Просмотр кода страницы Электродвижущая сила

{{Значения|Сила (значения)}}
{{Электродинамика}}

'''Электродвижущая сила''' (ЭДС) — [[Скалярная величина|скалярная]] [[физическая величина]], характеризующая работу [[сторонние силы|сторонних сил]] (то есть любых сил, кроме электростатических и диссипативных) действующих в квазистационарных цепях [[Постоянный ток|постоянного]] или [[Переменный ток|переменного тока]]. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна [[Механическая работа|работе]] этих сил по перемещению единичного положительного [[Электрический заряд|заряда]] вдоль всего контура<ref name="СДВ">{{книга |автор  = [[Сивухин, Дмитрий Васильевич|Сивухин Д. В.]] |заглавие  =Общий курс физики |ответственный = |ссылка  =    |место   =М. |издательство  =[[Физматлит]], [[МФТИ]] |год     =2004 |том        =III. Электричество |страниц  =656  |страницы   =193—194 |isbn = 5-9221-0227-3}}</ref><ref name="КАЛ">{{книга |автор  = [[Калашников, Сергей Григорьевич|Калашников С. Г.]] |заглавие  =Общий курс физики |ответственный = |ссылка  =    |место   =М. |издательство  =Гостехтеориздат |год     =1956 |том        =II. Электричество |страниц  =664  |страницы   =146, 153 |isbn = }}</ref>.

По аналогии с [[Напряжённость электрического поля| напряжённостью электрического поля]] вводят понятие ''напряжённость сторонних сил'' <math>\vec E_{ex}</math>, под которой понимают векторную физическую величину, равную отношению сторонней силы, действующей на пробный электрический заряд к величине этого заряда. Тогда в замкнутом контуре <math>L</math> ЭДС будет равна:
: <math>\mathcal E = \oint \limits_L \vec E_{ex} \cdot \vec {dl} , </math>
где <math>\vec {dl}</math> — элемент контура.

ЭДС так же, как и [[Напряжение (электрическое)|напряжение]], в [[СИ|Международной системе единиц (СИ)]] измеряется в [[вольт]]ах.
Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока вне самого́ источника равна нулю.

== ЭДС и закон Ома ==
Электродвижущая сила источника связана с [[Электрический ток|электрическим током]], протекающим в цепи, соотношениями [[Закон Ома|закона Ома]]. Закон Ома для ''неоднородного участка цепи'' имеет вид<ref name="СДВ"/>:

: <math>\varphi_1 - \varphi_2 +  \mathcal E = IR,</math>

где <math>\varphi_1 - \varphi_2</math> — разность между значениями [[Электростатический потенциал|потенциала]] в начале и в конце участка цепи, <math>I</math> — [[сила тока]], текущего по участку, а <math>R</math> — [[Электрическое сопротивление|сопротивление]] участка.

Если точки 1 и 2 совпадают (цепь замкнута), то <math>\varphi_1 - \varphi_2 = 0</math> и предыдущая формула переходит в формулу закона Ома для ''замкнутой цепи''<ref name="СДВ"/>:

: <math>\mathcal E = IR,</math>

где теперь <math>R</math> — ''полное'' сопротивление всей цепи.

В общем случае полное сопротивление цепи складывается из сопротивления внешнего по отношению к источнику тока участка цепи (<math>R_e</math>)  и внутреннего сопротивления самого́ источника тока (<math>r</math>). С учётом этого следует:
: <math>\mathcal E = IR_e + Ir.</math>

== ЭДС источника тока ==
Если на участке цепи не действуют сторонние силы (''однородный участок цепи'') и, значит, источника тока на нём нет, то, как это следует из закона Ома для неоднородного участка цепи, выполняется:

: <math>\varphi_1 - \varphi_2 = IR.</math>

Значит, если в качестве точки 1 выбрать анод источника, а в качестве точки 2 — его катод, то для разности между потенциалами анода <math>\varphi_a</math> и катода <math>\varphi_k</math> можно записать:

: <math>\varphi_a - \varphi_k = IR_e,</math>

где как и ранее <math>R_e</math> — сопротивление внешнего участка цепи.

Из этого соотношения и закона Ома для замкнутой цепи, записанного в виде <math>\mathcal E = IR_e + Ir</math> нетрудно получить

: <math>\frac{ \varphi_a - \varphi_k}{\mathcal E} =\frac{R_e}{R_e+r} </math> и затем <math>\varphi_a - \varphi_k =\frac{R_e}{R_e+r}\mathcal E. </math>

Из полученного соотношения следуют два вывода:

# Во всех случаях, когда по цепи течёт ток, разность потенциалов между клеммами источника тока <math>\varphi_a - \varphi_k </math> меньше, чем ЭДС источника.
# В предельном случае, когда <math>R_e</math> бесконечно (цепь разорвана), выполняется <math>\mathcal E = \varphi_a - \varphi_k.</math>
Таким образом, ЭДС источника тока равна разности потенциалов между его клеммами в состоянии, когда источник отключён от цепи<ref name="СДВ"/>.

== ЭДС индукции ==
Причиной возникновения электродвижущей силы в замкнутом контуре может стать изменение [[Магнитный поток|потока магнитного поля]], пронизывающего поверхность, ограниченную данным контуром. Это явление называется [[Электромагнитная индукция|электромагнитной индукцией]]. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением
: <math>\mathcal E = - \frac{d \Phi}{d t} , </math>
где <math>\Phi</math> — поток магнитного поля через замкнутую поверхность, ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре (см. [[правило Ленца]]).
В свою очередь причиной изменения магнитного потока может быть как изменение магнитного поля, так и движение контура в целом или его отдельных частей.

== Неэлектростатический характер ЭДС ==
[[Файл:Неэлектрический характер ЭДС.jpg|thumb|Внутри источника ЭДС ток течёт в направлении, противоположном нормальному. Это невозможно без дополнительной силы неэлектростатической природы, преодолевающей силу электрического отталкивания]]
Как показано на рисунке, электрический ток, нормальное направление которого — от «плюса» к «минусу», внутри источника ЭДС (например, внутри гальванического элемента) течёт в противоположном направлении. Направление от «плюса» к «минусу» совпадает с направлением электростатической силы, действующей на положительные заряды. Поэтому для того, чтобы заставить ток течь в противоположном направлении, необходима дополнительная сила неэлектростатической природы ([[центробежная сила]], [[сила Лоренца]], силы химической природы, сила со стороны вихревого электрического поля) которая бы преодолевала силу со стороны электростатического поля. Диссипативные силы, хотя и противодействуют электростатическому полю, не могут заставить ток течь в противоположном направлении, поэтому они не входят в состав сторонних сил, работа которых используется в определении ЭДС.

== Сторонние силы ==
Сторонними силами называются силы, вызывающие перемещение [[электрический заряд|электрических зарядов]] внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля. Например, в гальваническом элементе или аккумуляторе сторонние силы возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе соприкосновения электрода с электролитом; в электрическом генераторе постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца<ref>''Кабардин О. Ф.'' Физика. - М., [[Просвещение (издательство)|Просвещение]], 1985. - Тираж 754 000 экз. - с. 131</ref>.

== См. также ==
* [[Правила Кирхгофа]]

== Примечания ==
{{примечания}}

{{Производные буквы E|nocat=1}}
{{phys-stub}}
{{Нет иллюстрации}}
{{нет ссылок|дата=19 июня 2018}}

[[Категория:Электричество]]
[[Категория:Физические величины]]