Definiția și formula forței electromotoare. Forța electromotoare

Curentul electric nu curge într-un fir de cupru din același motiv pentru care apa rămâne staționară într-o țeavă orizontală. Dacă un capăt al unei țevi este conectat la un rezervor în așa fel încât să se creeze o diferență de presiune, lichidul va curge dintr-un capăt. La fel, pentru a menține un curent constant, este nevoie de o forță externă pentru deplasarea sarcinilor. Acest efect se numește forță electromotoare sau EMF.

Între sfârșitul secolului al XVIII-lea și începutul secolului al XIX-lea secole de muncă de către oameni de știință precum Coulomb, Lagrange și Poisson au pus bazele matematice pentru determinarea cantităților electrostatice. Progresul în înțelegerea energiei electrice în această etapă istorică este evident. Franklin introdusese deja conceptul de „cantitate de substanță electrică”, dar până acum nici el, nici succesorii săi nu au reușit să-l măsoare.

În urma experimentelor lui Galvani, Volta a încercat să găsească dovezi că „fluidele galvanice” ale animalului erau de aceeași natură cu electricitatea statică. În căutarea adevărului, el a descoperit că atunci când doi electrozi din metale diferite intră în contact printr-un electrolit, ambii devin încărcați și rămân încărcați în ciuda faptului că circuitul este închis de sarcină. Acest fenomen nu corespundea ideilor existente despre electricitate, deoarece sarcinile electrostatice într-un astfel de caz trebuiau să se recombine.

Volta a introdus o nouă definiție a forței care acționează în direcția separării sarcinilor și menținerii acestora în această stare. El a numit-o electromotoare. O astfel de explicație pentru descrierea funcționării bateriei nu se încadra în fundamentele teoretice ale fizicii la acea vreme. În paradigma coulombiană a primei treimi a secolului al XIX-lea. d.s. Volta a fost determinată de capacitatea unor corpuri de a genera electricitate în altele.

Ohm a avut o contribuție majoră la explicarea funcționării circuitelor electrice. Rezultatele unei serii de experimente l-au condus la construirea teoriei conductivității electrice. El a introdus cantitatea „tensiune” și a definit-o ca diferența de potențial între contacte. La fel ca Fourier, care în teoria sa a făcut distincția între cantitatea de căldură și temperatură în transferul de căldură, Ohm a creat un model prin analogie relaționând cantitatea de sarcină transferată, tensiunea și conductivitatea electrică. Legea lui Ohm nu a contrazis cunoștințele acumulate despre electricitatea electrostatică.

La capetele conductorului, și deci de curent, este necesară prezența unor forțe externe de natură neelectrică, cu ajutorul cărora are loc separarea sarcinilor electrice.

Prin forțele exterioare sunt orice forță care acționează asupra particulelor încărcate electric dintr-un circuit, cu excepția electrostaticelor (adică, Coulomb).

Forțe terțe pun în mișcare particule încărcate în interiorul tuturor surselor de curent: în generatoare, centrale electrice, celule galvanice, baterii etc.

Când circuitul este închis, se creează câmp electricîn toate conductoarele circuitului. În interiorul sursei de curent, sarcinile se deplasează sub influența forțelor externe împotriva forțelor Coulomb (electronii se mută de la un electrod încărcat pozitiv la unul negativ), iar în restul circuitului sunt conduși de un câmp electric (vezi figura de mai sus).

În sursele de curent, în timpul procesului de separare a particulelor încărcate, are loc o transformare diferite tipuri energie în electricitate. Pe baza tipului de energie convertită, se disting următoarele tipuri de forță electromotoare:

- electrostatic- într-un aparat electrofor, în care energia mecanică este transformată în energie electrică prin frecare;

- termoelectric- într-un termoelement - energia internă a joncțiunii încălzite a două fire din metale diferite este transformată în energie electrică;

- fotovoltaic- într-o celulă foto. Aici are loc conversia energiei luminoase în energie electrică: atunci când anumite substanțe sunt iluminate, de exemplu, seleniu, oxid de cupru (I), siliciu, se observă o pierdere a sarcinii electrice negative;

- chimică- în celule galvanice, baterii și alte surse în care energia chimică este transformată în energie electrică.

