Ο M. Faraday βρήκε ότι η ισχύς του ρεύματος επαγωγής είναι ανάλογη με τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής μέσω της επιφάνειας που οριοθετείται από το περίγραμμα:
I i ~ ΔF/Δt.
Η εμφάνιση ρεύματος σε ένα κλειστό κύκλωμα σημαίνει την παρουσία εξωτερικών δυνάμεων, το έργο των οποίων για τη μετακίνηση ενός φορτίου μονάδας στο κύκλωμα ονομάζεται ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF). Αυτό σημαίνει ότι όταν η ροή αλλάζει μέσω της επιφάνειας που οριοθετείται από έναν κλειστό βρόχο, εμφανίζεται ένα EMF στον βρόχο ɛ Εγώπου ονομάζεται EMF επαγωγής. Σύμφωνα με το νόμο του Ohm για ένα κλειστό κύκλωμα, . Επομένως, το επαγωγικό emf είναι ανάλογο με ΔF/Δtγιατί η αντίσταση Rδεν εξαρτάται από αλλαγές στη μαγνητική ροή.
Διατυπώθηκε ως εξής:
Επαγωγή EMF ɛ Εγώσε έναν κλειστό βρόχο ισούται σε απόλυτη τιμή με τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής μέσω της επιφάνειας που οριοθετείται από τον βρόχο:
.
Τα πειράματα που περιγράφονται παραπάνω δείχνουν ότι η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι η εμφάνιση ενός ηλεκτρικού πεδίου και ενός ηλεκτρικού ρεύματος με αλλαγή στο χρόνο μαγνητικό πεδίοή όταν ένας αγωγός κινείται σε μαγνητικό πεδίο. Αυτοί οι δύο τύποι επιδράσεων ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής διαφέρουν ως προς τη φυσική φύση των διεργασιών που είναι υπεύθυνες για την εμφάνισή τους. Ο πρώτος τύπος οφείλεται στην επαγωγή ενός ηλεκτρικού πεδίου δίνης από ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, ο δεύτερος - η δράση των δυνάμεων Lorentz σε κινούμενα φορτία σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Και στις δύο περιπτώσεις, ο βασικός νόμος της επαγωγής ικανοποιείται, εκφράζεται με τον τύπο (
).
Στο υλικό, θα κατανοήσουμε την έννοια της επαγωγής EMF σε καταστάσεις εμφάνισής της. Θεωρήστε επίσης την επαγωγή ως βασική παράμετροςη εμφάνιση μαγνητικής ροής όταν εμφανίζεται ηλεκτρικό πεδίο στον αγωγό.
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από μαγνητικά πεδία που αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Χάρη στις ανακαλύψεις των Faraday και Lenz, τα μοτίβα διατυπώθηκαν σε νόμους, οι οποίοι εισήγαγαν συμμετρία στην κατανόηση των ηλεκτρομαγνητικών ροών. Η θεωρία του Maxwell συγκέντρωσε γνώσεις για το ηλεκτρικό ρεύμα και τις μαγνητικές ροές. Χάρη στην ανακάλυψη του Hertz, η ανθρωπότητα έμαθε για τις τηλεπικοινωνίες.
Ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εμφανίζεται γύρω από έναν αγωγό με ηλεκτρικό ρεύμα, ωστόσο, παράλληλα, συμβαίνει και το αντίθετο φαινόμενο - ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Εξετάστε τη μαγνητική ροή χρησιμοποιώντας ένα παράδειγμα: εάν τοποθετηθεί ένα πλαίσιο από έναν αγωγό ηλεκτρικό πεδίομε επαγωγή και μετακινήστε το από πάνω προς τα κάτω κατά μήκος των μαγνητικών γραμμών δύναμης ή προς τα δεξιά ή αριστερά κάθετα σε αυτές, τότε η μαγνητική ροή που διέρχεται από το πλαίσιο θα είναι σταθερή τιμή.
Όταν το πλαίσιο περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του, τότε μετά από λίγο η μαγνητική ροή θα αλλάξει κατά ένα ορισμένο ποσό. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται ένα επαγωγικό emf στο πλαίσιο και ηλεκτρική ενέργεια, που ονομάζεται επαγωγική.
Επαγωγή EMF
Ας εξετάσουμε λεπτομερώς ποια είναι η έννοια του EMF επαγωγής. Όταν ένας αγωγός τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο και κινείται με τομή γραμμών πεδίου, εμφανίζεται μια ηλεκτροκινητική δύναμη στον αγωγό που ονομάζεται επαγωγικό EMF. Συμβαίνει επίσης εάν ο αγωγός παραμένει ακίνητος και το μαγνητικό πεδίο κινείται και τέμνεται με τις γραμμές δύναμης του αγωγού.
