Про разность потенциалов, электродвижущую силу и напряжение
Известно, что одно тело можно нагреть больше, а другое меньше. Степень нагрева тела называется его температурой. Подобно этому, одно тело можно наэлектризовать больше другого. Степень электризации тела характеризует величину, называемую электрическим потенциалом или просто потенциалом тела.
Что значит наэлектризовать тело? Это значит сообщить ему электрический заряд , т. е. прибавить к нему некоторое количество электронов, если мы тело заряжаем отрицательно, или отнять их от него, если мы тело заряжаем положительно. В том и другом случае тело будет обладать определенной степенью электризации, т. е. тем или иным потенциалом, причем тело, заряженное положительно, обладает положительным потенциалом, а тело, заряженное отрицательно, — отрицательным потенциалом.
Разность уровней электрических зарядов двух тел принято называть разностью электрических потенциалов или просто разностью потенциалов .
Следует иметь в виду, что если два одинаковых тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то между ними также будет существовать разность потенциалов.
Кроме того, разность потенциалов существует между двумя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Так, например, если какое-либо тело, изолированное от земли, имеет некоторый потенциал, то разность потенциалов между ним и землей (потенциал которой принято считать равным нулю) численно равна потенциалу этого тела.
Итак, если два тела заряжены таким образом, что потенциалы их неодинаковы, между ними неизбежно существует разность потенциалов.
Всем известное явление электризации расчески при трении ее о волосы есть не что иное, как создание разности потенциалов между расческой и волосами человека.
Действительно, при трении расчески о волосы часть электронов переходит на расческу, заряжая ее отрицательно, волосы же, потеряв часть электронов, заряжаются в той же степени, что и расческа, но положительно. Созданная таким образом разность потенциалов может быть сведена к нулю прикосновением расчески к волосам. Этот обратный переход электронов легко обнаруживается на слух, если наэлектризованную расческу приблизить к уху. Характерное потрескивание будет свидетельствовать о происходящем разряде.
Говоря выше о разности потенциалов, мы имели в виду два заряженных тела, однако разность потенциалов можно получить и между различными частями (точками) одного и того же тела.
Так, например, рассмотрим, что произойдет в куске медной проволоки, если под действием какой-либо внешней силы нам удастся свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместить к одному концу ее. Очевидно, на другом конце проволоки получится недостаток электронов, и тогда между концами проволоки возникнет разность потенциалов.
Стоит нам прекратить действие внешней силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к концу проволоки, заряженному положительно, т. е. к месту, где их недостает, и в проволоке вновь наступит электрическое равновесие.
Электродвижущая сила и напряжение
Такими источниками энергии служат так называемые источники электрического тока , обладающие определенной электродвижущей силой , которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов на концах проводника.
Электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) обозначается буквой Е . Единицей измерения ЭДС служит вольт. У нас в стране вольт сокращенно обозначается буквой «В», а в международном обозначении — буквой «V».
Итак, чтобы получить непрерывное течение электрического тока, нужна электродвижущая сила, т. е. нужен источник электрического тока.
Первым таким источником тока был так называемый «вольтов столб», который состоял из ряда медных и цинковых кружков, проложенных кожей, смоченной в подкисленной воде. Таким образом, одним из способов получения электродвижущей силы является химическое взаимодействие некоторых веществ, в результате чего химическая энергия превращается в энергию электрическую. Источники тока, в которых таким путем создается электродвижущая сила, называются химическими источниками тока .
В настоящее время химические источники тока — гальванические элементы и аккумуляторы — широко применяются в электротехнике и электроэнергетике.
Другим основным источником тока, получившим широкое распространение во всех областях электротехники и электроэнергетики, являются генераторы .
Генераторы устанавливаются на электрических станциях и служат единственным источником тока для питания электроэнергией промышленных предприятий, электрического освещения городов, электрических железных дорог, трамвая, метро, троллейбусов и т. д.
Как у химических источников электрического тока (элементов и аккумуляторов), так и у генераторов действие электродвижущей силы совершенно одинаково. Оно заключается в том, что ЭДС создает на зажимах источника тока разность потенциалов и поддерживает ее длительное время.
