Elektromotorická síla

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 2. prosince 2020; kontroly vyžadují 5 úprav .

Elektromotorická síla (EMF) je skalární fyzikální veličina , která charakterizuje práci vnějších sil (tj. jakýchkoli sil jiných než elektrostatických a disipativních) působících v kvazistacionárních stejnosměrných nebo střídavých obvodech . V uzavřeném vodivém obvodu se EMF rovná práci těchto sil při pohybu jediného kladného náboje podél celého obvodu [1] [2] .

Analogicky k síle elektrického pole se zavádí pojem intenzita vnějších sil , která je chápána jako vektorová fyzikální veličina rovna poměru vnější síly působící na zkušební elektrický náboj k velikosti tohoto náboje. Pak v uzavřené smyčce bude EMF rovno: ${\vec E}_{{ex}}$ $L$

{\mathcal {E}}=\oint \limits _{L}{\vec {E}}_{ex}\cdot d{\vec {l}}

kde je obrysový prvek. $d{\vec {l))$

Navzdory přítomnosti slova „síla“ v názvu konceptu není elektromotorická síla jednou ze sil ve fyzice a nemá rozměr síly.

EMF, stejně jako napětí , se v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) měří ve voltech . Můžeme mluvit o elektromotorické síle v jakékoli části obvodu. Jedná se o specifickou práci vnějších sil ne v celém obvodu, ale pouze v tomto úseku. EMF galvanického článku je práce vnějších sil při přesunu jediného kladného náboje uvnitř článku z jednoho pólu na druhý. Práci vnějších sil nelze vyjádřit rozdílem potenciálů, protože vnější síly jsou nepotencionální a jejich práce závisí na tvaru trajektorie. Takže například práce vnějších sil při pohybu náboje mezi svorkami zdroje proudu mimo zdroj samotný je rovna nule.

EMF a Ohmův zákon

Elektromotorická síla zdroje souvisí s elektrickým proudem protékajícím obvodem pomocí vztahů Ohmova zákona . Ohmův zákon pro nehomogenní úsek řetězce má tvar [1]

\varphi _{1}-\varphi _{2}+{\mathcal {E}}=IR,

kde je rozdíl mezi hodnotami potenciálu na začátku a na konci části obvodu, je proud protékající částí a je odpor části. $\varphi _{1}-\varphi _{2}$ $já$ $R$

Pokud se body 1 a 2 shodují (obvod je uzavřený), pak předchozí vzorec přechází do vzorce Ohmova zákona pro uzavřený obvod [1] : $\varphi _{1}-\varphi _{2}=0$

{\mathcal {E}}=IR,

kde je celkový odpor celého obvodu. $R$

V obecném případě je impedance obvodu součtem odporu části obvodu vně zdroje proudu ( ) a vnitřního odporu samotného zdroje proudu ( ). S ohledem na to byste měli: $Re}$ $r$

{\mathcal {E}}=IR_{e}+Ir.

EMF aktuálního zdroje

Pokud na část obvodu ( homogenní část obvodu ) nepůsobí vnější síly, a proto na ní není zdroj proudu, pak, jak vyplývá z Ohmova zákona pro nehomogenní část obvodu, platí následující:

\varphi _{1}-\varphi _{2}=IR.

Pokud tedy vybereme anodu zdroje jako bod 1 a jeho katodu jako bod 2, pak pro rozdíl mezi potenciály anody a katody můžeme napsat: $\varphi _{a}$ $\varphi_k$

\varphi _{a}-\varphi _{k}=IR_{e},

kde, jako dříve , je odpor vnější části obvodu. $Re}$

Z tohoto vztahu a Ohmova zákona pro uzavřený obvod, zapsaného ve tvaru, lze snadno získat ${\mathcal {E}}=IR_{e}+Ir$

{\frac {\varphi _{a}-\varphi _{k)){\mathcal {E))}={\frac {R_{e)){R_{e}+r))

a pak

\varphi _{a}-\varphi _{k}={\frac {R_{e}}{R_{e}+r}}{\mathcal {E}}.

Ze získaného vztahu plynou dva závěry:

Ve všech případech, kdy proud protéká obvodem, je rozdíl potenciálů mezi svorkami zdroje proudu menší než EMF zdroje. $\varphi _{a}-\varphi _{k}$
V limitním případě, kdy je nekonečno (řetěz je přerušený), máme $Re}$ ${\mathcal {E}}=\varphi _{a}-\varphi _{k}.$

EMF zdroje proudu se tedy rovná rozdílu potenciálů mezi jeho svorkami ve stavu, kdy je zdroj odpojen od obvodu [1] .

EMF indukce

Důvodem vzniku elektromotorické síly v uzavřeném obvodu může být změna toku magnetického pole pronikajícího povrchem ohraničeným tímto obvodem. Tento jev se nazývá elektromagnetická indukce . Hodnota indukce EMF v obvodu je určena výrazem

{\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi }{dt)),

kde je tok magnetického pole vyznačeným povrchem. Znaménko "−" před výrazem ukazuje, že indukční proud vytvořený indukčním EMF zabraňuje změně magnetického toku v obvodu (viz Lenzovo pravidlo ). Důvodem změny magnetického toku může být zase jak změna magnetického pole, tak pohyb obvodu jako celku nebo jeho jednotlivých částí. $\Phi$

Neelektrostatický charakter EMF

Jak je znázorněno na obrázku, elektrický proud, jehož normální směr je od „plus“ do „mínus“, uvnitř zdroje EMF (například uvnitř galvanického článku) proudí v opačném směru. Směr od „plus“ k „mínusu“ se shoduje se směrem elektrostatické síly působící na kladné náboje. Proto, aby byl proud nucen protékat opačným směrem, je zapotřebí další síla neelektrostatické povahy ( odstředivá síla , Lorentzova síla , síly chemické povahy, síla z vírového elektrického pole) k překonání síly z elektrostatické pole. Disipativní síly, přestože působí proti elektrostatickému poli, nemohou přinutit proud, aby procházel opačným směrem, takže nejsou součástí vnějších sil, jejichž práce se používá při určování EMF.

Vnější síly

Vnější síly se nazývají síly, které způsobují pohyb elektrických nábojů uvnitř stejnosměrného zdroje proti směru sil elektrostatického pole. Například v galvanickém článku nebo baterii vznikají vnější síly jako výsledek elektrochemických procesů probíhajících na rozhraní mezi elektrodou a elektrolytem; u elektrického stejnosměrného generátoru je vnější silou Lorentzova síla [3] .

Viz také

Kirchhoff pravidla

Poznámky

↑ 1 2 3 4 Sivukhin D.V. Obecný kurz fyziky. - M . : Fizmatlit , MIPT , 2004. - T. III. Elektřina. - S. 193-194. — 656 s. — ISBN 5-9221-0227-3 .
↑ Kalašnikov S. G. Obecný kurz fyziky. - M . : Gostekhteorizdat, 1956. - T. II. Elektřina. - S. 146, 153. - 664 s.
↑ Kabardin O.F. Fyzika. - M., Osvícení , 1985. - Náklad 754 000 výtisků. - S. 131