Όταν ο αγωγός, όπου εμφανίζεται το emf, κλείνει στο εξωτερικό κύκλωμα, λόγω της παρουσίας αυτού του emf, ένα ρεύμα επαγωγής αρχίζει να ρέει μέσω του κυκλώματος. Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή περιλαμβάνει το φαινόμενο της επαγωγής ενός EMF σε έναν αγωγό τη στιγμή που αυτός διασχίζεται από γραμμές μαγνητικού πεδίου.
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι η αντίστροφη διαδικασία μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η έννοια και οι νόμοι της χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρική μηχανική, οι περισσότερες ηλεκτρικές μηχανές βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο.
Νόμοι Faraday και Lenz
Οι νόμοι του Faraday και του Lenz αντικατοπτρίζουν τα μοτίβα εμφάνισης της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
Ο Faraday διαπίστωσε ότι τα μαγνητικά φαινόμενα εμφανίζονται ως αποτέλεσμα των αλλαγών στη μαγνητική ροή με την πάροδο του χρόνου. Τη στιγμή της διέλευσης του αγωγού με εναλλασσόμενο μαγνητικό ρεύμα, εμφανίζεται μια ηλεκτροκινητική δύναμη σε αυτόν, η οποία οδηγεί στην εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος. Τόσο ένας μόνιμος μαγνήτης όσο και ένας ηλεκτρομαγνήτης μπορούν να παράγουν ρεύμα.
Ο επιστήμονας προσδιόρισε ότι η ένταση του ρεύματος αυξάνεται με μια γρήγορη αλλαγή στον αριθμό των γραμμών δύναμης που διασχίζουν το κύκλωμα. Δηλαδή, το EMF της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είναι σε ευθεία αναλογία με την ταχύτητα της μαγνητικής ροής.
Σύμφωνα με το νόμο του Faraday, οι τύποι EMF επαγωγής ορίζονται ως εξής:
Το σύμβολο μείον υποδεικνύει τη σχέση μεταξύ της πολικότητας του επαγόμενου emf, της κατεύθυνσης της ροής και της μεταβαλλόμενης ταχύτητας.
Σύμφωνα με το νόμο του Lenz, είναι δυνατός ο χαρακτηρισμός της ηλεκτροκινητικής δύναμης ανάλογα με την κατεύθυνσή της. Οποιαδήποτε αλλαγή στη μαγνητική ροή στο πηνίο οδηγεί στην εμφάνιση ενός EMF επαγωγής και με μια γρήγορη αλλαγή, παρατηρείται ένα αυξανόμενο EMF.
Εάν το πηνίο, όπου υπάρχει EMF επαγωγής, έχει βραχυκύκλωμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, τότε ένα επαγωγικό ρεύμα ρέει μέσα από αυτό, ως αποτέλεσμα του οποίου εμφανίζεται ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό και το πηνίο αποκτά τις ιδιότητες ενός σωληνοειδούς . Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από το πηνίο.
E.Kh. Ο Lenz καθιέρωσε ένα μοτίβο σύμφωνα με το οποίο προσδιορίζεται η κατεύθυνση του ρεύματος επαγωγής στο πηνίο και το EMF επαγωγής. Ο νόμος ορίζει ότι το EMF επαγωγής στο πηνίο, όταν αλλάζει η μαγνητική ροή, σχηματίζει ένα κατευθυντικό ρεύμα στο πηνίο, στο οποίο η δεδομένη μαγνητική ροή του πηνίου καθιστά δυνατή την αποφυγή αλλαγών στην εξωτερική μαγνητική ροή.
Ο νόμος του Lenz ισχύει για όλες τις καταστάσεις επαγωγής ηλεκτρικού ρεύματος σε αγωγούς, ανεξάρτητα από τη διαμόρφωσή τους και τη μέθοδο αλλαγής του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Η κίνηση ενός σύρματος σε μαγνητικό πεδίο
Η τιμή του επαγόμενου EMF καθορίζεται ανάλογα με το μήκος του αγωγού που διασχίζεται από τις γραμμές πεδίου δύναμης. Με μεγαλύτερο αριθμό γραμμών πεδίου, η τιμή του επαγόμενου emf αυξάνεται. Με την αύξηση του μαγνητικού πεδίου και της επαγωγής, εμφανίζεται μεγαλύτερη τιμή EMF στον αγωγό. Έτσι, η τιμή του EMF επαγωγής σε έναν αγωγό που κινείται σε μαγνητικό πεδίο εξαρτάται άμεσα από την επαγωγή του μαγνητικού πεδίου, το μήκος του αγωγού και την ταχύτητα της κίνησής του.
