3.3 Электродвижущая сила

Появление электрического тока и напряжений в электрической цепи невозможно без источников электрической энергии. В этих источниках происходит преобразование различных видов энергии (химической, механической, тепловой, световой и др.) в электромагнитную или электрическую. При этом так называемыми сторонними силами создается электрическое поле с напряженностью .

Сторонними силами называются силы, природа которых обусловлена неэлектромагнитными процессами, такими, как химические реакции, тепловые процессы, воздействие механических сил.

Электрическое поле сторонних сил, действуя на заряженные частицы разделяет их таким образом, что на одном зажиме (положительном, обозначаемом знаком «+») источника скапливаются положительные заряды, а на другом (обозначаемом «-») – отрицательные (электроны), как например, в гальваническом элементе (рис 1.4)

Рис. 1.4

При подключении к зажимам источника объектов и устройств, создающих вместе с источником замкнутый контур, электроны в нем перемещаются от отрицательного к положительному, нейтрализуя недостаток электронов на зажиме «+». В то же время сторонние силы в источнике разделяют заряды, обеспечивая их непрерывное движение (электрический ток) в цепи. Говорят, что движение электрических зарядов в цепи происходит под действием электродвижущей силы источника.

Электродвижущая сила Е(в дальнейшем ЭДС Е) – скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрический ток.

Электродвижущая сила – скалярная величина, численно равная работе сторонних сил, затрачиваемая на перемещение единичного положительного заряда внутри источника от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом.

Независимо от природы сторонних сил ЭДС источника численно равна напряжению между зажимами источника энергии при отсутствии в нем тока, т.е. в режиме холостого хода.

Из этого определения следует, что единица измерения ЭДС в системе СИ – вольт (В). Направление ЭДС совпадает с направление перемещения положительных зарядов внутри источника, т.е. с направлением тока.

Напряжение на участке цепи и ЭДС являются функциями времени, либо сохраняют постоянные значения. Постоянные напряжения и ЭДС обозначают соответственно U и E. Переменные напряжения и ЭДС характеризуют мгновенными значениями и обозначают соответственно и .

3.4 Мощность и энергия

Пусть разность потенциалов точек А и В электрической цепи равна U. При перемещении элементарного электрического заряда dq через участок цепи, лежащий между этими точками, силы электрического поля совершают элементарную работу, которая в соответствии с (1.1) и (1.5):

(1.6)

Элементарная работа характеризует изменение энергии электрического поля и количественно равна энергии, поступившей в рассматриваемый участок цепи за промежуток времени dt.

Энергию, поступившую в цепь к моменту времени t, определяют интегрированием (1.6):

, (1.7)

где принять .

Если для любого момента времени t при любом законе изменения тока или напряжения во времени энергия , то рассматриваемый участок цепи является потребителем энергии и называется пассивным.

Если хотя бы для какого-то момента времени энергия , то участок цепи содержит источники энергии и называется активным.

Скорость поступления энергии в рассматриваемый участок цепи характеризуется мгновенной мощностью участка цепи.

Мгновенная мощность, потребляемая цепью, определяется производной энергии по времени и равна произведению мгновенных значений напряжений и тока:

(1.8)

Если в рассматриваемый момент времени направление тока и напряжения совпадает, то мгновенная мощность исследуемого участка цепи положительна. Это означает, что в данный момент времени участок цепи получает электрическую энергию от остальных частей цепи.

Если направление напряжения и тока не совпадают, то значение мгновенной мощности отрицательно, т.е. в данный момент времени участок цепи отдает электрическую энергию остальной части цепи.

Подставив выражение (1.8) в (1.7), выразим энергию, поступившую в участок цепи к моменту времени t, через мгновенную мощность:

. (1.9)

Энергия W, поступившая в цепь за промежуток времени , также может быть выражена через мгновенную мощность:

.

В системе СИ работу и энергию выражают в джоулях (Дж), а мощность – в ваттах (Вт).