Эти зажимы называются полюсами источника тока. Один полюс источника тока испытывает всегда недостаток электронов и, следовательно, обладает положительным зарядом, другой полюс испытывает избыток электронов и, следовательно, обладает отрицательным зарядом.
Соответственно этому один полюс источника тока называется положительным (+), другой — отрицательным (—).
Источники тока служат для питания электрическим током различных приборов — потребителей тока. Потребители тока при помощи проводников соединяются с полюсами источника тока, образуя замкнутую электрическую цепь. Разность потенциалов, которая устанавливается между полюсами источника тока при замкнутой электрической цепи, называется напряжением и обозначается буквой U.
Единицей измерения напряжения, так же как и ЭДС, служит вольт.
Если, например, надо записать, что напряжение источника тока равно 12 вольтам, то пишут: U — 12 В.
Для измерения ЭДС или напряжения применяется прибор, называемый вольтметром.
Чтобы измерить ЭДС или напряжение источника тока, надо вольтметр подключить непосредственно к его полюсам. При этом, если электрическая цепь разомкнута, то вольтметр покажет ЭДС источника тока. Если же замкнуть цепь, то вольтметр уже покажет не ЭДС, а напряжение на зажимах источника тока.
ЭДС, развиваемая источником тока, всегда больше напряжения на его зажимах.
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!
ЭДС, разность потенциалов и напряжение — что это и в чем разница
В материалах по электротехнике и электронике часто можно встретить три физические величины, имеющие одну и ту же единицу измерения — Вольт: разность электрических потенциалов, электрическое напряжение и ЭДС — электродвижущая сила.
Чтобы раз и навсегда избавиться от путаницы в терминах, давайте разберемся, в чем же заключаются различия между этими тремя понятиями. Для этого подробно рассмотрим каждое из них по отдельности.
Разность электрических потенциалов
На сегодняшний день физикам известно, что источниками электрических полей являются электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля. Когда же мы рассматриваем определенные точки А и В в электростатическом поле известной напряженности E, то можем тут же говорить и о разности электростатических потенциалов между двумя данными точками в текущий момент времени.
Эта разность потенциалов находится как интеграл электрической напряженности между точками А и В, расположенными в данном электрическом поле на определенном расстоянии друг от друга:
Практически такая характеристика как потенциал относится к одному электрическому заряду, который теоретически может быть неподвижно установлен в данную точку электростатического поля, и тогда величина электрического потенциала для этого заряда q будет равна отношению потенциальной энергии W (взаимодействия данного заряда с данным полем) к величине этого заряда:
Отсюда следует, что разность потенциалов оказывается численно равна отношению работы A (работа по сути — изменение потенциальной энергии заряда), совершаемой данным электростатическим полем при переносе рассматриваемого заряда q из точки поля 1 в точку поля 2, к величине данного пробного заряда q:
В этом и заключается практический смысл термина «разность потенциалов», применительно к электротехнике, электронике, и вообще — к электрическим явлениям.
И если мы говорим о какой-нибудь электрической цепи, то можем судить и о разности потенциалов между двумя точками такой цепи, если в ней в данный момент действует электростатическое поле, причем как раз потому, что рассматриваемые точки цепи будут находится одновременно и в электростатическом поле определенной напряженности.
Как было сказано выше, разность электрических потенциалов измеряется в вольтах (1 вольт = 1 Дж/1Кл).
Электростатическое поле — электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами. Для того, чтобы электрические заряды были неподвижны, на них не должны действовать силы в тех местах, где эти заряды могли бы двигаться. Но внутри проводников заряды могут свободно двигаться, поэтому при наличии электрического поля внутри проводников в них возникло бы движение зарядов (электрический ток).
Следовательно, заряды могут оставаться неподвижными только в том случае, если они создают такое поле, которое везде внутри проводников равно нулю, а на поверхности проводников направлено перпендикулярно к поверхности (т. к. иначе заряды двигались бы вдоль поверхности).