Αυτή η εξάρτηση αντικατοπτρίζεται στον τύπο E = Blv, όπου E είναι το επαγωγικό emf. Β - η τιμή της μαγνητικής επαγωγής. I - μήκος αγωγού. v είναι η ταχύτητα της κίνησής του.
Σημειώστε ότι σε έναν αγωγό που κινείται σε μαγνητικό πεδίο, το επαγωγικό EMF εμφανίζεται μόνο όταν διασχίζει τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Εάν ο αγωγός κινείται κατά μήκος των γραμμών δύναμης, τότε δεν προκαλείται EMF. Για το λόγο αυτό, ο τύπος ισχύει μόνο σε περιπτώσεις όπου η κίνηση του αγωγού κατευθύνεται κάθετα στις γραμμές δύναμης.
Η κατεύθυνση του επαγόμενου EMF και του ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό καθορίζεται από την κατεύθυνση κίνησης του ίδιου του αγωγού. Για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης, έχει αναπτυχθεί ο κανόνας του δεξιού χεριού. Εάν κρατάτε την παλάμη του δεξιού σας χεριού με τέτοιο τρόπο ώστε οι γραμμές δυνάμεων πεδίου να εισέρχονται στην κατεύθυνσή της, και αντίχειραςυποδεικνύει την κατεύθυνση κίνησης του αγωγού και, στη συνέχεια, τα υπόλοιπα τέσσερα δάχτυλα δείχνουν την κατεύθυνση του επαγόμενου EMF και την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό.
Περιστρεφόμενο πηνίο
Η λειτουργία της γεννήτριας ηλεκτρικού ρεύματος βασίζεται στην περιστροφή του πηνίου σε μια μαγνητική ροή, όπου υπάρχει ένας ορισμένος αριθμός στροφών. Το EMF επάγεται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα πάντα όταν διασχίζεται από μαγνητική ροή, με βάση τον τύπο μαγνητικής ροής Ф \u003d B x S x cos α (μαγνητική επαγωγή πολλαπλασιασμένη με την επιφάνεια από την οποία διέρχεται η μαγνητική ροή και το συνημίτονο της γωνίας που σχηματίζεται από το διάνυσμα κατεύθυνσης και τις κάθετες επίπεδες γραμμές).
Σύμφωνα με τον τύπο, το F επηρεάζεται από αλλαγές στις καταστάσεις:
- όταν αλλάζει η μαγνητική ροή, αλλάζει το διάνυσμα κατεύθυνσης.
- η περιοχή που περικλείεται στο περίγραμμα αλλάζει.
- αλλαγές γωνίας.
Επιτρέπεται η επαγωγή EMF με σταθερό μαγνήτη ή σταθερό ρεύμα, αλλά απλά όταν το πηνίο περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του εντός του μαγνητικού πεδίου. Σε αυτή την περίπτωση, η μαγνητική ροή αλλάζει καθώς αλλάζει η γωνία. Το πηνίο στη διαδικασία περιστροφής διασχίζει τις γραμμές δύναμης της μαγνητικής ροής, ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται ένα EMF. Με ομοιόμορφη περιστροφή, εμφανίζεται μια περιοδική αλλαγή στη μαγνητική ροή. Επίσης, ο αριθμός των γραμμών πεδίου που διασχίζουν κάθε δευτερόλεπτο γίνεται ίσος με τις τιμές σε τακτά χρονικά διαστήματα.
Στην πράξη, στις γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος, το πηνίο παραμένει ακίνητο και ο ηλεκτρομαγνήτης περιστρέφεται γύρω του.
Αυτο-επαγωγή EMF
Όταν ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το πηνίο, δημιουργείται ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο χαρακτηρίζεται από μια μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή που προκαλεί ένα EMF. Αυτό το φαινόμενοπου ονομάζεται αυτοεπαγωγή.
Λόγω του γεγονότος ότι η μαγνητική ροή είναι ανάλογη με την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, τότε ο τύπος EMF αυτοεπαγωγής μοιάζει με αυτό:
Ф = L x I, όπου L είναι η αυτεπαγωγή, η οποία μετράται σε H. Η τιμή του καθορίζεται από τον αριθμό των στροφών ανά μονάδα μήκους και την τιμή της διατομής τους.
