Электродвижущая сила (ЭДС). Виды и применение. Особенности

Электродвижущая сила (ЭДС) – это особый физический показатель, используемый для количественной оценки работы, совершаемой электрическим полем в определенной среде. При расчете расхода энергии обязательно учитывается еще один важный параметр, указывающий на интенсивность переноса заряда под действием приложенной движущей силы. Это – известный всем электрический ток, представляющий собой направленное движение заряженных частиц (электронов) и измеряемый в амперах.

Определение ЭДС в физической науке

По определению электродвижущая сила представляет собой физическую скалярную величину, характеризующую способность сторонних электрических полей совершать определенную работу. Ее действие проявляется только в электропроводящих материалах и средах, отличающихся наличием в них свободных заряженных частиц (электронов). Для количественной оценки ЭДС вводится понятие напряженности, действующей на концах проводников движущей силы.

Поскольку понятию «сила» всегда ставится в соответствие определенное направление действия – при расчетах ЭДС также представляется в векторном виде. Несмотря на свое название, ЭДС по своей сути не относится к категории явлений, обозначаемых в физике понятием «сила» и измеряется в других единицах. Для нее также как и для напряжения (разности потенциалов) в системе СИ вводится особая единица измерения, называемая «вольтом».

Кем и когда была открыта электродвижущая сила

Обнаружить ЭДС удалось французскому ученому Г. С. Ому, именем которого впоследствии была названа единица сопротивления участка электрической цепи. В своих опытах по определению силы тока в проводниках он воспользовался принципом крутильных весов, ранее применяемым великим ученым Кулоном. По величине закручивания нити измерительного механизма Г. С. Ом судил не о силе взаимодействия кулоновских зарядов, а о величине тока в среде между разнесенными полюсами.

Повышая величину электрического поля, ученый обнаружил пропорциональное увеличение силы тока в проводящей среде (в проводнике). Коэффициент пропорциональности он назвал «сопротивлением», которое со временем стало измеряться в Омах. А сила, вызывавшая движение зарядов в проводящей среде между полюсами, была названа им «электродвижущей» или ЭДС. По имени итальянского ученого, впервые открывшего природное электричество, она стала измеряться в Вольтах (в системе СИ).

Дальнейшие открытия в области электродвижущих сил были сделаны немецким ученым-физиком Т. И. Зеебеком, который в 1821 году обнаружил интересную особенность в поведении контакта проводников из разнородных металлов. Она состояла в том, что при нагреве места спайки двух отрезков таких проводов на их противоположных концах появлялась разность потенциалов. Это явление было названо термоэлектрическим эффектом Зеебека, а появляющуюся при этом силу назвали «термо-ЭДС».

Как вычисляется ЭДС в электрической цепи

При проведении своих опытов. Г. С. Ом подключал к источнику постоянного тока проводники, изготовленные из различных материалов. В этом качестве он использовал небольшие по длине отрезки проводов из меди, серебра и золота с примерно одинаковым поперечным сечением.

Далее он изменял их длину, обозначаемую как «l», и добивался такого результата, при котором величина тока через проводники была приблизительно одинаковой. Проанализировав полученные после этого данные, он вывел следующее соотношение:

I=E/Ri+R

Где:

Ε – электродвижущая сила.
Ri – это внутреннее сопротивление источника ЭДС (гальванического элемента).
R – величина сопротивления проводника.

По результатам опыта ученый обнаружил, что вторая составляющая суммы в числителе полученной им формулы пропорциональна длине проводника.

Из этого соотношения также следовало, что для нахождения E достаточно умножить силу тока на полное сопротивление замкнутой цепи, включающей источник питающего потенциала:

Ε =I(Ri+R)

На основе полученных результатов ученый смог утверждать, что разность потенциалов на концах испытуемых проводников из любого материала равна падению напряжения на их линейной части. Собственная ЭДС источника питания получается включенной в противоположной полярности и при расчете по законам Кирхгофа учитывается со знаком «минус».

Из проведенных опытов также следовал интересный вывод, касающийся включения в рабочую цепь нескольких источников электропитания. Оказалось, что если соединить их последовательно (плюс одного к минусу другого, а его минус – к плюсу предыдущего), то общая ЭДС такой цепочки будет равна сумме отдельных составляющих.