Для этого неподвижные заряды должны располагаться только по поверхности проводников и при том именно таким образом, чтобы электрическое поле внутри проводников было равно нулю, а на поверхности перпендикулярно к ней.
Все сказанное относится к случаю неподвижных зарядов. В случае движения зарядов, т. е. наличия токов в проводниках, в них должно существовать электрическое поле (т. к. иначе не могли бы течь токи) и, следовательно, движущиеся заряды располагаются в проводниках, вообще говоря, не так, как неподвижные, и создают электрические поля, отличные по своей конфигурации от электростатического поля. Но по своим свойствам электростатическое поле ничем не отличается от электрического поля движущихся зарядов.
Электрическое напряжение U
Теперь рассмотрим такое понятие как электрическое напряжение U между точками А и В в электрическом поле или в электрической цепи. Электрическим напряжением называется скалярная физическая величина, численно равная работе эффективного электрического поля (включая и сторонние поля!), совершаемой при переносе единичного электрического заряда из точки А в точку В.
Электрическое напряжение измеряется в вольтах, как и разность электрических потенциалов. В случае с напряжением принято считать, что перенос заряда не изменит распределения зарядов, являющихся источниками эффективного электростатического поля. И напряжение в этом случае будет складываться из работы электрических сил и работы сторонних сил.
Если сторонние силы отсутствуют, то работу совершит лишь потенциальное электрическое поле, и в этом случае электрическое напряжение между точками А и В цепи будет численно в точности равно разности потенциалов между данными точками, то есть отношению работы по переносу заряда из точки А в точку В к величине заряда q:
Однако в общем случае напряжение между точками A и B отличается от разности потенциалов между этими точками на работу сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда:
Эту работу сторонних сил как раз и называют электродвижущей силой на данном участке цепи, сокращенно — ЭДС:
Электродвижущая сила — ЭДС
Электродвижущая сила — ЭДС так же, как и напряжение, в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах.
ЭДС является скалярной физической величиной, характеризующей работу непосредственно действующих сторонних сил (любых сил за исключением электростатических) в цепях постоянного или переменного тока. В частности, в замкнутой проводящей цепи ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.
Здесь при необходимости вводят в рассмотрение электрическую напряженность сторонних сил Еex, являющуюся векторной физической величиной, равной отношению величины действующей на пробный электрический заряд сторонней силы к величине данного заряда. Тогда в замкнутом контуре L ЭДС будет равна:
Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке электрической цепи. Это будет, по сути, удельная работа сторонних сил лишь на рассматриваемом ее участке. ЭДС гальванического элемента, к примеру, есть ни что иное, как работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда только внутри этого гальванического элемента, а именно — от одного его полюса к другому.
Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит (!) от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока за пределами данного источника равна нулю.
ЭДС может быть получена различными способами, из которых можно назвать следующие:
при помощи источников ЭДС, использующих химические процессы (гальванические элементы, аккумуляторы — химические источники тока);
при помощи источников ЭДС, в которых используются свойства магнитного поля (электрические машины — генераторы);
при помощи источников ЭДС, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую (термоэлектрические преобразователи);
при помощи источников ЭДС, преобразующих энергию светового излучения в электрическую (фотоприемники, солнечные батареи).
Каталог статей
Этот вариант разъяснения использовали многие авторы в 60 годы, например Айсберг, автор великолепной книги «Транзистор — это очень просто» и других полезных книг.
Несколько лет пытаюсь написать разъяснения что такое «ЭДС» и что такое «напряжение», каждый раз заканчиваю и чувствую, что что то не то, как было непонятно, так и осталось непонятно.
Умные, которые понимают, что такое ЭДС, обычно удивляются как, мол, можно это не понимать. Тем, кто не понимают, мол, им не надо это понимать.
С этим я согласен, но все же есть любопытные, их немного, они хотят понять, вот им и хочется помочь. Хотя, гораздо полезнее, открыть книгу, и напрячь мозги самому.
Мои герои студенты Знаев и Любопытов
Любопытов: — Почему когда я слышу Вольт, речь идет иногда о напряжении, а иногда об ЭДС?