Αμοιβαία επαγωγή
Όταν δύο πηνία βρίσκονται δίπλα-δίπλα, παρατηρούν το EMF αμοιβαίας επαγωγής, το οποίο καθορίζεται από τη διαμόρφωση των δύο κυκλωμάτων και τον αμοιβαίο προσανατολισμό τους. Με την αύξηση του διαχωρισμού των κυκλωμάτων, η τιμή της αμοιβαίας επαγωγής μειώνεται, καθώς υπάρχει μείωση της συνολικής μαγνητικής ροής για τα δύο πηνία.
Ας εξετάσουμε λεπτομερώς τη διαδικασία της εμφάνισης της αμοιβαίας επαγωγής. Υπάρχουν δύο πηνία, το ρεύμα I1 ρέει μέσα από το σύρμα του ενός με στροφές N1, το οποίο δημιουργεί μια μαγνητική ροή και περνά μέσα από το δεύτερο πηνίο με N2 αριθμό στροφών.
Η τιμή της αμοιβαίας επαγωγής του δεύτερου πηνίου σε σχέση με το πρώτο:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Τιμή μαγνητικής ροής:
F21 = (M21/N2) x I1.
Το επαγόμενο emf υπολογίζεται από τον τύπο:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
Στο πρώτο πηνίο, η τιμή του επαγόμενου emf:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλείται από την αμοιβαία επαγωγή σε ένα από τα πηνία είναι σε κάθε περίπτωση ευθέως ανάλογη με τη μεταβολή του ηλεκτρικού ρεύματος στο άλλο πηνίο.
Τότε η αμοιβαία επαγωγή θεωρείται ίση με:
M12 = M21 = M.
Κατά συνέπεια, E1 = - M x dI2/dt και E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), όπου K είναι ο συντελεστής σύζευξης μεταξύ των δύο τιμών επαγωγής.
Η αμοιβαία επαγωγή χρησιμοποιείται ευρέως σε μετασχηματιστές, οι οποίοι καθιστούν δυνατή την αλλαγή της τιμής ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ρεύματος. Η συσκευή είναι ένα ζευγάρι πηνίων που τυλίγονται σε έναν κοινό πυρήνα. Το ρεύμα στο πρώτο πηνίο σχηματίζει μια μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή στο μαγνητικό κύκλωμα και ένα ρεύμα στο δεύτερο πηνίο. Με λιγότερες στροφές στο πρώτο πηνίο από ό,τι στο δεύτερο, η τάση αυξάνεται και, κατά συνέπεια, με μεγαλύτερο αριθμό στροφών στην πρώτη περιέλιξη, η τάση μειώνεται.
Εκτός από την παραγωγή και τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας, το φαινόμενο της μαγνητικής επαγωγής χρησιμοποιείται και σε άλλες συσκευές. Για παράδειγμα, στα τρένα μαγνητικής αιώρησης που κινούνται χωρίς άμεση επαφή με το ρεύμα στις ράγες, αλλά μερικά εκατοστά υψηλότερα λόγω ηλεκτρομαγνητικής απώθησης.
Στα άκρα του αγωγού, και επομένως στο ρεύμα, είναι απαραίτητο να υπάρχουν εξωτερικές δυνάμεις μη ηλεκτρικής φύσης, με τη βοήθεια των οποίων γίνεται ο διαχωρισμός των ηλεκτρικών φορτίων.
Δυνάμεις τρίτωνΌλες οι δυνάμεις που δρουν σε ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια σε ένα κύκλωμα ονομάζονται, με εξαίρεση τις ηλεκτροστατικές (δηλαδή, Coulomb).
Τρίτοι δυνάμεις θέτουν σε κίνηση φορτισμένα σωματίδια μέσα σε όλες τις πηγές ρεύματος: σε γεννήτριες, σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, σε γαλβανικές κυψέλες, μπαταρίες κ.λπ.
Όταν το κύκλωμα είναι κλειστό, δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο σε όλους τους αγωγούς του κυκλώματος. Μέσα στην πηγή ρεύματος, τα φορτία κινούνται υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων έναντι των δυνάμεων Coulomb (τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από ένα θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο σε ένα αρνητικό) και στο υπόλοιπο κύκλωμα οδηγούνται από ένα ηλεκτρικό πεδίο (βλ. εικόνα παραπάνω ).
Στις τρέχουσες πηγές, κατά τη διάρκεια της εργασίας για το διαχωρισμό φορτισμένων σωματιδίων, εμφανίζεται ένας μετασχηματισμός ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Ανάλογα με τον τύπο της μετατρεπόμενης ενέργειας, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι ηλεκτροκινητικής δύναμης:
- ηλεκτροστατική- σε μια μηχανή ηλεκτροφόρου, στην οποία η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια κατά την τριβή.