Forța electromotoare (EMF)— caracteristicile surselor de curent. Conceptul de EMF a fost introdus de G. Ohm în 1827 pentru circuitele de curent continuu. În 1857, Kirchhoff a definit EMF ca fiind munca forțelor externe atunci când transfera o sarcină electrică unitară de-a lungul unui circuit închis:

ɛ = A st /q,

Unde ɛ — EMF a sursei curente, Un st- munca forțelor externe, q- suma taxei transferate.

Forța electromotoare este exprimată în volți.

Putem vorbi despre forța electromotoare în orice parte a circuitului. Aceasta este munca specifică a forțelor externe (lucrare pentru a muta o singură sarcină) nu pe întregul circuit, ci numai într-o zonă dată.

Rezistența internă a sursei de curent.

Să existe un circuit închis simplu format dintr-o sursă de curent (de exemplu, o celulă galvanică, o baterie sau un generator) și un rezistor cu o rezistență R. Curentul dintr-un circuit închis nu este întrerupt nicăieri, prin urmare, există și în interiorul sursei de curent. Orice sursă reprezintă o oarecare rezistență la curent. Se numește rezistența internă a sursei de curentși este desemnat prin scrisoare r.

În generator r- aceasta este rezistența înfășurării, într-o celulă galvanică - rezistența soluției de electrolit și a electrozilor.

Astfel, sursa de curent se caracterizează prin valorile EMF și rezistența internă, care determină calitatea acesteia. De exemplu, mașinile electrostatice au un EMF foarte mare (până la zeci de mii de volți), dar în același timp rezistența lor internă este enormă (până la sute de megaohmi). Prin urmare, nu sunt potrivite pentru generarea de curenți mari. Celulele galvanice au un EMF de numai aproximativ 1 V, dar și rezistența internă este scăzută (aproximativ 1 Ohm sau mai puțin). Acest lucru le permite să obțină curenți măsurați în amperi.

EMF (ε)- raportul dintre munca forțelor externe pentru a separa sarcinile și mărimea acestei sarcini, în caz contrar, capacitatea unei surse date de a furniza numărul necesar de sarcini ale energiei necesare.

- EMF.
EMF nu este o forțăîn sens newtonian (un nume nefericit pentru o cantitate, păstrat ca tribut adus tradiției).
ε i apare la schimbare flux magnetic F străpungerea conturului.

În plus vezi prezentarea „Inducție electromagnetică”, precum și videoclipurile „Inducție electromagnetică”, „Experimentul lui Faraday”, desene animate „Inducție electromagnetică”, „Rotația unui cadru într-un câmp magnetic (generator)”

- FEM de inducție.

- fem indusă atunci când unul dintre conductorii circuitului se mișcă (astfel încât F se schimbă). În acest caz, lungimea conductorului l, deplasându-se cu viteză v devine o sursă de curent.

- fem indusă într-un circuit care se rotește într-un câmp magnetic cu viteza ω.

Alte formule în care apare EMF:

- Legea lui Ohm pentru un circuit complet. Într-un circuit închis, EMF generează curent electric eu.

Direcția curentului de inducție este determinată conform regulilor:
- regula Lenz- curent indus care apare într-un circuit închis împotriva lucreaza pentru asta schimba flux magnetic care provoacă acest curent;
- pentru un conductor care se deplasează într-un câmp magnetic, uneori este mai ușor să folosești regula mâna dreaptă- dacă plasezi deschis palma dreapta astfel încât în ​​ea inclus liniile electrice câmp magnetic ÎN, A degetul mare , pus deoparte ascuțit direcția vitezei v, Asta patru degete mâinile vor îndrepta direcția curentului de inducție I.

