Что такое эдс индукции и когда возникает?

Как образуется ЭДС

Идеальный источник ЭДС – генератор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение на его зажимах не зависит от нагрузки. Мощность идеального источника ЭДС бесконечна. Реальный источник ЭДС, в отличие от идеального, содержит внутреннее сопротивление Ri и его напряжение зависит от нагрузки (рис. 1., б), а мощность источника конечна. Электрическая схема реального генератора ЭДС представляет собой последовательное соединение идеального генератора ЭДС Е и его внутреннего сопротивления Ri.

Будет интересно Что такое короткое замыкание

На практике для того чтобы приблизить режим работы реального генератора ЭДС к режиму работы идеального, внутреннее сопротивление реального генератора Ri стараются делать как можно меньше, а сопротивление нагрузки Rн необходимо подключать величиной не менее чем в 10 раз большей величины внутреннего сопротивления генератора, т.е. необходимо выполнять условие: Rн >> Ri

Для того чтобы выходное напряжение реального генератора ЭДС не зависело от нагрузки, его стабилизируют применением специальных электронных схем стабилизации напряжения. Поскольку внутреннее сопротивление реального генератора ЭДС не может быть выполнено бесконечно малым, его минимизируют и выполняют стандартным для возможности согласованного подключения к нему потребителей энергии. В радиотехнике величины стандартного выходного сопротивления генераторов ЭДС составляют 50 Ом (промышленный стандарт) и 75 Ом (бытовой стандарт).

Например, все телевизионные приемники имеют входное сопротивление 75 Ом и подключены к антеннам коаксиальным кабелем именно такого волнового сопротивления. Для приближения к идеальным генераторам ЭДС источники питающего напряжения, используемые во всей промышленной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре, выполняют с применением специальных электронных схем стабилизации выходного напряжения, которые позволяют выдерживать практически неизменное выходное напряжение источника питания в заданном диапазоне токов, потребляемых от источника ЭДС (иногда его называют источником напряжения).

На электрических схемах источники ЭДС изображаются так: Е — источник постоянной ЭДС, е(t) – источник гармонической (переменной) ЭДС в форме функции времени. Электродвижущая сила Е батареи последовательно соединенных одинаковых элементов равна электродвижущей силе одного элемента Е, умноженной на число элементов n батареи: Е = nЕ.


Постоянный ток и ЭДС.

ссылки

  1. Собственная индуктивность. Circuits RL (2015): Восстановлено: tutorialesinternet.files.wordpress.com
  2. Chacón, F. Electrotecnia: Основы электротехники. Папский университет Комильяс ICAI-ICADE. 2003.
  3. Определение индуктивности (с.ф.). Получено от: definicionabc.com
  4. Индуктивность (с.ф.). Гавана, Куба Получено от: ecured.cu
  5. Взаимная индуктивность (с.ф.). Гавана, Куба Получено от: ecured.cu
  6. Индукторы и индуктивность (с.ф.). Получено от: physicapractica.com
  7. Olmo, M (s.f.). Связь индуктивностей. Получено от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  8. Что такое индуктивность? (2017). Восстановлено с: sectorelectricidad.com
  9. Википедия, Свободная энциклопедия (2018). Самоиндукции. Получено с: en.wikipedia.org
  10. Википедия, Свободная энциклопедия (2018). Индуктивность. Получено с: en.wikipedia.org

Индуктивность

Оценим величину возникающей ЭДС самоиндукции.

Согласно закону электромагнитной индукции:

$$\mathscr{E}_{is}=-{ΔФ\over Δt}$$

Изменение же индукции и наведенного магнитного потока пропорционально изменению тока в катушке (если не меняется ориентация катушки и площадь ее сечения):

$$\Delta B \sim \Delta \Phi \sim \Delta I$$

То есть, изменение потока можно приравнять изменению тока, введя коэффициент пропорциональности $L$, и получить следующее выражение для ЭДС самоиндукции:

$$\mathscr{E}_{is}=-L{\Delta I\over \Delta t}$$

Коэффициент пропорциональности $L$, входящий в эту формулу, является важной характеристикой катушки, и называется индуктивность. Физический смысл ее в том что это ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1A за 1с

За единицу индуктивности в СИ принят 1 Генри. (Гн). Такую индуктивность имеет катушка или проводник, в котором при изменении силы тока на 1А возникает ЭДС самоиндукции 1В:

$$Генри = {Вольт × секунда \over Ампер}$$

Улучшение соединений между платами

Задумывались ли вы, почему кабели иногда включают в себя многочисленные заземления? В некоторых случаях для безопасного переноса всего обратного тока требуется несколько заземляющих проводов, но в слаботочных приложениях они помогают предотвратить излишнюю связь между соседними проводниками на основе взаимной индуктивности.

