In der Physik der Begriff elektromotorische Kraft(abgekürzt - EMF) wird als Hauptenergiecharakteristik von Stromquellen verwendet.

Elektromotorische Kraft (EMF)

Elektromotorische Kraft (EMF) - die Fähigkeit der Energiequelle, eine Potentialdifferenz an den Klemmen zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.

EMF- in Volt gemessen

Die Spannung an den Source-Anschlüssen ist immer geringer EMF durch den Spannungsabfall.

Elektromotorische Kraft

U RH = E – U R0

U RH ist die Spannung an den Source-Anschlüssen. Gemessen bei geschlossenem Außenkreis.

E - EMF - im Werk gemessen.

Elektromotorische Kraft (EMF) ist eine physikalische Größe, die gleich dem Quotienten der Teilung der Arbeit ist, die beim Bewegen einer elektrischen Ladung durch äußere Kräfte in einem geschlossenen Kreislauf verrichtet wird, zu dieser Ladung selbst.

Es ist darauf hinzuweisen, dass elektromotorische Kraft in der Stromquelle tritt auch in Abwesenheit des Stroms selbst auf, dh wenn der Stromkreis geöffnet ist. Diese Situation wird normalerweise als "Leerlauf" und der Wert selbst bezeichnet EMF wenn es gleich der Differenz der Potentiale ist, die an den Anschlüssen der Stromquelle verfügbar sind.

Chemische elektromotorische Kraft

Chemisch elektromotorische Kraft ist in Batterien, galvanischen Batterien im Zuge von Korrosionsprozessen vorhanden. Abhängig von dem Prinzip, auf dem der Betrieb einer bestimmten Stromquelle aufgebaut ist, werden sie entweder Batterien oder galvanische Zellen genannt.

Eines der Hauptunterscheidungsmerkmale von galvanischen Zellen ist, dass diese Stromquellen sozusagen wegwerfbar sind. Diese Wirkstoffe, bei denen elektrische Energie freigesetzt wird, zersetzen sich während ihrer Funktion durch chemische Reaktionen fast vollständig. Ist die galvanische Zelle daher vollständig entladen, kann sie nicht mehr als Stromquelle verwendet werden.

Im Gegensatz zu galvanischen Zellen sind Batterien wiederverwendbar. Dies ist möglich, weil die in ihnen ablaufenden chemischen Reaktionen reversibel sind.

elektromagnetische elektromotorische Kraft

elektromagnetisch EMF tritt beim Betrieb von Geräten wie Dynamos, Elektromotoren, Drosseln, Transformatoren usw. auf.

Sein Wesen ist folgender: Wenn Leiter in ein Magnetfeld gebracht und darin so bewegt werden, dass sich die magnetischen Kraftlinien schneiden, entsteht eine Führung. EMF. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, tritt darin ein elektrischer Strom auf.

In der Physik wird das oben beschriebene Phänomen als elektromagnetische Induktion bezeichnet. elektromotorische Kraft, die in diesem Fall induziert wird, wird aufgerufen EMF Induktion.

Es sollte beachtet werden, dass das Zeigen EMF Induktion tritt nicht nur dann auf, wenn sich der Leiter in einem Magnetfeld bewegt, sondern auch, wenn er stationär bleibt, aber gleichzeitig die Größe des Magnetfelds selbst ändert.

Photoelektrische elektromotorische Kraft

Diese Sorte elektromotorische Kraft tritt auf, wenn entweder ein äußerer oder ein innerer photoelektrischer Effekt vorliegt.

In der Physik bezeichnet der photoelektrische Effekt (Photoeffekt) jene Gruppe von Phänomenen, die auftreten, wenn Licht auf einen Stoff einwirkt und gleichzeitig Elektronen darin emittiert werden. Dies wird als externer photoelektrischer Effekt bezeichnet. Wenn es jedoch angezeigt wird elektromotorische Kraft oder die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes ändert, dann spricht man von einem inneren photoelektrischen Effekt.

Nun werden sowohl externe als auch interne photoelektrische Effekte sehr häufig verwendet, um eine große Anzahl solcher Lichtstrahlungsempfänger zu entwerfen und herzustellen, die Lichtsignale in elektrische umwandeln. Alle diese Geräte werden Fotozellen genannt und werden sowohl in der Technik als auch in verschiedenen wissenschaftlichen Forschungen eingesetzt. Insbesondere Fotozellen werden verwendet, um die objektivsten optischen Messungen durchzuführen.

Elektrostatische Antriebskraft

Was diesen Typ betrifft elektromotorische Kraft, dann tritt es z. B. bei mechanischer Reibung auf, die in Elektrophoreneinheiten (spezielle Labor-Demonstrations- und Hilfsgeräte) auftritt, es findet auch in Gewitterwolken statt.

Wimshurst-Generatoren (dies ist ein anderer Name für Elektrophoresemaschinen) nutzen für ihren Betrieb ein Phänomen wie die elektrostatische Induktion. Während ihres Betriebs sammeln sich an den Polen in Leyden-Gläsern elektrische Ladungen an, und die Potentialdifferenz kann sehr beträchtliche Werte erreichen (bis zu mehreren hunderttausend Volt).

Die Natur statischer Elektrizität besteht darin, dass sie auftritt, wenn aufgrund des Verlusts oder der Aufnahme von Elektronen das intramolekulare oder intraatomare Gleichgewicht gestört wird.

