ЕРС, різниця потенціалів та напруга — що це і в чому різниця

У матеріалах з електротехніки та електроніки часто можна зустріти три фізичні величини, що мають одну й ту саму одиницю виміру — Вольт: різницю електричних потенціалів, електричну напругу та ЕРС — електрорушійну силу.

Щоб раз і назавжди позбутися плутанини в термінах, давайте розберемося, у чому полягають різницю між цими трьома поняттями. Для цього докладно розглянемо кожну окремо.

Різниця електричних потенціалів

На сьогоднішній день фізикам відомо, що джерелами електричних полів є електричні заряди або магнітні поля, що змінюються. Коли ж ми розглядаємо певні точки А і В електростатичному полі відомої напруженості E, то можемо тут же говорити і про різниці електростатичних потенціалів між двома даними точками в поточний момент часу.

Ця різниця потенціалів знаходиться як інтеграл електричної напруженості між точками А і В, розташованими в даному електричному полі на певній відстані один від одного:

Практично така характеристика як потенціал відноситься до одного електричного заряду, який теоретично може бути нерухомо встановлений в дану точку електростатичного поля, і тоді величина електричного потенціалу для цього заряду q дорівнюватиме відношенню потенційної енергії W (взаємодії даного заряду з даним полем) до величини цього заряду :

Звідси випливає, що різницю потенціалів виявляється чисельно дорівнює відношенню роботи A (робота по суті - зміна потенційної енергії заряду), що здійснюється даним електростатичним полем при перенесенні заряду, що розглядається q з точки поля 1 в точку поля 2, до величини даного пробного заряду q:

У цьому полягає практичний сенс терміна «різницю потенціалів», стосовно електротехніки, електроніці, і взагалі — до електричним явищам.

І якщо ми говоримо про якийсь електричний ланцюг, то можемо судити і про різність потенціалів між двома точками такого ланцюга, якщо в ньому в даний момент діє електростатичне поле, причому саме тому, що точки ланцюга, що розглядаються, будуть знаходитися одночасно і в електростатичному полі певної напруги.

Як було зазначено вище, різниця електричних потенціалів вимірюється у вольтах (1 вольт = 1 Дж/1Кл).

Електростатичне поле - Електричне поле, створюване нерухомими електричними зарядами. Для того щоб електричні заряди були нерухомі, на них не повинні діяти сили в тих місцях, де ці заряди могли б рухатися. Але всередині провідників заряди можуть вільно рухатися, тому за наявності електричного поля всередині провідників у них виник рух зарядів (електричний струм).

Отже, заряди можуть залишатися нерухомими тільки в тому випадку, якщо вони створюють таке поле, яке скрізь усередині провідників дорівнює нулю, а на поверхні провідників направлено перпендикулярно до поверхні (бо інакше заряди рухалися б уздовж поверхні).

Для цього нерухомі заряди повинні розташовуватися тільки по поверхні провідників і при цьому саме таким чином, щоб електричне поле всередині провідників дорівнювало нулю, а на поверхні перпендикулярно до неї.

Все сказане стосується випадку нерухомих зарядів. Що стосується руху зарядів, тобто. е. наявності струмів у провідниках, в них має існувати електричне поле (т. до. інакше не могли б текти струми) і, отже, заряди, що рухаються, розташовуються в провідниках, взагалі кажучи, не так, як нерухомі, і створюють електричні поля, відмінні за своєю Зміни від електростатичного поля. Але за своїми властивостями електростатичне поле нічим не відрізняється від електричного поля зарядів, що рухаються.

Електрична напруга U

Тепер розглянемо таке поняття як електрична напруга U між точками А та В в електричному полі або електричному ланцюзі. Електричним напругою називається скалярна фізична величина, чисельно рівна роботі ефективного електричного поля (включаючи і сторонні поля!), яка здійснюється при перенесенні одиничного електричного заряду з точки А в точку В.

Електрична напруга вимірюється у вольтах, як і різницю електричних потенціалів. Що стосується напругою прийнято вважати, що перенесення заряду не змінить розподілу зарядів, є джерелами ефективного електростатичного поля. І напруга в цьому випадку складатиметься з роботи електричних сил та роботи сторонніх сил.