Ведь Вольты, это, насколько я понимаю, разность потенциалов, которая заставляет проходить ток в электрической цепи,
Знаев: — Давай сначала коротко ответим для тех кому «много букв» и читать дальше они не будут.
ЭДС это вольты которые рождает источник, а напряжение это вольты, которые получаются на приемнике.
Или можно сказать так — ЭДС это «напряжение» которое может создавать источник, а напряжение это то что действует на приемнике (на нагрузке) когда его подключают к источнику.
Знаев: — Теперь вернемся к электрической цепи, состоит она, как ты помнишь, из источника электрической энергии и приемника, которые соединяются проводами
ЭДС это вольты которые рождает источник, а напряжение это вольты, которые получаются на приемнике. Давай вспомним, какие бывают источники электроэнергии — генератор, аккумулятор, батарейка, термопара, фотодиод
а приемники, которые получают энергию от источника — это лампочки, нагреватели, различные моторчики, инструмент, электроника и т. п.
Любопытов: — Значит, на клеммах источника действует ЭДС и чтобы узнать сколько это Вольт, надо подсоединить вольтметр к клеммам источника.
Знаев: — Правильно. Но только если в этот момент к источнику ничего не подключено. Вольтметр покажет, что, например, на аккумуляторе действует 12,6 Вольта, а на батарейке 1,5 Вольта. Эти Вольты и есть ЭДС.
Будь внимателен — ЭДС можно измерить только на источнике, отключенном от нагрузки.
Любопытов: — А почему?, какая разница, ведь ЭДС неотъемлемое свойство источника и она есть независимо от того, подключено что нибудь или нет.
Знаев: — дело в том, что как только подключается внешняя цепь, на клеммах уже действует только часть ЭДС, которую мы и называем «напряжение». Давай разбираться.
Любопытов:- Сейчас, я подумаю.
Источник нужен для того чтобы создавать ЭДС. ЭДС — это разность потенциалов + и -, если подключить к источнику например лампочку, ЭДС заставит протекать в ней ток.
Знаев: -Все верно. Если коротко, то источник нужен для того, чтобы создать ток через приемник. Напряжение на приемнике появляется потому, что он сопротивляется протеканию тока. Если сопротивления току нет, то и напрягаться не нужно,.
Напряжение появляется на сопротивлении приемника, чтобы заставить ток преодолеть это сопротивление.
Любопытов:-Почему же от источника действует ЭДС, а на лампочке действует напряжение, вроде бы это одно и тоже?
Знаев: -Одно, да ни одно. Если лампочку отключить, никакого напряжения на ней не будет, а на источнике ЭДС как была, так и останется. Можешь проверить вольтметром.
Напряжение на приемнике есть только тогда, когда ЭДС создает ток в цепи через приемник.
Любопытов:- Понятно, источник создает Вольты, а приемник им подчиняется.
Так, повторим: Вольты созданные источником это ЭДС, а Вольты, которые действуют на приемнике это напряжение.
Любопытов:- Я думаю, что напряжение, которое появляется на приемнике получается равным ЭДС источника.
Знаев: — А вот это очень важное заблуждение, и если мы разберемся в чем оно, многое станет понятно.
Напряжение, которое действует на приемнике всегда меньше ЭДС.
ЭДС не может создать на приемнике напряжение равное самой ЭДС.
Например, если ЭДС аккумулятора 12,6 Вольта, то при включении фар, напряжение окажется только 12 Вольт.
Любопытов:- Да, я это замечал, как только что — нибудь включаешь, стрелка вольтметра, сразу скакнет назад.
Интересно, а почему?
Знаев: — Дело в том, что ЭДС должна протолкнуть ток через, через фары (10 Ампер), и для этого она держит на фарах напряжение 12 Вольт, и к сожалению ток надо протолкнуть через сам источник, поэтому источник должен приложить к себе оставшиеся 0,6 Вольта.
Любопытов:- Получается, что сам источник тоже ведет себя как приемник?
Знаев: — Вот именно, как участник цепи , проводящей ток, он точно также оказывает сопротивление току и значит чтобы ток прошел через источник, он должен получить часть напряжения.
Таким образом ЭДС создает напряжение и на приемнике, и на самом источнике.
Любопытов:- Понятно, напряжение на нагрузке не равно ЭДС, а меньше.
Знаев: — Итак напряжение всегда меньше ЭДС на величину напряжение которое источник тратит на себе.
Если ток в цепи есть, напряжение приложено к нагрузке, но часть приложена к самому источнику, в сумме они равны ЭДС.
Любопытов:- В нашем случае ЭДС 12,6 Вольта создает на приемнике напряжение 12 Вольт и к себе источник прикладывает еще 0,6 В. А что это всегда так? А другое соотношение может быть?
Конечно может. Если мы включим кроме фар, печку, то напряжение станет 11,7 Вольта, то есть источник вынужден будет тратить на свой возросший ток, еще дополнительно 0,3 Вольта.
Чем больше мы включим потребителей, тем тяжелее источнику будет поддерживать напряжение на них, и все больше напряжения понадобится для проталкивания тока через себя.
Если включить еще обогреватель заднего стекла, (10 Ампер +), лампочки станут заметно тусклее, то есть, напряжение на них еще сильнее снизится.
Любопытов:- А может быть такое, что напряжение упадет вообще до нуля?
Знаев: — Может, если подключим столько приемников, что источник вообще не сможет справиться, тогда его ЭДС, будет вынуждена тратиться в самом источнике на проталкивание огромного тока через себя, и для нагрузок вообще напряжения не останется, все потухнет и перестанет работать, а аккумулятор полностью разрядится, а если другой источник (генератор или трансформатор) он задымится и скоро сгорит.
Такой случай называется «короткое замыкание» и для источников (кроме микроскопических) это аварийный режим и от него надо защищаться.
Любопытов:- А наоборот. Может напряжение приравняться к ЭДС ?
Знаев: — это значит, что ток прекратился, приемник имеет такое большое сопротивление, что источник не может протолкнуть через него ток, но тогда и приемник не работает, если это лампочка, то она не горит.
Любопытов:- Получается, что напряжение становится равным ЭДС, когда цепь не работает.
Знаев: — Не совсем так. В слаботочных (сигнальных) цепях сопротивление приемника часто огромное и тока практически нет, это наиболее выгодный режим работы источника сигнала, при котором напряжение сигнала достигает максимальной величин, равной ЭДС источника.
Любопытов:-То есть, можно понимать так ЭДС — это возможность, а напряжение это действие.
А правильно понимать так, что ЭДС — это максимально возможное напряжение, которое может создать источник?
Знаев: — Да, так оно и есть.
Знаев: — Ну теперь пара формул, Они простые, но очень многое объясняют.
E= U+Ur(вн) это уравнение баланса напряжений. ЭДС источника равна сумме напряжения на нагрузке и падения напряжения внутри источника. В любой ситуации этот баланс выполняется.
Отсюда ясно, что
Напряжение всегда меньше ЭДС на величину падения напряжения внутри источника Ur(вн)
Напряжение всегда меньше ЭДС потому, что часть напряжения падает внутри источника.
Любопытов:- Интересно, а если первое уравнение умножить на величину тока, ведь он общий для всей цепи, тогда получится, что
Рист = Рпр +Рr(вн) Мощность источника равна мощности приемника и мощности внутри источника. Это уравнение баланса мощностей, Баланс мощностей тоже всегда выполняется.
Знаев: — Правильно. Только более корректно будет звучать так:
Мощность, которую создает источник тратится на приемнике и часть мощности тратится в самом источнике.
Это главный энергетический закон для электрических цепей — баланс мощности.
Любопытов:- А, понятно, так это же соответствует закону сохранения энергии!
Знаев: — конечно, а ты думал, его можно опровергнуть? Надеялся, что на приемнике можно получить энергии больше, чем выдает источник?
Любопытов:- Хорошо, вроде все понятно, я попробую сделать вывод.
Источник создает ЭДС, за счет сторонних сил.