Piezoelektrische elektromotorische Kraft

Diese Sorte elektromotorische Kraft tritt auf, wenn Substanzen, die als Piezoelektrika bezeichnet werden, entweder gequetscht oder gedehnt werden. Sie werden häufig in Konstruktionen wie piezoelektrischen Sensoren, Kristalloszillatoren, Hydrophonen und einigen anderen verwendet.

Es ist der piezoelektrische Effekt, der dem Betrieb von piezoelektrischen Sensoren zugrunde liegt. Sie selbst gehören zu den Sensoren des sogenannten Generatortyps. Bei ihnen ist der Input die aufgebrachte Kraft und der Output die Strommenge.

Geräte wie Hydrophone basieren auf dem Prinzip des sogenannten direkten piezoelektrischen Effekts, den piezokeramische Materialien aufweisen. Sein Wesen liegt in der Tatsache, dass, wenn Schalldruck auf die Oberfläche dieser Materialien ausgeübt wird, an ihren Elektroden eine Potentialdifferenz entsteht. Außerdem ist sie proportional zur Größe des Schalldrucks.

Eines der Hauptanwendungsgebiete piezoelektrischer Materialien ist die Herstellung von Quarzoszillatoren, die in ihrem Aufbau Quarzresonatoren aufweisen. Solche Geräte sind dafür ausgelegt, Schwingungen mit streng fester Frequenz zu empfangen, die sowohl zeitlich als auch bei Temperaturänderungen stabil sind und außerdem ein sehr geringes Phasenrauschen aufweisen.

Thermionische elektromotorische Kraft

Diese Sorte elektromotorische Kraft tritt auf, wenn eine thermische Emission geladener Teilchen von der Oberfläche erhitzter Elektroden erfolgt. Thermionische Emission ist in der Praxis weit verbreitet, beispielsweise basiert der Betrieb fast aller Radioröhren darauf.

Thermoelektrische elektromotorische Kraft

Diese Sorte EMF tritt auf, wenn die Temperatur an verschiedenen Enden unterschiedlicher Leiter oder einfach an verschiedenen Teilen des Stromkreises sehr ungleich verteilt ist.

thermoelektrisch elektromotorische Kraft in Geräten wie Pyrometern, Thermoelementen und Kältemaschinen verwendet. Sensoren, deren Funktion auf diesem Phänomen basiert, werden thermoelektrisch genannt und sind eigentlich Thermoelemente, die aus zusammengelöteten Elektroden bestehen, die aus verschiedenen Metallen bestehen. Wenn diese Elemente entweder erhitzt oder gekühlt werden, a EMF, die proportional zur Temperaturänderung ist.

An den Enden des Leiters und damit des Stroms sind äußere Kräfte nichtelektrischer Natur erforderlich, mit deren Hilfe die Trennung elektrischer Ladungen erfolgt.

Kräfte Dritter Alle Kräfte, die auf elektrisch geladene Teilchen in einem Stromkreis wirken, werden als solche bezeichnet, mit Ausnahme der elektrostatischen (dh Coulomb).

Fremdkräfte setzen geladene Teilchen in allen Stromquellen in Bewegung: in Generatoren, Kraftwerken, galvanischen Zellen, Batterien etc.

Wenn der Stromkreis geschlossen ist, wird in allen Leitern des Stromkreises ein elektrisches Feld erzeugt. Innerhalb der Stromquelle bewegen sich die Ladungen unter Einwirkung äußerer Kräfte gegen die Coulomb-Kräfte (Elektronen bewegen sich von einer positiv geladenen Elektrode zu einer negativen), und im restlichen Stromkreis werden sie durch ein elektrisches Feld angetrieben (siehe Abbildung oben). ).

In Stromquellen werden beim Trennen geladener Teilchen verschiedene Energiearten in elektrische Energie umgewandelt. Je nach Art der umgewandelten Energie werden folgende Arten der elektromotorischen Kraft unterschieden:

- elektrostatisch- in einer Elektrophoresemaschine, in der durch Reibung mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird;

- thermoelektrisch- in einem Thermoelement wird die innere Energie einer erhitzten Verbindungsstelle zweier Drähte aus unterschiedlichen Metallen in elektrische Energie umgewandelt;

- Photovoltaik— in einer Fotozelle. Hier wird Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt: Beim Beleuchten bestimmter Substanzen, zB Selen, Kupferoxid (I), Silizium, wird ein Verlust einer negativen elektrischen Ladung beobachtet;

- chemisch- in galvanischen Zellen, Batterien und anderen Quellen, in denen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Elektromotorische Kraft (EMF)- charakteristisch für Stromquellen. Das Konzept der EMF wurde 1827 von G. Ohm für Gleichstromkreise eingeführt. 1857 definierte Kirchhoff EMF als die Arbeit äußerer Kräfte während der Übertragung einer elektrischen Einheitsladung entlang eines geschlossenen Stromkreises:

ɛ \u003d Ein st / q,

wo ɛ - EMK der Stromquelle, Ein St- die Arbeit externer Kräfte, q ist die übertragene Ladungsmenge.

Die elektromotorische Kraft wird in Volt ausgedrückt.

