Напряжение в цепи равно эдс источника

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:

(2)

Логично предположить, что количество электронов, сгенерированных источником, равно количеству электронов, ушедших в цепь, тогда приравниваем (1) и (2):

(3)

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.

Источник

Чем отличается ЭДС от напряжения

В чем разница между электродвижущей силой (ЭДС) и напряжением

Напряжение — это следствие прохождения электрического тока по цепи. Оно возникает на участках с сопротивлением на пути у электрического тока. Любая материя имеет сопротивление (кроме сверхпроводников), поэтому на всем пути у электрического тока есть напряжение, которое его толкает по цепи. Где-то оно больше, где-то меньше, это зависит от сопротивления конкретного участка.

Электродвижущая сила (ЭДС) — это сила, которая перемещает заряды по замкнутой цепи.

Давайте разберем пример по аналогии с замкнутой цепью.

Подадим через трубу воду. Она будет создавать давление на стенках труб. А от чего идет это давление? От воды? Нет. Это давление является частью напора, которая двигает воду через трубу. И напор — это и есть ЭДС. Напряжение же в этом примере — это давление на стенках труб. То есть, вода сама по себе не пойдет по трубе, если не будет напора. И давление не возникнет в трубе, если не будет напора. Конечно, в этом примере не все так точно, но он помогает намного проще разобраться в сути.

Сумма всех напряжений на цепи = ЭДС. Это второй закон Кирхгофа. Электродвижущая сила — это и есть причина движения электронов по цепи.

У ЭДС сторонние силы (химические реакции, солнечная энергия, механическая работа и т.п.) выполняют работу по перемещению заряда по замкнутой цепи от своего отрицательного потенциала к положительному. Проще говоря, ЭДС — это завод по производству электрического тока.

А напряжение — это часть ЭДС на участках замкнутой цепи. Напряжение, в отличие от ЭДС, выполняет электрическую работу по перемещению зарядов по цепи. Например, при последовательном соединении оно может быть везде разным. И оно появляется из-за того, что у электронов возникают препятствия на своем пути. И чем сильнее это препятствие, тем больше полю нужно потратить энергии для перемещения заряда.

То есть, именно от электрического тока и сопротивления зависит то, какое падение напряжения (часть ЭДС) будет на нагрузке: U=RI.

А ЭДС в свою очередь — это источник всех напряжений в цепи. Без ЭДС нет и электрического тока. Как и напряжения.

Грубо говоря, ЭДС плавно размазывается по всей электрической цепи в виде напряжения, когда цепь замкнута. Когда цепь не замкнута — в ней нет напряжения. Напряжение выполняет только электрическую работу по перемещению зарядов по цепи. Но без замыкания цепи нет и напряжения.

Напряжение само по себе невозможно померить без замыкания цепи. Вы не сможете измерить вольтметром или мультиметром не замкнутый источник. Просто потому, что измерительный прибор замыкает цепь и измеряет проходящий через него ток. Этот ток перемножается с выбранным шунтом (сопротивлением) и получается измеренное напряжение.

Здесь нет никакого противоречия. Разница потенциалов источника (ЭДС) делает работу по перемещению зарядов по цепи. Эта работа распределяется по всем участкам цепи, в зависимости от сопротивлений. И только когда цепь замкнута и электроны могут идти по цепи (им есть куда идти) — возникает напряжение. Поэтому измерить напряжение без замыкания цепи невозможно. И невозможно даже в теории посчитать напряжение без замыкания цепи. Чтобы узнать напряжение, нужно знать или мощность или силу тока. Данные о силе тока или о мощности можно узнать только после замыкании цепи. пусть даже и в теории.

Практически нулевое сопротивление может быть только у сверхпроводников.

Эта путаница в понятиях часто вводит в заблуждение, такие как «Если напряжение — это следствие прохождение тока, то почему напряжение — это причина движения зарядов?». Причина прохождения электрического тока в цепи это ЭДС. Следствие прохождения тока по цепи на отельных участках — это возникновение напряжения. Напряжение всей цепи равно ЭДС.

Например, электродвижущая сила какого-нибудь аккумулятора равна 4,88 В, а напряжение на его клеммах 4,85 В. Стоит ли использовать значения электродвижущей силы, если несколько процентов вольт все равно останутся на клеммах источника?

В бытовом плане не принято использовать термин ЭДС, в этом нет особой необходимости. Но если вы рассчитываете схемы, собираете их или паяете, то сопротивление источника питания — очень важный параметр. Согласование сопротивлений влияет на всю работу схемы. И это касается не только источников питания, но и всей аналоговой и цифровой техники.

Теория относительности и напряжение

Один из них заряжен на +15В, второй на +5В, а третий — 0. Кто из них будет положительнее, а кто отрицательнее? Вся материя состоит из молекул. Молекулы в свою очередь состоят из атомов.

Третий шарик, который нейтрален (у него протоны и электроны скомпенсированы) будет отрицательным по отношению к первым двум. Потому, что относительно тех шариков, у этого шарика больше электронов. Положительные стремятся заполучить их и притягиваются к нему. А что насчет двух положительных шариков? Тот, кто менее положительный — становится отрицательным. Если вычесть значение второго шарика из остальных, то получится следующая ситуация: у первого шарика +10В, у второго 0В, а у третьего -5В.

Относительно первого шарика остальные два стали отрицательными, и разница потенциалов увеличилась. Поэтому, если два каких-либо тела оба положительно (или отрицательно) заряжены с разницей, они могут быть относительно друг друга разноименными.

