Связь ЭДС и напряжения
В задачах на электрический ток в качестве дано или найти присутствуют напряжение и ЭДС (электродвижущая сила). Есть достаточно простая связь между этими параметрами. Введём любую цепь (рис. 1).
Рис. 1. Связь между ЭДС и напряжением
Пусть дан источник с ЭДС , напряжение во внешней цепи . Внутреннее сопротивление источника — , а сопротивление внешней цепи — . В данной системе течёт электрический ток . Тогда:
- для участка цепи (исходя из закона Ома для участка цепи):
- для полной цепи (исходя из закона Ома для полной цепи):
Логично предположить, что количество электронов, сгенерированных источником, равно количеству электронов, ушедших в цепь, тогда приравниваем (1) и (2):
Соотношение (3) — связь между ЭДС и напряжением в полной цепи постоянного тока.
В условиях идеальной цепи (внутреннее сопротивление источника равно нулю ), ЭДС численно равно напряжению.
Вывод: приведенные соотношения помогают в ряде задач, в которых даны параметры источника тока/напряжения, а необходимо найти силу тока или напряжения на каком-либо элементе цепи (резистор, катушка, лампа и т.д.), и наоборот.
Связь между ЭДС и напряжением источника. Режимы работы электрической цепи
Закон Ома позволяет установить связь между ЭДС нс- точника и напряжением на его зажимах.
Применяя закон Ома к внешнему участку цепи, заключенному между зажимами источника, находим
где U — напряжение на зажимах источника.
Подставляя (1.8) в (1.7), получаем искомую зависимость:
Величина /7?и представляет собой падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Таким образом, напряжение на зажимах источника равно его ЭДС, уменьшенной на величину падения напряжения внутри источника.
Если зажимы источника ЭДС разомкнуты, то ток в цепи отсутствует: I = 0, при этом Е= U. Такой режим работы источника называется режимом холостого хода. Следовательно, ЭДС источника равна напряжению на его зажимах, когда источник работает в режиме холостого хода, или короче: ЭДС источника Е равна напряжению холостого хода /Ухх:
Ясно, что ЭДС, как и напряжение, измеряется в вольтах и может быть замерена вольтметром, подсоединенным к зажимам источника электрической энергии, работающего в режима холостого хода.
Режим работы, при котором зажимы источника соединены между собой проводом, имеющим очень малое сопротивление (R ~ 0), называется коротким замыканием источника.
Полагая в (1.7) Rh + Rh = 0, находим
где / — ток короткого замыкания.
Внутреннее сопротивление источника ЭДС Rn обычно невелико, поэтому ток короткого замыкания может достигать больших величин и представлять опасность для элементов цепи и обслуживающего персонала. Режим короткого замыкания, как правило, является аварийным.
Основным режимом работы электрической цепи является номинальный или расчетный режим. В этом режиме генератор работает при высоком коэффициенте полезного действия, отдавая в течение длительного времени максимально допустимый рабочий ток при номинальном напряжении. Все приемники электрической энергии рассчитываются на номинальное напряжение сети. Это напряжение регламентируется государственным стандартом. Для сетей постоянного тока оно обычно устанавливается на уровне 110, 220 или 440 В. Сети электроснабжения автомобилей и тракторов обычно рассчитаны на напряжение 12 В.
Карточка № 1.5 (312)
Связь между ЭДС и напряжением источника. Режимы работы электрической цепи
ЭДС аккумулятора 12 В. При разрядном токе 10 А напряжение на зажимах 11,7 В.
Определите внутреннее сопротив- ление аккумулятора.
Когда эдс равно напряжению в цепи
Эксперт раздела «Вопрос электрику», автор статей. Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования, опыт работы более 5 лет.
Многие люди (в то числе и некоторые электрики) путают понятие электродвижущей силы (ЭДС) и напряжения. Хотя эти понятия имеют отличия. Несмотря на то, что они незначительные, не специалисту сложно в них разобраться. Не маловажную роль в этом играет единица измерения. Напряжение и ЭДС измеряются в одних единицах – Вольтах. На этом отличия не заканчиваются, подробно обо всем мы рассказали в статье!
Что такое электродвижущая сила
Под ЭДС понимается физическая величина, характеризующая работу каких-либо сторонних сил, находящихся в источниках питания постоянного или переменного тока. При этом, если имеется замкнутый контур, то можно сказать, что ЭДС равна работе сил по перемещению положительного заряда к отрицательному по замкнутой цепи. Или простыми словами, ЭДС источника тока представляет работу, необходимую для перемещения единичного заряда между полюсами.