Wir können über die elektromotorische Kraft in jedem Teil des Stromkreises sprechen. Dies ist die spezifische Arbeit äußerer Kräfte (die Arbeit zum Bewegen einer Einheitsladung) nicht im gesamten Stromkreis, sondern nur in diesem Bereich.

Innenwiderstand der Stromquelle.

Es sei ein einfacher geschlossener Stromkreis bestehend aus einer Stromquelle (z. B. einer galvanischen Zelle, einer Batterie oder einem Generator) und einem Widerstand mit Widerstand R. Der Strom in einem geschlossenen Stromkreis wird nirgendwo unterbrochen, daher existiert er auch innerhalb der Stromquelle. Jede Quelle stellt einen gewissen Widerstand gegen Strom dar. Es heißt Innenwiderstand der Stromquelle und ist mit dem Buchstaben gekennzeichnet r.

Im Generator r- Dies ist der Widerstand der Wicklung, in einer galvanischen Zelle - der Widerstand der Elektrolytlösung und der Elektroden.

Somit ist die Stromquelle durch die Werte von EMF und Innenwiderstand gekennzeichnet, die ihre Qualität bestimmen. Zum Beispiel haben elektrostatische Maschinen eine sehr hohe EMF (bis zu Zehntausend Volt), aber gleichzeitig ist ihr Innenwiderstand enorm (bis zu Hunderten von MOhm). Daher sind sie für die Aufnahme hoher Ströme ungeeignet. In galvanischen Zellen beträgt die EMK nur etwa 1 V, aber auch der Innenwiderstand ist klein (etwa 1 Ohm oder weniger). Dadurch können sie in Ampere gemessene Ströme empfangen.

Elektromagnetische Induktion - die Erzeugung elektrischer Ströme durch Magnetfelder, die sich im Laufe der Zeit ändern. Die Entdeckung dieses Phänomens durch Faraday und Henry führte eine gewisse Symmetrie in die Welt des Elektromagnetismus ein. Maxwell gelang es in einer Theorie, Wissen über Elektrizität und Magnetismus zu sammeln. Seine Forschung sagte die Existenz elektromagnetischer Wellen vor experimentellen Beobachtungen voraus. Hertz bewies ihre Existenz und eröffnete der Menschheit das Zeitalter der Telekommunikation.

Faraday- und Lenz-Gesetze

Elektrische Ströme erzeugen magnetische Effekte. Kann ein Magnetfeld ein elektrisches erzeugen? Faraday entdeckte, dass die gewünschten Effekte durch Änderungen des Magnetfelds im Laufe der Zeit entstehen.

Wenn ein Leiter von einem magnetischen Wechselfluss durchquert wird, wird darin eine elektromotorische Kraft induziert, die einen elektrischen Strom verursacht. Das System, das den Strom erzeugt, kann ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein.

Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion wird von zwei Gesetzen beherrscht: dem von Faraday und dem von Lenz.

Mit dem Lenzschen Gesetz lässt sich die elektromotorische Kraft hinsichtlich ihrer Richtung charakterisieren.

Wichtig! Die Richtung der induzierten EMK ist so, dass der Strom, den sie verursacht, dazu neigt, der Ursache entgegenzuwirken, die sie erzeugt.

Faraday bemerkte, dass die Intensität des induzierten Stroms zunimmt, wenn sich die Anzahl der Feldlinien, die den Stromkreis durchqueren, schneller ändert. Mit anderen Worten, die EMF der elektromagnetischen Induktion hängt direkt von der Geschwindigkeit des sich bewegenden magnetischen Flusses ab.

Die Induktions-EMK-Formel ist definiert als:

E \u003d - dF / dt.

Das "-" Zeichen zeigt, wie die Polarität der induzierten EMK mit dem Vorzeichen des Flusses und der sich ändernden Geschwindigkeit zusammenhängt.

Man erhält eine allgemeine Formulierung des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion, aus der sich Ausdrücke für besondere Fälle ableiten lassen.

Die Bewegung eines Drahtes in einem Magnetfeld

Wenn sich ein Draht der Länge l in einem Magnetfeld mit Induktion B bewegt, wird in ihm eine EMF induziert, die proportional zu seiner linearen Geschwindigkeit v ist. Zur Berechnung der EMF wird die Formel verwendet:

• bei Leiterbewegung senkrecht zur Magnetfeldrichtung:

E \u003d - B x l x v;

• bei Bewegung unter anderem Winkel α:

E \u003d - B x l x v x Sünde α.

Die induzierte EMF und der Strom werden in die Richtung gelenkt, die wir anhand der Rechtshandregel finden: Indem Sie Ihre Hand senkrecht zu den Magnetfeldlinien platzieren und mit dem Daumen in die Richtung zeigen, in die sich der Leiter bewegt, können Sie die Richtung der EMF herausfinden die restlichen vier gestreckten Finger.

Rotierende Spule

Der Betrieb des Stromgenerators basiert auf der Rotation des Schaltkreises im MP, der N Windungen hat.

EMF wird im Stromkreis immer dann induziert, wenn der magnetische Fluss ihn kreuzt, gemäß der Definition des magnetischen Flusses Ф = B x S x cos α (magnetische Induktion multipliziert mit der Oberfläche, durch die der MP verläuft, und dem Kosinus von Winkel, der durch den Vektor B und die Senkrechte zur Ebene S gebildet wird).