При параллельном их подключении суммарная ЭДС зависит от напряжений отдельных источников питания. Изделия со сравнительно низким показателем в этом случае будут выступать в качестве нагрузки, а элемент с максимальным напряжением начнет выполнять функции источника питания для них.

Такая ситуация крайне нежелательна, поскольку нередко приводит к быстрой разрядке отдельных составляющих. Поэтому для увеличения общей мощности параллельно включенных элементов питания специалисты рекомендуют подбирать их напряжения по возможности равными по величине.

Чем электродвижущая сила отличается от разности потенциалов (напряжения)

Согласно определению электрических величин ЭДС и напряжение – это различные представления одного и того вида энергии. Их принципиальное отличие состоит в характере действия, а также в том, проделывают ли они при этом определенную работу. Понятие «напряжение», в частности, вводится как разность потенциалов между двумя точками электрической цепи, под действием которой заряд в проводнике перемещается от одной из них к другой. При таком переносе совершается определенная работа, которая может быть представлена в виде фиксированного показателя и оценена количественно.

Для понимания физической сути ЭДС потребуется мысленная аналогия, при которой это явление сравнивается с водонапорной башней, до предела заполненной водой. В подобной ситуации водяной столб оказывает максимально возможное давление на днище конструкции, оставаясь в неподвижном состоянии (никакая работа при этом не совершается).

Elektrodvizhushchaia sila 2

В такой башне энергия запаса воды проявляет себя только в потенциальной форме (при открытии крана жидкость бы потекла и проделала определенную работу). В этой аналогии энергия воды в наполненной башне с закрытым вентилем – это ЭДС. А ситуация с открытым краном аналогична действию напряжения, вызывающего движение зараженных частиц (электронов).

Разновидности ЭДС

В зависимости от типа источника, образующего рабочую ЭДС, этот показатель подразделяется на следующие виды:

Химическая электродвижущая сила.
Термическая ЭДС.
Электродвижущая сила магнитной индукции.
Фото- и пьезоэлектрическая ЭДС.

Первое из этих проявлений электродвижущей силы образуется в стандартных питающих элементах (в батарейках и аккумуляторах, в частности) вследствие постоянно протекающих в них химических реакций. Термическая ЭДС возникает в специальных датчиках, изготавливаемых из спаянных в одной точке разнородных металлических проводников, называемых «термопарами».

Электродвижущая сила индукции – особый вид энергии магнитного поля, образующейся при его взаимодействии с движущимися зарядами в проводниках. В качестве примера ее практического использования обычно приводится электрогенератор с неподвижными статорными катушками и вращающимся ротором. Образующееся в статоре переменное магнитное поле наводит в подвижном роторе ЭДС самоиндукции, благодаря которой ось двигателя приводится во вращение.

Принцип взаимодействия э/м полей и появления ЭДС индукции используется во всех типах электрических машин, преобразующих электроэнергию во вращательное движение вала двигателя или генератора. Основное условие образования такой ЭДС – это чтобы проводник с током обязательно пересекал силовые линии магнитного поля, в котором он располагается.

Фотоэлектрическая электродвижущая сила возникает вследствие действия на полупроводниковые элементы фотонов света. Ее пьезоэлектрический аналог – следствие растяжения или сдавливания веществ с определенной кристаллической структурой.

Elektrodvizhushchaia sila 3

Практическое применение ЭДС

В соответствие с различными способами образования электродвижущей силы ее практическое применение возможно в следующих сферах:

Производство химических элементов питания различных габаритов, формы и емкости.
Изготовление разнообразных датчиков, работа которых основана на фото- и пьезоэлектрическом эффектах.
Выпуск специального электротехнического оборудования (генераторов, двигателей и электрических машин подобного типа).
Производство термопар, широко применяемых в электротехнике и в измерительной практике.

Действие современных аккумуляторов и батареек различного типа полностью основывается на эффекте получении «химической» ЭДС. Другая ее разновидность широко используется в знакомых всем домашним хозяйкам пьезоэлектрических зажигалках.

Ни один электродвигатель не смог бы выполнять свои основные функции, если бы в нем не действовала ЭДС самоиндукции, поскольку без ее потенциальных сил вращение вала было бы невозможно.