Электродвижущая сила (ЭДС) сила

Слайд 1. Электродвижущая сила (ЭДС)

Почему заряды движутся в цепи и откуда берётся энергия?

Слайд 2. Проблема: почему ток не кончается?

Представьте кулоновские силы как горку: заряды скатываются от плюса к минусу, теряя энергию. Если их не «поднимать» обратно, ток быстро прекратится.

Чтобы цепь работала долго, нужен «насос», который будет переносить заряды против сил электрического поля. Этот насос и есть источник тока.

Слайд 3. Сторонние силы

Любые силы неэлектрического происхождения, действующие на заряды внутри источника, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть разной:

Химическая (в батарейках и аккумуляторах)

Магнитная (в генераторах на электростанциях)

Световая (в солнечных батареях)

Тепловая (в термоэлементах)

Слайд 4. Схема электрической цепи

Источник тока создаёт разность потенциалов и поддерживает движение зарядов. Внутри него сторонние силы совершают работу по разделению зарядов.

Слайд 5. Определение ЭДС

Электродвижущая сила ($\mathcal{E}$) — это скалярная физическая величина, равная отношению работы сторонних сил $A_{\text{ст}}$ по перемещению положительного заряда $q$ к значению этого заряда:

$$\mathcal{E}=\frac{A_{\text{ст}}}{q}$$

Измеряется в Вольтах ($B$). Несмотря на название «сила», это энергетическая характеристика, а не векторная сила в ньютонах.

Слайд 6. ЭДС vs Напряжение: в чём разница?

Слайд 7. Типичные значения ЭДС источников

Значение ЭДС зависит только от химических и физических свойств материалов источника, а не от его размера.

Слайд 8. Внутреннее сопротивление

Сопротивление проводов, лампочек, резисторов и приборов, подключенных к источнику. То, что приносит пользу.

Сопротивление самого источника (электролита в батарейке или обмотки генератора). Приводит к нагреву источника.

Слайд 9. Закон Ома для полной цепи

Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

$$I=\frac{\mathcal{E}}{R+r}$$

Отсюда следует, что напряжение на внешней цепи $U=\mathcal{E}-I\cdot r$ всегда меньше ЭДС при наличии тока.

Слайд 10. Практика: почему тускнеют фары?

При запуске двигателя стартер потребляет огромный ток.

Согласно формуле $U=\mathcal{E}-I\cdot r$:

1. Ток $I$ резко возрастает.

2. Падение напряжения на внутреннем сопротивлении $I\cdot r$ растёт.

3. Напряжение $U$ на клеммах аккумулятора падает.

4. Лампочки фар светят тусклее.

Слайд 11. Как получить ЭДС?

Гальванические элементы и аккумуляторы. Энергия химических связей.

Электрогенераторы. Работа магнитного поля при вращении рамки.

Фотоэлементы. Энергия квантов света выбивает электроны.

Термопары. Разность температур в контакте разных металлов.

Слайд 12. Вопрос для обсуждения

Может ли напряжение на клеммах источника быть больше его ЭДС?

Ответ: В обычном режиме — нет. Но если через источник пропускать ток в обратном направлении (зарядка), то $U=\mathcal{E}+I\cdot r$.

Слайд 13. Короткое замыкание

Если внешнее сопротивление $R$ стремится к нулю, наступает режим короткого замыкания.

$$I_{\text{кз}}=\frac{\mathcal{E}}{r}$$

Ток ограничивается только внутренним сопротивлением, которое обычно очень мало. Это приводит к мгновенному перегреву и пожару.

Слайд 14. Главные выводы

ЭДС — это характеристика источника, равная работе сторонних сил по разделению зарядов.

Без сторонних сил постоянный ток в цепи невозможен.

Напряжение на нагрузке всегда меньше ЭДС на величину $I\cdot r$.

Закон Ома для полной цепи связывает ЭДС, ток и общее сопротивление системы.

При расчётах нельзя забывать про внутреннее сопротивление источника.