При подключении к источнику внешней цепи, начинает идти ток. На приемнике появляется напряжение, напряжение получается ниже, чем ЭДС, потому, что часть напряжения падает на самом источнике,
Да. кстати, я понял почему источник электроэнергии греется и может сгореть от перегрузки, он же имеет собственное сопротивление, на котором падает напряжение, а это и есть выделение мощности, которое его греет и отнимает полезную мощность у нагрузки.
Падение напряжения внутри источника это потерянная энергия, которая греет сам источник. И значит пропадает зря.
Знаев: — Ну теперь, если ты будешь работать с электрическими цепями, внимательно наблюдай и убедишься, что все наши рассуждения справедливы. Ты поймешь, что источник нельзя перегружать, и что нужное напряжение может поддерживаться только при правильно рассчитанной нагрузке.
Любопытов на следующий день.
Ты знаешь, есть вопрос.
На второй схеме, где источник соединен с приемником и в цепи идет ток, вольтметр показывает напряжение. А почему он показывает именно напряжение, а не ЭДС, ведь подключен он фактически к клеммам источника, а на них действует ЭДС, А падение напряжения внутри источника тоже действует между этими точками, почему же все таки, он показывает именно напряжение на нагрузке?
Знаев. Хороший вопрос.
И напряжение и ЭДС — и то другое это разность потенциалов. Так вот, в точках куда присоединен вольтметр, разность потенциалов будет меньше ЭДС источника. Смотри как направлены стрелки тока в этом контуре. Во внешней цепи они направлены от плюса к минусу, а внутри источника ток идет от минуса к плюсу. и значит напряжение созданное этим током внутри источника направлено в навстречу ЭДС, а поэтому оно из ЭДС вычитается, и значит на клеммах источника получится напряжение, которое равно ЭДС минус падение напряжения внутри источника.
Это сразу непонятно, но если вдуматься, то все логично — источник это устройство которое должно разделять заряды какими-то сторонними силами и значит перетаскивать электроны навстречу их желанию.
Любопытов: Я это, вроде, понимал, но все равно объяснение довольно громоздкое.
Я думаю проще будет так: Падение напряжение внутри источника направлено навстречу ЭДС, поэтому вычитается из ЭДС и, значит, разность потенциалов в эти х точках снижается и вольтметр показывает именно напряжение.
Напряжение и ЭДС
Но что же именно такое это самое напряжение? Что представляет собой физически? Откуда оно берется? На все эти вопросы мы попытаемся сегодня дать ответ.
Для начала определимся с тем, что же такое это самое напряжение? Классическая физика дает достаточно сложное для быстрого понимания формальное определение. Оно завязано на формальном определении потенциальной энергии зарядов в поле, собственно, потенциале и их разности. Вся сия ботва подкреплена целым каскадом формул. На мой взгляд сие положение дел сильно усложняет понимание именно физики процесса возникновения напряжения и замечательная лишь с точки зрения решения академических задач, мало имеющих отношения к действительности. Сейчас мы постараемся разобраться с напряжением, что называется, на пальцах, понять физику протекающих процессов. Многим этого уже будет достаточно. Если же нет – надеюсь, после сего объяснения формулы из школьного учебника физики будут пониматься чуточку проще и быстрее.
Возьмем два электрода. Например, клеммы источника питания, или клеммы батарейки. Теперь, если мы каким-нибудь образом создадим такие условия, что на «минусовой» клемме будет избыток электронов по сравнению с «плюсовой» клеммой, то можно говорить, что между этими двумя клеммами существует напряжение. Суть возникновения напряжения заключается в том, что часть электронов с одной клеммы («плюсовой») переносится на другую («минусовую»). Чем больше мы электронов перенесем, тем больше будет созданное напряжение. Теперь, если мы замкнем между собой эти клеммы, то электроны начнут возвращаться с минусовой клеммы обратно на плюсовую, откуда они были взяты – потечет электрический ток. То есть напряжение порождает электрический ток при определенных условиях.