Если между проводником и ближайшим общим проводом имеется большое расстояние, путь тока этого проводника будет иметь бо́льшую площадь петли. Соседний проводник также будет иметь площадь петли аналогичного размера (немного больше или немного меньше, в зависимости от того, где находится общий провод). Следовательно, взаимная индуктивность будет высокой. Вы можете уменьшить размер петель, распределив провода заземления по всему кабелю, и если вы действительно хотите минимизировать взаимную индуктивность, вы можете соединить каждую пару сигнальных проводов с общим проводом.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии

Для поддержания электрического тока в проводнике требуется внешний источник энергии, создающий все время разность потенциалов между концами этого проводника. Такие источники энергии получили название источников электрической энергии (или источников тока). Источники электрической энергии обладают определенной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС), которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов между концами проводника.

Источник электрической энергии производит определенную работу, перемещая электрические заряды по всей замкнутой цепи. За единицу измерения электродвижущей силы принят вольт (сокращенно вольт обозначается буквой В или V — «вэ» латинское). ЭДС источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении одного кулона электричества по всей замкнутой, цепи источник электрической энергии совершает работу, равную одному джоулю:

Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии.

В практике для измерения ЭДС используются как более крупные, так и более мелкие единицы, а именно:

  • 1 киловольт (кВ, kV), равный 1000 В;
  • 1 милливольт (мВ, mV), равный одной тысячной доле вольта (10-3 В),
  • 1 микровольт (мкВ, μV), равный одной миллионной доле вольта (10-6 В).

Очевидно, что 1 кВ = 1000 В; 1 В = 1000 мВ = 1 000 000 мкВ; 1 мВ= 1000 мкВ.

В настоящее, время существует несколько видов источников электрической энергии. Впервые в качестве источника электрической энергии была использована гальваническая батарея, состоящая из нескольких цинковых и медных кружков, между которыми была проложена кожа, смоченная в подкисленной воде. В гальванической батарее химическая энергия превращалась в электрическую (подробнее об этом будет рассказано в главе XVI). Свое название гальваническая батарея получила по имени итальянского физиолога Луиджи Гальвани (1737—1798), одного из основателей учения об электричестве.

Многочисленные опыты по усовершенствованию и практическому использованию гальванических батарей были проведены русским ученым Василием Владимировичем Петровым. Еще в начале прошлого века он создал самую большую в мире гальваническую батарею и использовал ее для ряда блестящих опытов. Источники электрической энергии, работающие по принципу преобразования химической энергии в электрическую, называются химическими источниками электрической энергии.

Другим основным источником электрической энергий, получившим широкое применение в электротехнике и радиотехнике, является генератор. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую. У химических источников электрической энергии и у генераторов электродвижущая сила проявляется одинаково, создавая на зажимах источника разность потенциалов и поддерживая ее длительное время.

Эти зажимы называются полюсами источника электрической энергии. Один полюс источника электрической энергии имеет положительный потенциал (недостаток электронов), обозначается знаком плюс ( + ) и называется положительным полюсом.

Другой полюс имеет отрицательный потенциал (избыток электронов), обозначается знаком минус (—) и называется отрицательным полюсом. От источников электрической энергии электрическая энергия передается по проводам к ее потребителям (электрические лампы, электродвигатели, электрические дуги, электронагревательные приборы и т. д.).

Примеры решения задач

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго:

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

ФОРМУЛЫ
Электродвижущая сила
Сила тока
Сопротивление
Разность потенциалов

Решение: Электродвижущая сила гальванического элемента есть величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.

Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов.

ЭДС определяется по формуле:

Сила тока определяется по формуле:

Сопротивление определяется по формуле:

Разность потенциалов определяется по формуле:

Правильный ответ:

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ ФОРМУЛЫ
Электродвижущая сила
Сила тока
Сопротивление
Разность потенциалов

Часто задаваемые вопросы

Что такое электродвижущая сила?
Это отношение работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к абсолютной величине этого заряда.

Что такое электрическая цепь?
Набор устройств, которые соединены проводниками, предназначенный для протекания тока.

Как звучит закон Ома для полной цепи?
Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Урок «Закон Ома. ЭДС»

Э-119

Урок: 85-88

Предмет: физика

Тема: Закон Ома. ЭДС.

Уважаемые студенты:

  1. изучите опорный конспект,
  2. ответьте письменно на вопросы КДЗ –II,
  3. выполните тест по данной теме,
  4. выполненное задание отправляйте на электронную почту до 11 апреля.

Тест.

1. Сторонние силы — это

….

  1. Кулоновские силы.
  2. Силы, действующие на электрические заряды.
  3. Силы, неэлектрического происхождения.
  4. Силы, уравновешивающие друг друга и действующие в противоположных направлениях.

2. Выберете верные утверждения

  1. Электродвижущая сила измеряется в вольтах.
  2. Электродвижущая сила — это пример сторонней силы.
  3. Электродвижущая сила — это отношение работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда.
  4. Электродвижущая сила — это разность между работой сторонних сил и работой кулоновских сил.

3. Если в цепь последовательно включены несколько источников тока, то полная ЭДС равна…

  1. Алгебраической сумме ЭДС каждого источника.
  2. Геометрической сумме ЭДС каждого источника.
  3. Сумме модулей ЭДС каждого источника.
  4. Алгебраической или геометрической сумме ЭДС каждого источника, в зависимости от направления обхода тока.

4. При коротком замыкании верно следующее:

  1. Внешнее сопротивление цепи близко к нулю.
  2. Внутреннее сопротивление источника тока близко к нулю.
  3. Сила тока в цепи многократно превышает силу тока при нормальной работе этой цепи.
  4. Напряжение на источнике тока многократно превышает напряжение при нормальной работе.

5.ЭДС источника тока равна 36 В. Когда к нему подключили резистор, равный 50 Ом, сила тока в цепи составила 0,7 А. Чем равно внутреннее сопротивление источника (в Ом)? Ответ дайте с точностью до десятых.

6. Когда к источнику тока с внутренним сопротивлением 1 Ом подключили резистор с сопротивлением 4 Ом, сила тока в цепи приняла некоторое значение I. Резистор с каким сопротивлением (в Ом) надо подключить к этому источнику, чтобы сила тока в цепи стала равна I/2?

7. При разомкнутой цепи ЭДС источника тока равна

  1. разности потенциалов на клеммах источника.
  2. работе, совершаемой сторонними силами при перемещении заряда.
  3. сопротивлению внешнего участка цепи.
  4. сопротивлению внутреннего участка цепи.

8. Сопоставьте.

А. источник тока

В. соединительные провода

  1. участок цепи, на котором носители заряда движутся под действием сторонних и электрических сил

С. нагрузка

D. ключ

9. Укажите верную формулировку закона Ома для полной цепи.

  1. Cила тока в полной электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
  2. Cила тока в полной электрической цепи прямо пропорциональна полному сопротивлению цепи и обратно пропорциональна ЭДС источника тока.
  3. I = E/(R + r)
  4. I = (R + r)/E

10. К резистору сопротивлением 7 Ом подключают последовательно резистор сопротивлением 3 Ом. При этом в цепи течет ток силой 1 А. Определите ЭДС источника токаε, если их внутренние сопротивления равны соответственно 0,2 Ом.

Законы Фарадея и Ленца

Электрические токи создают магнитные эффекты. А возможно ли, чтобы магнитное поле порождало электрическое? Фарадей обнаружил, что искомые эффекты возникают вследствие изменения МП во времени.

Когда проводник пересекается переменным магнитным потоком, в нем индуцируется электродвижущая сила, вызывающая электроток. Системой, которая генерирует ток, может быть постоянный магнит или электромагнит.

Явление электромагнитной индукции регулируется двумя законами: Фарадея и Ленца.

Закон Ленца позволяет охарактеризовать электродвижущую силу относительно ее направленности.

Важно! Направление индуцированной ЭДС такое, что вызванный ею ток стремится противостоять создающей его причине. Фарадей заметил, что интенсивность индуцированного тока растет, когда быстрее изменяется число силовых линий, пересекающих контур

Другими словами, ЭДС электромагнитной индукции находится в прямой зависимости от скорости движущегося магнитного потока

Фарадей заметил, что интенсивность индуцированного тока растет, когда быстрее изменяется число силовых линий, пересекающих контур. Другими словами, ЭДС электромагнитной индукции находится в прямой зависимости от скорости движущегося магнитного потока.


ЭДС индукции

Формула ЭДС индукции определена как:

Е = — dФ/dt.

Знак «-» показывает, как полярность индуцированной ЭДС связана со знаком потока и меняющейся скоростью.

Получена общая формулировка закона электромагнитной индукции, из которой можно вывести выражения для частных случаев.

Причины возникновения индукционного тока в движущихся и неподвижных проводниках

Причин, по которым может происходить изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, две:

  1. Изменение магнитного потока вследствие перемещения всего контура или отдельных его частей в магнитном поле, которое не изменяется со временем;
  2. Изменение магнитного поля при неподвижном контуре.

Перейдем к рассмотрению этих случаев подробнее.

Перемещение контура или его частей в неизменном магнитном поле

При движении проводников и свободных носителей заряда в магнитном поле возникает ЭДС индукции. Объяснить возникновение δинд можно действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца здесь – это сторонняя сила.

Пример 2

На рисунке мы изобразили пример индукции, когда прямоугольный контур помещен в однородное магнитное поле B→ направленное перпендикулярно плоскости контура. Одна из сторон контура перемещается по двум другим сторонам с некоторой скоростью.

Рисунок 1.20.3. Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Отражена составляющая силы Лоренца, которая действует на свободный электрон

На свободные заряды подвижной части контура воздействует сила Лоренца. Основная составляющая силы Лоренца в данном случае направлена вдоль проводника и связана с переносной скоростью зарядов υ→. Модуль этой сторонней силы равен:

FЛ=eυ→B.

Работа силы FЛ на пути l равна:

A=FЛ·l=eυBl.

По определению ЭДС: 

δинд=Ae=υBl.

Значение сторонней силы для неподвижных частей контура равно нулю. Для соотношения δинд можно записать другой вариант формулы. Площадь контура с течением времени изменяется на ΔS=lυΔt. Соответственно, магнитный поток тоже будет с течением времени изменяться: ΔΦ=BlυΔt.

Следовательно, 

δинд=∆Φ∆t.

Знаки в формуле, которая связывает δинд и ∆Φ∆t, можно установить в зависимости от того, какие направления нормали и направления контура будут выбраны. В случае выбора согласованных между собой по правилу правого буравчика направлений нормали n→ и положительного направления обхода контура l→ можно прийти к формуле Фарадея.

При условии, что сопротивление всей цепи – это R, то по ней будет протекать индукционный ток, который равен Iинд=δиндR. За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло:

∆Q=RIинд2∆t=υ2B2l2R∆t

Парадокса здесь нет. Мы просто не учли воздействие на систему еще одной силы. Объяснение заключается в том, что при протекании индукционного тока по проводнику, расположенному в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, которая связана с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Благодаря этой составляющей появляется сила Ампера FА→.

Для рассмотренного выше примера модуль силы Ампера равен FA =IBl. Направление силы Ампера таково, что она совершает отрицательную механическую работу Aмех. Вычислить эту механическую работу за определенный период времени можно по формуле:

Aмех=-Fυ∆t=-IBlυ∆t=-υ2B2l2R∆t

Проводник, перемещающийся в магнитном поле, испытывает магнитное торможение. Это приводит к тому, что полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло может выделяться либо за счет уменьшения кинетической энергии движущегося проводника, либо за счет энергии, которая поддерживает скорость перемещения проводника в пространстве.

Изменение магнитного поля при неподвижном контуре

Определение 3

Вихревое электрическое поле – это электрическое поле, которое вызывается изменяющимся магнитным полем.

В отличие от потенциального электрического поля работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому проводящему контуру равна δинд в неподвижном проводнике.

В неподвижном проводнике электроны могут приводиться в движение только под действием электрического поля. А возникновение δинд нельзя объяснить действием силы Лоренца.

Первым, кто ввел понятие вихревого электрического поля, был английский физик Джон Максвелл. Случилось это в 1861 году.

Фактически, явления индукции в подвижных и неподвижных проводниках протекают одинаково. Так что в этом случае мы тоже можем использовать формулу Фарадея. Отличия касаются физической причины возникновения индукционного тока: в движущихся проводниках δинд обусловлена силой Лоренца, в неподвижных – действием на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Рисунок 1.20.4. Модель электромагнитной индукции

Рисунок 1.20.5. Модель опытов Фарадея

Рисунок 1.20.6. Модель генератора переменного тока

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Как образуется ЭДС

Идеальный источник ЭДС – генератор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение на его зажимах не зависит от нагрузки. Мощность идеального источника ЭДС бесконечна. Реальный источник ЭДС, в отличие от идеального, содержит внутреннее сопротивление Ri и его напряжение зависит от нагрузки (рис. 1., б), а мощность источника конечна. Электрическая схема реального генератора ЭДС представляет собой последовательное соединение идеального генератора ЭДС Е и его внутреннего сопротивления Ri.

Будет интересно Что такое заземление простыми словами

На практике для того чтобы приблизить режим работы реального генератора ЭДС к режиму работы идеального, внутреннее сопротивление реального генератора Ri стараются делать как можно меньше, а сопротивление нагрузки Rн необходимо подключать величиной не менее чем в 10 раз большей величины внутреннего сопротивления генератора, т.е. необходимо выполнять условие: Rн >> Ri

Для того чтобы выходное напряжение реального генератора ЭДС не зависело от нагрузки, его стабилизируют применением специальных электронных схем стабилизации напряжения. Поскольку внутреннее сопротивление реального генератора ЭДС не может быть выполнено бесконечно малым, его минимизируют и выполняют стандартным для возможности согласованного подключения к нему потребителей энергии. В радиотехнике величины стандартного выходного сопротивления генераторов ЭДС составляют 50 Ом (промышленный стандарт) и 75 Ом (бытовой стандарт).

Например, все телевизионные приемники имеют входное сопротивление 75 Ом и подключены к антеннам коаксиальным кабелем именно такого волнового сопротивления. Для приближения к идеальным генераторам ЭДС источники питающего напряжения, используемые во всей промышленной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре, выполняют с применением специальных электронных схем стабилизации выходного напряжения, которые позволяют выдерживать практически неизменное выходное напряжение источника питания в заданном диапазоне токов, потребляемых от источника ЭДС (иногда его называют источником напряжения).

На электрических схемах источники ЭДС изображаются так: Е — источник постоянной ЭДС, е(t) – источник гармонической (переменной) ЭДС в форме функции времени. Электродвижущая сила Е батареи последовательно соединенных одинаковых элементов равна электродвижущей силе одного элемента Е, умноженной на число элементов n батареи: Е = nЕ.

Постоянный ток и ЭДС.

3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции

База знаний ЕГЭ Физика 27-08-2017, 20:05

Видеоурок 1: Явление электромагнитной индукции

Видеоурок 2: ЭДС индукции в движущихся проводниках

Лекция: Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции

Электромагнитная индукция

Как уже говорилось ранее, вокруг проводника, по которому направленно движутся заряженные частицы. Однако, после Эрстеда М.Фарадей доказал иное предположение — магнитное поле способное породить электрическое поле.

Ученый провел достаточно интересный эксперимент. Он взял деревянную основу, на которую намотал одну катушку, а между её витками — вторую. При этом обе катушки не соприкасались друг с другом. Первая была подключена к источнику тока, а вторая к гальванометру. Когда первая замыкалась, на второй наблюдались небольшие изменения, то есть по ней начинал двигаться ток. Однако стоит отметить, что данное наблюдение имело место только в случае с переменным током в первой катушке, если по ней бежал постоянный ток, никаких изменений во второй катушке не наблюдалось.

Так же стоит обратить внимание на то, что кратковременные импульсы во второй катушке также наблюдались в момент подключения и отключения первой катушки к источнику тока. Причем направление тока второй катушки менялось

После проведенного эксперимента ученый сделал вывод, что в случае изменения магнитного поля на проводнике, который подключен к источнику тока, возникает индукционный ток. В случае, если ток на первой катушке возрастал, то индукционный ток второго проводника бежал в одном направлении, а в случае уменьшения первого, второй начинал бежать в противоположном направлении. Это явление называется электромагнитной индукцией.

После первого эксперимента Фарадей начал проводить и другие опыты — он начинал перемещать катушки относительно друг друга. Тогда он заметил, что чем быстрее происходит изменение катушек в пространстве, тем больший ток возникает в том проводнике, который не подключен к питанию.

Данное явление так же можно наблюдать и при использовании магнита. Если изменять положение магнита относительно катушки, подключенной к гальванометру, то его показания будут меняться. И чем быстрее происходит перемещение, тем больше они изменяются.

Самопроизвольно заряды не могут получить направленного движения, поэтому существуют некоторые сторонние силы, влияющие на изменение потенциал проводник. Поэтому во время возникновения тока в проводнике в случае изменения магнитного поля можно говорить, что в проводнике возникает ЭДС. В данном случае эта сила называется ЭДС индукции

Данная величина характеризует необходимую работу, которая была выполнена измененным магнитным полем, для перемещения заряда.

Предыдущий урок Следующий урок