- θερμοηλεκτρικό- σε ένα θερμοστοιχείο, η εσωτερική ενέργεια μιας θερμαινόμενης ένωσης δύο συρμάτων από διαφορετικά μέταλλα μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.
- φωτοβολταϊκά— σε φωτοκύτταρο. Εδώ, η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια: όταν φωτίζονται ορισμένες ουσίες, για παράδειγμα, σελήνιο, οξείδιο του χαλκού (I), πυρίτιο, παρατηρείται απώλεια αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου.
- χημικό- σε γαλβανικές κυψέλες, μπαταρίες και άλλες πηγές στις οποίες η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.
Ηλεκτροκινητική Δύναμη (EMF)- χαρακτηριστικό των τρεχουσών πηγών. Η έννοια του EMF εισήχθη από τον G. Ohm το 1827 για κυκλώματα συνεχούς ρεύματος. Το 1857, ο Kirchhoff όρισε το EMF ως το έργο των εξωτερικών δυνάμεων κατά τη μεταφορά ενός μοναδιαίου ηλεκτρικού φορτίου κατά μήκος ενός κλειστού κυκλώματος:
ɛ \u003d A st / q,
όπου ɛ - EMF της τρέχουσας πηγής, Ένας αγ- το έργο των εξωτερικών δυνάμεων, qείναι το ποσό της χρέωσης που μεταφέρεται.
Η ηλεκτροκινητική δύναμη εκφράζεται σε βολτ.
Μπορούμε να μιλήσουμε για την ηλεκτροκινητική δύναμη σε οποιοδήποτε μέρος του κυκλώματος. Αυτό είναι το συγκεκριμένο έργο των εξωτερικών δυνάμεων (το έργο της κίνησης ενός φορτίου μονάδας) όχι σε ολόκληρο το κύκλωμα, αλλά μόνο σε αυτήν την περιοχή.
Εσωτερική αντίσταση της πηγής ρεύματος.
Ας υπάρχει ένα απλό κλειστό κύκλωμα που αποτελείται από μια πηγή ρεύματος (για παράδειγμα, ένα γαλβανικό στοιχείο, μπαταρία ή γεννήτρια) και μια αντίσταση με αντίσταση R. Το ρεύμα σε ένα κλειστό κύκλωμα δεν διακόπτεται πουθενά, επομένως υπάρχει και μέσα στην πηγή ρεύματος. Οποιαδήποτε πηγή αντιπροσωπεύει κάποια αντίσταση στο ρεύμα. Λέγεται εσωτερική αντίσταση πηγής ρεύματοςκαι σημειώνεται με το γράμμα r.
Στη γεννήτρια r- αυτή είναι η αντίσταση της περιέλιξης, σε ένα γαλβανικό στοιχείο - η αντίσταση του διαλύματος ηλεκτρολύτη και των ηλεκτροδίων.
Έτσι, η πηγή ρεύματος χαρακτηρίζεται από τις τιμές του EMF και της εσωτερικής αντίστασης, που καθορίζουν την ποιότητά της. Για παράδειγμα, τα ηλεκτροστατικά μηχανήματα έχουν πολύ υψηλό EMF (έως δεκάδες χιλιάδες βολτ), αλλά ταυτόχρονα η εσωτερική τους αντίσταση είναι τεράστια (έως εκατοντάδες Mohms). Επομένως, είναι ακατάλληλα για λήψη υψηλών ρευμάτων. Στα γαλβανικά κύτταρα, το EMF είναι μόνο περίπου 1 V, αλλά η εσωτερική αντίσταση είναι επίσης μικρή (περίπου 1 ωμ ή λιγότερο). Αυτό τους επιτρέπει να λαμβάνουν ρεύματα μετρημένα σε αμπέρ.
Στην ηλεκτρική μηχανική, τα τροφοδοτικά για ηλεκτρικά κυκλώματα χαρακτηρίζονται από ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF).
Τι είναι το EMF
Στο εξωτερικό κύκλωμα του ηλεκτρικού κυκλώματος, τα ηλεκτρικά φορτία μετακινούνται από το συν της πηγής στο μείον και δημιουργούν ηλεκτρικό ρεύμα. Για να διατηρήσει τη συνέχειά της στο κύκλωμα, η πηγή πρέπει να έχει μια δύναμη που θα μπορούσε να μετακινήσει τα φορτία από ένα χαμηλότερο σε ένα υψηλότερο δυναμικό. Μια τέτοια δύναμη μη ηλεκτρικής προέλευσης είναι το EMF της πηγής. Για παράδειγμα, το EMF ενός γαλβανικού στοιχείου.