При этом если источник тока имеющего бесконечную мощность, а внутреннее сопротивление будет отсутствовать (позиция А на рисунке), то ЭДС можно рассчитать по закону Ома для участка цепи, т.к. напряжение и электродвижущая сила в этом случае равны.
где U – напряжение, а в рассмотренном примере — ЭДС.
Однако, реальный источник питания имеет конечное внутреннее сопротивление. Поэтому такой расчет нельзя применять на практике. В этом случае для определения ЭДС пользуются формулой для полной цепи.
где E (также обозначается как «ԑ») — ЭДС; R – сопротивление нагрузки, r – внутреннее сопротивление источника электропитания, I – ток в цепи.
Однако, эта формула не учитывает сопротивление проводников цепи. При этом необходимо понимать, что внутри источника постоянного тока и во внешней цепи, ток течет в разных направлениях. Разница заключается в том, что внутри элемента он течет от минуса к плюсу, то во внешней цепи от плюса к минусу.
Это наглядно представлено на ниже приведенном рисунке:
При этом электродвижущая сила измеряется вольтметром, в случае, когда нет нагрузки, т.е. источник питания работает в режиме холостого хода.
Чтобы найти ЭДС через напряжение и сопротивление нагрузки нужно найти внутреннее сопротивление источника питания, для этого измеряют напряжение дважды при разных токах нагрузки, после чего находят внутреннее сопротивление. Ниже приведен порядок вычисления по формулам, далее R1, R2 — сопротивление нагрузки для первого и второго измерения соответственно, остальные величины аналогично, U1, U2 – напряжения источника на его зажимах под нагрузкой.
Итак, нам известен ток, тогда он равен:
Если подставить в первые уравнения, то:
Теперь разделим левые и правые части друг на друга:
После вычисления относительно сопротивления источника тока получим:
Внутреннее сопротивление r:
где U1, U2 — напряжение на зажимах источника при разном токе нагрузки, I — ток в цепи.
Тогда ЭДС равно:
E=I*(R+r) или E=U1+I1*r
Что такое напряжение
Электрическое напряжение (обозначается как U) – это физическая величина, которая отражает количественную характеристику работы электрического поля по переносу заряда из точки А в точку В. Соответственно напряжение может быть между двумя точками цепи, но в отличии от ЭДС оно может быть между двумя выводами какого-то из элементов цепи. Напомним, что ЭДС характеризует работу, выполненную сторонними силами, то есть работу самого источника тока или ЭДС по переносу заряда через всю цепь, а не на конкретном элементе.
Это определение можно выразить простым языком. Напряжение источников постоянного тока – это сила, которая перемещает свободные электроны от одного атома к другому в определенном направлении.
Для переменного тока используют следующие понятия:
- мгновенное напряжение — это разность потенциалов между точками в данный промежуток времени;
- амплитудное значение – представляет максимальную величину по модулю мгновенного значения напряжения за промежуток времени;
- среднее значение – постоянная составляющая напряжения;
- среднеквадратичное и средневыпрямленное.
Напряжение участка цепи зависит от материала проводника, сопротивления нагрузки и температуры. Так же как и электродвижущая сила измеряется в Вольтах.
Часто для понимания физического смысла напряжения, его сравнивают с водонапорной башней. Столб воды отождествляют с напряжением, а поток с током.
При этом столб воды в башне постепенно уменьшается, что характеризует понижение напряжения и уменьшения силы тока.
Так в чем же отличие
Для лучшего понимания, в чем состоит разница электродвижущей силы от напряжения, рассмотрим пример. Имеется источник электрической энергии бесконечной мощности, в котором отсутствует внутреннее сопротивление. В электрической цепи смонтирована нагрузка. В этом случае будет справедливо утверждение, что ЭДС и напряжение тождественно равны, т.е между этими понятиями отсутствует разница.
Однако, это идеальные условия, которые в реальной жизни не встречаются. Эти условия используют исключительно при расчетах. В реальной жизни учитывается внутреннее сопротивление источника питания. В этом случае ЭДС и напряжение имеют отличия.
На рисунке представлено, какая разница будет в значениях электродвижущей силы и напряжении в реальных условиях. Вышеприведенная формула закона Ома для полной цепи описывает все процессы. При разомкнутой цепи на клеммах батарейки будет значение 1,5 Вольта. Это значение ЭДС. Подключив нагрузку, в данном случае это лампочка, на ней будет напряжение 1 вольт.