Aus der Formel folgt, dass F in folgenden Fällen Änderungen unterliegt:

• die Intensität der MF ändert sich - der Vektor B;
• der durch die Kontur begrenzte Bereich variiert;
• die Orientierung zwischen ihnen, gegeben durch den Winkel, ändert sich.

In den ersten Experimenten von Faraday wurden induzierte Ströme durch Änderung des Magnetfelds B erhalten. Es ist jedoch möglich, eine EMF zu induzieren, ohne den Magneten zu bewegen oder den Strom zu ändern, sondern einfach indem die Spule im Magnetfeld um ihre Achse gedreht wird. In diesem Fall ändert sich der Magnetfluss aufgrund einer Änderung des Winkels α. Die Spule kreuzt während der Drehung die Linien des MP, es entsteht eine EMK.

Wenn sich die Spule gleichmäßig dreht, führt diese periodische Änderung zu einer periodischen Änderung des magnetischen Flusses. Oder die Anzahl der jede Sekunde gekreuzten MF-Kraftlinien nimmt bei gleichen Zeitintervallen gleiche Werte an.

Wichtig! Die induzierte EMK ändert sich mit der Orientierung über die Zeit von positiv nach negativ und umgekehrt. Die grafische Darstellung der EMF ist eine Sinuslinie.

Für die Formel für die EMK der elektromagnetischen Induktion wird der Ausdruck verwendet:

E \u003d B x ω x S x N x sin ωt, wobei:

• S ist der durch eine Windung oder einen Rahmen begrenzte Bereich;
• N ist die Anzahl der Windungen;
• ω ist die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich die Spule dreht;
• B – MF-Induktion;
• Winkel α = ωt.

In der Praxis bleibt bei Generatoren die Spule oft stationär (Stator) und der Elektromagnet dreht sich um sie herum (Rotor).

EMF-Selbstinduktion

Wenn ein Wechselstrom durch die Spule fließt, erzeugt er ein magnetisches Wechselfeld, das einen sich ändernden magnetischen Fluss aufweist, der eine EMK induziert. Dieser Effekt wird als Selbstinduktion bezeichnet.

Da der MP proportional zur Stromstärke ist, gilt:

wobei L die Induktivität (H) ist, bestimmt durch geometrische Größen: die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit und die Abmessungen ihres Querschnitts.

Für die Induktions-EMK hat die Formel die Form:

E \u003d - L x dI / dt.

Liegen zwei Spulen nebeneinander, so wird in ihnen je nach Geometrie der beiden Kreise und ihrer Orientierung zueinander eine EMK der gegenseitigen Induktion induziert. Wenn die Trennung der Kreise zunimmt, nimmt die gegenseitige Induktivität ab, da der sie verbindende magnetische Fluss abnimmt.

Lassen Sie es zwei Spulen sein. Durch den Draht einer Spule mit N1 Windungen fließt der Strom I1 und erzeugt einen MF, der durch die Spule mit N2 Windungen fließt. Dann:

1. Gegeninduktivität der zweiten Spule relativ zur ersten:

M21 = (N2 x F21)/I1;

1. Magnetischer Fluss:

F21 = (M21/N2) x I1;

1. Finden Sie die induzierte EMK:

E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt;

1. EMF wird in der ersten Spule identisch induziert:

E1 = - M12 x dI2/dt;

Wichtig! Die durch Gegeninduktivität in einer Spule verursachte elektromotorische Kraft ist immer proportional zur Änderung des elektrischen Stroms in der anderen.

Die Gegeninduktivität kann gleichgesetzt werden mit:

M12 = M21 = M.

Dementsprechend ist E1 = -M x dI2/dt und E2 = M x dI1/dt.

M = K √ (L1 x L2),

wobei K der Kopplungskoeffizient zwischen zwei Induktivitäten ist.

Das Phänomen der Gegeninduktivität wird in Transformatoren verwendet - elektrische Geräte, mit denen Sie den Wert der Spannung eines elektrischen Wechselstroms ändern können. Das Gerät besteht aus zwei Spulen, die um einen Kern gewickelt sind. Der in der ersten Spule vorhandene Strom erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld im Magnetkreis und einen elektrischen Strom in der anderen Spule. Wenn die Windungszahl der ersten Wicklung kleiner ist als die der anderen, steigt die Spannung und umgekehrt.

Neben der Erzeugung und Umwandlung von Elektrizität wird die magnetische Induktion in anderen Geräten verwendet. Zum Beispiel in Magnetschwebebahnen, die sich nicht im direkten Kontakt mit den Schienen bewegen, sondern aufgrund der elektromagnetischen Abstoßungskraft einige Zentimeter höher.

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Themen des USE-Kodifikators: Elektromotorische Kraft, Stromquellen-Innenwiderstand, Ohmsches Gesetz für einen vollständigen Stromkreis.

Bisher haben wir beim Studium des elektrischen Stroms die gerichtete Bewegung freier Ladungen in Betracht gezogen externe Schaltung, das heißt in Leitern, die mit den Anschlüssen der Stromquelle verbunden sind.

Wie wir wissen, positive Ladung:

Geht vom positiven Anschluss der Quelle in den externen Stromkreis;

Bewegt sich in einem externen Stromkreis unter dem Einfluss eines stationären elektrischen Feldes, das von anderen beweglichen Ladungen erzeugt wird;

Es kommt zum Minuspol der Quelle und vervollständigt seinen Weg im externen Stromkreis.