Σύμφωνα με αυτό, το EMF (E) μπορεί να υπολογιστεί ως:
E=A/q,όπου:
- Το Α είναι έργο σε τζάουλ.
- q - χρέωση σε μενταγιόν.
Η τιμή του EMF στο σύστημα SI μετριέται σε βολτ (V).
Τύποι και υπολογισμοί
Το EMF είναι η εργασία που γίνεται από εξωτερικές δυνάμεις για τη μετακίνηση ενός φορτίου μονάδας μέσω ενός ηλεκτρικού κυκλώματος.
Το κύκλωμα ενός κλειστού ηλεκτρικού κυκλώματος περιλαμβάνει ένα εξωτερικό μέρος, που χαρακτηρίζεται από αντίσταση R, και ένα εσωτερικό μέρος με αντίσταση πηγής Rin. Συνεχές ρεύμα (In) στο κύκλωμα θα ρέει ως αποτέλεσμα της δράσης του EMF, το οποίο υπερνικά τόσο την εξωτερική όσο και την εσωτερική αντίσταση του κυκλώματος.
Το ρεύμα στο κύκλωμα καθορίζεται από τον τύπο (νόμος του Ohm):
Σε \u003d E / (R + Rin).
Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση στους ακροδέκτες της πηγής (U 12) θα διαφέρει από το EMF κατά την ποσότητα της πτώσης τάσης στην εσωτερική αντίσταση της πηγής.
U 12 \u003d E - In * Rin.
Εάν το κύκλωμα είναι ανοιχτό και το ρεύμα σε αυτό είναι 0, τότε το EMF της πηγής θα είναι ίσο με την τάση U 12.
Οι σχεδιαστές τροφοδοτικών προσπαθούν να μειώσουν την εσωτερική αντίσταση Rin, καθώς αυτό μπορεί να επιτρέψει την άντληση περισσότερου ρεύματος από την πηγή.
Ανάλογα με την περίπτωση
Στην τεχνολογία, χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι EMF:
- Χημική ουσία.Χρησιμοποιείται σε μπαταρίες και συσσωρευτές.
- Θερμοηλεκτρικό.Εμφανίζεται όταν θερμαίνονται οι επαφές ανόμοιων μετάλλων. Χρησιμοποιείται σε ψυγεία, θερμοστοιχεία.
- Επαγωγή.Σχηματίζεται όταν ένας αγωγός διασχίζει ένα μαγνητικό πεδίο. Το εφέ χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικούς κινητήρες, γεννήτριες, μετασχηματιστές.
- Φωτοβολταϊκά.Χρησιμοποιείται για τη δημιουργία φωτοκυττάρων.
- Πιεζοηλεκτρικό.Όταν το υλικό τεντώνεται ή συμπιέζεται. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή αισθητήρων, ταλαντωτών χαλαζία.
Έτσι, το EMF είναι απαραίτητο για τη διατήρηση σταθερού ρεύματος και βρίσκει εφαρμογές διάφοροι τύποιτεχνολογία.
Στη φυσική, η έννοια ηλεκτροκινητική δύναμη(συντομογραφία - EMF) χρησιμοποιείται ως το κύριο ενεργειακό χαρακτηριστικό των πηγών ρεύματος.
Ηλεκτροκινητική Δύναμη (EMF)
Ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) - η ικανότητα της πηγής ενέργειας να δημιουργεί και να διατηρεί διαφορά δυναμικού στους σφιγκτήρες.
EMF- μετριέται σε βολτ
Η τάση στους ακροδέκτες της πηγής είναι πάντα μικρότερη EMFαπό την πτώση τάσης.
Ηλεκτροκινητική δύναμη
U RH = E – U R0
U RH είναι η τάση στους ακροδέκτες της πηγής. Μετρήθηκε με κλειστό το εξωτερικό κύκλωμα.
E - EMF - μετρήθηκε στο εργοστάσιο.
Ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) είναι ένα φυσικό μέγεθος, το οποίο ισούται με το πηλίκο της διαίρεσης του έργου που, όταν κινείται ένα ηλεκτρικό φορτίο, εκτελείται από εξωτερικές δυνάμεις σε ένα κλειστό κύκλωμα, προς αυτό το ίδιο το φορτίο.
πρέπει να σημειωθεί ότι ηλεκτροκινητική δύναμηστην πηγή ρεύματος εμφανίζεται επίσης απουσία του ίδιου του ρεύματος, δηλαδή όταν το κύκλωμα είναι ανοιχτό. Αυτή η κατάσταση συνήθως ονομάζεται "αδρανής" και η ίδια η τιμή EMFόταν είναι ίση με τη διαφορά σε εκείνα τα δυναμικά που είναι διαθέσιμα στους ακροδέκτες της πηγής ρεύματος.
Χημική ηλεκτροκινητική δύναμη
Χημική ουσία ηλεκτροκινητική δύναμηυπάρχει σε μπαταρίες, γαλβανικές μπαταρίες κατά τη διάρκεια διεργασιών διάβρωσης. Ανάλογα με την αρχή στην οποία βασίζεται η λειτουργία μιας συγκεκριμένης πηγής ενέργειας, ονομάζονται είτε μπαταρίες είτε γαλβανικές κυψέλες.
Ένα από τα κύρια διακριτικά χαρακτηριστικά των γαλβανικών κυψελών είναι ότι αυτές οι πηγές ρεύματος είναι, θα λέγαμε, μίας χρήσης. Κατά τη λειτουργία τους, δραστικές ουσίες, λόγω της οποίας απελευθερώνεται ηλεκτρική ενέργεια, ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων, αποσυντίθενται σχεδόν εντελώς. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο εάν το γαλβανικό στοιχείο αποφορτιστεί πλήρως, τότε δεν είναι πλέον δυνατή η χρήση του ως πηγή ρεύματος.
Σε αντίθεση με τα γαλβανικά στοιχεία, οι μπαταρίες είναι επαναχρησιμοποιήσιμες. Αυτό είναι δυνατό γιατί οι χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε αυτά είναι αναστρέψιμες.
ηλεκτρομαγνητική ηλεκτροκινητική δύναμη
ηλεκτρομαγνητικός EMFεμφανίζεται κατά τη λειτουργία τέτοιων συσκευών όπως δυναμό, ηλεκτροκινητήρες, τσοκ, μετασχηματιστές κ.λπ.
Η ουσία του είναι η εξής: όταν οι αγωγοί τοποθετούνται σε ένα μαγνητικό πεδίο και κινούνται σε αυτό με τέτοιο τρόπο ώστε οι μαγνητικές γραμμές δύναμης να τέμνονται, εμφανίζεται καθοδήγηση. EMF. Εάν το κύκλωμα είναι κλειστό, τότε εμφανίζεται ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτό.
Στη φυσική, το φαινόμενο που περιγράφεται παραπάνω ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. ηλεκτροκινητική δύναμη, που επάγεται σε αυτή την περίπτωση, ονομάζεται EMFεπαγωγή.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι δείχνοντας EMFΗ επαγωγή συμβαίνει όχι μόνο σε εκείνες τις περιπτώσεις όταν ο αγωγός κινείται σε μαγνητικό πεδίο, αλλά και όταν παραμένει ακίνητος, αλλά ταυτόχρονα αλλάζει το μέγεθος του ίδιου του μαγνητικού πεδίου.
Φωτοηλεκτρική ηλεκτροκινητική δύναμη
Αυτή η ποικιλία ηλεκτροκινητική δύναμηεμφανίζεται όταν υπάρχει είτε εξωτερικό είτε εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Στη φυσική, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο) σημαίνει εκείνη την ομάδα φαινομένων που συμβαίνει όταν το φως δρα σε μια ουσία, και ταυτόχρονα εκπέμπονται ηλεκτρόνια σε αυτήν. Αυτό ονομάζεται εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Αν, όμως, εμφανιστεί ηλεκτροκινητική δύναμηή η ηλεκτρική αγωγιμότητα μιας ουσίας αλλάζει, τότε μιλούν για εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Τώρα, τόσο τα εξωτερικά όσο και τα εσωτερικά φωτοηλεκτρικά εφέ χρησιμοποιούνται ευρέως για το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός τεράστιου αριθμού τέτοιων δεκτών ακτινοβολίας φωτός που μετατρέπουν τα φωτεινά σήματα σε ηλεκτρικά. Όλες αυτές οι συσκευές ονομάζονται φωτοκύτταρα και χρησιμοποιούνται τόσο στην τεχνολογία όσο και σε διάφορες επιστημονικές έρευνες. Συγκεκριμένα, τα φωτοκύτταρα χρησιμοποιούνται για την πραγματοποίηση των πιο αντικειμενικών οπτικών μετρήσεων.
Ηλεκτροστατική κινητήρια δύναμη
Όσο για αυτό το είδος ηλεκτροκινητική δύναμη, τότε, για παράδειγμα, συμβαίνει κατά τη διάρκεια μηχανικής τριβής που συμβαίνει σε μονάδες ηλεκτροφόρου (ειδική εργαστηριακή επίδειξη και βοηθητικές συσκευές), λαμβάνει χώρα επίσης σε σύννεφα κεραυνών.
Οι γεννήτριες Wimshurst (αυτό είναι ένα άλλο όνομα για μηχανές ηλεκτροφόρου) χρησιμοποιούν ένα τέτοιο φαινόμενο ως ηλεκτροστατική επαγωγή για τη λειτουργία τους. Κατά τη λειτουργία τους, τα ηλεκτρικά φορτία συσσωρεύονται στους πόλους, στα βάζα Leyden και η διαφορά δυναμικού μπορεί να φτάσει σε πολύ σημαντικές τιμές (έως και αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες βολτ).
Η φύση του στατικού ηλεκτρισμού είναι ότι εμφανίζεται όταν, λόγω απώλειας ή απόκτησης ηλεκτρονίων, διαταράσσεται η ενδομοριακή ή ενδοατομική ισορροπία.
Πιεζοηλεκτρική ηλεκτροκινητική δύναμη
Αυτή η ποικιλία ηλεκτροκινητική δύναμησυμβαίνει όταν συμβαίνει είτε συμπίεση είτε διάταση ουσιών που ονομάζονται πιεζοηλεκτρικά. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε σχέδια όπως πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες, κρυσταλλικοί ταλαντωτές, υδρόφωνα και μερικά άλλα.
Είναι το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο που αποτελεί τη βάση της λειτουργίας των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων. Οι ίδιοι ανήκουν στους αισθητήρες του λεγόμενου τύπου γεννήτριας. Σε αυτά, η είσοδος είναι η ασκούμενη δύναμη και η έξοδος είναι η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
Όσο για συσκευές όπως τα υδρόφωνα, η λειτουργία τους βασίζεται στην αρχή του λεγόμενου άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, που έχουν τα πιεζοκεραμικά υλικά. Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι εάν ασκηθεί ηχητική πίεση στην επιφάνεια αυτών των υλικών, τότε εμφανίζεται μια διαφορά δυναμικού στα ηλεκτρόδιά τους. Επιπλέον, είναι ανάλογο με το μέγεθος της ηχητικής πίεσης.
Ένας από τους κύριους τομείς εφαρμογής των πιεζοηλεκτρικών υλικών είναι η παραγωγή ταλαντωτών χαλαζία, οι οποίοι έχουν συντονιστές χαλαζία στο σχεδιασμό τους. Τέτοιες συσκευές έχουν σχεδιαστεί για να δέχονται ταλαντώσεις αυστηρά σταθερής συχνότητας, οι οποίες είναι σταθερές τόσο στο χρόνο όσο και με τις αλλαγές θερμοκρασίας και έχουν επίσης πολύ χαμηλό επίπεδο θορύβου φάσης.
Θερμιονική ηλεκτροκινητική δύναμη
Αυτή η ποικιλία ηλεκτροκινητική δύναμησυμβαίνει όταν η θερμική εκπομπή φορτισμένων σωματιδίων εμφανίζεται από την επιφάνεια των θερμαινόμενων ηλεκτροδίων. Η θερμιονική εκπομπή χρησιμοποιείται αρκετά ευρέως στην πράξη, για παράδειγμα, η λειτουργία σχεδόν όλων των ραδιοσωλήνων βασίζεται σε αυτήν.
Θερμοηλεκτρική ηλεκτροκινητική δύναμη
Αυτή η ποικιλία EMFεμφανίζεται όταν σε διαφορετικά άκρα ανόμοιων αγωγών ή απλά σε διαφορετικά μέρη του κυκλώματος, η θερμοκρασία κατανέμεται πολύ ανομοιόμορφα.
θερμοηλεκτρικό ηλεκτροκινητική δύναμηχρησιμοποιείται σε συσκευές όπως πυρόμετρα, θερμοστοιχεία και ψυκτικές μηχανές. Οι αισθητήρες των οποίων η λειτουργία βασίζεται σε αυτό το φαινόμενο ονομάζονται θερμοηλεκτρικοί και είναι, στην πραγματικότητα, θερμοστοιχεία που αποτελούνται από ηλεκτρόδια συγκολλημένα μεταξύ τους, κατασκευασμένα από διαφορετικά μέταλλα. Όταν αυτά τα στοιχεία είτε θερμαίνονται είτε ψύχονται, α EMF, η οποία είναι ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας.