- EMF de autoinducție atunci când curentul din conductor se modifică.

Fluxul magnetic prin circuit se poate modifica din următoarele motive:

• Când plasați un circuit conducător staționar într-un câmp magnetic alternativ.
• Când un conductor se mișcă într-un câmp magnetic, care nu se poate schimba în timp.

În ambele cazuri, legea inducției electromagnetice va fi îndeplinită. Mai mult, originea forței electromotoare în aceste cazuri este diferită. Să aruncăm o privire mai atentă la al doilea dintre aceste cazuri.

În acest caz, conductorul se mișcă într-un câmp magnetic. Împreună cu conductorul se mișcă și toate sarcinile care se află în interiorul conductorului. Fiecare dintre aceste sarcini va fi afectată de forța Lorentz din câmpul magnetic. Va promova mișcarea sarcinilor în interiorul conductorului.

• FEM de inducție în acest caz va fi de origine magnetică.

Luați în considerare următorul experiment: un circuit magnetic, a cărui latură este mobilă, este plasat într-un câmp magnetic uniform. Latura mobilă de lungime l începe să alunece de-a lungul laturilor MD și NC cu o viteză constantă V. În același timp, rămâne constant paralelă cu latura CD. Vectorul de inducție magnetică al câmpului va fi perpendicular pe conductor și va forma un unghi a cu direcția vitezei sale. Următoarea figură arată configurația laboratorului pentru acest experiment:

Forța Lorentz care acționează asupra unei particule în mișcare se calculează folosind următoarea formulă:

Fl = |q|*V*B*sin(a).

Forța Lorentz va fi direcționată de-a lungul segmentului MN. Să calculăm munca forței Lorentz:

A = Fl*l = |q|*V*B*l*sin(a).

FEM de inducție este raportul dintre munca efectuată de o forță atunci când se deplasează o unitate de sarcină pozitivă și mărimea acestei sarcini. Prin urmare, avem:

Ei = A/|q| = V*B*l*sin(a).

Această formulă va fi valabilă pentru orice conductor care se mișcă cu o viteză constantă într-un câmp magnetic. FEM indusă va fi numai în acest conductor, deoarece conductoarele rămase ale circuitului rămân staționare. Evident, fem-ul indus în întregul circuit va fi egal cu fem-ul indus în conductorul în mișcare.

EMF din legea inducției electromagnetice

Fluxul magnetic prin același circuit ca în exemplul de mai sus va fi egal cu:

Ф = B*S*cos(90-a) = B*S*sin(a).

Aici unghiul (90-a) = unghiul dintre vectorul de inducție magnetică și normala la suprafața conturului. De-a lungul unui timp ∆t, zona conturului se va modifica cu ∆S = -l*V*∆t. Semnul minus indică faptul că zona este în scădere. În acest timp, fluxul magnetic se va modifica:

∆Ф = -B*l*V*sin(a).

Atunci FEM indusă este egală cu:

Ei = -∆Ф/∆t = B*l*V*sin(a).

Dacă întregul circuit se mișcă în interiorul unui câmp magnetic uniform cu o viteză constantă, atunci fem-ul indus va fi zero, deoarece nu va exista nicio modificare a fluxului magnetic.

EMF este înțeles ca lucrul specific al forțelor externe pentru a deplasa o singură sarcină în circuitul unui circuit electric. Acest concept în electricitate implică multe interpretări fizice legate de diverse domenii ale cunoștințelor tehnice. În inginerie electrică, aceasta este munca specifică a forțelor externe care apare în înfășurările inductive atunci când în ele este indus un câmp alternativ. În chimie, înseamnă diferența de potențial care apare în timpul electrolizei, precum și în timpul reacțiilor însoțite de separare sarcini electrice. În fizică, corespunde forței electromotoare create la capetele unui termocuplu electric, de exemplu. Pentru a explica esența EMF în cuvinte simple– va trebui să luați în considerare fiecare dintre opțiunile pentru interpretarea acesteia.

Înainte de a trece la partea principală a articolului, observăm că EMF și tensiunea sunt concepte foarte asemănătoare ca semnificație, dar sunt încă oarecum diferite. Pe scurt, EMF se află pe sursa de alimentare fără sarcină, iar atunci când o sarcină este conectată la ea, este deja o tensiune. Deoarece numărul de volți de pe sursa de alimentare sub sarcină este aproape întotdeauna puțin mai mic decât fără ea. Acest lucru se datorează rezistenței interne a surselor de energie, cum ar fi transformatoarele și celulele galvanice.

Inducție electromagnetică (autoinducție)

Să începem cu inducția electromagnetică. Acest fenomen este descris de lege. Sensul fizic al acestui fenomen este capacitatea câmp electromagnetic induce o fem într-un conductor apropiat. În acest caz, fie câmpul trebuie să se schimbe, de exemplu, în mărimea și direcția vectorilor, fie să se miște în raport cu conductorul, fie conductorul trebuie să se miște în raport cu acest câmp. În acest caz, la capetele conductorului apare o diferență de potențial.

Există un alt fenomen similar ca semnificație - inducția reciprocă. Constă în faptul că o schimbare a direcției și a intensității curentului unei bobine induce un EMF la bornele unei bobine din apropiere este utilizat pe scară largă în diferite domenii ale tehnologiei, inclusiv electrice și electronice. Ea stă la baza funcționării transformatoarelor, unde fluxul magnetic al unei înfășurări induce curent și tensiune în a doua.

În inginerie electrică, un efect fizic numit EMF este utilizat la fabricarea convertoarelor speciale. AC, furnizând valorile cerute ale mărimilor efective (curent și tensiune). Datorită fenomenelor de inducție, inginerii au reușit să dezvolte multe dispozitive electrice: de la obișnuit (inductor) la transformator.

Conceptul de inducție reciprocă se referă numai la curentul alternativ, al cărui flux într-un circuit sau conductor modifică fluxul magnetic.

Un curent electric de direcție constantă este caracterizat de alte manifestări ale acestei forțe, cum ar fi, de exemplu, o diferență de potențial la polii unei celule galvanice, despre care vom discuta mai târziu.

Motoare și generatoare electrice

Același efect electromagnetic se observă în design sau, al cărui element principal sunt bobinele inductive. Opera sa este descrisă într-un limbaj accesibil în multe manuale, legat de subiectul numit „Inginerie electrică”. Pentru a înțelege esența proceselor care au loc, este suficient să ne amintim că fem-ul indus este indus atunci când un conductor se deplasează în interiorul altui câmp.

Conform legii menționate mai sus a inducției electromagnetice, în înfășurarea armăturii motorului în timpul funcționării este indus un contra EMF, care este adesea numit „back EMF” deoarece atunci când motorul funcționează, acesta este direcționat către tensiunea aplicată. Aceasta explică și creșterea bruscă a curentului consumat de motor atunci când sarcina crește sau arborele este blocat, precum și curenții de pornire. Pentru un motor electric, toate condițiile pentru apariția unei diferențe de potențial sunt evidente - o schimbare forțată a câmpului magnetic al bobinelor sale duce la apariția cuplului pe axa rotorului.

Din păcate, în cadrul acestui articol nu vom aprofunda acest subiect - scrieți în comentarii dacă sunteți interesat de el și vă vom spune despre el.

Într-un alt dispozitiv electric - un generator, totul este exact la fel, dar procesele care au loc în el au direcția opusă. Un curent electric este trecut prin înfășurările rotorului și un câmp magnetic apare în jurul lor (poate fi utilizat magneți permanenți). Când rotorul se rotește, câmpul, la rândul său, induce un EMF în înfășurările statorului - din care curentul de sarcină este îndepărtat.

Mai multă teorie

La proiectarea unor astfel de circuite, se iau în considerare distribuția curentului și căderea de tensiune între elementele individuale. Pentru a calcula distribuția primului parametru, se folosește suma cunoscută din fizică - suma căderilor de tensiune (ținând cont de semn) pe toate ramurile unui circuit închis este egală cu suma algebrică a EMF a ramurilor acest circuit), iar pentru a-și determina valorile, ei folosesc pentru o secțiune a circuitului sau legea lui Ohm pentru circuitul complet, formula care este dată mai jos:

I=E/(R+r),

UndeE – emf,R – rezistența la sarcină,r este rezistența sursei de energie.

Rezistența internă a sursei de alimentare este rezistența înfășurărilor generatoarelor și transformatoarelor, care depinde de secțiunea transversală a firului cu care sunt înfășurate și de lungimea acestuia, precum și de rezistența internă a celulelor galvanice, care depinde de starea anodului, catodului și electrolitului.

La efectuarea calculelor, este necesar să se țină cont de rezistența internă a sursei de alimentare, considerată ca conexiune paralelă la diagramă. Cu o abordare mai precisă, ținând cont valori mari curenții de funcționare, se ia în considerare rezistența fiecărui conductor de legătură.

EMF în viața de zi cu zi și unități de măsură

Alte exemple se găsesc în viața practică a oricărei persoane obișnuite. Această categorie include lucruri familiare precum bateriile mici, precum și alte baterii în miniatură. În acest caz, EMF de lucru se formează datorită procese chimice care curge în interiorul surselor de tensiune DC.

Când apare la bornele (polii) bateriei din cauza modificărilor interne, elementul este complet gata de funcționare. În timp, EMF scade ușor, iar rezistența internă crește considerabil.

Ca rezultat, dacă măsurați tensiunea pe o baterie AA care nu este conectată la nimic, vedeți 1,5V normal (sau cam asa ceva), dar când o sarcină este conectată la baterie, să presupunem că ați instalat-o pe un dispozitiv, nu merge.

De ce? Pentru că dacă presupunem că rezistența internă a voltmetrului este de multe ori mai mare decât rezistența internă a bateriei, atunci i-ați măsurat EMF. Când bateria a început să furnizeze curent sarcinii la bornele sale, nu a devenit 1,5 V, ci, să zicem, 1,2 V - dispozitivul nu avea suficientă tensiune sau curent pentru funcționarea normală. Tocmai acest 0,3V a scăzut pe rezistența internă a elementului galvanic. Dacă bateria este foarte veche și electrozii ei sunt distruși, atunci este posibil să nu existe deloc forță electromotoare sau tensiune la bornele bateriei - de exemplu. zero.

Acest exemplu demonstrează clar diferența dintre EMF și tensiune. Același lucru spune și autorul la sfârșitul videoclipului, pe care îl vedeți mai jos.

Puteți afla mai multe despre cum apare EMF-ul unei celule galvanice și cum este măsurat în următorul videoclip:

În antena receptorului este indusă o forță electromotoare foarte mică, care este apoi amplificată de cascade speciale și primim semnalul nostru de televiziune, radio și chiar Wi-Fi.

Concluzie

Să rezumam și să ne amintim din nou pe scurt ce este EMF și în ce unități SI este exprimată această valoare.

1. EMF caracterizează munca forțelor externe (chimice sau fizice) de origine neelectrică într-un circuit electric. Această forță face munca de a transfera sarcini electrice prin ea.
2. EMF, ca și tensiunea, se măsoară în Volți.
3. Diferențele dintre EMF și tensiune sunt că primul este măsurat fără sarcină, iar al doilea cu sarcină, în timp ce rezistența internă a sursei de alimentare este luată în considerare și influențează.

Și, în sfârșit, pentru a consolida materialul abordat, vă sfătuiesc să urmăriți un alt videoclip bun pe această temă:

Materiale