Электродвижущая сила

Электродвижущая сила (ЭДС) — это скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (неэлектростатического происхождения) по перемещению единичного положительного электрического заряда по замкнутому контуру. В отличие от разности потенциалов, которая описывает работу электростатического поля в разомкнутой цепи, ЭДС является мерой энергии, которую источник тока (гальванический элемент, генератор, аккумулятор) сообщает единичному заряду, совершая работу по его переносу внутри самого источника. Единица измерения в Международной системе единиц (СИ) — вольт (В).

Физическая сущность

ЭДС возникает в тех участках электрической цепи, где на носители заряда действуют силы, отличные от электростатических (кулоновских). Эти силы называются сторонними. Их природа может быть различной:

• Химическая: в гальванических элементах и аккумуляторах сторонние силы возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитом.
• Электромагнитная: в генераторах сторонние силы — это сила Лоренца, действующая на электроны в проводнике, движущемся в магнитном поле (явление электромагнитной индукции).
• Тепловая: в термопарах (термоэлектрических преобразователях) сторонние силы возникают из-за разности температур в спаях разнородных металлов или полупроводников (эффект Зеебека).
• Фотонная (световая): в фотоэлементах и солнечных батареях сторонние силы возникают при поглощении фотонов, приводящем к разделению зарядов в полупроводнике (фотоэффект).

Работа сторонних сил по перемещению заряда q по замкнутому контуру равна произведению ЭДС ℰ на этот заряд: Aст = ℰ q. Если цепь разомкнута, то ЭДС источника численно равна разности потенциалов на его полюсах (напряжению холостого хода), при условии, что внутреннее сопротивление источника пренебрежимо мало или ток отсутствует.

Закон Ома для полной цепи

ЭДС является ключевым параметром в законе Ома для полной (замкнутой) цепи, который устанавливает связь между силой тока I в цепи, ЭДС источника ℰ и полным сопротивлением цепи (R + r):

\[ I = \frac{\mathcal{E}}{R + r} \]

где:

• I — сила тока в цепи (А);
• ℰ — электродвижущая сила источника (В);
• R — сопротивление внешней части цепи (нагрузки) (Ом);
• r — внутреннее сопротивление источника (Ом).

Из закона следует, что ток в цепи прямо пропорционален ЭДС и обратно пропорционален полному сопротивлению. При размыкании цепи (R → ∞) ток стремится к нулю, а напряжение на зажимах источника становится равным его ЭДС. При коротком замыкании (R → 0) ток достигает максимального значения Iкз = ℰ/r, что может привести к выходу источника из строя.

Отличие от напряжения и разности потенциалов

В электротехнике и физике важно различать три понятия: ЭДС, напряжение и разность потенциалов.

Для участка цепи без источника ЭДС напряжение равно разности потенциалов. Для участка, содержащего источник, напряжение отличается от разности потенциалов на величину ЭДС.

Классификация источников ЭДС

По принципу действия и области применения источники ЭДС делятся на несколько основных типов:

Химические источники тока

Преобразуют химическую энергию в электрическую. К ним относятся:

• Первичные элементы (батарейки): одноразовые источники (например, солевые, щелочные, литиевые), в которых химические реакции необратимы.
• Вторичные элементы (аккумуляторы): перезаряжаемые устройства (свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные), в которых химические реакции обратимы.
• Топливные элементы: устройства, непрерывно преобразующие энергию топлива (водорода, метанола) в электричество.

Электромеханические генераторы

Преобразуют механическую энергию в электрическую на основе закона электромагнитной индукции. ЭДС индукции, возникающая в обмотке ротора, вращающегося в магнитном поле, является основой работы всех электростанций (тепловых, гидравлических, атомных, ветряных).

Термоэлектрические генераторы

Используют эффект Зеебека: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников (термопары) возникает ЭДС, если места их контактов (спаи) находятся при разных температурах. Применяются в измерительной технике (термопары) и для прямого преобразования тепла в электричество (например, в радиоизотопных термоэлектрических генераторах — РИТЭГ).

Фотоэлектрические преобразователи

Преобразуют энергию фотонов (света) в электричество. ЭДС возникает в p-n-переходе полупроводника под действием света (фотовольтаический эффект). Являются основой солнечных батарей.

ЭДС индукции

Особый случай представляет ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле. Согласно закону Фарадея, ЭДС индукции ℰi в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока Φ через поверхность, ограниченную этим контуром, взятой с обратным знаком:

\[ \mathcal{E}_i = -\frac{d\Phi}{dt} \]

Знак «минус» отражает правило Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, чтобы противодействовать причине, его вызывающей (изменению магнитного потока). ЭДС индукции может возникать как в неподвижных контурах в переменном магнитном поле, так и в движущихся проводниках в постоянном магнитном поле.

Применение и значение

Понятие ЭДС является фундаментальным для всей электротехники и электроники. Без источников ЭДС невозможно существование электрических цепей и устройств:

• Электроэнергетика: генераторы на электростанциях создают ЭДС промышленной частоты (50 Гц в России, 60 Гц в США), которая затем передается по линиям электропередачи.
• Портативная электроника: батареи и аккумуляторы с заданной ЭДС (1,5 В, 3,7 В, 9 В и т.д.) питают мобильные телефоны, ноутбуки, фонарики.
• Автомобильная техника: свинцово-кислотные аккумуляторы с ЭДС около 12,6 В (в заряженном состоянии) обеспечивают пуск двигателя и работу бортовой сети.
• Измерительные приборы: вольтметры, амперметры и мультиметры используют эталонные источники ЭДС для калибровки и измерений.
• Научные исследования: эффект Холла, сверхпроводящие магниты, ускорители частиц — все эти устройства основаны на управлении ЭДС.

Интересные факты

• Термин «электродвижущая сила» ввел Андре-Мари Ампер в 1820-х годах, хотя сам феномен был открыт ранее Алессандро Вольта (вольтов столб, 1800 год) и Майклом Фарадеем (электромагнитная индукция, 1831 год).
• ЭДС нормального элемента Вестона (насыщенного ртутно-кадмиевого элемента) при 20 °C составляет 1,01865 В. Этот элемент долгое время использовался в качестве международного эталона напряжения.
• В отличие от напряжения, которое можно измерить вольтметром, ЭДС источника в замкнутой цепи непосредственно измерить нельзя — ее можно только рассчитать по формуле или измерить на разомкнутых клеммах при отсутствии тока.

Источники

1. Савельев И. В. «Основы теоретической физики». Том 1. — М.: Наука, 1989.
2. Сивухин Д. В. «Общий курс физики». Том 3. Электричество. — М.: Физматлит, 2004.
3. Калашников С. Г. «Электричество». — М.: Физматлит, 2003.
4. Детлаф А. А., Яворский Б. М. «Курс физики». — М.: Высшая школа, 2000.
5. ГОСТ Р 52002-2003. Электротехника. Термины и определения основных понятий.