Электродвижущая сила

Электрическое напряжение: объяснение простыми словами

Электрическим напряжением обозначается физическая величина, равная разности потенциалов между двумя точками электрического поля при перемещении единичного заряда. Для простых пользователь такое обозначение не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы попытаемся простым, доступным языком рассказать, что собой представляет электрическое напряжение, как оно измеряется и для чего это нужно.

Что такое разность потенциалов?

Для начала проанализируем рисунок:

В первой бутылке вода находится на уровне 300 мм, а во второй – на отметке 150 мм. Разница между уровнями воды в обоих емкостях составляет 150 мм. Если рассматривать это с точки зрения науки об электричестве, это и есть разность потенциалов.

Однако, что будет, если соединить обе бутылки шлангом, а внутрь поместить обычный пластиковый шарик?

Из школьного урока физики о принципе соединяющихся сосудах знаем, что из бутылки, где уровень воды больше, жидкость постепенно перетечет в бутылку с более низким уровнем. Под воздействием потока воды шарик внутри соединяющего шланга будет перемещаться. Процесс перетекания завершится после того, как в обоих бутылках уровень жидкости уравновесится, станет одинаковым.

Иными словами, в ситуации, когда в соединенных между собой емкостях уровень жидкости станет одинаковым, результатом разности потенциалов станет ноль. Шарик останется на месте за счет электродвижущей силы, которая, по итогам эксперимента, равна нулю.

Что такое электродвижущая сила?

Аналогично напряжению, единицей измерения электродвижущей силы (ЭДС) является Вольт.

Для проведения следующего эксперимента понадобится вольтметр (прибор, измеряющий вольты) и обычная батарейка.

При исходном замере прибор покажет 1.5 В (Вольта). Однако это не является напряжением – значение указывает на величину электродвижущей силы.

На следующем этапе эксперимента к батарейке подключаются две лампочки. А напряжение измеряется в разных участках электроцепи.

Внимание следует уделить следующим показателям: напряжение для одной лампочки составляет 1 Вольт, для другой же это значение 0.3 Вольта. Напряжение в используемых нами осветительных устройствах напрямую зависит от их мощности, измеряемой в Ваттах

Напряжение в используемых нами осветительных устройствах напрямую зависит от их мощности, измеряемой в Ваттах.

Мощность=Напряжение*ток (Р=U*I)

Из этого следует, что чем больше будет значение мощности лампы, тем большее напряжение будет на ней.

Однако, как же получается: если мощность батарейки 1.5 Вольта, к которой подключены лампочки, разделена на 1 Вольт и 0.3 Вольта, куда направились еще 0.2 Вольта? Дело в том, что каждая батарейка наделена своим внутренним сопротивлением, поэтому недостающие 0.2 Вольта были направлены именно сюда.

Резюме

Электродвижущей силой определена физическая величина, характеризующая в источниках тока работу сторонних силовых ресурсов. Посредством электродвижущей силы мы можем определять, как переносится заряд от источника тока по всей электрической цепи. Напряжение показывает этот процесс лишь на отдельном участке этой цепи. Если проще: напряжение – это внешнее силовое воздействие, способствующее перемещению шарика в шланге, соединяющим сосуды из выше приведенного примера. В электричестве напряжение обозначено силой, которая обеспечивает перемещение электронов между атомами.

Рассмотрим еще один пример

Представьте, что вам по силам будет поднять камень, вес которого составляет 40 кг. Это означает, что вы обладаете подъемной силой, равной 40 кг – в электричестве это обозначается как электродвижущая сила. Вы следуете и на своем пути вам попадается камень весом 20 кг. Вы его также берете и переносите на расстояние 10 метров. Для осуществления этого действия вам понадобилось определенное количество энергии, что в электричестве представляется как напряжение. Далее вам попадается камень весом в 30 кг. Следовательно, для его переноса из одного места в другое вам понадобится больше энергии, чем для камня, масса которого не превышала 20 кг. Однако подъемная сила (в электричестве ЭДС), независимо от веса переносимого вами камня, остается всегда одинаковой. При этом, вес камня определяет количество энергии, которая тратится на проведение этого действия (в электричестве это обозначено напряжением). Таким образом, на каждом отрезке вашего пути вы будете испытывать разное напряжение в зависимости от веса камня, который вы намерены перенести.

ЭДС на практике

Возьмем две одинаковые батарейки. Допустим, на маркировке каждой из них написано «4,5 В». Это значит, что каждая из этих батареек при включении в электрическую цепь выдаст электродвижущую силу в размере «4,5 В». Именно ЭДС, а не напряжение.

Напряжение мы будем измерять в разных точках цепи вольтметром. Можем также измерить напряжение на выводах батареек. При этом вольтметр покажет нам, какова ЭДС на выходе каждой из батареек. Эта электродвижущая сила идет «изнутри» батарейки.

В этих же точках этим же вольтметром мы одновременно измерим напряжение (разность потенциалов) на входе в нашу электрическую цепь — тоже в вольтах.

Допустим, что «возраст» двух одинаковых батареек разный. Первая изготовлена вчера, а вторая — год назад. Более новая батарейка выдаст нам «4,5 В» ЭДС. А вторая, допустим, — всего «2,5 В».

Почему? Потому что ее изготовили год назад, и за этот год внутри батарейки происходили процессы химического окисления. Способность выдавать максимальную ЭДС она утратила, так как «постарела».

При изготовлении батарейка содержала несколько (не менее двух) видов вещества. Вспомните первые источники тока — «электрические столбы» Алессандро Вольты. Так же устроены современные химические источники тока. За год хранения батарейка находилась на складе при определенной температуре. Эта температура способствовала движению электронов, в т.ч. между разными веществами. Это значит, что одно вещество теряло электроны, а второе получало. Это также можно назвать окислением под действием влаги, находящейся в окружающем воздухе, при нормальной температуре. При этом процессе у веществ понижается способность выдавать изначальную величину ЭДС.

Закон Фарадея

Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.

Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:

Рис. 2. Формула закона электромагнитной индукции

И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.

Основные понятия и законы электростатики

Закон Кулона:сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Коэффициент пропорциональности в этом законе

В СИ коэффициент k записывается в виде

Потенциалом электрического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:

 Проекция напряжённости электрического поля на какую-нибудь ось и потенциал связаны соотношением

Электроёмкостью тела называют величину отношения

Основные понятия и законы постоянного тока

Электрический ток — направленное движение электрических зарядов. В разных веществах носителями заряда выступают элементарные частицы разного знака. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов. Количественно электрический ток характеризуют его силой. Это заряд, прошедший за единицу времени через поперечное сечение проводника:

Закон Ома для участка цепи имеет вид:

 При параллельном соединении величина, обратная сопротивлению, равна сумме обратных сопротивлений:

где t — время, I — сила тока, U — разность потенциалов, q — прошедший заряд.Закон Джоуля-Ленца:

Основные понятия и законы магнитостатики

 Характеристикой магнитного поля является магнитная индукция ➛B. Поскольку это вектор, то следует определить и направление этого вектора, и его модуль. Направление вектора магнитной индукции связано с ориентирующим действием магнитного поля на магнитную стрелку. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Направление вектора магнитной индукции прямолинейного проводника с токам можно определить с помощью правила буравчика:если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Модулем вектора магнитной индукции назовём отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током , к произведению силы тока на длину этого участка:

Основные понятия и законы электромагнитной индукции

 Если замкнутый проводящий контур пронизывается меняющимся магнитным потоком, то в этом контуре возникает ЭДС и электрический ток. Эту ЭДС называют ЭДС электромагнитной индукции, а ток — индукционным. Явление их возникновения называют электромагнитной индукцией. ЭДС индукции можно подсчитать по основному закону электромагнитной индукции или по закону Фарадея:

Электромагнитные колебания и волны

Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых конденсатора с ёмкостью C и катушки с индуктивностью L (см. рис. 7).

 Для свободных незатухающих колебаний в контуре циклическая частота определяется формулой

 Период свободных колебаний в контуре определяется формулой Томсона:

 Ток, текущий через катушку индуктивности, по фазе отстаёт от напряжения на π/2 или на четверть периода. Напряжение опережает ток на такой же фазовый угол.

Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования переменных токов. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной обмоткой, а катушка, которая подключается к потребителю, называется вторичной обмоткой. Отношение напряжения на первичной обмотке и вторичной обмотке трансформатора равно отношению числа витков в этих обмотках:

Как образуется ЭДС

Идеальный источник ЭДС – генератор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение на его зажимах не зависит от нагрузки. Мощность идеального источника ЭДС бесконечна. Реальный источник ЭДС, в отличие от идеального, содержит внутреннее сопротивление Ri и его напряжение зависит от нагрузки (рис. 1., б), а мощность источника конечна. Электрическая схема реального генератора ЭДС представляет собой последовательное соединение идеального генератора ЭДС Е и его внутреннего сопротивления Ri.

Будет интересно Законы Кирхгофа простыми словами: определение для электрической цепи

На практике для того чтобы приблизить режим работы реального генератора ЭДС к режиму работы идеального, внутреннее сопротивление реального генератора Ri стараются делать как можно меньше, а сопротивление нагрузки Rн необходимо подключать величиной не менее чем в 10 раз большей величины внутреннего сопротивления генератора, т.е. необходимо выполнять условие: Rн >> Ri

Для того чтобы выходное напряжение реального генератора ЭДС не зависело от нагрузки, его стабилизируют применением специальных электронных схем стабилизации напряжения. Поскольку внутреннее сопротивление реального генератора ЭДС не может быть выполнено бесконечно малым, его минимизируют и выполняют стандартным для возможности согласованного подключения к нему потребителей энергии. В радиотехнике величины стандартного выходного сопротивления генераторов ЭДС составляют 50 Ом (промышленный стандарт) и 75 Ом (бытовой стандарт).

Например, все телевизионные приемники имеют входное сопротивление 75 Ом и подключены к антеннам коаксиальным кабелем именно такого волнового сопротивления. Для приближения к идеальным генераторам ЭДС источники питающего напряжения, используемые во всей промышленной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре, выполняют с применением специальных электронных схем стабилизации выходного напряжения, которые позволяют выдерживать практически неизменное выходное напряжение источника питания в заданном диапазоне токов, потребляемых от источника ЭДС (иногда его называют источником напряжения).

На электрических схемах источники ЭДС изображаются так: Е — источник постоянной ЭДС, е(t) – источник гармонической (переменной) ЭДС в форме функции времени. Электродвижущая сила Е батареи последовательно соединенных одинаковых элементов равна электродвижущей силе одного элемента Е, умноженной на число элементов n батареи: Е = nЕ.

Постоянный ток и ЭДС.

Основные различия между электродвижущей силой и разницей потенциалов

Электродвижущая сила — это энергия на единицу заряда, полученная через электрический или неэлектрический источник цепи. С другой стороны, разность потенциалов — это расчетное количество энергии, переданной из одной точки в другую в цепи.
Электродвижущая сила индуцируется электрохимическими элементами в источнике или изменениями в магнитном поле

Принимая во внимание, что разность потенциалов вызвана перемещением свободных электронов через проводник между двумя точками. 
Электродвижущая сила была получена Майклом Фарадеем в 1830 году после анализа химической реакции двух электродов и электролитов. В то время как потенциальная разница определяется после успеха теории Алессандро Вольта.
Формула электродвижущей силы: работа/заряд (ЭДС=W/Q)

Несмотря на это, формула потенциала выводится как напряжение = ток x сопротивление (V = IR).
Электродвижущая сила формируется через неэлектрические источники, а также электрические источники, ступенчатые как константы в цепи. Но разность потенциалов проявляется только в электрическом источнике и зависит от количества прошедшей через него энергии.

Рекомендации

1. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1191804/
2. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/JA079i019p02853

Главная — Наука — Электродвижущая сила против разницы потенциалов: разница и сравнение

Последнее обновление: 14 июля 2023 г.

От электростатики к электрокинетике

В конце 18 — начале 19 веков работы таких ученых, как Кулон, Лагранж и Пуассон, заложили математическую основу для определения электростатических величин. Прогресс в понимании электричества на этом историческом этапе очевиден. Франклин уже ввел понятие «количество электрического вещества», но пока ни он, ни его последователи не смогли его измерить.

