Коротко
Электродвижущая сила (ЭДС) — это энергетическая характеристика источника тока, показывающая, какую работу совершают сторонние силы (неэлектрического происхождения) по перемещению единичного положительного заряда внутри источника, чтобы поддерживать постоянный электрический ток в цепи. Именно ЭДС заставляет заряды двигаться и создавать ток.
Определение
Электродвижущая сила (ЭДС) — это физическая величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению единичного положительного электрического заряда вдоль замкнутого контура цепи к величине этого заряда. ЭДС обеспечивает разделение зарядов в источнике тока и поддержание разности потенциалов на его полюсах.
Формула
ЭДС = A_сторонних / q
- ЭДС — электродвижущая сила
- A_сторонних — работа сторонних сил
- q — величина электрического заряда
Единицы измерения: вольт (В)
Как возникает ЭДС?
ЭДС возникает благодаря работе так называемых «сторонних» сил. Это любые силы неэлектрического происхождения, которые способны разделять электрические заряды и перемещать их против действия электрического поля. Например, в батарейке это химические реакции, в генераторе — механическая энергия, превращающаяся в электрическую. Эти силы создают и поддерживают разность потенциалов на клеммах источника тока, что, в свою очередь, приводит к движению зарядов по внешней цепи.
Чем ЭДС отличается от напряжения?
Напряжение (или разность потенциалов) — это работа электрического поля по перемещению единичного заряда на участке цепи. ЭДС же — это работа сторонних сил по перемещению заряда по всей замкнутой цепи, включая внутреннее сопротивление источника. Если внешняя цепь разомкнута (нет тока), напряжение на клеммах источника равно его ЭДС. При замкнутой цепи и протекании тока напряжение на внешнем участке всегда меньше ЭДС из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника.
Что такое сторонние силы?
Сторонние силы — это силы неэлектрического происхождения, которые действуют на свободные носители заряда внутри источника тока и вызывают их упорядоченное движение. Эти силы могут быть химическими (в гальванических элементах), механическими (в генераторах), тепловыми (в термоэлементах), световыми (в фотоэлементах). Главное их свойство — они способны совершать работу против электрического поля, накапливая энергию в виде разделенных зарядов.
Где ЭДС проявляется?
ЭДС проявляется в любом источнике электрического тока. Будь то обычная пальчиковая батарейка, автомобильный аккумулятор, солнечная батарея на крыше дома или мощный электрический генератор на электростанции. Везде, где происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую, там действует электродвижущая сила, обеспечивающая поддержание электрического тока в цепи.
Как найти и применять
- Определите, какой источник тока рассматривается (батарейка, генератор и т.д.).
- Найдите, какая энергия преобразуется в электрическую (химическая, механическая, тепловая).
- Установите, где в цепи находятся сторонние силы, совершающие работу.
- Измерьте или рассчитайте работу сторонних сил по перемещению заряда.
- Разделите полученную работу на величину перемещенного заряда, чтобы найти ЭДС.
- Если цепь замкнута, учтите внутреннее сопротивление источника и падение напряжения на нём.
Разбор задач
Задача 1
Источник тока с ЭДС 6 В сообщает заряду 2 Кл энергию для движения по цепи. Какую работу совершили сторонние силы?
Дано: ЭДС = 6 В, q = 2 Кл. Формула для ЭДС: ЭДС = A_сторонних / q. Из этой формулы выражаем работу сторонних сил: A_сторонних = ЭДС * q. Подставляем значения: A_сторонних = 6 В * 2 Кл = 12 Дж.
Ответ: Сторонние силы совершили работу 12 Джоулей.
Задача 2
При протекании заряда 3 Кл через генератор сторонние силы совершили работу 27 Дж. Чему равна ЭДС генератора?
Дано: A_сторонних = 27 Дж, q = 3 Кл. Формула для ЭДС: ЭДС = A_сторонних / q. Подставляем значения: ЭДС = 27 Дж / 3 Кл = 9 В.
Ответ: ЭДС генератора равна 9 Вольт.
Где это встречается
- Батарейки и аккумуляторы — Химические реакции внутри них создают ЭДС, разделяя заряды и обеспечивая ток для питания устройств.
- Электрические генераторы (на электростанциях, в автомобилях) — Механическая энергия (вращение турбин или двигателя) преобразуется в электрическую, создавая ЭДС за счет движения проводников в магнитном поле.
- Солнечные батареи — Световая энергия вызывает фотоэффект, порождая ЭДС, которая затем приводит к появлению электрического тока.
- Термопары — Разница температур на стыке двух разных металлов вызывает термоэлектрический эффект, создавая малую ЭДС, используемую для измерения температуры.
