Що таке ЕРС(Електрорушійна сила) у фізиці? Електричний струм зрозумілий далеко не кожному. Як космічна далечінь, тільки під самим носом. Взагалі він і вченим зрозумілий не до кінця. Досить згадати з його знаменитими експериментами, що на віки випередили свій час і навіть у наші дні таємниці, що залишаються в ореолі. Сьогодні ми не розгадуємо великих таємниць, але намагаємося розібратися в тому, що таке ЕРС у фізиці.

Визначення ЕРС у фізиці

ЕРС– електрорушійна сила. Позначається буквою E або маленькою грецькою літероюепсілон.

Електрорушійна сила- скалярна фізична величина, що характеризує роботу сторонніх сил ( сил неелектричного походження), що діють в електричних ланцюгах змінного та постійного струму.

ЕРС, як і напругие, вимірюється у вольтах. Однак ЕРС та напруга – явища різні.

Напруга(між точками А і Б) – фізична величина, що дорівнює роботі ефективного електричного поля, що здійснюється при перенесенні одиничного пробного заряду з однієї точки до іншої.

Пояснюємо суть ЕРС "на пальцях"

Щоб розібратися в тому, що є, можна навести приклад-аналогію. Припустимо, що у нас є водонапірна вежа, повністю заповнена водою. Порівняємо цю вежу з батареєю.

Вода чинить максимальний тиск на дно вежі, коли вежа заповнена повністю. Відповідно, чим менше води в вежі, тим слабший тиск і натиск води, що витікає з крана. Якщо відкрити кран, вода поступово витікатиме спочатку під сильним натиском, а потім все повільніше, поки натиск не ослабне зовсім. Тут напруга – це той тиск, який вода чинить на дно. За рівень нульової напруги приймемо саме дно вежі.

Те саме і з батарейкою. Спочатку ми включаємо наше джерело струму (батарейку) у ланцюг, замикаючи його. Нехай це буде годинник або ліхтарик. Поки рівень напруги достатній і батарейка не розрядилася, ліхтарик світить яскраво, потім поступово гасне, поки зовсім не згасне.

Але як зробити так, щоб натиск не зникав? Іншими словами, як підтримувати у вежі постійний рівень води, а на полюсах джерела струму – постійну різницю потенціалів. За прикладом вежі ЕРС є насосом, який забезпечує приплив в вежу нової води.

Природа ЕРС

Причина виникнення ЕРС різних джерел струму різна. За природою виникнення розрізняють такі типи:

• Хімічна ЕРС.Виникає в батареях та акумуляторах внаслідок хімічних реакцій.
• Термо ЕРС.Виникає, коли контакти різнорідних провідників з'єднані при різних температурах.
• ЕРС індукції. Виникає в генераторі при приміщенні провідника, що обертається, в магнітне поле. ЕРС наводитиметься у провіднику, коли провідник перетинає силові лінії постійного магнітного поляабо коли магнітне поле змінюється за величиною.
• Фотоелектрична ЕРС.Виникненню цієї ЕРС сприяє явище зовнішнього чи внутрішнього фотоефекту.
• П'єзоелектрична ЕРС.ЕРС виникає при розтягуванні чи стисканні речовин.

Дорогі друзі, сьогодні ми розглянули тему ЕРС для чайників. Як бачимо, ЕРС – сила неелектричного походження, яка підтримує перебіг електричного струму в ланцюзі. Якщо Ви хочете дізнатися, як вирішуються завдання з ЕРС, радимо звернутися до – скрупульозно відібраних та перевірених фахівців, які швидко та зрозуміло роз'яснять хід рішення будь-який тематичного завдання. І за традицією наприкінці пропонуємо Вам переглянути навчальне відео. Приємного перегляду та успіхів у навчанні!

« Фізика – 10 клас»

Будь-яке джерело струму характеризується електрорушійною силою, або скорочено ЕРС. Так, на круглій батарейці для кишенькового ліхтариканаписано: 1,5 Ст.
Що це означає?

Якщо з'єднати провідником дві різноіменно заряджені кульки, то заряди швидко нейтралізують один одного, потенціали кульок стануть однаковими, та електричне поле зникне (рис. 15.9, а).

Сторонні сили.

Для того, щоб струм був постійним, треба підтримувати постійну напругу між кульками. Для цього необхідний пристрій (джерело струму), який би переміщував заряди від однієї кульки до іншої в напрямку, протилежному напрямку сил, що діють на ці заряди з боку електричного поля кульок. У такому пристрої на заряди, крім електричних сил, повинні діяти сили неелектростатичного походження (рис. 15.9 б). Одне лише електричне поле заряджених частинок ( кулонівське поле) не здатне підтримувати постійний струм у ланцюзі.

Будь-які сили, що діють на електрично заряджені частинки, за винятком сил електростатичного походження (тобто кулонівських), називають сторонніми силами.

Висновок про необхідність сторонніх сил для підтримки постійного струму в ланцюзі стане ще очевиднішим, якщо звернутися до закону збереження енергії.

Електричне поле потенційно. Робота цього поля при переміщенні в ньому заряджених частинок по замкнутій електричного ланцюгадорівнює нулю. Проходження струму по провідниках супроводжується виділенням енергії - провідник нагрівається. Отже, у ланцюзі має бути якесь джерело енергії, що постачає її в ланцюг. У ньому, окрім кулонівських сил, обов'язково мають діяти сторонні, непотенційні сили. Робота цих сил уздовж замкнутого контуру має бути відмінна від нуля.

Саме в процесі виконання роботи цими силами заряджені частинки набувають усередині джерела струму енергію і віддають її потім провідникам електричного ланцюга.

Сторонні сили надають руху заряджені частинки всередині всіх джерел струму: в генераторах на електростанціях, в гальванічних елементах, акумуляторах і т.д.

При замиканні ланцюга створюється електричне поле у ​​всіх провідниках ланцюга. Усередині джерела струму заряди рухаються під дією сторонніх сил проти кулонівських сил(Електрони від позитивно зарядженого електрода до негативного), а в зовнішньому ланцюгу їх приводить в рух електричне поле (див. рис. 15.9, б).

Природа сторонніх сил.

Природа сторонніх сил може бути різноманітною. У генераторах електростанцій сторонні сили - це сили, що діють з боку магнітного поля на електрони в провіднику, що рухається.

У гальванічному елементі, наприклад, в елементі Вольта, діють хімічні сили.

Елемент Вольта складається з цинкового та мідного електродів, поміщених у розчин сірчаної кислоти. Хімічні сили викликають розчинення цинку у кислоті. У розчин переходять позитивно заряджені іони цинку, а сам цинковий електрод у своїй заряджається негативно. (Мідь дуже мало розчиняється в сірчаній кислоті.) Між цинковим і мідним електродами з'являється різниця потенціалів, яка і обумовлює струм у зовнішньому електричному ланцюзі.

Дія сторонніх сил характеризується важливою фізичною величиноюзваної електрорушійною силою(Скорочено ЕРС).

Електрорушійна силаджерела струму дорівнює відношенню роботи сторонніх сил при переміщенні заряду по замкнутому контуру до абсолютної величиницього заряду:

Електрорушійну силу як і напруга, виражають у вольтах.

Різниця потенціалів на клемах батареї при розімкнутому ланцюзі дорівнює електрорушійній силі. ЕРС одного елемента батареї зазвичай 1-2 Ст.

Можна говорити також про електрорушійну силу і на будь-якій ділянці ланцюга. Це питома робота сторонніх сил (робота з переміщення одиничного заряду) не в усьому контурі, а лише на цій ділянці.

Електрорушійна сила гальванічного елемента є величина, чисельно рівна роботі сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду всередині елемента від одного полюса до іншого.

Робота сторонніх сил може бути виражена через різницю потенціалів, оскільки сторонні сили непотенційні та його робота залежить від форми траєкторії переміщення зарядів.

Для підтримки заданого значення електричного струму у провіднику потрібно якийсь зовнішнє джерелоенергії, який постійно забезпечував би потрібну різницю потенціалів на кінцях цього провідника. Такими джерелами енергії є так звані джерела електричного струму, які мають якусь задану електрорушійною силою, яка здатна створити та тривалий часпідтримувати різницю потенціалів.

Електрорушійна сила або скорочено ЕРС позначається латинською літерою Е. Одиницею виміру є вольт. Таким чином, щоб отримати безперервний рух електричного струму у провіднику, потрібна електрорушійна сила, тобто потрібне джерело електричного струму.

Історична довідка. Першим подібним джерелом струму в електротехніці був "вольтовий стовп", який був зроблений з кількох мідних і цинкових гуртків, прокладених коров'ячою шкірою, змоченою в слабкому розчині кислоти. Таким чином, самим простим способомотримання електрорушійної сили вважається хімічна взаємодіяряду речовин і матеріалів, у результаті хімічна енергія перетворюється на електричну енергію. Джерела живлення, у яких подібним методом генерується електрорушійна сила ЕРС, отримали назву хімічних джерел струму.

Сьогодні хімічні джерела живлення - батарейки та всі можливі види акумуляторів - набули величезного поширення в електроніці та електротехніці, а також електроенергетиці.

Також поширені й різні види генераторів, які в ролі єдиного джерела здатні запитати електричною енергією. промислові підприємствадати освітлення в міста, на функціонування систем залізниць, трамваїв та метро.

ЕРС діє однаково як на хімічні джерела, так і на генератори. Її дія полягає у створенні різниці потенціалів на кожному із затискачів джерела живлення та підтримці її протягом усього необхідного часу. Затискачі джерела живлення називають полюсами. В одному з полюсів завжди створюється нестача електронів, тобто. такий полюс має позитивний заряд і маркується. + », але в іншому навпаки створюється підвищена концентрація вільних електронів, тобто. цей полюс має негативний заряд і маркується знаком - ».

Джерела ЕРС застосовуються для підключення різних приладів та пристроїв, що є споживачами електричної енергії. За допомогою дротів споживачі підключаються до полюсів джерел струму, так що виходить замкнутий електричний ланцюг. Різниця потенціалів, що виникла в замкнутому електроланцюзі отримало назву і позначають латинською літерою «U». Одиниця виміру напруги один вольт. Наприклад, запис U=12 Вговорить про те, що напруга джерела ЕРС становить 12 ст.

Для того, щоб виміряти напругу або ЕРС застосовують спеціальний вимірювальний прилад - .

При необхідності здійснити правильні вимірювання ЕРС або напруги джерела живлення, вольтметр приєднують безпосередньо до полюсів. При розімкнутому електричному ланцюзі вольтметр показуватиме ЕРС. При замкнутому ланцюзі вольтметр виведе на дисплей значення напруги на кожному затиску джерела живлення. PS: Джерело струму завжди розвиває більшу ЕРС, ніж напруга на затискачах.

Відео урок: ЕРС

Відео урок: Електрорушійна сила від вчителя фізики

Напруга на кожному з затискачів джерела струму менше електрорушійної сили на значення величини падіння напруги, що має місце бути на внутрішньому опорі джерела живлення:

Ідеальне джерело

У ідеальних джерел, напруга на затискачах залежить від величини споживаного струму.

Всі джерела електрорушійної сили мають характеристики, що їх характеризують: напруга холостого ходу U хх, Струм короткого замикання I кзта внутрішній опір (для джерела постійного струму R вн). U хх- Це напруга при струмі джерела рівним нулю. У ідеального джерела за будь-якого струму U хх = 0. I кз- Це струм при напрузі, що дорівнює нулю. У ідеального джерела напруги він нескінченний I кз = ∞. Внутрішній опір визначається із співвідношень. Так як напруга у ідеального джерела напруги постійно при будь-якому струмі ΔU = 0,то його внутрішній опір також має нульові значення.

R вн = U / I = 0;

При позитивній напрузі та струмі джерело надсилає свою електричну енергію в ланцюжок і працює в режимі генератора. При протилежному русі струму джерело приймає електричну енергію з ланцюга і працює в режимі приймача.

У разі ідеального джерела струму його значення, не залежить від величини напруги на його затисках: I = const.

Оскільки струм у ідеального джерела струму незмінний ΔI = 0, то він має внутрішній опір, що дорівнює нескінченності.

R вн = U / I = ∞

При позитивній напрузі та струмі джерело шле в ланцюг енергію та працює в режимі генератора. При зворотному напрямку він працює як приймача.

Реальне джерело електрорушійної сили

У реального джерела електрорушійної сили напруга на затискачах знижується зі збільшенням струму. Такий ВАХ відповідає рівняння для визначення напруги за будь-якого значення струму.

U = U xx - R вн × I,

Де , обчислюється за формулою

R вн = U / Δ I ≠ 0

Його також можна обчислити і через U ххі I кз

R вн = U хх/II кз

Самоіндукція. ЕРС самоіндукції

При під'єднанні джерела струму в будь-який замкнутий ланцюг площа, обмежена цим ланцюгом, починає пронизуватися зовнішніми магнітними силовими лініями. Кожна силова лінія, ззовні, перетинаючи провідник, наводячи у ньому ЕРС самоіндукції

Електричний ланцюгскладається з джерела струму, споживачів електроенергії, з'єднувальних проводів та ключа, що служить для розмикання та замикання ланцюга та інших елементів (рис. 1).

Малюнки, на яких зображені способи з'єднання електричних приладів у ланцюг, називаються електричними схемами. Прилади схемах позначаються умовними знаками.

Як зазначалося, для підтримки ланцюга електричного струму необхідно, щоб на кінцях її (рис. 2) існувала постійна різниця потенціалів φ A - φ B. Нехай у початковий момент часу φ A > φ B , тоді перенесення позитивного заряду qз точки Ау крапку Упризведе до зменшення різниці потенціалів між ними. Для збереження постійної різниці потенціалів необхідно перенести такий самий заряд з Bв A. Якщо у напрямку А → Узаряди рухаються під дією сил електростатичного поля, то у напрямку У → Апереміщення набоїв відбувається проти сил електростатичного поля, тобто. під впливом сил неелектростатичної природи, про зусиль сторонніх сил. Ця умова виконується у джерелі струму, який підтримує рух електричних зарядів. У більшості джерел струму рухаються лише електрони, в гальванічних елементах – іони обох знаків.

Джерела електричного струму можуть бути різні за своєю конструкцією, але в будь-якому з них відбувається робота з поділу позитивно і негативно заряджених частинок. Поділ зарядів відбувається під дією сторонніх сил. Сторонні сили діють лише всередині джерела струму і можуть бути обумовлені хімічними процесами(Акумулятори, гальванічні елементи), дією світла (фотоелементи), магнітними полями, що змінюються (генератори) і т.д.

Будь-яке джерело струму характеризують електрорушійною силою - ЕРС.

Електрорушійною силою ε джерела струму називають фізичну скалярну величину, рівну роботісторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду вздовж замкненого ланцюга

Одиницею електрорушійної сили СІ є вольт (В).

ЕРС є енергетичною характеристикою джерела струму.

У джерелі струму у процесі роботи з поділу заряджених частинок відбувається перетворення механічної, світлової, внутрішньої тощо. енергії у електричну. Розділені частинки накопичуються на полюсах джерела струму (місця, до яких за допомогою клем або затискачів приєднують споживачі). Один полюс джерела струму заряджається позитивно, інший негативно. Між полюсами джерела струму створюється електростатичне поле. Якщо полюси джерела струму з'єднати провідником, то в такому електричному ланцюзі виникає електричний струм. При цьому характер поля змінюється, воно перестає бути електростатичним.

На малюнку 3 схематично у вигляді сферичного провідника зображена негативна клема джерела струму та переріз приєднаного до неї кінця металевого дроту. Пунктиром показані деякі лінії напруженості поля клеми до внесення до нього дроту, а стрілками - сили, які діють вільні електрони дроти, що у точках, позначених цифрами. Електрони в різних точках поперечного перерізу дроту під дією кулонівських сил поля клеми набувають руху не тільки вздовж осі дроту. Наприклад, електрон, що знаходиться в точці 1 , виявляється залученим до "струмового" руху. Але поблизу точок 2, 3, 4, 5 електрони мають можливість накопичуватися на поверхні дроту. Причому поверхневе розподілення електронів по довжині дроту не буде рівномірним. Отже, підключення дроту до клеми джерела струму призведе до того, що деякі електрони почнуть рухатися вздовж дроту, а частина електронів накопичуватиметься на поверхні. Нерівномірний розподіл електронів на його поверхні забезпечує нееквіпотенційність цієї поверхні, наявність складових напруженості електричного поля, спрямованих вздовж поверхні провідника. Це поле перерозподілених електронів самого провідника та забезпечує впорядкований рух інших електронів. Якщо розподіл електронів по поверхні провідника з часом не змінюється, то таке поле називають стаціонарним електричним полем. Таким чином, головну рольу створенні стаціонарного електричного поля грають заряди, що є на полюсах джерела струму. При замиканні електричного кола взаємодія саме цих зарядів із вільними зарядами провідника призводить до появи на всій поверхні провідника некомпенсованих поверхневих зарядів. Саме ці заряди створюють стаціонарне електричне поле усередині провідника по всій його довжині. Це поле всередині провідника однорідне, лінії напруженості спрямовані вздовж осі провідника (рис. 4). Процес встановлення електричного поля вздовж провідника відбувається зі швидкістю c≈ 3·10 8 м/с.

Як і електростатичне поле, воно є потенційним. Але між цими полями є суттєві відмінності:

1. електростатичне поле – поле нерухомих зарядів. Джерелом стаціонарного електричного поля є заряди, що рухаються, причому загальна кількістьзарядів та картина їх розподілу в даному просторі з часом не змінюються;

2. електростатичне поле існує поза провідником. Напруженість електростатичного поля завжди дорівнює 0 всередині об'єму провідника, а в кожній точці зовнішньої поверхні провідника спрямована перпендикулярно до цієї поверхні. Стаціонарне електричне поле існує і поза та всередині провідника. Напруженість стаціонарного електричного поля не дорівнює нулю всередині об'єму провідника, а на поверхні та всередині об'єму є складові напруженості, не перпендикулярні поверхні провідника;

3. потенціали різних точок провідника, яким проходить постійний струм, різні (поверхня і обсяг провідника не еквіпотенційні). Потенціали всіх точок поверхні провідника, що знаходиться в електростатичному полі, однакові (поверхня та обсяг провідника еквіпотенційні);

4. електростатичне поле не супроводжується появою магнітного поля, а стаціонарне електричне поле супроводжується його появою та нерозривно з ним пов'язане.

У розпал навчального рокубагатьом вченим діячам потрібна ЕСС формула для різних розрахунків. Експерименти, пов'язані з , так само потребують інформації про електрорушійну силу. Але для початківців не так просто зрозуміти, що це таке.

Формула знаходження ЕДС

Насамперед розберемося з визначенням. Що означає ця абревіатура?

ЕРС або електрорушійна сила – це параметр, що характеризує роботу будь-яких сил не електричної природи, що працюють у ланцюгах, де сила струму як постійного, так і змінного однакова по всій довжині. У зчепленому струмопровідному контурі ЕРС дорівнює роботі даних сил з переміщення єдиного плюсового (позитивного) заряду вздовж всього контуру.

Нижче на малюнку представлена ​​ЕС формула.

Аст означає роботу сторонніх сил в джоулях.

q – це заряд, що переноситься в кулонах.

Сторонні сили– це сили які виконують поділ зарядів у джерелі й у результаті утворюють з його полюсах різницю потенціалів.

Для цієї сили одиницею виміру є вольт. Позначається у формулах вона буквою « E».

Тільки в момент відсутності струму в батареї, електрорушійна сі-а дорівнюватиме напрузі на полюсах.

ЕРС індукції:

ЕРС індукції у контурі, що маєNвитків:

Під час руху:

Електрорушійна сила індукції в контурі, що обертається в магнітному полі зі швидкістюw:

Таблиця значень

Просте пояснення електрорушійної сили

Припустимо, що в нашому селі є водонапірна башта. Вона повністю наповнена водою. Думатимемо, що це звичайна батарейка. Башта – це батарейка!

Вся вода чинитиме сильний тиск на дно нашої вежі. Але сильним воно буде лише тоді, коли ця будова повністю наповнена H2O.

У результаті чим менше води, тим слабшим буде тиск і тиск струменя буде менше. Відкривши кран, зауважимо, що щохвилини дальність струменя скорочуватиметься.

Внаслідок цього:

1. Напруга - це сила з якою вода тисне на дно. Тобто тиск.
2. Нульова напруга – це дно вежі.

З батареєю все аналогічно.

Насамперед підключаємо джерело з енергією в ланцюг. І відповідно замикаємо її. Наприклад, вставляємо батарею у ліхтарик і вмикаємо його. Спочатку зауважимо, що пристрій горить яскраво. Через деякий час його яскравість помітно знизиться. Тобто електрорушійна сила зменшилася (витекла якщо порівнювати з водою у вежі).

Якщо брати в приклад водонапірну вежу, то ЕРС це насос, що гойдає воду в вежу постійно. І вона там ніколи не закінчується.

ЕДС гальванічного елемента – формула

Електрорушійну силу батарейки можна обчислити двома способами:

• Виконати розрахунок із застосуванням рівняння Нернста. Потрібно розрахувати електродні потенціали кожного електрода, що входить у ГЕ. Потім обчислити ЕРС за формулою.
• Порахувати ЕРС формулі Нернста для сумарної струму утворює реакції, що протікає під час роботи ГЕ.

Таким чином озброївшись даними формулами, розрахувати електрорушійну силу батареї буде простіше.

Де використовуються різні види ЕРС?

1. П'єзоелектрична застосовується при розтягуванні або стисканні матеріалу. За допомогою неї виготовляють кварцові генератори енергії та різні датчики.
2. Хімічна використовується в акумуляторах.
3. Індукційна у момент перетину провідником магнітного поля. Її властивості застосовують у трансформаторах, електричних двигунах, генераторах.
4. Термоелектрична утворюється у момент нагрівання контактів різнотипних металів. Своє застосування вона знайшла у холодильних установках та термопарах.
5. Фото електрична використовується для продукування фотоелементів.