После экспериментов Гальвани Вольта попытался найти доказательства того, что «гальванические жидкости» животного имеют ту же природу, что и статическое электричество. В своем поиске истины он обнаружил, что, когда два электрода из разных металлов контактируют через электролит, они оба заряжаются и остаются заряженными, несмотря на то, что цепь замыкается нагрузкой. Это явление не соответствовало существующим представлениям об электричестве, потому что электростатические заряды в этом случае должны были рекомбинировать.

Вольта ввел новое определение силы, действующей в направлении разделения зарядов и удержания их в этом состоянии. Он назвал это электромотором. Такое объяснение для описания работы батареи не соответствовало теоретическим основам физики того времени. В кулоновской парадигме первой трети XIX века и др. с. Вольта определялась способностью одних тел вырабатывать электричество в других.

Важнейший вклад в объяснение работы электрических цепей внес Ом. Результаты серии экспериментов привели его к построению теории электропроводности. Он ввел значение «напряжения» и определил его как разность потенциалов между контактами. Подобно Фурье, который в своей теории различал количество тепла и температуру при теплопередаче, Ом создал модель по аналогии, связывая количество переносимого заряда, напряжение и электрическую проводимость. Закон Ома не противоречил накопленным знаниям об электростатическом электричестве.

Итак, благодаря Максвеллу и Фарадею существующие объяснительные модели получили новую теорию поля. Это позволило разработать концепцию связанной с полем энергии как для статических потенциалов, так и для электродвижущей силы. Основные даты эволюции концепции ЭМП:

• 1800 г. — строительство гальванической батареи Вольта;
• 1826 Ом формулирует свой закон для полной цепи;
• 1831 г. — открытие Фарадеем электромагнитной индукции.

ЭДС в быту и единицы измерения

Другие примеры можно найти в практической жизни любого обычного человека. В эту категорию попадают привычные вещи, такие как маленькие батарейки и другие миниатюрные батарейки. В этом случае рабочая ЭДС образуется за счет химических процессов, происходящих в источниках постоянного напряжения.

Когда это происходит на выводах (полюсах) аккумулятора из-за внутренних изменений, элемент полностью готов к работе. Со временем ЭДС немного уменьшается, а внутреннее сопротивление значительно увеличивается.

В результате, если вы измеряете напряжение на неподключенной батарее пальца, вы увидите 1,5 В (или около того) в норме, но когда к батарее подключена нагрузка, скажем, вы установили ее в какое-то устройство — это не работает.

Почему? Потому что если предположить, что внутреннее сопротивление вольтметра во много раз превышает внутреннее сопротивление аккумулятора, то вы измерили его ЭДС. Когда аккумулятор начал подавать ток в нагрузку, на его выводах стало не 1,5 В, а, например, 1,2 В — прибору не хватает напряжения или тока для нормальной работы. Именно эти 0,3В попали на внутреннее сопротивление гальванического элемента. Если батарея очень старая и ее электроды разрушены, на клеммах батареи может отсутствовать электродвижущая сила или напряжение, например ноль.

Режимы работы электрических цепей

Электрические цепи и их элементы могут работать в различных режимах в отношении величин напряжений, токов и мощностей. Наиболее характерными являются номинальный и согласованный, а также режимы холостого хода (х.х) и короткого замыкания (к.з).

Номинальным режимом работы элемента электрической цепи считается режим, при котором он работает с номинальными параметрами.

Согласованным является режим, при котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая приемником, имеет максимальное значение. Такое значение получается при определенном соотношении (согласовании) параметров электрической цепи.

Под режимом холостого хода понимается такой режим, при котором через источник или приемник не протекает электрический ток. При этом источник не отдает энергию во внешнюю часть цепи, а приемник не потребляет ее. Для двигателя это будет режим без механической нагрузки на валу.

Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой разноименных зажимов источника или пассивного элемента, а также участка электрической цепи, находящегося под напряжением.