Типичные ошибки
| Неверно | Верно | Почему |
|---|---|---|
| ЭДС — это то же самое, что и напряжение в цепи. | ЭДС — это работа сторонних сил по перемещению заряда по всей цепи, а напряжение — это работа электрического поля по перемещению заряда на конкретном участке цепи. | Оба понятия измеряются в вольтах и связаны с работой по перемещению заряда, но ЭДС является характеристикой источника тока, а напряжение — участка цепи. |
| ЭДС — это сила, которая толкает электроны. | ЭДС — это энергетическая характеристика, равная работе сторонних сил на единичный заряд, а не сила в механическом смысле. | Слово «сила» в названии может ввести в заблуждение, но ЭДС измеряется в вольтах (Джоулях на Кулон), а не в Ньютонах. |
| ЭДС всегда равна напряжению на клеммах источника. | ЭДС равна напряжению на клеммах только при разомкнутой внешней цепи (холостом ходе). При протекании тока напряжение на клеммах всегда меньше ЭДС из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. | Не учитывается внутреннее сопротивление реальных источников тока, на котором теряется часть энергии, создаваемой сторонними силами. |
Не путать
- Напряжение (разность потенциалов) — ЭДС характеризует источник тока и работу сторонних сил по всей цепи, включая внутреннюю часть источника. Напряжение — это работа электрического поля на внешнем участке цепи (или любом другом участке).
- Сила тока — ЭДС — это «причина» тока (она вызывает движение зарядов), измеряется в вольтах. Сила тока — это «следствие», количество заряда, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени, измеряется в амперах.
- Электрическое поле — Электрическое поле создается зарядами и оказывает на них силу. Сторонние силы в источнике тока действуют против электрического поля, перемещая заряды и создавая ЭДС.
Откуда взялось понятие
Понятие электродвижущей силы было введено в начале XIX века, когда исследовались явления гальванизма. Итальянский физик Алессандро Вольта, изобретатель первой батареи, описывал эту «силу» как способность источника создавать и поддерживать электрический ток.
Как запомнить
ЭДС — это «сердце» источника тока, которое качает энергию для движения зарядов по всей цепи.
Проверь себя
4 задания-
Что такое ЭДС источника тока?
Ответ
ЭДС — это работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи. -
В каких единицах измеряется ЭДС?
Ответ
ЭДС измеряется в вольтах (В). -
Будет ли напряжение на клеммах батарейки равно ее ЭДС, если к ней подключена лампочка?
Ответ
Нет, напряжение на клеммах будет меньше ЭДС из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении батарейки. -
Какую работу совершают сторонние силы в источнике с ЭДС 12 В при прохождении заряда 5 Кл?
Ответ
Работа составит 60 Дж (A = ЭДС * q = 12 В * 5 Кл = 60 Дж).
Частые вопросы
Почему ЭДС называется «силой», если измеряется в вольтах?
Исторически термин «электродвижущая сила» был введен в то время, когда понимание электрических явлений было менее полным. Хотя это и не сила в механическом смысле (измеряемая в Ньютонах), название прижилось. По сути, ЭДС — это энергетическая характеристика, показывающая, сколько энергии (работы) приходится на единицу заряда.
Можно ли измерить ЭДС без использования внешнего вольтметра?
Измерить ЭДС можно, подключив вольтметр к клеммам источника тока при разомкнутой внешней цепи (то есть, когда к источнику ничего не подключено). В таком случае вольтметр покажет ЭДС, так как ток через его очень большое внутреннее сопротивление практически не идет, и падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника не происходит.
Как ЭДС связана с законом Ома для полной цепи?
Закон Ома для полной цепи устанавливает связь между ЭДС, силой тока и полным сопротивлением цепи (внешним и внутренним). Он выражается формулой: I = ЭДС / (R + r), где I — сила тока, R — внешнее сопротивление, r — внутреннее сопротивление источника. ЭДС здесь выступает как «движущая» причина тока.
Почему реальные источники тока имеют внутреннее сопротивление?
Внутреннее сопротивление возникает из-за свойств материалов, из которых изготовлен источник тока (электролит, электроды, полупроводниковые переходы). При прохождении тока через эти материалы часть энергии, производимой сторонними силами, рассеивается в виде тепла внутри самого источника, что и проявляется как падение напряжения на внутреннем сопротивлении.
Спросить про это понятие
Электродвижущая сила
Где это изучается
5 параграфовОдна и та же тема разложена по разным учебникам — можно сравнить формулировки и выбрать более понятную.
Понятия рядом
Их разбирают в тех же параграфах, что и это понятие.