Якщо сторонні сили відсутні, то роботу здійснить лише потенційне електричне поле , і в цьому випадку електрична напруга між точками А і В ланцюга буде чисельно точно рівно різниці потенціалів між даними точками, тобто відношенню роботи з перенесення заряду з точки А в точку В до величини заряду q:

Однак у загальному випадку напруга між точками A і B відрізняється від різниці потенціалів між цими точками на роботу сторонніх сил щодо переміщення одиничного позитивного заряду:

Цю роботу сторонніх сил якраз і називають електрорушійною силою на даній ділянці ланцюга, скорочено — ЕРС:

Електрорушійна сила - ЕРС

Електрорушійна сила — ЕРС так само, як і напруга, Міжнародна система одиниць (СІ) вимірюється у вольтах.

ЕРС є скалярною фізичною величиною, що характеризує роботу безпосередньо діючих сторонніх сил (будь-яких сил за винятком електростатичних) в ланцюгах постійного або змінного струму. Зокрема, в замкнутому провідному ланцюгу ЕРС дорівнює роботі цих сил з переміщення одиничного позитивного заряду вздовж всього контуру.

Тут за необхідності вводять на розгляд електричну напруженість сторонніх сил Еex , що є векторною фізичною величиною, що дорівнює відношенню величини, що діє на пробний електричний заряд сторонньої сили до величини даного заряду. Тоді в замкнутому контурі L ЕРС дорівнюватиме:

Можна говорити про електрорушійну силу на будь-якій ділянці електричного ланцюга. Це буде, по суті, питома робота сторонніх сил лише на її ділянці. ЕРС гальванічного елемента Наприклад, є ні що інше, як робота сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду тільки всередині цього гальванічного елемента, а саме - від одного його полюса до іншого.

Робота сторонніх сил може бути виражена через різницю потенціалів, оскільки сторонні сили непотенційні та його робота залежить (!) від форми траєкторії. Так, наприклад, робота сторонніх сил при переміщенні заряду між клем джерела струму за межами даного джерела дорівнює нулю.

ЕРС може бути отримана різними способами, з яких можна назвати такі:

• за допомогою джерел ЕРС, які використовують хімічні процеси (гальванічні елементи, акумулятори – хімічні джерела струму);
• за допомогою джерел ЕРС, у яких використовуються властивості магнітного поля (електричні машини – генератори);
• за допомогою джерел ЕРС, в яких теплова енергія перетворюється на електричну (термоелектричні перетворювачі);
• за допомогою джерел ЕРС, що перетворюють енергію світлового випромінювання на електричну (фотоприймачі, сонячні батареї).

Інформація, опублікована на даному веб-сайті, представлена ​​виключно для ознайомлення, за застосування цієї інформації адміністрація сайту відповідальності не несе.

У чому суть ЕРС: одиниця виміру, види та формули для розрахунку

Щоб у будь-якому середовищі (металі, розчині, іонізованому газі тощо) протікав електричний струм протягом тривалого часу, недостатньо наявності вільних носіїв заряду та електричного поля. Ще буде потрібна сила, яка розділятиме заряди в напрямку, протилежному до напрямку електричного поля.

Поняття ЕРС та одиниця виміру

Якщо є заряджений предмет і з'єднати його з електрично нейтральним (або протилежно зарядженим предметом), деякий час у ланцюзі існуватиме струм.Як тільки всі вільні електрони перейдуть від одного тіла до іншого і заряди зрівняються, струм припиниться.

Досвід із двома електроскопами

Це можна побачити на прикладі шкільного досвіду із двома електроскопами. Один із них заряджений (наприклад, позитивно), а інший заряду не має. Якщо їх з'єднати металевим стрижнем, заряди перейдуть від одного приладу до іншого. Кількість зарядів урівноважується, потенціали електроскопів стануть рівними, електричне поле припинить дію на електрони, і струм перестане текти.

Щоб струм продовжувався, треба носії зарядів з другого електроскопа перенести назад у перший. Для цього потрібна стороння сила, що діє проти спрямування електричного поля. Така сила називається ЕРС. Розшифровка цього скорочення – електрорушійна сила.

Перенесення зарядів за допомогою ЕРС

Можна провести аналогію із водою. Якщо є два басейни, один з яких знаходиться вище за інший, то вода може перетікати з верхньої водойми в нижню. Але як тільки запас води закінчиться, перетік припиниться. Щоб він продовжувався, воду з нижнього басейну треба перекачувати назад у верхній (наприклад, за допомогою насоса).

Необхідність наявності ЕРС на прикладі перетікання води

ЕРС позначається грецькою буквою ε (епсілон), а іноді E . Вимірюється ЕРС, як і напруга, у вольтах (1). Поняття електрорушійної сили не дуже вдалим – сила не вимірюється у вольтах. Але цей термін укоренився і широко застосовується.

Через схожість одиниць виміру часто відбувається плутанина ЕРС та напруги. Ці терміни регулярно підміняються. У деяких випадках справді принципової різниці немає, але загалом ці поняття різні.

У відео простими словами пояснюється чим відрізняються ЕРС та напруга

Де і як утворюється електрорушійна сила

Електрорушійна сила утворюється в джерелі живлення. Це необхідна умова існування різниці потенціалів на вихідних клемах такого джерела.

Види ЕРС

Електроруха може бути різної природи (але завжди неелектричної) Залежно від типу джерела живлення ЕРС може бути:

• фотоелектричного характеру – виникає у напівпровідникових переходах при опроміненні видимим світлом або ультрафіолетом (на цьому ефекті заснована робота сонячних батарей);
• електрохімічної природи – всім відомі гальванічні елементи та акумулятори;
• термоелектричної ЕРС – виникає при різниці температур між холодним та гарячим спаєм металів (термопари для генерації електроенергії та вимірювання температури);
• п'єзоелектричної природи (виникає при деформації деяких матеріалів) – застосовується у п'єзозапальничках;
• ЕРС електромагнітного характеру - генератори електростанцій, автомобілів тощо.

У техніці зустрічаються деякі інші види ЕРС, але рідше.

Закони та формули

Електрорушійна сила здійснює роботу з перенесення заряду, а заряд, що рухається, являє собою електричний струм/ Цей струм дорівнює I=qt, де q – заряд, перенесений полем за час t. t.

Можна визначити ЕРС як відношення роботи з перенесення заряду до величини цього заряду:

ЕРС акумуляторної батареї

ЕРС акумуляторної батареї визначається типом електрохімічних реакцій, що протікають усередині елемента.

1. Свинцево-кислотні елементи – 2,17 вольт.
2. Нікель-кадмієві батареї – 1,37 вольта.
3. Нікель-металогідридні елементи – 1,37 вольта.
4. Лужні акумулятори – 1,45 вольта.
5. Літій-іонні елементи – 4,2 вольти.

Електрорушійна сила хімічних джерел струму не залежить від розмірів та площі пластин. Щоб підвищити вихідну напругу, поодинокі акумулятори послідовно з'єднують у батареї.

Послідовно з'єднані елементи автомобільної батареї

ЕРС індукції

Основне джерело отримання електроенергії на Землі – генератори постійного та змінного струму. Їх принцип дії ґрунтується на створенні ЕРС індукції.

Якщо замкнутий контур перебуває у магнітному полі, та її пронизує магнітний потік Ф, і це потік змінюється у часі (у напрямку чи за величиною), то контурі виникає ЭРС. Її величина дорівнює:

ε=∆Ф/∆t, де Ф – магнітний потік, а t – час його зміни.

Струм у замкнутому контурі, що викликається ЕРС індукції під дією зовнішнього магнітного поля

У свою чергу магнітний потік залежить від величини магнітної індукції та площі поверхні, що охоплюється контуром. Отже, щоб збільшити ЕРС, треба посилювати магнітне поле (підвищення струму збудження), або збільшувати площу витка (при розробці або виготовленні генератора), або змусити магнітний потік змінюватися швидше (наприклад, збільшуючи швидкість обертання ротора генератора). Кожен шлях має певні технічні обмеження, тому в генераторах роблять велику кількість витків, з'єднуючи їх послідовно. При цьому електрорушійні сили всіх контурів складаються.

Статор автомобільного генератора – витки з'єднуються послідовно

Внутрішній опір джерела ЕРС

Нехай є джерело струму - наприклад, акумулятор - з напругою на розімкнених клемах (без навантаження) 12 вольт. Якщо його навантажити на опір 5 Ом, напруга на клемах впаде (наприклад, до 11,5 вольт). Якщо навантажити акумулятор на опір 1 Ом, на вихідних терміналах напруга знизиться до 9,86 вольт.

Зниження вихідної напруги акумулятора при зменшенні опору навантаження

Це явище легко пояснити, якщо запровадити поняття внутрішнього опору джерела живлення. При поділі зарядів вони рухаються до відповідних полюсів, але при цьому взаємодіють з кристалічними гратами речовини, з іонами електролітів і віддають частину своєї енергії. Рух носіїв заряду уповільнюється, струм зменшується, його обмежує внутрішній опір джерела.

Цей опір включається послідовно з навантаженням і частина вихідної напруги падає на ньому. Чим менший опір навантаження, тим більший струм, тим більше втрата напруги на внутрішньому опорі джерела.

Внутрішній опір визначається його конструкцією та типом ЕРС. Наприклад, в акумуляторі внутрішній опір залежить від електрохімічних реакцій, що протікають у джерелі струму.

Внутрішній опір у вигляді резистора всередині джерела струму

Для аналізу електричних ланцюгів внутрішній опір малюється на схемі як резистора, підключеного всередині джерела паралельно його вихідним клемам. Насправді, звичайно, ніякого резистора там немає, але це зручно для розгляду процесів, що протікають у ланцюзі.

Для наочності рекомендуємо відео-урок.

Закон Ома для повного ланцюга

Один із фундаментальних законів електротехніки – закон Ома для ділянки ланцюга.Згідно з ним, струм на ділянці ланцюга прямо пропорційний напрузі і обернено пропорційний опору.

Струм у повному ланцюзі, до якого крім навантаження входить ще й джерело, визначається величиною ЕРС, прикладеної до внутрішнього опору r і опору зовнішнього навантаження R, включеними послідовно. Загальне значення опору дорівнює r+R. Отже струм визначається співвідношенням I=ε/(R+r).

Цей вираз називається законом Ома для повного ланцюга.

Як знайти потужність ЕРС

Ідеальне джерело має нульовий внутрішній опір. У ньому напруга під навантаженням не зменшується і завжди дорівнює ЕРС. Насправді таких джерел немає.

Відповідно до закону Ома для повного ланцюга, формула ЕРС джерела виглядає як ε=I*R+I*r (у такому вигляді формулюється другий закон Кірхгофа). У цьому виразі:

• I * R = Uзовніш - напруга на зовнішньому навантаженні;
• i*r=Uвнутр – падіння напруги на внутрішньому опорі джерела.

Якщо джерело ідеальне, то r=0 і вся ЕРС прикладається до навантаження. Чим вище r і вище струм, тим менше напруги дістається споживачеві, тим менша потужність виділяється на ньому. Звідси очевидно, що зі зростанням внутрішнього опору r при рівному струмі знижується напруга на зовнішньому навантаженні.

Внутрішнє опір джерела можна розрахувати за результатами вимірювань напруги на терміналах джерела ЕРС за підсумками двох вимірів. Для цього треба скористатися законом Ома для повного кола. Так, у розглянутому прикладі, у першому випадку падіння напруги на резисторі 5 Ом становить 11,5 вольт. Тоді можна знайти струм у ланцюзі за формулою:

Струм можна не розраховувати, а заміряти. Для цього до ланцюга треба додати амперметр.

Вираз для ЕРС набуде вигляду:

Для другого виміру на опорі 1 Ом струм складе:

ε= 9,86*1+9,86*r=9,86+9,86*r.

Ліві частини рівнянь рівні, тоді можна прирівняти праві:

Шляхом нескладних обчислень виходить, що r=0,217 Ом. Якщо джерело має менший внутрішній опір, то при підключенні того ж навантаження на ній буде більша напруга. Напруга на розімкнених клемах (на холостому ходу) без струм буде приблизно дорівнює значенню величини ЕРС. Таким чином, чим менший внутрішній опір, тим більша напруга здатна видавати джерело в навантаження і тим більша потужність ЕРС.

Якщо ідеальне джерело струму замкнути накоротко, струм короткого замикання буде нескінченним, так як R = r = 0. Насправді цього немає – у реальному джерелі струм КЗ при R=0 обмежується внутрішнім опором r.

Електрорушійна сила є одним з основних понять у фізиці. Її суть і значення треба чітко усвідомлювати, інакше подальше освоєння електротехніки буде утруднено.