Это не противоречит закону Кулона. Два положительных (или отрицательных) шарика будут отталкиваться друг от друга, когда они одинаково заряжены. То есть, если есть два шарика +5В и +5В они начнут отталкиваться, но если они будут +4В и +5В — начнут притягиваться, пока не компенсируют заряды друг друга до одного значения (+4,5 В). Относительно 0 они все так же остаются положительно заряженными телами.

Источник

Закон Ома для полной цепи

Если закон Ома для участка цепи знают почти все, то закон Ома для полной цепи вызывает затруднения у школьников и студентов. Оказывается, все до боли просто!

Идеальный источник ЭДС

Давайте вспомним, что такое ЭДС. ЭДС — это что-то такое, что создает электрический ток. Если к такому источнику напряжения подцепить любую нагрузку (хоть миллиард галогенных ламп, включенных параллельно), то он все равно будет выдавать такое же напряжение, какое-бы он выдавал, если бы мы вообще не цепляли никакую нагрузку.

Короче говоря, какая бы сила тока не проходила через цепь резистора, напряжение на концах источника ЭДС будет всегда одно и тоже. Такой источник ЭДС называют идеальным источником ЭДС.

Но как вы знаете, в нашем мире нет ничего идеального. То есть если бы в нашем аккумуляторе был идеальный источник ЭДС, тогда бы напряжение на клеммах аккумулятора никогда бы не проседало. Но оно проседает и тем больше, чем больше силы тока потребляет нагрузка. Что-то здесь не так. Но почему так происходит?

Внутреннее сопротивление источника ЭДС

Дело все в том, что в аккумуляторе «спрятано» сопротивление, которое условно говоря, цепляется последовательно с источником ЭДС аккумулятора. Называется оно внутренним сопротивлением или выходным сопротивлением. Обозначается маленькой буковкой «r «.

Выглядит все это в аккумуляторе примерно вот так:

Итак, что у нас получается в чистом виде?

Лампочка — это нагрузка, которая обладает сопротивлением. Значит, еще больше упрощаем схему и получаем:

Имеем идеальный источник ЭДС, внутреннее сопротивление r и сопротивление нагрузки R. Вспоминаем статью делитель напряжения. Там говорится, что напряжение источника ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

На резисторе R падает напряжение U_R , а на внутреннем резисторе r падает напряжение U_r .

Теперь вспоминаем статью делитель тока. Сила тока, протекающая через последовательно соединенные сопротивления везде одинакова.

Вспоминаем алгебру за 5-ый класс и записываем все то, о чем мы с вами сейчас говорили. Из закона Ома для участка цепи получаем, что

Закон Ома для полной цепи

Итак, последнее выражение носит название «закон Ома для полной цепи»

Е — ЭДС источника питания, В

R — сопротивление всех внешних элементов в цепи, Ом

r — внутреннее сопротивление источника питания, Ом

Просадка напряжения

Итак, знакомьтесь, автомобильный аккумулятор!

Для дальнейшего его использования, припаяем к нему два провода: красный на плюс, черный на минус

Наш подопечный готов к бою.

Теперь берем автомобильную лампочку-галогенку и тоже припаяем к ней два проводка с крокодилами. Я припаялся к клеммам на «ближний» свет.

Первым делом давайте замеряем напряжение на клеммах аккумулятора

12,09 вольт. Вполне нормально, так как наш аккумулятор выдает именно 12 вольт. Забегу чуток вперед и скажу, что сейчас мы замерили именно ЭДС.

Подключаем галогенную лампу к аккумулятору и снова замеряем напряжение:

Видели да? Напряжение на клеммах аккумулятора просело до 11,79 Вольт!

А давайте замеряем, сколько потребляет тока наша лампа в Амперах. Для этого составляем вот такую схемку:

Желтый мультиметр у нас будет замерять напряжение, а красный мультиметр — силу тока. Как замерять с помощью мультиметра силу тока и напряжение, можно прочитать в этой статье.

Смотрим на показания приборов:

Как мы видим, наша лампа потребляет 4,35 Ампер. Напряжение просело до 11,79 Вольт.

Давайте вместо галогенной лампы поставим простую лампочку накаливания на 12 Вольт от мотоцикла

Лампочка потребляет силу тока в 0,69 Ампер. Напряжение просело до 12 Вольт ровно.

Какие выводы можно сделать? Чем больше нагрузка потребляет силу тока, тем больше просаживается напряжение на аккумуляторе.

Как найти внутреннее сопротивление источника ЭДС

Давайте снова вернемся к этой фотографии

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе U_r тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае ЭДС=12,09 Вольт.

Как только мы подсоединили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем сопротивлении и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение U_R=11,79 Вольт, следовательно, на внутреннем сопротивлении падение напряжения составило U_r=E-U_R=12,09-11,79=0,3 Вольта. Сила тока в цепи равняется I=4,35 Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r

Вывод

Внутреннее сопротивление бывает не только у различных химических источников напряжения. Внутренним сопротивлением также обладают и различные измерительные приборы. Это в основном вольтметры и осциллографы.

Дело все в том, что если подключить нагрузку R, сопротивление у которой будет меньше или даже равно r, то у нас очень сильно просядет напряжение. Это можно увидеть, если замкнуть клеммы аккумулятора толстым медным проводом и замерять в это время напряжение на клеммах. Но я не рекомендую этого делать ни в коем случае! Поэтому, чем высокоомнее нагрузка (ну то есть чем выше сопротивление нагрузки R ), тем меньшее влияние оказывает эта нагрузка на источник электрической энергии.

Вольтметр и осциллограф при замере напряжения тоже чуть-чуть просаживают напряжение замеряемого источника напряжения, потому как являются нагрузкой с большим сопротивлением. Именно поэтому самый точный вольтметр и осциллограф имеют ну очень большое сопротивление между своими щупами.

Источник