Дополнительно по теме

• История формирования ТОЭ
• Электрические цепи постоянного тока
• Пример расчета цепей постоянного тока
• Электрические цепи переменного тока
• Расчет цепей переменного тока
• Символический метод расчета цепей
• Резонансные явления
• Переходные процессы
• Трехфазные цепи
• Симметричные составляющие трехфазной системы
• Нелинейные цепи
• Несинусоидальные токи и напряжения
• Магнитные цепи

ЭДС в быту и единицы измерения

Другие примеры встречаются в практической жизни любого рядового человека. Под эту категорию попадают такие привычные вещи, как малогабаритные батарейки, а также другие миниатюрные элементы питания. В этом случае рабочая ЭДС формируется за счет химических процессов, протекающих внутри источников постоянного напряжения.

Когда оно возникает на клеммах (полюсах) батареи вследствие внутренних изменений – элемент полностью готов к работе. Со временем величина ЭДС несколько снижается, а внутреннее сопротивление заметно возрастает.

В результате если вы измеряете напряжение на не подключенной ни к чему пальчиковой батарейке вы видите нормальные для неё 1.5В (или около того), но когда к батарейке подключается нагрузка, допустим, вы установили её в какой-то прибор — он не работает.

Почему? Потому что если предположить, что у вольтметра внутреннее сопротивление во много раз выше, чем внутреннее сопротивлении батарейки — то вы измеряли её ЭДС. Когда батарейка начала отдавать ток в нагрузке на её выводах стало не 1.5В, а, допустим, 1.2В — прибору недостаточно ни напряжения, ни тока для нормальной работы. Как раз вот эти 0.3В и упали на внутреннем сопротивлении гальванического элемента. Если батарейка совсем старая и её электроды разрушены, то на клеммах батареи может не быть вообще никакой электродвижущей силы или напряжения — т.е. ноль.

Этот пример наглядно демонстрирует в чем отличие ЭДС и напряжения. То же рассказывает автор в конце видеоролика, который вы видите ниже.

Подробнее о том, как возникает ЭДС гальванического элемента и в чем оно измеряется вы можете узнать в следующем ролике:

Совсем небольшая по величине электродвижущая сила наводится и в рамках антенны приемника, которая усиливается затем специальными каскадами, и мы получаем наш телевизионный, радио и даже Wi-Fi сигнал.

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

Как образуется ЭДС

Идеальный источник ЭДС – генератор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение на его зажимах не зависит от нагрузки. Мощность идеального источника ЭДС бесконечна. Реальный источник ЭДС, в отличие от идеального, содержит внутреннее сопротивление Ri и его напряжение зависит от нагрузки (рис. 1., б), а мощность источника конечна. Электрическая схема реального генератора ЭДС представляет собой последовательное соединение идеального генератора ЭДС Е и его внутреннего сопротивления Ri.

Будет интересно Правила безопасности при работе с электричеством

На практике для того чтобы приблизить режим работы реального генератора ЭДС к режиму работы идеального, внутреннее сопротивление реального генератора Ri стараются делать как можно меньше, а сопротивление нагрузки Rн необходимо подключать величиной не менее чем в 10 раз большей величины внутреннего сопротивления генератора, т.е. необходимо выполнять условие: Rн >> Ri

Для того чтобы выходное напряжение реального генератора ЭДС не зависело от нагрузки, его стабилизируют применением специальных электронных схем стабилизации напряжения. Поскольку внутреннее сопротивление реального генератора ЭДС не может быть выполнено бесконечно малым, его минимизируют и выполняют стандартным для возможности согласованного подключения к нему потребителей энергии. В радиотехнике величины стандартного выходного сопротивления генераторов ЭДС составляют 50 Ом (промышленный стандарт) и 75 Ом (бытовой стандарт).

Например, все телевизионные приемники имеют входное сопротивление 75 Ом и подключены к антеннам коаксиальным кабелем именно такого волнового сопротивления. Для приближения к идеальным генераторам ЭДС источники питающего напряжения, используемые во всей промышленной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре, выполняют с применением специальных электронных схем стабилизации выходного напряжения, которые позволяют выдерживать практически неизменное выходное напряжение источника питания в заданном диапазоне токов, потребляемых от источника ЭДС (иногда его называют источником напряжения).

На электрических схемах источники ЭДС изображаются так: Е — источник постоянной ЭДС, е(t) – источник гармонической (переменной) ЭДС в форме функции времени. Электродвижущая сила Е батареи последовательно соединенных одинаковых элементов равна электродвижущей силе одного элемента Е, умноженной на число элементов n батареи: Е = nЕ.

Постоянный ток и ЭДС.

Электрическое напряжение

Что такое электрическое напряжение – это разность потенциалов между двумя точками электрического поля; это физическая величина, значение которой равно работе электрического поля по перемещению единичного заряда между двумя точками. Всем всё понятно? Думаю нет.

Сейчас я попытаюсь максимально легко рассказать, что такое
электрическое напряжение. Надеюсь у меня получится! Итак, поехали…

Обратите внимание на рисунок

В одной бутылке уровень воды составляет 300 мм, в другой 150мм, разница воды в бутылках получается 150мм. В электричестве это называется разностью потенциалов, т.е разность потенциалов в наших бутылках равна 150 мм.

Разность потенциалов

А теперь давайте соединим эти бутылки между собой шлангом и
поместим в шланг шарик, что будет?

Вода начнёт перетекать из бутылки, в которой уровень воды больше, в другую бутылку. И соответственно поток воды будет перемещать наш шарик по шлангу. Процесс перетекания воды прекратится тогда, когда уровень в бутылках станет одинаковым (принцип сообщающихся сосудов).

Когда уровень воды в бутылках стал одинаковым, разность
потенциалов стала равна нулю, т.е. электродвижущая сила (ЭДС) равна нулю и наш
шарик остаётся на месте.

Топологические понятия электрических цепей

Те или иные соединения элементов R, L, С называются электрической цепью, а графическое изображение цепи — электрической схемой.

Электрическая схема показывает, как осуществляется соединение элементов рассматриваемой цепи. В электрической схеме соединения элементов образуют ветви, узлы, контуры.

Участок электрической цепи, по которому проходит ток одного и того же значения и направления, называется ветвью. Замкнутая электрическая цепь, образованная одной или несколькими ветвями, называется контуром, а место соединения трех или более ветвей — узлом. На схеме узел изображается точкой. Графическое изображение цепи называется электрической схемой.

Электрические цепи классифицируются: по роду тока (постоянный и переменный); по характеру элементов (линейные и нелинейные); по схемам соединения (простые и сложные); по изображению (монтажные, принципиальные и замещения).

Пьезоэлектрическая электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда происходит или сдавливание, или растяжение веществ, называемых пьезоэлектриками. Они широко используются в таких конструкциях, как пьезодатчики, кварцевых генераторах, гидрофонах и некоторых другиех.

Именно пьезоэлектрический эффект положен в основу работы пьезоэлектрических датчиков. Сами они относятся к датчикам так называемого генераторного типа. В них входной величиной является прилагаемая сила, а выходной – количество электричества.

Что касается таких устройств, как гидрофоны, то в основу их функционирования заложен принцип так называемого прямого пьезоэлектрического эффекта, который имеют пьезокерамические материалы. Суть его состоит в том, что если на поверхность этих материалов оказывается звуковое давление, то на их электродах возникает разность потенциалов. При этом она пропорциональна величине звукового давления.

Закон Ома.

Условные обозначения источников электрической энергии и элементов цепей

Условное обозначение	Элемент
	Идеальный источник ЭДС Е — электродвижущая сила, Е = const Ro = 0 — внутреннее сопротивление
	Идеальный источник тока I = const Rвн- внутреннее сопротивление источника тока, Rвн>>Rнаг
	Активное сопротивление R = const
	Индуктивность L = const
	Емкость С = const

К химическим источникам тока относят гальванические элементы и аккумуляторы. В них заряды переносятся в результате химических реакций. При этом в гальваническом элементе реагенты расходуются необратимо, а в аккумуляторе они могут восстанавливаться путем пропускания через аккумулятор электрического тока противоположного направления от других источников.

Источники электрической энергии относятся к группе активных элементов электротехнических устройств. Если Rо=0 и электродвижущая сила (ЭДС) Е=const, то источник называется идеальным. Аккумуляторная батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС.

К группе пассивных элементов относятся: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С.

В электротехнических устройствах одновременно протекают три энергетических процесса:

1 В активном сопротивлении в соответствии с законом Джоуля — Ленца происходит преобразование электрической энергии в тепло.

Мощность, по определению равна отношению работы к промежутку времени, за который эта работа совершается. Следовательно, мощность тока для участка цепи

p = A/t = ui

Полная мощность, вырабатываемая генератором, равна

где R- полное сопротивление замкнутой цепи, называемое омическим или активным;

Р, I — мощность и ток в цепи постоянного тока.

р, i, и — мгновенные значения активной мощности, тока и напряжения в цепи переменного тока,

g — активная проводимость или величина, обратная сопротивлению g=1/R измеряется в сименсах (См).

В соответствии с законом сохранения энергии работа есть мера изменения различных видов энергии. Так, в электродвигателе за счет работы тока возникает механическая энергия, протекают химические реакции и т. д. На резисторах происходит необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника.

Если в проводнике под действием тока не происходит химических реакций, то температура проводника должна измениться. Изменение внутренней энергии проводника (количество теплоты) Q равно работе А, которую совершает суммарное поле при перемещении зарядов:

Q = А = uit

Воспользовавшись законом Ома, получим два эквивалентных выражения:

Это и есть закон Джоуля — Ленца.

Если нужно сравнить два резистора по характеру тепловых процессов, происходящих в них, то нужно предварительно выяснить: протекает ли по ним одинаковый ток или они находятся под одинаковым напряжением?

Если по двум резисторам протекают одинаковые токи, то согласно формуле за одно и то же время больше возрастает внутренняя энергия резистора с большим сопротивлением. С таким случаем мы встречаемся, например, в цепи с последовательным соединением резисторов. Последнее обстоятельство следует учитывать при включении в сеть нагрузки (электроплиток, утюгов, электродвигателей и т. д.). Сопротивление подводящих проводов при этом должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки. При несоблюдении этого условия в проводах выделится большое количество теплоты, что может привести к их загоранию.

Если же оба резистора находятся под одинаковым напряжением, то согласно формуле быстрее будет нагреваться резистор с меньшим сопротивлением. Такой эффект, в частности, наблюдают при параллельном соединении резисторов.

Термин «сопротивление» применяется для условного обозначения элемента электрической цепи и для количественной оценки величины R.

Сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом — это сопротивление проводника, сила тока в котором равна 1 А, если на концах его поддерживается разность потенциалов 1 В:

1 Ом = 1 В/1 А

Электрическое сопротивление R материалов с изменением температуры меняется. Сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой. У полупроводников и электролитов с увеличением температуры удельное сопротивление уменьшается, причем нелинейно.

Для сравнения проводников по степени зависимости их сопротивления от температуры t вводится величина a, называемая температурным коэффициентом сопротивления. Отсюда

Для практических расчетов в электрических цепях величину R можно принимать постоянной. В этом случае зависимость напряжения на сопротивлении R от силы тока (вольт-амперная характеристика) будет называться линейной. Электрические цепи, в которые включены постоянные по величине сопротивления, также будут линейными.

Основные различия между ЭДС и напряжением

1. Основное различие между ЭДС и напряжением заключается в том, что первое представляет собой напряжение внутри каждого электрического источника, а второе — разность потенциалов между двумя заданными точками.
2. Интенсивность ЭДС постоянно поддерживается. Интенсивность заряда напряжения может колебаться. Таким образом, напряжение не имеет постоянной интенсивности.
3. Третье различие между ними может быть обозначено с точки зрения инструмента измерения, используемого для каждого из них. ЭДС измеряется с помощью измерителя ЭДС, а напряжение измеряется вольтметром.
4. Источники каждого из них также предлагают другое отличие. Источники ЭМП включают динамо-машины, электромагнитные элементы, солнечные элементы и т. Д. Напряжение создается электрическими и магнитными полями.
5. Еще одно заметное различие между ЭДС и напряжением заключается в силовой работе. ЭДС — это операция кулоновской силы, а напряжение — некулоновская операция.
6. В то время как ЭДС можно измерить между двумя клеммами, когда через элемент не течет ток, можно измерить напряжение между любыми заданными двумя точками. Это существенная разница между ЭДС и напряжением.
7. Еще одно интересное отличие — их причинно-следственная связь. ЭДС является причиной напряжения, а напряжение является побочным продуктом ЭДС.