Напряжение, как, думаю, все из вас знают, измеряется в вольтах. Однако вольт не входит в основные единицы системы СИ. Вольт – это 1 Джоуль (единица измерения энергии)/1 Кулон (единица измерения заряда). Почему это так? Формальный вывод вы можете глянуть в учебнике физики. А если объяснять на пальцах – то все достаточно просто. Заряды одного знака (в частности, электроны) как мы с вами помним – отталкиваются друг от друга. Поэтому что бы перетащить электрон с плюсовой клеммы на минусовую – где и так уже куча электронов – надо совершить определенную работу. Минусовая клемма отталкивает от себя электроны, а мы их силой на нее запихиваем. Это как пытаться еще больше сжать уже наполовину сжатую пружину. Трудно довольно-таки. Напряжение в один вольт между клеммам возникает, когда мы совершаем работу в 1 Джоуль при переносе с одной клеммы на другую заряда в 1 кулон.
Не следует думать, что эта работа совершается впустую. Нет и еще раз нет! Эта энергия запасается. После, когда мы замкнем цепь и электрончики побегут с минуса обратно на плюс – они от радости, что возвращаются домой, они уже сами могут совершить некоторую работу – например, нагреть сопротивление или повращать электродвигатель или еще что-нибудь. Так что напряжение – это такая штука, что всегда готова вырваться наружу с энергией.
Возникает резонный вопрос – а как же перенести электроны с плюсовой клеммы на минусовую? Как создать это самое напряжение? Способов довольно много. Например, в батарейках – этот перенос возникает благодаря химической реакции. В фотоэлементах – благодаря действию энергии света на полупроводниковые материалы. В генераторах – благодаря действию магнитного поля на перемещающиеся в нем проводники. Возможно, позднее мы коснемся природы этих вещей более подробно.
Эти силы, которые участвуют в переносе электронов с плюса на минус – называют сторонними силами. А работа, которая ими совершается, очевидно, будет называться работой сторонних сил. И тут сам собой возникает термин ЭДС – электродвижущая сила.
ЭДС – это отношение работы сторонних сил по перемещению некоторого заряда, к этому самому заряду. По сути же получается то же самое напряжение, только, если можно так выразиться – с другой стороны. Напряжение все-таки возникает у нас между клеммами и открыто для потребителя. А ЭДС – это то, что скрыто от потребителя и характеризует процессы внутри источника. Эти процессы, эта работа протекает все время, пока источник функционирует и поддерживает напряжение, которое он выдает.
Рассмотрим чуть подробнее внутреннее устройство источника напряжения на примере простой модели. Эта модель представляет собой последовательное сопротивление ядра источника — устройства, в котором происходят различные процессы формирования напряжения и внутреннего сопротивления источника. Безусловно, в реальных устройствах они неотделимы друг от друга. Однако для облегчения понимания происходящих процессов их можно разделить, суть от этого не изменится. Итак, господа, так называемое ядро источника и выдает нам напряжение, точно равное ЭДС. А вот на клеммах источника питания – снаружи – мы может намерить напряжение, как равное ЭДС, так и меньше его.
Рассмотрим три разных случая (Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3). Во всех этих рисунках кружок с плюсом и минусом – это ядро источника, то, что непосредственно формирует напряжение. В нем как раз и работают сторонние силы и формируется ЭДС. Это самое ядро выдает нам напряжение точно равное значению ЭДС. Сопротивление R1 здесь — это внутреннее сопротивление источника. Обычно на практике оно составляет от долей Ома до единиц Ом. Заметьте, господа, и ядро E1 и сопротивление R1 обведены пунктиром – они находятся внутри батарейки! А вот сопротивление R2 находится за пределами батарейки – это наша полезная нагрузка. Например, лампочка. Или плеер. Или еще что.
Случай 1 – у нас идеальная батарейка. Этот случай соответствует рисунку 1. Она не имеет внутреннего сопротивления. В жизни, увы, такое не встретишь, но для понимания физики процессов рассмотреть будет полезно. В этом случае даже при подключенной нагрузке мы будем иметь на выходных клеммах батарейки напряжение, равное ЭДС.
Рисунок 1 – Идеальный источник напряжения
Случай 2 – у нас не идеальная батарейка. У нее есть свое внутреннее сопротивление R1. Но мы не нагружаем батарейку, ничего к ней не подключаем. Этот случай соответствует рисунку 2. Тогда на выходных клеммах батарейки мы так же будем наблюдать напряжение U3, равное ЭДС.
Рисунок 2 – Реальный источник напряжения без нагрузки (холостой ход)
Случай 3 – у нас не идеальная батарейка и мы ее нагружаем сопротивлением R2. По цепи течет ток I. Этот случай соответствует рисунку 3. И вот в этом случае напряжение на клеммах, которое мы наблюдаем, не будет равно ЭДС! Оно будет меньше. Да, источник Е1 где-то в недрах батарейки все так же формирует напряжение U1, равное ЭДС. Но это напряжение делится между внутренним сопротивлением батарейки R1 и нашей нагрузкой R2. А сопротивление R1, как мы помним, так же находится в недрах батарейки и нам, юзерам, оно недоступно. Поэтому на клеммах батареи мы будем наблюдать напряжение, меньшее, чем ЭДС батареи. Этот случай чаще всего встречается в жизни. И именно он хорошо иллюстрирует, чем же отличается ЭДС источника и напряжение, формируемое источником.
Рисунок 3 – Реальный источник напряжения с нагрузкой
Итак, господа, краткий итог таков: напряжение, выдаваемое источником напряжения равно ЭДС тогда, когда мы можем пренебречь внутренним сопротивлением источника, а точнее падением напряжения на нем. Если же на внутреннем напряжении источника падает какое-либо напряжение, очевидно, выходное напряжение, формируемое источником, будем меньше ЭДС. Да, грань между понятиями ЭДС и напряжение довольно размытая, часто бывает путаница, но, господа, теперь ее будет меньше.
Коснемся теперь такого момента, как знак напряжения. Да, напряжение может быть как положительным, так и отрицательным. Физики процесса это нисколько не поменяет. Все остается в силе – на «отрицательной» клемме у нас электронов по прежнему больше, чем на «положительной». Все зависит от того, какой электрод мы примем за начальную точку отсчета, то есть за ноль. А что считать нулем, вообще говоря? Принято считать, что ноль в данном случае – это наша земля-матушка. То есть что происходит. Мы берем наш изначально отвязанный (не соединенный никакими проводами) от земли источник. И дальше одну его клемму – на выбор – соединяем с землей. Если мы соединили с землей отрицательную клемму – значит, на свободной от земли клемме электронов меньше, чем на той, которую мы заземлили и у нас положительный источник. Если наоборот – соединили с землей положительную клемму – у нас источник выдает отрицательное напряжение. Только и всего. Если у нас никакая клемма источника не соединена с землей, либо с какой-либо другой общей точкой, принятой в данной установке за ноль, то про такой источник питания бессмысленно говорить – положительный он или отрицательный. Можно лишь сказать, что на «отрицательной» клемме электронов больше, чем на положительной или то, что она имеет меньший потенциал.
Если у нас изначально источник питания сконструирован таким образом, что одна из его клемм подключена к земле – тут вообще все очевидно.
Спешу предупредить опасное заблуждение. Поскольку мы рассматриваем изначально отвязанные от земли источники питания, то соединение одной его клеммы с землей не вызовет протекание никакого тока! Часто можно встретить утверждение, что какие-то там токи потекут на землю, если подсоединить к ней одну из клемм источника. Нет, господа, нет и еще раз нет. Ничего там не потечет. Вы можете сами в этом убедиться. Возьмите вольтметр и измерьте напряжение между клеммами вашего отвязанного от земли источника и землей. Он покажет 0 Вольт, напряжения нет. Нет напряжения – не будет и тока. Однако если источник питания подключен одной из клемм к земле – тогда совсем другое дело, замыкание другой клеммы на землю приведет к короткому замыканию источника.
Вообще же тема земли и заземления совсем не такая простая, как кажется на первый взгляд. Там много хитрых моментов и подводных камней, особенно, когда речь заходит о заземлении высокочастотных цепей, либо цепей, в которых протекает очень большой ток. Однако это тема уже совсем другой статьи.
А пока мы заканчиваем. Всем удачи и до новых встреч!
Вступайте в нашу группу Вконтакте
Вопросы и предложения админу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.