Ce s-a întâmplat EMF(forța electromotoare) în fizică? Nu toată lumea înțelege curentul electric. La fel ca distanța cosmică, doar chiar sub nasul tău. În general, nici măcar oamenii de știință nu o înțeleg pe deplin. Este suficient să ne amintim celebrele sale experimente, cu secole înaintea timpului lor și rămânând chiar și astăzi într-o aură de mister. Astăzi nu rezolvăm mari mistere, dar încercăm să ne dăm seama ce este EMF în fizică.
Definiția EMF în fizică
EMF– forta electromotoare. Notat prin scrisoare E sau mici Literă greacă epsilon.
Forța electromotoare- mărime fizică scalară care caracterizează munca forțelor externe ( forţe de origine neelectrică), care funcționează în circuite electrice de curent alternativ și continuu.
EMF, precum și Voltaj e, măsurată în volți. Cu toate acestea, EMF și tensiunea sunt fenomene diferite.
Voltaj(între punctele A și B) – o mărime fizică egală cu munca efectivului câmp electric efectuat la transferul unei singure sarcini de testare dintr-un punct în altul.
Explicăm esența EMF „pe degete”
Pentru a înțelege ce este ce, putem da un exemplu-analogie. Să ne imaginăm că avem un turn de apă plin complet cu apă. Să comparăm acest turn cu o baterie.
Apa exercită presiune maximă pe fundul turnului atunci când turnul este complet umplut. În consecință, cu cât este mai puțină apă în turn, cu atât presiunea și presiunea apei care curge de la robinet sunt mai slabe. Dacă deschideți robinetul, apa va curge treptat, mai întâi sub presiune puternică, apoi din ce în ce mai încet până când presiunea va slăbi complet. Aici, tensiunea este presiunea pe care apa o exercită pe fund. Să luăm partea de jos a turnului drept nivelul de tensiune zero.
La fel e si cu bateria. În primul rând, conectăm sursa noastră de curent (bateria) la circuit, închizând-o. Să fie un ceas sau o lanternă. Atâta timp cât nivelul de tensiune este suficient și bateria nu este descărcată, lanterna strălucește puternic, apoi se stinge treptat până se stinge complet.
Dar cum să vă asigurați că presiunea nu se usucă? Cu alte cuvinte, cum să mențineți un nivel constant al apei în turn și o diferență constantă de potențial la polii sursei de curent. Urmând exemplul turnului, EMF este reprezentat ca o pompă care asigură afluxul de apă nouă în turn.
Natura EMF
Motivul apariției EMF în diferite surse de curent este diferit. Pe baza naturii apariției, se disting următoarele tipuri:
- EMF chimică. Apare în baterii și acumulatori din cauza reacțiilor chimice.
- Thermo EMF. Apare atunci când sunt conectate contacte ale conductorilor diferiți situati la temperaturi diferite.
- FEM de inducție. Apare într-un generator atunci când un conductor rotativ este plasat într-un câmp magnetic. EMF va fi indusă în conductor atunci când conductorul traversează liniile electrice permanent câmp magnetic sau când câmpul magnetic se modifică în magnitudine.
- EMF fotoelectrică. Apariția acestui EMF este facilitată de fenomenul de efect fotoelectric extern sau intern.
- EMF piezoelectrică. EMF apare atunci când substanțele sunt întinse sau comprimate.
Dragi prieteni, astăzi ne-am uitat la subiectul „EMF pentru manechine”. După cum putem vedea, EMF - forță neelectrică, care susține fluxul curent electricîn lanț. Dacă doriți să aflați cum sunt rezolvate problemele cu EMF, vă sfătuim să contactați specialiști atent selecționați și dovediți, care vă vor explica rapid și clar procesul de rezolvare a oricărei probleme tematice. Și prin tradiție, la final vă invităm să urmăriți un videoclip de antrenament. Vizionare plăcută și succes la studii!
Forța electromotoare, cunoscută în mod popular ca EMF, precum și tensiunea, se măsoară în volți, dar este de o natură complet diferită.
EMF din punct de vedere hidraulic
Cred că ești deja familiarizat cu turnul de apă din articolul anterior despre
Să presupunem că turnul este complet umplut cu apă. Am făcut o gaură în partea de jos a turnului și am introdus o țeavă prin care apa curge spre casa ta.
Vecina a vrut să ude castraveții, ai decis să speli mașina, mama ta a început să spele rufele și voila! Debitul de apă a devenit din ce în ce mai mic, iar în curând s-a uscat complet... Ce s-a întâmplat? Apa din turn s-a terminat...
Timpul necesar pentru a goli turnul depinde de capacitatea turnului în sine, precum și de câți clienți vor folosi apa.
Același lucru se poate spune despre condensatorul elementului radio:
Să presupunem că l-am încărcat de la o baterie de 1,5 volți și a acceptat încărcarea. Să desenăm un condensator încărcat astfel:
Dar de îndată ce atașăm o sarcină la ea (să fie încărcătura un LED) prin închiderea tastei S, în primele fracțiuni de secunde LED-ul va străluci puternic, apoi se va estompa în liniște... și până când se stinge complet . Timpul de dezintegrare al LED-ului va depinde de capacitatea condensatorului, precum și de sarcina pe care o conectăm la condensatorul încărcat.
După cum am spus, acest lucru este echivalent cu un simplu turn umplut și cu consumatorii care folosesc apa.
Dar de ce atunci turnurile noastre nu rămân niciodată fără apă? Da pentru ca functioneaza pompa de alimentare cu apa! De unde ia apa aceasta pompa? Dintr-un puț care este forat pentru producție ape subterane. Uneori este numit și artezian.
De îndată ce turnul este complet umplut cu apă, pompa se oprește. În turnurile noastre de apă, pompa menține întotdeauna nivelul maxim al apei.
Deci, să ne amintim ce este tensiunea? Prin analogie cu hidraulica, acesta este nivelul apei din turnul de apă. Un turn plin înseamnă nivelul maxim al apei, ceea ce înseamnă tensiune maximă. Nu există apă în turn - tensiunea este zero.
EMF de curent electric
După cum vă amintiți din articolele anterioare, moleculele de apă sunt „electroni”. Pentru ca curentul electric să apară, electronii trebuie să se miște într-o direcție. Dar pentru ca ei să se miște într-o direcție, trebuie să existe tensiune și un fel de sarcină. Adică, apa din turn este tensiune, iar oamenii care risipesc apa pentru nevoile lor sunt o sarcină, deoarece creează un flux de apă dintr-o conductă care se află la poalele turnului de apă. Iar fluxul nu este altceva decât puterea curentului.
De asemenea, trebuie îndeplinită condiția ca apa să fie întotdeauna la nivelul maxim, indiferent de câte persoane o folosesc pentru nevoile lor în același timp, altfel turnul se va goli. Pentru un turn de apă, acest salvator este o pompă de apă. Dar curentul electric?
Pentru ca curentul electric să circule, trebuie să existe o anumită forță care împinge electronii într-o direcție pentru o perioadă lungă de timp. Adică această forță trebuie să miște electronii! Forță electromotoare! Da, așa este! FORTA ELECTROMATIVA! Îl putem numi prescurtat EMF - E lectro D văzând CU nămol. Se măsoară în volți, ca și tensiune, și este, în general, desemnat prin literă E.
Deci, bateriile noastre au și o astfel de „pompă”? Există și mai corect ar fi să o numim „pompă de alimentare cu electroni”). Dar, desigur, nimeni nu spune asta. Ei spun simplu - EMF. Mă întreb unde este ascunsă această pompă în baterie? Aceasta este pur și simplu o reacție electrochimică, datorită căreia „nivelul apei” din baterie este menținut, dar apoi, cu toate acestea, această pompă se uzează și tensiunea din baterie începe să scadă, deoarece „pompa” nu are timp să pompa apa. În cele din urmă, se strică complet și tensiunea bateriei scade aproape la zero.
Sursă EMF reală
Sursa de energie electrică este o sursă de EMF cu rezistență internă R ext. Ar putea fi oricare elemente chimice sursă de alimentare, cum ar fi baterii și acumulatori
Lor structura internă din punctul de vedere al EMF arată cam așa:
Unde E este EMF și R int- Asta rezistență internă baterii
Deci, ce concluzii se pot trage din asta?
Dacă la baterie nu este conectată nicio sarcină, cum ar fi o lampă incandescentă etc., atunci, ca rezultat, curentul într-un astfel de circuit va fi zero. O diagramă simplificată ar fi astfel:
Dar dacă totuși conectăm un bec incandescent la baterie, atunci circuitul nostru se va închide și curentul va curge în circuit:
Dacă desenați un grafic al dependenței puterii circuitului de curent de tensiunea bateriei, va arăta astfel:
Care este concluzia? Pentru a măsura EMF-ul unei baterii, trebuie doar să luăm un multimetru bun cu o rezistență mare de intrare și să măsurăm tensiunea la bornele bateriei.
Sursa EMF ideală
Să presupunem că bateria noastră are rezistență internă zero, apoi se dovedește că R în = 0.
Nu este greu de ghicit că, în acest caz, căderea de tensiune pe rezistența zero va fi, de asemenea, zero. Drept urmare, graficul nostru va arăta astfel:
Ca rezultat, pur și simplu am obținut o sursă EMF. Prin urmare, o sursă EMF este o sursă de energie ideală în care tensiunea la bornele nu depinde de curentul din circuit. Adică, indiferent de sarcina pe care o atașăm unei astfel de surse EMF, aceasta va produce în continuare tensiunea necesară fără scădere. Sursa EMF în sine este desemnată astfel:
În practică, nu există o sursă ideală de EMF.
Tipuri de EMF
– electrochimic(EMF al bateriilor și acumulatorilor)
– efect fotoelectric(primind curent electric de la energie solară)
– inducţie(generatoare care folosesc principiul inducție electromagnetică)
– Efect Seebeck sau termoEMF(apariția curentului electric într-un circuit închis format din conductori diferiți conectați în serie, contactele dintre care sunt la temperaturi diferite)
– piezoEMF(primind EMF de la)
În această lecție vom arunca o privire mai atentă asupra mecanismului de furnizare a curentului electric pe termen lung. Să introducem conceptele de „sursă de putere”, „forțe externe”, să descriem principiul funcționării lor și, de asemenea, să introducem conceptul de forță electromotoare.
Tema: Legile curentului continuu
Lecția: Forța electromotoare
Într-unul dintre subiectele anterioare (condiții de existență a curentului electric), a fost deja atinsă problema necesității unei surse de energie pentru a menține existența curentului electric pentru o lungă perioadă de timp. Curentul în sine, desigur, poate fi obținut fără astfel de surse de energie. De exemplu, un condensator se descarcă atunci când camera clipește. Dar un astfel de curent va fi prea trecător (Fig. 1).
Orez. 1. Curent de scurtă durată în timpul descărcării reciproce a două electroscoape încărcate opus ()
Forțele Coulomb se străduiesc întotdeauna să aducă împreună sarcini opuse, egalând astfel potențialele de-a lungul întregului circuit. Și, după cum știți, pentru prezența unui câmp și a unui curent, este necesară o diferență de potențial. Prin urmare, este imposibil să se facă fără alte forțe care separă sarcinile și mențin diferența de potențial.
Definiţie. Forțele terțe sunt forțe de origine neelectrică care vizează diluarea sarcinilor.
Aceste forțe pot fi de natură diferită în funcție de tipul sursei. În baterii sunt de origine chimică, în generatoarele electrice sunt de origine magnetică. Ele asigură existența curentului, deoarece munca forțelor electrice într-un circuit închis este întotdeauna zero.
A doua sarcină a surselor de energie, pe lângă menținerea diferenței de potențial, este de a completa pierderile de energie din cauza ciocnirilor electronilor cu alte particule, în urma cărora primele pierd energie cinetică, iar energia internă a conductorului crește.
Forțele străine din interiorul sursei lucrează împotriva forțelor electrice, răspândind sarcinile în direcții opuse cursului lor natural (pe măsură ce se mișcă în circuitul extern) (Fig. 2).
Orez. 2. Schema de acțiune a forțelor terțe
Un analog al acțiunii unei surse de energie poate fi considerat o pompă de apă, care eliberează apă împotriva curgerii sale naturale (de jos în sus, în apartamente). Înapoi la apă natural sub influența gravitației coboară, dar pentru funcționarea continuă a alimentării cu apă a apartamentului, este necesară funcționarea continuă a pompei.
Definiţie. Forța electromotoare este raportul dintre munca forțelor externe pentru a muta o sarcină și mărimea acestei sarcini. Denumire -:
Unitate:
Introduce. EMF de circuit deschis și închis
Luați în considerare următorul circuit (Fig. 3):
Orez. 3.
Cu comutatorul deschis și un voltmetru ideal (rezistența este infinit de mare), nu va exista curent în circuit și se va lucra numai la separarea sarcinilor în interiorul celulei galvanice. În acest caz, voltmetrul va afișa valoarea EMF.
Când cheia este închisă, curentul va curge prin circuit, iar voltmetrul nu va mai afișa valoarea EMF, va afișa valoarea tensiunii, la fel ca la capetele rezistenței. Cu o buclă închisă:
Aici: - tensiune pe circuitul extern (pe firele de sarcină și alimentare); - tensiune în interiorul celulei galvanice.
În lecția următoare vom studia legea lui Ohm pentru un circuit complet.
Referințe
- Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizica ( nivel de bază) - M.: Mnemosyne, 2012.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a X-a. - M.: Ilexa, 2005.
- Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizică. Electrodinamică. - M.: 2010.
- ens.tpu.ru ().
- physbook.ru ().
- electrodinamică.narod.ru ().
Teme pentru acasă
- Ce sunt forțele externe, care este natura lor?
- Cum este tensiunea de la polii deschisi ai unei surse de curent legate de EMF-ul acesteia?
- Cum se transformă și se transferă energia într-un circuit închis?
- *Emf-ul bateriei unei lanterne este de 4,5 V. Va arde un bec proiectat pentru 4,5 V la intensitate maximă de la această baterie? De ce?
Forța electromotoare (EMF)- într-un dispozitiv care efectuează separarea forțată a sarcinilor pozitive și negative (generator), valoarea, numeric egal cu diferenta potențialele dintre bornele generatorului în absența curentului în circuitul său, măsurate în Volți.
Surse de energie electromagnetică (generatoare)- dispozitive care convertesc energia de orice tip neelectric în energie electrică. Astfel de surse, de exemplu, sunt:
generatoare la centralele electrice (termice, eoliene, nucleare, hidrocentrale), transformarea energie mecanică la electrice;
celule galvanice(baterii) și acumulatori de toate tipurile care transformă energia chimică în energie electrică etc.
EMF este numeric egal cu munca efectuată de forțele externe atunci când se deplasează o unitate sarcina pozitivaîn interiorul sursei sau a sursei în sine, conducând o singură sarcină pozitivă într-un circuit închis.
Forța electromotoare EMF E este o mărime scalară care caracterizează capacitatea unui câmp extern și a unui câmp electric indus de a provoca un curent electric. EMF E este numeric egal cu munca (energia) W în jouli (J) consumată de acest câmp pentru a muta o unitate de sarcină (1 C) dintr-un punct al câmpului în altul.
Unitate Măsurători EMF este volt (V). Astfel, fem este egală cu 1 V dacă, la deplasarea unei sarcini de 1 C de-a lungul unui circuit închis, se efectuează un lucru de 1 J: [E] = I J/1 C = 1 V.
Mișcarea sarcinilor într-o zonă este însoțită de consumul de energie.
Valoarea egală numeric cu munca pe care o face sursa prin conducerea unei singure sarcini pozitive printr-o secțiune dată a circuitului se numește tensiune U. Deoarece circuitul este format din secțiuni externe și interne, conceptele de tensiuni în Uvsh extern și Uvt intern se disting secțiuni.
Din cele spuse este evident că FEM a sursei este egală cu suma tensiunilor de pe secțiunile U externe și U interne ale circuitului:
E = Uin + Uin.
Această formulă exprimă legea conservării energiei pentru un circuit electric.
Măsurați tensiunea la diverse zone circuitul este posibil numai cu un circuit închis. EMF se măsoară între bornele sursei cu un circuit deschis.
Direcția EMF este direcția mișcării forțate a sarcinilor pozitive în interiorul generatorului de la minus la plus sub influența unei alte naturi decât electrice.
Rezistența internă a unui generator este rezistența elementelor structurale din interiorul acestuia.
Sursa EMF ideală- un generator a cărui valoare este zero, iar tensiunea la bornele sale nu depinde de sarcină. Puterea unei surse EMF ideale este infinită.
Imagine convențională (schemă electrică) a unui generator EMF ideal de magnitudine E prezentată în fig. 1, a.
O sursă EMF reală, spre deosebire de una ideală, conține o rezistență internă Ri și tensiunea acesteia depinde de sarcină (Fig. 1, b), iar puterea sursei este finită. Circuitul electric al unui generator EMF real este o conexiune în serie a unui generator EMF ideal E și rezistența sa internă Ri.
În practică, pentru a aduce modul de funcționare al unui generator EMF real mai aproape de modul de funcționare al unuia ideal, ei încearcă să facă cât mai mică rezistența internă a generatorului real Ri, iar rezistența de sarcină Rн trebuie conectată. cu o valoare de cel puțin 10 ori mai mare decât rezistența internă a generatorului , adică trebuie îndeplinită următoarea condiție: Rn >> Ri
Pentru ca tensiunea de ieșire a unui generator EMF real să fie independentă de sarcină, acesta este stabilizat folosind circuite electronice speciale de stabilizare a tensiunii.
Deoarece rezistența internă a unui generator EMF real nu poate fi redusă la infinit, este redusă la minimum și standardizată pentru posibilitatea de conectare coordonată a consumatorilor de energie la acesta. În inginerie radio, rezistența standard de ieșire a generatoarelor EMF este de 50 ohmi (standard industrial) și 75 ohmi (standard de uz casnic).
De exemplu, toate receptoarele de televiziune au o impedanță de intrare de 75 Ohmi și sunt conectate la antene cu un cablu coaxial de exact această impedanță.
Pentru a vă apropia de generatoarele EMF ideale, sursele de tensiune de alimentare utilizate în toate echipamentele radio-electronice industriale și de uz casnic sunt realizate folosind circuite electronice speciale de stabilizare a tensiunii de ieșire, care fac posibilă menținerea unei tensiuni de ieșire aproape constantă a sursei de alimentare într-un interval dat. a curenților consumați de la sursa EMF (uneori numită sursă de tensiune).
Pe scheme electrice sursele de EMF sunt descrise după cum urmează: E - sursa de EMF constantă, e(t) - sursa de EMF armonică (variabilă) sub forma unei funcții de timp.
Forța electromotoare E a unei baterii de elemente identice conectate în serie este egală cu forța electromotoare a unui element E înmulțită cu numărul n de elemente ale bateriei: E = nE.
Pentru a menține un curent electric într-un conductor pentru o perioadă lungă de timp, este necesar ca sarcinile furnizate de curent să fie în mod constant îndepărtate de la capătul conductorului, care are un potențial mai mic (se consideră că purtătorii de curent sunt presupuși a fi sarcini pozitive) , în timp ce sarcinile sunt furnizate în mod constant până la capăt cu un potențial mai mare. Adică este necesar să se asigure circulația taxelor. În acest ciclu, încărcăturile trebuie să se deplaseze pe o cale închisă. Mișcarea purtătorilor de curent se realizează folosind forțe de origine neelectrostatică. Astfel de forțe se numesc terți. Se pare că pentru a menține curentul, sunt necesare forțe externe care acționează pe toată lungimea circuitului sau în secțiuni individuale ale circuitului.
Definiția și formula EMF
Definiţie
Se numește o mărime fizică scalară care este egală cu munca forțelor externe pentru a deplasa o unitate de sarcină pozitivă forță electromotoare (EMF), care acționează într-un circuit sau secțiune a unui circuit. EMF este indicată. Matematic, scriem definiția EMF ca:
unde A este munca efectuată de forțele externe, q este sarcina asupra căreia este efectuată munca.
Forța electromotoare a sursei este numeric egală cu diferența de potențial de la capetele elementului dacă acesta este deschis, ceea ce face posibilă măsurarea EMF prin tensiune.
EMF care acționează într-un circuit închis poate fi definit ca circulația vectorului de tensiune al forțelor externe:
unde este intensitatea câmpului forțelor externe. Dacă intensitatea câmpului forțelor externe nu este zero doar într-o parte a circuitului, de exemplu, pe segmentul 1-2, atunci integrarea în expresia (2) poate fi efectuată numai în această secțiune. În consecință, EMF care acționează asupra secțiunii circuitului 1-2 este definită ca:
Formula (2) oferă cel mai mult definiție generală EMF, care poate fi folosit pentru orice ocazie.
Legea lui Ohm pentru o secțiune arbitrară a unui circuit
Secțiunea lanțului pe care acționează forțele externe se numește eterogen. Îndeplinește următoarea egalitate:
unde U 12 =IR 21 – căderea de tensiune (sau tensiune) în secțiunea circuitului 1-2 (I-curent);
– diferența de potențial dintre capetele secțiunii;
– forța electromotoare conținută într-o secțiune a circuitului.
egală cu suma algebrică a emf a tuturor surselor care sunt situate într-o zonă dată.
Trebuie luat în considerare faptul că EMF poate fi pozitivă și negativă. EMF se numește pozitiv dacă crește potențialul în direcția curentului (curentul trece de la minus la plus al sursei).
Unități de măsură
Dimensiunea CEM coincide cu dimensiunea potențialului. Unitatea de măsură de bază a EMF în sistemul SI este: =V Exemple de rezolvare a problemelor
Exemplu Exercita.
Forța electromotoare a elementului este de 10 V. Se creează un curent în circuit egal cu 0,4 A. Care este munca efectuată de forțele externe în 1 minut?
Soluţie.
Ca bază pentru rezolvarea problemei, folosim formula pentru calcularea EMF:
Încărcarea care trece prin circuitul în cauză în 1 minut. poate fi găsit ca: Exprimăm munca din (1.1), utilizăm (1.2) pentru a calcula taxa, obținem:
Unități de măsură
Dimensiunea CEM coincide cu dimensiunea potențialului. Unitatea de măsură de bază a EMF în sistemul SI este: =V Să convertim timpul dat în condițiile problemei în secunde (min=60 s) și să efectuăm calculele: