Контактные явления, контактная разность потенциалов

Теорема Гаусса для магнитного поля

Теорема Гаусса является одной из самых основных в электродинамике законов. Существуют теоремы Гаусса для электрического и магнитного полей, которые входят в состав уравнений Максвелла. При помощи данного закона устанавливается связь между напряженностью электрического поля и заряда в случае произвольной поверхности. Теорема (закон) Гаусса гласит, что в произвольной замкнутой поверхности поток вектора электрического поля пропорционален заряду, заключенному внутри поверхности. Для магнитного поля теорема Гаусса говорит о том, что поток вектора магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность равен нулю.

Потенциальность электростатического поля

Электрическое поле с напряженностью ​\( \vec{E} \)​ при перемещении заряда ​\( q \)​ совершает работу. Работа ​\( A \)​ электростатического поля вычисляется по формуле:

где ​\( d \)​ – расстояние, на которое перемещается заряд, ​\( \alpha \)​ – угол между векторами напряженности электрического поля и перемещения заряда.

Важно! Эта формула применима для нахождения работы только в однородном электростатическом поле. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением заряда. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением заряда

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением заряда.

Потенциальным называется поле, работа сил которого по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю.

Важно! Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Электростатическое поле является потенциальным. Работа электростатического поля по перемещению заряда равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком

В электродинамике энергию принято обозначать буквой ​\( W \)​, так как буквой ​\( E \)​ обозначают напряженность поля:

Работа электростатического поля по перемещению заряда равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком. В электродинамике энергию принято обозначать буквой ​\( W \)​, так как буквой ​\( E \)​ обозначают напряженность поля:

Потенциальная энергия заряда ​\( q \)​, помещенного в электростатическое поле, пропорциональна величине этого заряда. Потенциальная энергия взаимодействия зарядов вычисляется относительно нулевого уровня (аналогично потенциальной энергии поля силы тяжести). Выбор нулевого уровня потенциальной энергии определяется исходя из соображений удобства при решении задачи.

p—n переход в состоянии равновесия

Прежде всего, необходимо сказать, что данные рассуждения действительны при условии, что:

1) на границе раздела p- и n — областей отсутствуют механиче­ские дефекты и включения других химических веществ;

2) при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, т.е. pp = Nа, nn = Nд;

3) на границе p-n перехода тип примеси резко изменяется.

Поскольку концентрация элек­тронов в n-области намного боль­ше их концентрации в р-области, а концентрация дырок в р-области намного больше, чем в n-области (nn ≫ np, pp ≫ pn), то на границе раздела полупроводников возникает градиент (перепад) концентрации подвижных носителей заряда (дырок и электронов):

Рисунок 3 — p-n переход в состоянии равновесия.

Под его действием заряды будут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область с пониженной концен­трацией. Направленное движение свободных носителей, вызван­ное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называют диффузионным движением. Электроны под действием диффузии перемешаются из n-области в p-область, а дырки пере­мещаются из p-области в n-область. Это движение зарядов (основ­ных носителей) образует диффузионный ток p-n перехода, содер­жащий две составляющие: электронную и дырочную, плотность которых определяется из соотношений:

где:

— градиенты концентраций электронов и дырок соответственно;

Dn и Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно;

q – заряд электрона.

Коэффициент диффузии показывает количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную к выбранному направлению, при величине градиента концентрации в этом направлении, равном единице.

В результате протекания диффузионного тока граничный слой обедняется подвижными носителями заряда. В приконтактной области n-типа появляется нескомпенсированный малоподвижный положительный заряд за счет ионов донорной примеси, а в р-области — отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси.

Таким образом, на границе p- и n-областей возникает двой­ной слой объемного пространственного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля, напряженность которого равна Eдиф. Это поле препятствует дальнейшему проте­канию диффузионного тока (тока основных носителей). Посколь­ку обедненный слой обладает малой электропроводностью (в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда), то он на­зывается запирающим слоем или областью объемного заряда.

В n- и р-областях полупроводника, кроме основных носителей, существуют неосновные: дырки в n-области и электроны в р-области. Неосновные носители совершают тепловое движение (дрейф) и перемещаются к запирающему слою p-n перехода. Их перемещение характеризуется подвижностью µ. Подвижность равна средней скорости , приобретаемой носителями заряда в направле­нии действия электрического поля с напряженностью E = 1 В/м:

Поле p-n перехода является ускоряющим для неосновных носителей заряда. Электроны (неосновные носители р-области), подойдя к переходу, подхватываются электрическим полем и пе­ребрасываются в n-область, а дырки n-области — в р-область. Дрейф неосновных носителей вызывает появление электронной и дырочной составляющих тока дрейфа, плотность которых опреде­ляется из соотношений:

где:

n, p – количество электронов и дырок соответственно.

Полная плотность тока дрейфа (тепловой ток):

Если вспомнить вид закона Ома в дифференциальной форме (если воспоминания даются тяжело, то: ), то можно легко заметить, что удельная проводимость полупроводника определяется соотношением:

При комнатной температуре некоторое количество основных носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления поля запирающего слоя, и протекает незначительный диффу­зионный ток. Этот ток уравновешивается дрейфовым током. По­этому при отсутствии внешнего поля в p-n переходе устанавливается термодинамическое равновесие токов. Ток диф­фузии уравновешивается (компенсируется) дрейфовым током:

Не равномерность концентрации носителей зарядов в полу­проводнике возникает при воздействии внешних управляющих факторов: электрического поля, нагревания, освещения и др. Равновесие концентраций электронов и дырок в полупроводнике нарушается и появляется дополнительная неравновесная концен­трация носителей заряда. После прекращения внешнего воздействия происходит процесс рекомбинации электронов и дырок. По­лупроводник переходит в равновесное состояние.

Создание систем выравнивания потенциалов

Проект каждой системы индивидуален, и разрабатывается в соответствии с конфигурацией помещения. Существуют общие правила монтажа, которые необходимо выполнять:

• Шина выравнивания потенциалов и шина защитного заземления должны быть соединены, или объединены в один узел.
• Все объекты: электроустановки, поддоны, ванны, раковины, элементы инфраструктуры здания, подключаются к шине выравнивания потенциалов параллельно.Это означает, что каждый элемент имеет отдельный проводник, подключенный к общей шине. Не допускается последовательное соединение между объектами. Если первичный проводник будет оборван, все последующие объекты на линии окажутся отключенными от системы выравнивания потенциалов.
• На всей протяженности токопроводящих линий, не должно быть коммутационных и размыкающих устройств: выключателей, реле, плавких предохранителей.
• Подключение должно быть надежным: не допускаются скрутки, приматывание изолентой. Применяется сварка, винтовые соединения, штатные контактные зажимы.

Какие объекты подключаются к системе выравнивания потенциалов

• Металлические корпуса всех электроустановок (если они не заземлены надлежащим образом). В список входят и токопроводящие корпуса светильников (торшеров).
• Разумеется, вся система защитного заземления. Собственно, от нее и начинается система выравнивания потенциалов.
• Металлические части каркаса здания, арматура фундамента, стен, перекрытий.
• Самостоятельно установленные металлические элементы инфраструктуры. Например, стальная сетка под стяжкой пола или металлический профиль под листами гипсокартона.
• Металлические трубы и кожухи системы вентиляции.
• Медные трубки системы подачи хладагента в кондиционерах (если они имеют большую протяженность).
• Металлические оболочки бронированных кабелей.
• Экранная оплетка информационных кабелей (телевидение, интернет).

На этом пункте остановимся подробнее. Кабель в металлической оплетке начинается от распределительного или усилительного устройства, которое расположено далеко за пределами вашего помещения. При этом у вас нет возможности контролировать правильность организации питания или заземления этих устройств. Может возникнуть ситуация, когда по экрану к вам в дом придет фаза.

Вы, ничего не подозревая, можете одновременно коснуться оплетки под напряжением, и заземленного металлического предмета (например, радиатора отопления). Последствия очевидны — поражение электротоком. При подключении экрана к системе выравнивания потенциалов, внешний пробой фазы на кабель, не страшен.

• Все металлические части системы водоснабжения и канализации: трубы, смесители, раковины из нержавейки, поддоны и металлические кабинки душевых, ванны.
• Компоненты систем водонагрева: бойлеры, внутренние трубы.
• Система отопления: трубы, радиаторы, полотенцесушители.
• Система газоснабжения.
• Заземление молниезащиты (если у вас частное жилище, в многоквартирных домах «опция» недоступна). При этом молниеотвод подключается к общей системе, и собственному заземлителю одновременно.
• Металлопластиковые рамы окон (если токопроводящие элементы не покрыты пластиком).
• Стальные двери и дверные коробки.

На схеме это выглядит так:

1. Шина выравнивания потенциалов.
2. Грозоразрядник от щита питания. Соединен с фазой. В нормальном состоянии, контакта между фазным и заземляющим проводником нет — в разряднике достаточный зазор. При ударе молнии в силовой кабель, возникает дуговой ток на «землю», и разница потенциалов в несколько тысяч вольт не возникнет.
3. Ограничитель перенапряжения в линии данных.
4. Кронштейны крепления заземляющих проводников к металлическим трубам.
5. Фундаментный заземлитель с шиной, входящий в общую систему выравнивания потенциалов.

Напряжение в цепях трёхфазного тока[ | ]

В цепях трёхфазного тока различают фазное и линейное напряжения. Под фазным напряжением понимают среднеквадратичное значение напряжения на каждой из фаз нагрузки относительно нейтрали, а под линейным — напряжение между подводящими фазными проводами. При соединении нагрузки в треугольник фазное напряжение равно линейному, а при соединении в звезду (при симметричной нагрузке или при глухозаземлённой нейтрали) линейное напряжение в 3 {\displaystyle {\sqrt {3}}} раз больше фазного.

На практике напряжение трёхфазной сети обозначают дробью, в числителе которой стоит фазное при соединении в звезду (или, что то же самое, потенциал каждой из линий относительно земли), а в знаменателе — линейное напряжение. Так, в России наиболее распространены сети с напряжением 220/380 В; также иногда используются сети 127/220 В и 380/660 В.

Проводники в электростатическом поле

Работа электрического поля

Размещение проводника в электростатическом поле приводит к тому, что поле начнет действовать на носители заряда внутри проводящего предмета. Носители начинают перемещаться до тех пор, пока электростатическое поле вне поверхности ни обратится в нуль.

Поскольку поле внутри вещества отсутствует, то во всех точках проводящего материала энергия будет постоянной, а поверхность эквипотенциальной. Векторы напряженности поля направлены под прямым углом в любой точке поверхности проводника.

Проводник в электростатическом поле

Под действием поля заряды внутри проводника отсутствуют, поскольку они сосредоточены исключительно на поверхности. Этот факт используется при экранировке – защите тел от влияния внешних электромагнитных и электростатических полей. Для экранирования может использоваться не только сплошной проводящий материал, но и сетка, так называемая «клетка Фарадея».

Клетка Фарадея

Также свойство перемещения заряженных частиц (электронов) используется в электростатических генераторах для получения напряжения в несколько миллионов вольт.

Понятие потенциала в физике

Что такое потенциал в физике? Это понятие очень часто применяется для описания качеств сил и полей самой разной природы. Скалярная функция, характеризующая некоторую величину, представляющуюся вектором, – вот что это потенциал. Гравитационный потенциал описывает соответствующее поле. В термодинамике это понятие применяется для системной внутренней энергии, в механике – для той или иной приложенной к предмету силы.

Электрика, прежде всего, интересует, что такое потенциал в электричестве. Из общего определения нетрудно вывести, что характеристика электрополя – это электрический потенциал. В своей статической форме электрический потенциал показывает потенциальную энергию одиночного «плюсового» заряда, помещаемого в данное место электрополя, и является одной из разновидностей электромагнитного потенциала. Вторая его форма – векторная (в отличие от скалярной), описывает магнитное поле.

Важно! Характеристика поля, описывающая зависимость работы при передвижении исключительно от исходной точки и места назначения, – это потенциальность поля. Траектория перемещения в этом случае на работу не влияет

Потенциал. Эквипотенциальные поверхности.

В механике взаимодействие тел характеризует силой или потенциальной энергией. Электрическое поле, которое обеспечивает взаимодействие между электрически заряженными телами, также характеризуют двумя величинами. Напряженность электрического поля — это силовая характеристика. Теперь введем энергетическую характеристику — потенциал. С помощью этой величины можно будет сравнивать между собой любые точки электрического поля. Таким образом, потенциал как характеристика поля должен зависеть от значения заряда, содержащегося в этих точках. Поделим обе части формулы A = W₁ — W₂ на заряд q, получим

Отношение W/q не зависит от значения заряда и принимается за энергетическую характеристику, которую называют потенциалом поля в данной точке. Обозначают потенциал буквой φ.

Потенциал электрического поля φ — скалярная энергетическая характеристика поля, которая определяется отношением потенциальной энергии W положительного заряда q в данной точке поля к величине этого заряда:

Единица потенциала — вольт:

Подобно потенциальной энергии значения потенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциала. Чаще всего в электродинамике за нулевой уровень берут потенциал точки, лежащей в бесконечности, а в электротехнике — на поверхности Земли.

С введением потенциала формулу для определения работы по перемещению заряда между точками 1 и 2 можно записать в виде

Поскольку при перемещении положительного заряда в направлении вектора напряженности электрическое поле выполняет положительную работу A = q (φ₁ — φ₂ )> 0, то потенциал φ₁ больше чем потенциал φ₂ . Таким образом, напряженность электрического поля направлена в сторону уменьшения потенциала.

Если заряд перемещать с определенной точки поля в бесконечность, то работа A = q (φ — φ_∞ ). Поскольку φ_∞ = 0, то A = qφ. Таким образом, величина потенциала φ определенной точки поля определяется работой, которую выполняет электрическое поле, перемещая единичный положительный заряд из этой точки в бесконечность,

Если электрическое поле создается точечным зарядом q, то в точке, лежащей на расстоянии r от него, потенциал вычисляют по формуле

По этой формуле рассчитывают и потенциал поля заряженного шара. В таком случае r — это расстояние от центра шара до выбранной точки поля. С этой формулы видно, что на одинаковых расстояниях от точечного заряда, который создает поле, потенциал одинаков. Все эти точки лежат на поверхности сферы, описанной радиусом r вокруг точечного заряда. Такую сферу называют эквипотенциальной поверхностью.

Эквипотенциальные поверхности — геометрическое место точек в электрическом поле, которые имеют одинаковый потенциал, — один из методов наглядного изображения электрических полей.

Эквипотенциальные поверхности электрических полей, созданных точечными зарядами разных знаков

Силовые линии всегда перпендикулярны эквипотенциальных поверхностей. Это означает, что работа сил поля по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.

В случае наложения электрических полей, созданных несколькими зарядами, потенциал электрического поля равен алгебраической сумме потенциалов полей, созданных отдельными зарядами, φ = φ₁ + φ₂ + φ₃ . Эквипотенциальные поверхности таких систем имеют сложную форму. Например, для системы из двух одинаковых по значению одноименных зарядов эквипотенциальные поверхности имеют вид, изображенный на рисунке. Эквипотенциальные поверхности однородного поля явлются плоскостями.

Эквипотенциальные поверхности: а — поля двух одинаковых зарядов б — однородного поля

Возникновение — контактная разность — потенциал

Разность потенциалов

Возникновение контактной разности потенциалов происходит прежде всего потому, что различные металлы характеризуются разной работой выхода. Электроны легче переходят из металла, для которого работа выхода имеет меньшее значение, в металл, для которого работа имеет большее значение, чем в обратном направлении. Первый металл заряжается положительно, второй отрицательно. При этом на их границе возникает двойной слой разноименных зарядов, внутри которого существует сильное электрическое поле. Легко понять, что это поле будет тормозить дальнейший переход электронов из первого металла во второй и в то же время способствовать их обратному переходу. В результате между этими двумя процессами устанавливается динамическое равновесие, при котором напряженность поля в двойном слое, а следовательно, и разность потенциалов, до которой заряжаются металлы, достигает максимального значения.  

Возникновение контактной разности потенциалов происходит вследствие двух причин: 1) разная работа выхода электронов, у различных металлов. Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно.  

Энергетическая диаграмма возникновения внешней контактной разности.| Энергетическая диаграмма возникновения вну.

Возникновение контактной разности потенциалов в случае контакта металл-полупроводник принципиально не отличается от контакта металл-металл, так как она будет определяться разностью работ выхода металла и полупроводника. Однако отличие свойств полупроводника от металла, обусловленное возможностью значительного изменения концентраций носителей заряда в полупроводниках, приводит к возникновению специфических явлений на контакте металл-полупроводник.  

Возникновение контактной разности потенциалов между соприкасающимися металлическими проводниками было открыто в конце XVI11 в.  

Схема, поясняющая контактную разность потенциалов в.

Возникновение контактной разности потенциалов определяется следующим процессом. При соприкосновении металлов в месте их контакта происходит взаимное перемещение электронов.  

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Объясните возникновение контактной разности потенциалов в контакте двух металлов и двух полупроводников.  

Рассмотрим возникновение контактной разности потенциалов при контакте полупроводника и металла.  

К объяснению контактной разности потенциалов.

Рассмотрим подробнее возникновение контактной разности потенциалов. Электроны в металле находятся в потенциальной яме. Точки 2 и-3 находятся при одном потенциале, как относящиеся к одному и тому же металлу. Точки 4 и 5 находятся при одном потенциале. Между точками 5 и 6 ( металл В и вакуум) снова будет скачок потенциала, так как электроны в металле В находятся в потенциальной яме. Эта последняя называется внешней контактной разностью потенциалов и она-то обычно и измеряется, поэтому ее часто называют просто контактной разностью потенциалов VAB — Благодаря разности потенциалов между точками / и 6 в зазоре между концами металлов А и В возникает электрическое поле, а на свободных поверхностях металлов А к В — электрические заряды.  

Характеристики р-ге-перехода.

С другой стороны, возникновение контактной разности потенциалов и электрического поля в переходе приводит к появлению тока проводимости, направленного навстречу диффузионному току. Ток проводимости образуется за счет дрейфа через переход дырок из области с электропроводностью n — титга, где они являются неосновными носителями, в область с электропроводностью р-типа и дрейфа электронов через переход из области с электропроводностью р-типа в область с электропроводностью л-типа. В установившемся режиме при отсутствии внешнего напряжения, поданного на пластину с p — n — переходом, между обоими токами ( проводимости и диффузионным) устанавливается динамическое равновесие. И так как они направлены навстречу друг другу, общий ток через пластину и переход равен нулю. Высота потенциального барьера автоматически устанавливается такой, чтобы было равновесие между двумя токами.  

Все остальные энергетические уровни после возникновения контактной разности потенциалов должны соответственно изогнуться. При этом энергетический уровень потолка верхней свободной зоны должен быть непрерывным. Обычно энергетический уровень потолка верхней свободной зоны является энергетическим уровнем потолка зоны проводимости, так как свободные энергетические зоны перекрываются друг с другом.  

Уравнивание и выравнивание

Разберем основные понятия и термины:

• Уравнивание потенциалов — нивелирование разности значений электрических потенциалов между металлическими элементами электроустановки, в помещении, где размещается электроустановка, включая токопроводящие элементы здания. При этом опасной считается ситуация, когда появляется возможность одновременного касания человека проводящих частей. Достигается не размыкаемым соединением всех токоведущих частей между собой с помощью проводников.
• Выравнивание потенциалов — это система снижения относительной разности электрических потенциалов между заземлением, доступными к прикосновению проводящими частями электроустановок, поверхностью земли и всеми металлоконструкциями здания. Для этого, система выравнивания потенциалов должна иметь не размыкаемое соединение с рабочим (защитным) заземлителем.

Кроме того, к выравниванию потенциалов относится снижение разности электрических потенциалов на поверхности грунта (пола, перекрытий) для предотвращения эффекта шагового напряжения.

Что означает термин «не размыкаемое»? Все токопроводящие линии соединены между собой постоянно (контактные колодки, винтовые соединения, пайка, сварка и прочее). Не допускается установка размыкающих устройств: плавких предохранителей, выключателей, защитных автоматов. То есть, вся система выравнивания потенциалов представляет собой единый токопроводящий контур, объединенный с аналогичным контуром защитного заземления.

Благодаря этим системам, во всех точках, которых может одновременно коснуться человек, происходит выравнивание электрического потенциала до одинакового значения. Ситуация, когда при одновременном касании в одной точке будет напряжение 220 вольт, а в другой 10 вольт, исключается.

Ваш дом становится абсолютно безопасным.

Разность потенциалов — энергетическая характеристика

Любой заряд при своем движении в электрическом поле имеет начальную позицию, точку в пространстве поля, которая характеризуется потенциалом φ_{начальное}, и конечную точку, которая также имеет свой потенциал φ_{конечное}. Разность между двумя этими величинами потенциалов называется Δφ — разность потенциалов, а иначе еще называют электрическим напряжением поля.

Следует различать электрическое напряжение поля в электростатическом потенциальном поле, где нет вихрей, и падение электрического напряжения в электротехнических цепях, а также напряжение, которое является ЭДС (электродвижущая сила). Для того, чтобы не было путаницы, обычно для электрического поля употребляют выражение «разность потенциалов», для электрических цепей — «падение напряжения», а для источников тока — «ЭДС источника». Когда отсутствует понимание различия таких определений, становится трудно разобраться в сути сложных явлений в мире электротехники, электроники и автоматики. Что же роднит все эти три такие похожие, но всё-таки различные понятия? Прежде всего общее здесь то, что все три характеризуют энергетическое состояние. Но далее, при ответе на вопрос «Энергетическое состояние чего?», идут различия. Разность потенциалов характеризует энергетику электрического потенциального поля, падение напряжения — для участка электрической цепи, а ЭДС источника — это энергетическая характеристика устройства создающего электрический ток. Общность при ответе на вопрос: «Что это?», а различия при ответе на вопрос «Где?». Всё познается в сравнении, поэтому необходимо отлично ориентироваться во всех трёх вышеуказанных понятиях.

Имеем некоторый путь пройденный зарядом q от точки A до точки B, от начального потенциала, к конечному, а разница между ними и есть разность потенциалов. О чем это нам говорит? Если Δφ=φ_A-φ_B (разность потенциалов), тогда чтобы узнать какую работу, которую совершил заряд проделавший путь, нам надо Δφ умножить на величину заряда q, причем надо учесть знак заряда.

Полученное значение является работой, которую совершает заряд при перемещении. Иначе говоря, потенциальная энергия поля преобразуется в кинетическую энергию заряда, а так как заряд, в случае движения в сторону противоположного ему знака уменьшает напряженность поля, то потенциальная энергия поля уменьшится.

В случае, если некоторые не кулоновские силы воздействуют на заряд и тем самым переместят его в сторону поля, где знак такой же как у заряда, то работа будет совершена с противоположным знаком, точнее сказать она будет затрачена извне и общее энергетическое состояние поля увеличится. В одном случае потенциальная энергия поля уменьшается, за счет того, что часть этой энергии переходит в кинетическую, а в другом случае, если действуют на заряд внешние механические силы против кулоновских сил — потенциальная энергия возрастает из внешнего источника. В первом случае заряд движется в сторону уменьшения своего энергетического состояния, а во втором случае он движется в сторону увеличения своего энергетического состояния. Соответственно работа совершатся может либо с положительным знаком, либо с отрицательным.

Чем отличается ЭДС от напряжения

Интересно многие сразу поняли, в чем разница между ЭДС и напряжением? И никого не поправлял учитель (учительница) по физике, когда на практических занятиях говорил (-ла) о том, что мы подключаем именно источник ЭДС, а не напряжения? В большинстве случаев мы с вами путались, потому что и ЭДС, и напряжение измеряется в Вольтах. Так давайте все-таки разберемся, чем принципиально отличается ЭДС от напряжения.

Что такое ЭДС

Итак, для начала давайте разберемся, что такое ЭДС. Электродвижущая сила (ЭДС) — это такая физическая величина, которая характеризует работу сторонних (не потенциальных) сил в источниках переменного либо же постоянного тока.

В замкнутой цепи ЭДС — это работа сил, совершаемая для перемещения единичного заряда вдоль всего контура.

Из выше представленного определения вытекает следующее: источниками ЭДС являются силы, которые не имеют прямое отношение к электростатике, но при этом они являются силами, которые создают движение заряда в замкнутой электрической цепочке.

yandex.ru

Например, при механическом вращении обмотки ротора в электромагнитном поле, в ней будет формироваться индукционная ЭДС. При этом формирование ЭДС будет проходить в каждом витке отдельно, но при этом электродвижущая сила соседних витков будет складываться, и на выходе мы будем иметь сумму ЭДС всех витков.

Если посмотреть на аккумуляторные батареи, то в них источником ЭДС является химическая реакция.

Кроме этого источниками могут выступать так называемые элементы Пельтье, в которых ЭДС образуется при термическом нагреве.

Пьезоэффект (когда при механическом воздействии на материал на его концах образуется разность потенциалов) также относится к источникам ЭДС. Впрочем, как и фотоэффект.

yandex.ru

Из выше представленных примеров видно, что, применяя различные материалы и способы их взаимодействия, можно получить ЭДС, способную организовать упорядоченное движение заряженных частиц в замкнутом контуре

Условно принято считать, что ЭДС — это работа в 1 Джоуль, совершаемая при перемещении заряда в 1 Кулон и измеряется в Вольтах.

ЭДС = 1Джоуль/1Кулон= 1 Вольт.
Ну а теперь давайте переключим свое внимание на напряжение.

Что такое напряжение

Итак, напряжение измеряется в аналогичных величинах, то есть в Вольтах. И напряжение — это разница потенциалов между двумя точками цепочки. Причем данные потенциалы рассматриваются только в электростатическом поле.

Получается, если мы с вами будем перемещать заряд величиной в 1 Кулон и точку №1 в точку №2, мы так же будем совершать работу в 1 Джоуль, при том условии, что разница потенциалов между точками будет равна 1 Вольт.

Вроде одно и то же, но в случае с напряжением обязательным условием является наличие электростатического поля. А откуда оно взялось? Так вот источником этого поля и является подключенный к цепи источник ЭДС.

Если провести аналогию с водонапорной башней, то можно представить следующую картинку:

yandex.ru

Получается, если мы с вами возьмем любой гальванический элемент, например, батарейку и измерим с помощью мультиметра его напряжение без подключенной нагрузки, то таким образом мы получим величину ЭДС.

Если же мы с вами создадим замкнутую цепь, в которую будет включена любая нагрузка, то, измеряя напряжение на тех же выводах батарейки, мы с вами увидим уже напряжение, и оно будет несколько меньше чем величина ЭДС.

Это связано с тем, что внутри любого источника ЭДС присутствует внутреннее сопротивление и когда мы подключаем нагрузку, происходит падение напряжения не только на концах нагрузки, но и на самом внутреннем сопротивлении источника ЭДС.