Разница от идеального источника заключается в наличии внутреннего сопротивления источника питания. На этом сопротивлении и происходит падение напряжения. Эти процессы описывает закон Ома для полной цепи.
Если измерительный прибор на зажимах источника электроэнергии показывает значение 1,5 Вольта, это будет электродвижущая сила, но повторим, при условии отсутствия нагрузки.
При подключении нагрузки на клеммах будет заведомо меньшее значение. Это и есть напряжение.
Вывод
Из вышесказанного можно сделать вывод, что основная разница между ЭДС и напряжением состоит:
- Электродвижущая сила зависит от источника питания, а напряжение зависит от подключенной нагрузки и тока, протекающего по цепи.
- Электродвижущая сила это физическая величина, характеризующая работу сторонних сил неэлектрического происхождения, происходящих в цепях постоянного и переменного тока.
- Напряжение и ЭДС имеет единую единицу измерения – Вольт.
- U -величина физическая, равная работе эффективного электрического поля, производимой при переносе единичного пробного заряда из точки А в точку В.
Таким образом, кратко, если представить U в виде столба воды, то ЭДС можно представить что это насос, поддерживающий уровень воды на постоянном уровне. Надеемся, после прочтения статьи Вам стало понятно основное отличие!
Материалы по теме:
- Чем отличается трансформатор от автотрансформатора
- Разница между контактором и пускателем
- Как узнать, есть ли напряжение в розетке
Опубликовано 15.08.2019 Обновлено 15.08.2019 Пользователем Александр (администратор)
Что такое электродвижущая сила ЭДС
Электродвижущая сила (ЭДС) — в устройстве, осуществляющем принудительное разделение положительных и отрицательных зарядов (генераторе), величина, численно равная разности потенциалов между зажимами генератора при отсутствии тока в его цепи, измеряется в Вольтах.
Источники электромагнитной энергии (генераторы) — устройства, преобразующие энергию любого неэлектрического вида в электрическую. Такими источниками, например, являю тся :
- генераторы на электростанциях (тепловых, ветровых, атомных, гидростанциях), преобразующие механическую энергию в электрическую;
- гальванические элементы (батареи) и аккумуляторы всех типов, преобразующие химическую энергию в электрическую и т. п.
ЭДС численно равна работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда внутри источника или сам источник, проводя единичный положительный заряд по замкнутой цепи.
Электродвижущая сила ЭДС Е — скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрический ток. ЭДС Е численно равна работе (энергии) W в джоулях (Дж), затрачиваемой этим полем на перемещение единицы заряда (1 Кл) из одной точки поля в другую.
Единицей измерения ЭДС является вольт (В). Таким образом, ЭДС равна 1 В, если при перемещении заряда в 1 Кл по замкнутой цепи совершается работа в 1 Дж: [Е] = I Дж/1 Кл = 1 В.
Перемещение зарядов по участку электрической цепи сопровождается затратой энергии.
Величину, численно равную работе, которую совершает источник, проводя единичный положительный заряд по данному участку цепи, называют напряжением U. Так как цепь состоит из внешнего и внутреннего участков, разграничивают понятия напряжений на внешнем Uвш и внутреннем Uвт участках.
Из сказанного очевидно, что ЭДС источника равна сумме напряжений на внешнем U и внутреннем U участках цепи:
Эта формула выражает закон сохранения энергии для электрической цепи.
Измерить напряжения на различных участках цепи можно только при замкнутой цепи. ЭДС измеряют между зажимами источника при разомкнутой цепи.
Напряжение, ЭДС и падение напряжения для активного двухполюсника
Направление ЭДС — это направление принудительного движения положительных зарядов внутри генератора от минуса к плюсу под действием иной, чем электрическая, природы.
Внутреннее сопротивление генератора это сопротивление конструктивных элементов внутри него.
Идеальный источник ЭДС — генератор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение на его зажимах не зависит от нагрузки. Мощность идеального источника ЭДС бесконечна.
Условное изображение (электрическая схема) идеального генератора ЭДС величиной Е показано на рис. 1, а.
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.
Схемы источников ЭДС: а — идеального; б — реального
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 R н необходимо подключать величиной не менее чем в 10 раз большей величины внутреннего сопротивления генератора , т.е. необходимо выполнять условие: R н >> 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.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: