Ce formulă exprimă fem-ul sursei. Ce este EMF: ușor și de înțeles. Ce este EMF

În fizică, conceptul forta electromotoare(prescurtat - EMF) este utilizată ca principală caracteristică energetică a surselor de curent.

Forța electromotoare (EMF)

Forta electromotoare (EMF) - capacitatea sursei de energie de a crea și menține o diferență de potențial pe cleme.

EMF- măsurat în volți

Tensiunea la bornele sursei este întotdeauna mai mică EMF prin căderea de tensiune.

Forta electromotoare

U RH = E – U R0

U RH este tensiunea la bornele sursei. Măsurat cu circuitul extern închis.

E - EMF - măsurat în fabrică.

Forta electromotoare (EMF) este o mărime fizică, care este egală cu câtul împărțirii muncii care, la deplasarea unei sarcini electrice, este efectuată de forțe exterioare într-un circuit închis, la această sarcină însăși.

Trebuie remarcat faptul că forta electromotoareîn sursa de curent apare și în absența curentului în sine, adică atunci când circuitul este deschis. Această situație este de obicei numită „inactiv”, iar valoarea în sine EMF când este egală cu diferența acelor potențiale care sunt disponibile la bornele sursei de curent.

Forța electromotoare chimică

Chimic forta electromotoare este prezent în baterii, baterii galvanice în cursul proceselor de coroziune. În funcție de principiul pe care este construită funcționarea unei anumite surse de energie, acestea se numesc fie baterii, fie celule galvanice.

Una dintre principalele caracteristici distinctive ale celulelor galvanice este că aceste surse de curent sunt, ca să spunem așa, de unică folosință. În timpul funcționării lor, acele substanțe active, datorită cărora este eliberată energie electrică, se descompun aproape complet ca urmare a reacțiilor chimice. De aceea, dacă celula galvanică este complet descărcată, atunci nu mai este posibilă utilizarea acesteia ca sursă de curent.

Spre deosebire de celulele galvanice, bateriile sunt reutilizabile. Acest lucru este posibil deoarece reacțiile chimice care au loc în ele sunt reversibile.

forță electromagnetică electromotoare

electromagnetic EMF apare în timpul funcționării unor dispozitive precum dinamo, motoare electrice, șocuri, transformatoare etc.

Esența sa este următoarea: atunci când conductorii sunt plasați într-un câmp magnetic și sunt deplasați în acesta astfel încât liniile magnetice de forță să se intersecteze, are loc ghidarea. EMF. Dacă circuitul este închis, atunci apare un curent electric în el.

În fizică, fenomenul descris mai sus se numește inducție electromagnetică. forta electromotoare, care este indus în acest caz, se numește EMF inducţie.

Trebuie remarcat faptul că indicarea EMF Inducția are loc nu numai în acele cazuri în care conductorul se mișcă într-un câmp magnetic, ci și atunci când rămâne staționar, dar, în același timp, amploarea câmpului magnetic în sine se modifică.

Forța electromotoare fotoelectrică

Acest soi forta electromotoare apare atunci când există fie un efect fotoelectric extern, fie intern.

În fizică, efectul fotoelectric (efectul fotoelectric) înseamnă acel grup de fenomene care au loc atunci când lumina acționează asupra unei substanțe și, în același timp, în ea sunt emiși electroni. Acesta se numește efect fotoelectric extern. Dacă, totuși, apare forta electromotoare sau conductivitatea electrică a unei substanțe se modifică, atunci vorbesc de un efect fotoelectric intern.

Acum, atât efectele fotoelectrice externe cât și cele interne sunt utilizate pe scară largă pentru a proiecta și fabrica un număr mare de astfel de receptoare de radiații luminoase care convertesc semnalele luminoase în cele electrice. Toate aceste dispozitive se numesc fotocelule și sunt folosite atât în ​​tehnologie, cât și în diverse cercetări științifice. În special, fotocelulele sunt folosite pentru a face cele mai obiective măsurători optice.

Forța de antrenare electrostatică

Cât despre acest tip forta electromotoare, apoi, de exemplu, apare în timpul frecării mecanice care are loc în unitățile de electrofor (demonstrație specială de laborator și dispozitive auxiliare), are loc și în nori de tunet.

Generatoarele Wimshurst (acesta este un alt nume pentru mașinile cu electrofor) utilizează un astfel de fenomen precum inducția electrostatică pentru funcționarea lor. În timpul funcționării lor, sarcinile electrice se acumulează la poli, în borcanele Leyden, iar diferența de potențial poate atinge valori foarte substanțiale (până la câteva sute de mii de volți).

Natura electricității statice este aceea că apare atunci când, din cauza pierderii sau achiziționării de electroni, echilibrul intramolecular sau intraatomic este perturbat.

Forța electromotoare piezoelectrică

Acest soi forta electromotoare apare atunci când are loc fie strângerea, fie întinderea unor substanțe numite piezoelectrice. Ele sunt utilizate pe scară largă în modele precum senzori piezoelectrici, oscilatoare cu cristal, hidrofoane și altele.

Este efectul piezoelectric care stă la baza funcționării senzorilor piezoelectrici. Ei înșiși aparțin senzorilor așa-numitului tip generator. În ele, intrarea este forța aplicată, iar ieșirea este cantitatea de electricitate.

În ceea ce privește dispozitivele precum hidrofoanele, funcționarea acestora se bazează pe principiul așa-numitului efect piezoelectric direct, pe care îl au materialele piezoceramice. Esența sa constă în faptul că, dacă presiunea sonoră este aplicată pe suprafața acestor materiale, atunci pe electrozii lor apare o diferență de potențial. Mai mult, este proporțională cu mărimea presiunii sonore.

Unul dintre principalele domenii de aplicare a materialelor piezoelectrice este producerea de oscilatoare de cuarț, care au rezonatoare de cuarț în proiectarea lor. Astfel de dispozitive sunt proiectate să primească oscilații cu o frecvență strict fixă, care sunt stabile atât în ​​timp, cât și cu schimbările de temperatură și, de asemenea, au un nivel foarte scăzut de zgomot de fază.

Forța electromotoare termoionică

Acest soi forta electromotoare apare atunci când emisia termică a particulelor încărcate are loc de la suprafața electrozilor încălziți. Emisia termoionică este folosită destul de larg în practică, de exemplu, funcționarea aproape tuturor tuburilor radio se bazează pe aceasta.

Forța electromotoare termoelectrică

Acest soi EMF apare atunci când la capete diferite ale conductorilor diferiți sau pur și simplu în părți diferite ale circuitului, temperatura este distribuită foarte neuniform.

termoelectric forta electromotoare utilizat în dispozitive precum pirometre, termocupluri și mașini de refrigerare. Senzorii a căror funcționare se bazează pe acest fenomen se numesc termoelectrici și sunt, de fapt, termocupluri formate din electrozi lipiți împreună, din diferite metale. Când aceste elemente sunt fie încălzite, fie răcite, a EMF, care este proporțională cu modificarea temperaturii.

La apogeul anului școlar, mulți oameni de știință au nevoie de o formulă EMF pentru diferite calcule. Experimentele legate de necesită, de asemenea, informații despre forța electromotoare. Dar pentru începători, nu este atât de ușor să înțelegi ce este.

Formula pentru găsirea emf

Să ne ocupăm mai întâi de definiție. Ce înseamnă această abreviere?

EMF sau forța electromotoare este un parametru care caracterizează munca oricăror forțe de natură neelectrică care funcționează în circuite în care puterea curentului, atât directă cât și alternativă, este aceeași pe toată lungimea. Într-un circuit conductiv cuplat, EMF este echivalat cu munca acestor forțe pentru a muta o singură sarcină pozitivă (pozitivă) de-a lungul întregului circuit.

Figura de mai jos arată formula emf.

Ast - înseamnă munca forțelor externe în jouli.

q este sarcina transferată în coulombi.

Forțe terțe- acestea sunt forțele care realizează separarea sarcinilor în sursă și, ca urmare, formează o diferență de potențial la polii acesteia.

Pentru această forță, unitatea de măsură este volt. Se notează în formule prin literă « E".

Numai în momentul absenței curentului în baterie, electromotorul si-a va fi egal cu tensiunea la poli.

Inducerea EMF:

EMF de inducție într-un circuit avândNse intoarce:

La mutare:

Forta electromotoare inducție într-un circuit care se rotește într-un câmp magnetic cu o vitezăw:

Tabelul de valori

O explicație simplă a forței electromotoare

Să presupunem că există un turn de apă în satul nostru. Este complet umplut cu apă. Să credem că aceasta este o baterie obișnuită. Turnul este o baterie!

Toată apa va pune multă presiune pe fundul turelei noastre. Dar va fi puternic numai atunci când această structură este complet umplută cu H2O.

Ca urmare, cu cât mai puțină apă, cu atât presiunea va fi mai slabă și presiunea jetului va fi mai mică. Deschizând robinetul, observăm că în fiecare minut raza de acțiune a jetului se va reduce.

Ca urmare:

1. Tensiunea este forța cu care apa apasă pe fund. Asta este presiunea.
2. Tensiunea zero este partea de jos a turnului.

Bateria este aceeași.

În primul rând, conectăm o sursă de energie la circuit. Și o închidem în consecință. De exemplu, introduceți o baterie într-o lanternă și porniți-o. Inițial, rețineți că dispozitivul este luminat puternic. După un timp, luminozitatea sa va scădea vizibil. Adică, forța electromotoare a scăzut (a scurs în comparație cu apa din turn).

Dacă luăm ca exemplu un turn de apă, atunci EMF este o pompă care pompează constant apă în turn. Și nu se termină niciodată aici.

EMF al unei celule galvanice - formulă

Forța electromotoare a unei baterii poate fi calculată în două moduri:

• Efectuați calculul folosind ecuația Nernst. Va fi necesar să se calculeze potențialele de electrod ale fiecărui electrod inclus în GE. Apoi calculați EMF folosind formula.
• Calculați EMF folosind formula Nernst pentru curentul total care generează reacția care are loc în timpul funcționării GE.

Astfel, înarmat cu aceste formule, va fi mai ușor de calculat forța electromotoare a bateriei.

Unde sunt folosite diferite tipuri de EMF?

1. Piezoelectric este utilizat atunci când un material este întins sau comprimat. Cu ajutorul acestuia se realizează generatoare de energie cu cuarț și diverși senzori.
2. Produsul chimic este folosit în și baterii.
3. Inducția apare în momentul în care conductorul traversează câmpul magnetic. Proprietățile sale sunt utilizate în transformatoare, motoare electrice, generatoare.
4. Termoelectric se formează în momentul încălzirii contactelor diferitelor tipuri de metale. Și-a găsit aplicația în unități frigorifice și termocupluri.
5. Fotoelectric este folosit pentru a produce celule fotovoltaice.

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 conductei este conectat la un rezervor în așa fel încât să se formeze o diferență de presiune, lichidul va curge dintr-un capăt. În mod similar, pentru a menține un curent constant, este necesară o forță externă pentru a muta sarcinile. Acest efect se numește forță electromotoare sau EMF.

Între sfârșitul secolului al XVIII-lea și începutul secolului al XIX-lea, lucrările unor 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 sunt în contact printr-un electrolit, ambii sunt încărcați și rămân încărcați în ciuda faptului că circuitul este închis de o 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 menținerea acestora în această stare. El a numit-o electromotoare. O astfel de explicație a descrierii funcționării bateriei nu se încadra în fundamentele teoretice ale fizicii din acea vreme. În paradigma coulombiană a primei treimi a secolului al XIX-lea e. d.s. Volta a fost determinată de capacitatea unor corpuri de a genera electricitate în altele.

Cea mai importantă contribuție la explicarea funcționării circuitelor electrice a fost adusă de Ohm. Rezultatele unui număr de experimente l-au determinat să construiască o teorie a conductivității electrice. El a introdus valoarea „tensiunii” 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.

Pentru a menține o anumită valoare a curentului electric într-un conductor, este necesară o sursă externă de energie, care ar asigura întotdeauna diferența de potențial necesară la capetele acestui conductor. Astfel de surse de energie sunt așa-numitele surse de curent electric, care au unele date forta electromotoare, care este capabil să creeze și să mențină o diferență de potențial pentru o lungă perioadă de timp.

Forța electromotoare sau EMF abreviată este indicată de litera latină E. Unitate de măsură este volt. Astfel, pentru a obține o mișcare continuă a curentului electric într-un conductor este nevoie de o forță electromotoare, adică este necesară o sursă de curent electric.

Referință istorică. Prima astfel de sursă de curent în inginerie electrică a fost „coloana voltaică”, care era făcută din mai multe cercuri de cupru și zinc căptușite cu piele de vacă înmuiată într-o soluție de acid slab. Astfel, cea mai simplă modalitate de a obține o forță electromotoare este considerată a fi interacțiunea chimică a unui număr de substanțe și materiale, în urma căreia energia chimică este transformată în energie electrică. Sursele de energie în care forța electromotoare a EMF este generată printr-o metodă similară se numesc surse de curent chimic.

Astăzi, sursele de energie chimică - bateriile și toate tipurile posibile de baterii - sunt utilizate pe scară largă în electronică și inginerie electrică, precum și în industria energiei electrice.

Sunt comune și diverse tipuri de generatoare, care, ca unică sursă, sunt capabile să aprovizioneze întreprinderile industriale cu energie electrică, să furnizeze iluminat orașelor, să opereze sisteme de cale ferată, tramvai și metrou.

EMF acționează exact în același mod atât asupra surselor chimice, cât și asupra generatoarelor. Acțiunea sa este de a crea o diferență de potențial la fiecare dintre terminalele de alimentare și de a o menține pentru tot timpul necesar. Bornele sursei de alimentare se numesc poli. La unul dintre poli se creează întotdeauna o lipsă de electroni, adică. un astfel de stâlp are o sarcină pozitivă și este marcat " + ”, iar pe de altă parte, dimpotrivă, se creează o concentrație crescută de electroni liberi, adică. acest pol are o sarcină negativă și este marcat cu semnul " - ».

Sursele EMF sunt folosite pentru a conecta diverse dispozitive și dispozitive care sunt consumatori de energie electrică. Cu ajutorul firelor, consumatorii sunt conectați la polii surselor de curent, astfel încât se obține un circuit electric închis. Diferența de potențial care a apărut într-un circuit electric închis a primit un nume și este desemnată cu litera latină „U”. Unitatea de tensiune unu volt. De exemplu, intrarea U=12 V indică faptul că tensiunea sursei EMF este de 12 V.

Pentru a măsura tensiunea sau fem, se folosește un dispozitiv special de măsurare - .

Dacă este necesar să se facă măsurători corecte ale EMF sau tensiunii de alimentare, voltmetrul este conectat direct la poli. Cu un circuit electric deschis, voltmetrul va indica EMF. Când circuitul este închis, voltmetrul va afișa valoarea tensiunii la fiecare bornă a sursei de alimentare. PS: Sursa de curent dezvoltă întotdeauna mai mult EMF decât tensiunea la borne.

Lecție video: EMF

Lecție video: Forța electromotoare de la un profesor de fizică

Tensiunea la fiecare dintre bornele sursei de curent este mai mică decât forța electromotoare cu valoarea căderii de tensiune care apare pe rezistența internă a sursei de alimentare:

Pentru sursele ideale, tensiunea la borne nu depinde de cantitatea de curent absorbită.

Toate sursele de forță electromotoare au parametri care le caracterizează: tensiunea în circuit deschis U xx, scurt circuit eu kzși rezistență internă (pentru o sursă DC R ext). U xx este tensiunea când curentul sursei este zero. La o sursă ideală la orice curent U xx \u003d 0. eu kz este curentul la tensiune zero. Pentru o sursă de tensiune ideală, aceasta este infinită I kz = ∞. Rezistența internă se determină din rapoarte. Deoarece tensiunea la o sursă ideală de tensiune este constantă la orice curent ∆U = 0, atunci rezistența sa internă are și valori zero.

R ext \u003d ΔU / ΔI \u003d 0;

Cu o tensiune și un curent pozitive, sursa își trimite energia electrică către circuit și funcționează în modul generator. Cu fluxul de curent opus, sursa primește energie electrică din circuit și funcționează în modul receptor.

În cazul unei surse de curent ideale, valoarea acesteia nu depinde de mărimea tensiunii la bornele sale: i = const.

Deoarece curentul de la o sursă ideală de curent este neschimbat ∆I = 0, atunci are o rezistență internă egală cu infinitul.

R ext \u003d ΔU / ΔI \u003d ∞

Cu o tensiune și un curent pozitive, sursa trimite energie în circuit și funcționează în modul generator. În direcția opusă, funcționează în modul receptor.

Cu o sursă reală de forță electromotoare, tensiunea la borne scade pe măsură ce curentul crește. Un astfel de CVC corespunde unei ecuații pentru determinarea tensiunii la orice valoare a curentului.

U \u003d U xx - R ext × I,

Unde , se calculează prin formula

R ext \u003d ΔU / Δ I≠ 0

Poate fi calculat și prin U xxȘi eu kz

R vn \u003d U xx / II kz

Când o sursă de curent este conectată la orice circuit închis, zona delimitată de acest circuit începe să fie străpunsă de linii de forță magnetice externe. Fiecare linie de forță, din exterior, traversează conductorul, inducând în ea un EMF de autoinducție.

În această lecție, vom arunca o privire mai atentă asupra mecanismului de furnizare a unui curent electric pe termen lung. Să introducem conceptele de „sursă de putere”, „forțe externe”, să descriem principiul funcționării lor și, de asemenea, să introducem conceptul de forță electromotoare.

Subiect: Legile curentului continuu
Lecția: Forța electromotoare

Într-unul dintre subiectele anterioare (condițiile de existență a unui curent electric), a fost deja pusă problema necesității unei surse de energie pentru menținerea pe termen lung a existenței unui curent electric. În sine, curentul, desigur, poate fi obținut fără astfel de surse de energie. De exemplu, descărcarea unui condensator în timpul blițului camerei. Dar un astfel de curent va fi prea tranzitoriu (Fig. 1).

Orez. 1. Curent de scurtă durată în timpul descărcării reciproce a două electroscoape încărcate opus ()

Forțele Coulomb se străduiesc întotdeauna să aducă împreună sarcini opuse, egalând astfel potențialele din circuit. Și, după cum știți, pentru prezența unui câmp și a unui curent, este necesară o diferență de potențial. Prin urmare, este imposibil să se facă fără alte forțe care separă sarcinile și mențin diferența de potențial.

Definiție. Forțe externe - forțe de origine neelectrică, care vizează sarcini de reproducere.

Aceste forțe pot fi de natură diferită în funcție de tipul sursei. În baterii sunt de origine chimică, în generatoarele electrice sunt de origine magnetică. Ei sunt cei care asigură existența curentului, deoarece munca forțelor electrice într-un circuit închis este întotdeauna egală cu zero.

A doua sarcină a surselor de energie, pe lângă menținerea diferenței de potențial, este de a completa pierderile de energie în ciocnirea electronilor cu alte particule, în urma cărora primele pierd energie cinetică, iar energia internă a conductorului crește.

Forțele terțe din interiorul sursei lucrează împotriva forțelor electrice, răspândind sarcini în direcții opuse cursului lor natural (pe măsură ce se mișcă într-un circuit extern) (Fig. 2).

Orez. 2. Schema de acțiune a forțelor terțe

Un analog al acțiunii sursei de energie poate fi considerată o pompă de apă, care lasă apa împotriva cursului său natural (de jos în sus, în apartamente). Dimpotrivă, apa coboară în mod natural sub acțiunea gravitației, dar pentru funcționarea continuă a alimentării cu apă a apartamentului este necesară funcționarea continuă a pompei.

Definiție. Forța electromotoare - raportul dintre munca forțelor externe pentru a muta sarcina la mărimea acestei sarcini. Denumire -:

Unitate de măsură:

Introduce. EMF circuit deschis și închis

Luați în considerare următorul circuit (Fig. 3):

Orez. 3.

Cu o cheie deschisă și un voltmetru ideal (rezistența este infinit de mare), nu va exista curent în circuit și se va lucra numai la separarea sarcinilor în interiorul celulei galvanice. În acest caz, voltmetrul va afișa valoarea EMF.

Când cheia este închisă, curentul va curge prin circuit, iar voltmetrul nu va mai afișa valoarea EMF, va afișa valoarea tensiunii, la fel ca la capetele rezistenței. Cu buclă închisă:

Aici: - tensiune pe circuitul extern (la firele de sarcină și alimentare); - tensiune în interiorul celulei galvanice.

În lecția următoare, vom studia legea lui Ohm pentru un circuit complet.

Bibliografie

1. Tikhomirova S.A., Yavorsky B.M. Fizică (nivel de bază) - M.: Mnemozina, 2012.
2. Gendenstein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a 10-a. - M.: Ileksa, 2005.
3. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B.A. Fizică. Electrodinamică. - M.: 2010.

1. ens.tpu.ru ().
2. physbook.ru ().
3. electrodinamică.narod.ru ().

Teme pentru acasă

1. Ce sunt forțele exterioare, care este natura lor?
2. Cum este tensiunea de la polii deschisi ai unei surse de curent legate de EMF-ul acesteia?
3. Cum se transformă și se transferă energia într-un circuit închis?
4. * Baterie lanternă EMF - 4,5 V. Va arde un bec de 4,5 V la căldură maximă de la această baterie? De ce?