOV подходят для магнитов и ударов

MOV (VDR) имеет номинальное напряжение.Ниже этого напряжения он имеет очень высокое сопротивление. Таким образом, выбирая MOV с номинальным напряжением, немного превышающим нормальное напряжение питания, его можно безопасно подключать к катушке магнита, и точно так же, как диод не оказывает никакого влияния при подключении источника питания.

Металлооксидный варистор (MOV)

Когда питание отключено, обратная ЭДС повысится до номинального напряжения MOV. В этот момент MOV начнет проводить и ограничивать напряжение чуть выше этого значения.

При ограничении обратной ЭДС падение напряжения обычно составляет порядка 30 В или около того. Используя то же уравнение:

Потери мощности будут в 30 раз больше, чем у диода. В результате энергия теряется примерно в 30 раз быстрее, и магнит освобождает якорь за гораздо меньшее время.

VDR

, подходящие для замков на 12 или 24 В, можно приобрести у дистрибьютора, укажите код продукта 0043 (упаковка из 20 шт.).

См. Также: Противоэлектродвижущая сила

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить

.