Jetzt muss unsere positive Ladung ihre Flugbahn schließen und zum positiven Anschluss zurückkehren. Dazu muss er das letzte Segment des Pfades überwinden - innerhalb der Stromquelle vom Minuspol zum Pluspol. Aber bedenke: Er will da gar nicht hin! Der Minuspol zieht es an sich, der Pluspol stößt es von sich ab, und als Ergebnis wirkt eine elektrische Kraft gerichtet auf unsere Ladung innerhalb der Quelle gegen Ladungsbewegung (d. h. entgegen der Stromrichtung).

Kraft Dritter

Jedoch fließt Strom durch die Schaltung; Daher gibt es eine Kraft, die die Ladung trotz des Widerstands des elektrischen Felds der Anschlüsse durch die Quelle „zieht“ (Abb. 1).

Reis. 1. Stromversorgung durch Dritte

Diese Kraft heißt äußere Kraft; Ihr ist es zu verdanken, dass die aktuelle Quelle funktioniert. Eine äußere Kraft hat nichts mit einem stationären elektrischen Feld zu tun – man sagt es nicht elektrisch Ursprung; in Batterien beispielsweise entsteht es durch den Ablauf entsprechender chemischer Reaktionen.

Bezeichnen Sie durch die Arbeit einer äußeren Kraft, um die positive Ladung q innerhalb der Stromquelle vom negativen zum positiven Anschluss zu bewegen. Diese Arbeit ist positiv, da die Richtung der äußeren Kraft mit der Richtung der Ladungsbewegung zusammenfällt. Die Arbeit einer externen Kraft wird auch genannt Stromquellenbetrieb.

Es gibt keine äußere Kraft im äußeren Stromkreis, daher ist die Arbeit der äußeren Kraft zum Bewegen der Ladung im äußeren Stromkreis Null. Daher wird die Arbeit einer externen Kraft beim Bewegen der Ladung um den gesamten Stromkreis auf die Arbeit zum Bewegen dieser Ladung nur innerhalb der Stromquelle reduziert. Somit ist dies auch die Arbeit einer äußeren Kraft beim Bewegen der Ladung in der gesamten Kette.

Wir sehen, dass die äußere Kraft nicht potentiell ist - ihre Arbeit beim Bewegen einer Ladung entlang eines geschlossenen Pfades ist nicht gleich Null. Es ist diese Nicht-Potentialität, die die Zirkulation des elektrischen Stroms sicherstellt; Das potentielle elektrische Feld kann, wie wir bereits gesagt haben, keinen konstanten Strom unterstützen.

Die Erfahrung zeigt, dass die Arbeit direkt proportional zur bewegten Ladung ist. Damit ist das Verhältnis nicht mehr von der Ladung abhängig und ein quantitatives Merkmal der Stromquelle. Diese Beziehung wird angezeigt durch:

(1)

Dieser Wert wird aufgerufen elektromotorische Kraft(EMF) Stromquelle. Wie Sie sehen können, wird EMF in Volt (V) gemessen, daher ist der Name "elektromotorische Kraft" äußerst unglücklich. Aber es ist schon lange verwurzelt, also muss man sich damit abfinden.

Wenn Sie die Aufschrift auf der Batterie sehen: "1,5 V", dann wissen Sie, dass dies genau die EMF ist. Ist dieser Wert gleich der Spannung, die die Batterie im Außenkreis erzeugt? Es stellt sich heraus, nicht! Jetzt werden wir verstehen, warum.

Ohmsches Gesetz für einen vollständigen Stromkreis

Jede Stromquelle hat einen eigenen Widerstand, der als bezeichnet wird Innenwiderstand diese Quelle. Somit hat eine Stromquelle zwei wichtige Eigenschaften: EMF und Innenwiderstand.

Lassen Sie eine Stromquelle mit einer EMF gleich , und ein Innenwiderstand ist mit einem Widerstand verbunden (der in diesem Fall als externer Widerstand, oder Externe Last, oder Nutzlast). All dies zusammen heißt komplette Kette(Abb. 2).

Reis. 2. Komplette Kette

Unsere Aufgabe ist es, den Strom im Stromkreis und die Spannung über dem Widerstand zu finden.

Mit der Zeit durchläuft eine Ladung den Stromkreis. Nach Formel (1) erledigt die Stromquelle die Arbeit:

(2)

Da die Stromstärke konstant ist, wird die Arbeit der Quelle vollständig in Wärme umgewandelt, die an den Widerständen und abgegeben wird. Diese Wärmemenge wird durch das Joule-Lenz-Gesetz bestimmt:

(3)

Also, , und wir setzen die rechten Teile der Formeln (2) und (3) gleich:

Nach Reduktion auf erhalten wir:

Wir haben also den Strom in der Schaltung gefunden:

(4)

Formel (4) wird aufgerufen Ohmsches Gesetz für einen vollständigen Stromkreis.

Wenn Sie die Source-Anschlüsse mit einem Draht mit vernachlässigbarem Widerstand verbinden, erhalten Sie Kurzschluss. In diesem Fall fließt der maximale Strom durch die Quelle - Kurzschlussspannung:

Aufgrund der Kleinheit des Innenwiderstands kann der Kurzschlussstrom sehr groß werden. Zum Beispiel erhitzt sich gleichzeitig der Akku einer Stiftlampe, sodass Sie sich die Hände verbrennen.

Wenn wir die Stromstärke kennen (Formel (4)), können wir die Spannung über dem Widerstand mithilfe des Ohmschen Gesetzes für den Schaltungsabschnitt ermitteln:

(5)

Diese Spannung ist die Potentialdifferenz zwischen den Punkten und (Abb. 2). Das Potential des Punktes ist gleich dem Potential des positiven Anschlusses der Quelle; Das Potential des Punktes ist gleich dem Potential des Minuspols. Daher wird auch Stress (5) genannt Spannung an den Source-Anschlüssen.

Wir sehen aus Formel (5), was in einer realen Schaltung passieren wird - immerhin wird es mit einem Bruchteil kleiner als eins multipliziert. Aber es gibt zwei Fälle, in denen .

1. Ideale Stromquelle. Dies ist der Name einer Quelle ohne Innenwiderstand. Bei ergibt Formel (5) .

2. Offener Kreislauf. Betrachten Sie die Stromquelle selbst außerhalb des Stromkreises. In diesem Fall können wir davon ausgehen, dass der Außenwiderstand unendlich groß ist: . Dann ist der Wert nicht von zu unterscheiden, und Formel (5) gibt uns wieder .

Die Bedeutung dieses Ergebnisses ist einfach: Wenn die Quelle nicht an den Stromkreis angeschlossen ist, zeigt das an die Pole der Quelle angeschlossene Voltmeter seine EMF an.

Wirkungsgrad der elektrischen Schaltung

Es ist nicht schwer zu verstehen, warum ein Widerstand Nutzlast genannt wird. Stellen Sie sich vor, es ist eine Glühbirne. Die von einer Glühbirne erzeugte Wärme ist nützlich, denn dank dieser Wärme erfüllt die Glühbirne ihren Zweck - sie spendet Licht.

Bezeichnen wir die Wärmemenge, die während der Zeit an der Nutzlast freigesetzt wird.

Wenn der Strom in der Schaltung ist, dann

Auch an der Stromquelle wird eine gewisse Wärmemenge freigesetzt:

Die Gesamtwärmemenge, die im Kreislauf freigesetzt wird, beträgt:

Wirkungsgrad der elektrischen Schaltung ist das Verhältnis von Nutzwärme zu Gesamt:

Der Wirkungsgrad der Schaltung ist nur dann gleich Eins, wenn die Stromquelle ideal ist.

Ohmsches Gesetz für einen heterogenen Bereich

Das einfache Ohmsche Gesetz gilt für den sogenannten homogenen Abschnitt des Stromkreises - also den Abschnitt, auf dem keine Stromquellen vorhanden sind. Jetzt erhalten wir allgemeinere Beziehungen, aus denen sowohl das Ohmsche Gesetz für einen homogenen Abschnitt als auch das oben erhaltene Ohmsche Gesetz für einen vollständigen Stromkreis folgt.

Der Abschnitt der Schaltung wird aufgerufen heterogen wenn es eine Stromquelle hat. Mit anderen Worten, ein inhomogener Abschnitt ist ein Abschnitt mit einer EMK.

Auf Abb. 3 zeigt einen inhomogenen Abschnitt, der einen Widerstand und eine Stromquelle enthält. Die EMF der Quelle ist , ihr Innenwiderstand wird als Null betrachtet (wenn der Innenwiderstand der Quelle ist, können Sie den Widerstand einfach durch einen Widerstand ersetzen).

Reis. 3. EMF "hilft" dem Strom:

Die Stromstärke im Abschnitt ist gleich, der Strom fließt von Punkt zu Punkt. Dieser Strom wird nicht notwendigerweise durch eine einzelne Quelle verursacht. Der betrachtete Bereich ist in der Regel Teil eines Stromkreises (in der Figur nicht gezeigt), und andere Stromquellen können in diesem Stromkreis vorhanden sein. Daher ist der Strom das Ergebnis der kumulativen Wirkung alles Quellen in der Schaltung.

Die Potentiale der Punkte und seien jeweils gleich und . Wir betonen noch einmal, dass wir über das Potential eines stationären elektrischen Feldes sprechen, das durch die Wirkung aller Quellen des Stromkreises erzeugt wird - nicht nur der Quelle, die zu diesem Abschnitt gehört, sondern auch möglicherweise außerhalb dieses Abschnitts verfügbar ist.

Die Spannung in unserem Bereich ist: Mit der Zeit geht eine Ladung durch den Abschnitt, während das stationäre elektrische Feld die Arbeit verrichtet:

Außerdem wird die positive Arbeit von der Stromquelle geleistet (schließlich ist die Ladung durch sie hindurchgegangen!):

Die Stromstärke ist konstant, daher wird die gesamte Arbeit zum Vorschieben der Ladung, die auf der Baustelle durch ein stationäres elektrisches Feld und externe Quellenkräfte geleistet wird, vollständig in Wärme umgewandelt:.

Wir ersetzen hier die Ausdrücke für , und das Joule-Lenz-Gesetz:

Wenn wir um kürzen, erhalten wir Ohmsches Gesetz für einen inhomogenen Abschnitt eines Stromkreises:

(6)

oder, was dasselbe ist:

(7)

Beachten Sie das Pluszeichen davor. Wir haben den Grund dafür bereits angegeben - die aktuelle Quelle führt in diesem Fall durch positiv Arbeit, "ziehen" die Ladung in sich selbst vom Minuspol zum Pluspol. Einfach ausgedrückt „hilft“ die Quelle dem Stromfluss von Punkt zu Punkt.

Wir bemerken zwei Konsequenzen der abgeleiteten Formeln (6) und (7).

1. Wenn der Standort homogen ist, dann . Dann erhalten wir aus Formel (6) - Ohmsches Gesetz für einen homogenen Abschnitt der Kette.

2. Angenommen, die Stromquelle hat einen Innenwiderstand. Dies ist, wie wir bereits erwähnt haben, gleichbedeutend mit dem Ersetzen durch:

Schließen wir nun unseren Abschnitt, indem wir die Punkte und verbinden. Wir erhalten die oben diskutierte vollständige Kette. In diesem Fall stellt sich heraus, dass sich die vorherige Formel auch für eine vollständige Kette in das Ohmsche Gesetz verwandelt:

Somit folgen sowohl das Ohmsche Gesetz für einen homogenen Abschnitt als auch das Ohmsche Gesetz für einen vollständigen Stromkreis aus dem Ohmschen Gesetz für einen inhomogenen Abschnitt.

Es kann einen anderen Verbindungsfall geben, wenn die Quelle den Strom daran hindert, durch den Abschnitt zu fließen. Eine solche Situation ist in Abb. 4 . Dabei richtet sich der von nach kommende Strom gegen die Einwirkung äußerer Kräfte der Quelle.

Reis. 4. EMF "stört" den Strom:

Wie ist das möglich? Es ist sehr einfach: Andere Quellen, die in der Schaltung außerhalb des betrachteten Abschnitts verfügbar sind, "überwältigen" die Quelle in dem Abschnitt und zwingen den Strom dazu, dagegen zu fließen. Genau das passiert, wenn Sie das Telefon aufladen: Der an die Steckdose angeschlossene Adapter bewirkt die Ladungsbewegung gegen die äußeren Kräfte des Telefonakkus, und der Akku wird dadurch aufgeladen!

Was ändert sich nun bei der Ableitung unserer Formeln? Nur eines - die Arbeit externer Kräfte wird negativ:

Dann nimmt das Ohmsche Gesetz für einen inhomogenen Abschnitt die Form an:

(8)

wobei, wie zuvor, die Spannung auf dem Abschnitt ist.

Setzen wir die Formeln (7) und (8) zusammen und schreiben das Ohmsche Gesetz für den Abschnitt mit EMF wie folgt:

Der Strom fließt von Punkt zu Punkt. Wenn die Stromrichtung mit der Richtung äußerer Kräfte übereinstimmt, wird ein „Plus“ vorangestellt; Wenn diese Richtungen entgegengesetzt sind, wird "minus" gesetzt.

Stromkreis besteht aus einer Stromquelle, Stromverbrauchern, Verbindungsdrähten und einem Schlüssel, der zum Öffnen und Schließen des Stromkreises und anderer Elemente dient (Abb. 1).

Zeichnungen, die zeigen, wie elektrische Geräte in einem Stromkreis angeschlossen werden, werden aufgerufen Schaltpläne. Geräte in den Diagrammen sind durch herkömmliche Zeichen gekennzeichnet.

Wie bereits erwähnt, ist es zur Aufrechterhaltung eines elektrischen Stroms im Stromkreis erforderlich, dass an seinen Enden (Abb. 2) eine konstante Potentialdifferenz besteht φ EIN- φ b. Zum Anfangszeitpunkt lassen φ A > φ B , dann der positive Ladungstransfer q ab einem Punkt SONDERN exakt BEIM führt zu einer Verringerung der Potentialdifferenz zwischen ihnen. Um eine konstante Potentialdifferenz aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, genau die gleiche Ladung ab zu übertragen B in EIN. Wenn in die Richtung SONDERN → BEIM Ladungen bewegen sich unter Einwirkung der Kräfte eines elektrostatischen Feldes dann in die Richtung BEIM → SONDERN die Ladungsbewegung erfolgt gegen die Kräfte des elektrostatischen Feldes, d.h. unter Einwirkung von Kräften nicht elektrostatischer Natur, den sogenannten Fremdkräften. Diese Bedingung ist in einer Stromquelle erfüllt, die die Bewegung elektrischer Ladungen unterstützt. In den meisten Stromquellen bewegen sich nur Elektronen, in galvanischen Zellen - Ionen beider Zeichen.

Elektrische Stromquellen können sich in ihrem Design unterscheiden, aber in jeder von ihnen wird daran gearbeitet, positiv und negativ geladene Teilchen zu trennen. Die Ladungstrennung erfolgt im Rahmen der Klage äußere Kräfte. Fremdkräfte wirken nur innerhalb der Stromquelle und können durch chemische Prozesse (Batterien, galvanische Zellen), Lichteinwirkung (Photozellen), wechselnde Magnetfelder (Generatoren) etc.

Jede Stromquelle ist durch eine elektromotorische Kraft - EMF - gekennzeichnet.

elektromotorische Kraft ε Stromquelle ist eine physikalische skalare Größe, die der Arbeit externer Kräfte entspricht, um eine einzelne positive Ladung entlang eines geschlossenen Stromkreises zu bewegen

Die SI-Einheit der elektromotorischen Kraft ist das Volt (V).

EMF ist eine Energieeigenschaft einer Stromquelle.

In der Stromquelle tritt im Zuge der Arbeiten zur Trennung geladener Teilchen eine Umwandlung von mechanisch, leicht, intern usw. auf. Energie in Strom. An den Polen der Stromquelle (den Stellen, an denen Verbraucher mit Klemmen oder Klemmen angeschlossen sind) sammeln sich abgeschiedene Partikel an. Ein Pol der Stromquelle wird positiv geladen, der andere negativ. Zwischen den Polen der Stromquelle entsteht ein elektrostatisches Feld. Werden die Pole einer Stromquelle durch einen Leiter verbunden, so entsteht in einem solchen Stromkreis ein elektrischer Strom. In diesem Fall ändert sich die Art des Feldes, es hört auf, elektrostatisch zu sein.

Fig. 3 zeigt schematisch den Minuspol der Stromquelle und den Abschnitt des Endes des daran befestigten Metalldrahtes in Form eines kugelförmigen Leiters. Die gepunktete Linie zeigt einige Linien der Klemmenfeldstärke, bevor der Draht darin eingeführt wird, und die Pfeile zeigen die Kräfte, die auf die freien Elektronen des Drahtes wirken, die sich an den mit Zahlen markierten Stellen befinden. Elektronen an verschiedenen Punkten des Querschnitts des Drahts unter der Wirkung der Coulomb-Kräfte des Endfelds bewegen sich nicht nur entlang der Drahtachse. Zum Beispiel ein Elektron, das sich an einem Punkt befindet 1 Er engagiert sich in der "aktuellen" Bewegung. Aber in der Nähe von Punkten 2, 3, 4, 5 Elektronen haben die Fähigkeit, sich auf der Oberfläche des Drahtes anzusammeln. Darüber hinaus ist die Oberflächenverteilung von Elektronen entlang der Länge des Drahts nicht gleichförmig. Daher bewirkt das Verbinden eines Drahts mit einem Stromquellenanschluss, dass sich einige Elektronen entlang des Drahts bewegen und einige Elektronen sich auf der Oberfläche ansammeln. Die ungleichmäßige Verteilung der Elektronen auf seiner Oberfläche gewährleistet die Nichtäquipotentialität dieser Oberfläche, das Vorhandensein von Komponenten der elektrischen Feldstärke, die entlang der Oberfläche des Leiters gerichtet sind. Dies ist das Feld umverteilter Elektronen des Leiters selbst und sorgt für die geordnete Bewegung anderer Elektronen. Wenn sich die Verteilung der Elektronen über die Oberfläche des Leiters im Laufe der Zeit nicht ändert, wird ein solches Feld genannt stationäres elektrisches Feld. Die Hauptrolle bei der Erzeugung eines stationären elektrischen Feldes spielen also die Ladungen, die sich an den Polen der Stromquelle befinden. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, führt die Wechselwirkung dieser Ladungen mit den freien Ladungen des Leiters zum Auftreten von unkompensierten Oberflächenladungen auf der gesamten Oberfläche des Leiters. Diese Ladungen erzeugen im Inneren des Leiters über seine gesamte Länge ein stationäres elektrisches Feld. Dieses Feld innerhalb des Leiters ist gleichmäßig, und die Spannungslinien sind entlang der Achse des Leiters gerichtet (Abb. 4). Der Prozess des Aufbaus eines elektrischen Felds entlang des Leiters erfolgt mit hoher Geschwindigkeit c≈ 3 10 8 m/s.

Wie ein elektrostatisches Feld ist es Potential. Aber es gibt signifikante Unterschiede zwischen diesen Feldern:

1. Elektrostatisches Feld - das Feld der festen Ladungen. Die Quelle eines stationären elektrischen Felds sind bewegte Ladungen, und die Gesamtzahl der Ladungen und das Muster ihrer Verteilung in einem bestimmten Raum ändern sich im Laufe der Zeit nicht;

2. Außerhalb des Leiters existiert ein elektrostatisches Feld. Die Stärke des elektrostatischen Feldes ist innerhalb des Volumens des Leiters immer gleich 0, und an jedem Punkt der äußeren Oberfläche des Leiters ist diese senkrecht zu dieser Oberfläche gerichtet. Sowohl außerhalb als auch innerhalb des Leiters existiert ein stationäres elektrisches Feld. Die Intensität eines stationären elektrischen Feldes ist innerhalb des Volumens des Leiters ungleich Null, und an der Oberfläche und innerhalb des Volumens gibt es Komponenten der Intensität, die nicht senkrecht zur Oberfläche des Leiters sind;

3. Die Potentiale verschiedener Punkte des Leiters, durch den der Gleichstrom fließt, sind unterschiedlich (Oberfläche und Volumen des Leiters sind nicht äquipotential). Die Potentiale aller Punkte auf der Oberfläche eines Leiters in einem elektrostatischen Feld sind gleich (Oberfläche und Volumen des Leiters sind äquipotential);

4. Ein elektrostatisches Feld wird nicht von der Erscheinung eines magnetischen Feldes begleitet, aber ein stationäres elektrisches Feld wird von seiner Erscheinung begleitet und ist untrennbar damit verbunden.