Электродвижущая сила, э.д.с., ЭДС
-
феноменологическая характеристика источников тока. Введена
Георгом Омом (G. Ohm) в 1827 для цепей постоянного
тока и определена Густавом Робертом Кирхгофом
(G. Kirchhoff) в 1857 как работа "сторонних" сил при переносе единичного
электрического заряда
вдоль замкнутого контура. Затем понятие э.д.с. стали трактовть более широко
- как меру удельных (на единицу переносимого током заряда) преобразований
энергии, осуществляемых в квазистационарных [см. Квазистационарное
(квазистатическое) приближение] электрических цепях не только "сторонними"
источниками (гальванич. батареями, аккумуляторами, генераторами и т. п.), но и
"нагрузочными" элементами (электромоторами, аккумуляторами в режиме зарядки,
дросселями, трансформаторами и т. п.). Полное название величины -
Электродвижущая сила - связано с механическими аналогиями процессов в
электрических цепях и применяется редко; более употребительным являются
сокращения - э.д.с., ЭДС. В СИ э.д.с. потенциального источника измеряется
в вольтах [V], вихревого (полевого) источника - в вольтах на виток или
на радиан [V/rad].
В случае квазилинейного постоянного тока в замкнутой (без разветвлений) цепи
мощность суммарного притока электромагнитной энергии, вырабатываемой
источниками, полностью расходуется на выделение тепла (см.
Джоулевы потери:)
где - э.д.с. в проводящей
цепи, I - ток, R - сопротивление (знак э.д.с., как и знак
тока, зависит от выбора направления обхода по контуру).
При описании квазистационарных процессов в электрич. цепях в уравнении
энергетического баланса (*) необходим учёт изменений накопленной магнитной
Wm и электрической We энергий:
При изменении магнитного поля во времени возникает вихревое электрическое поле Es, циркуляцию которого вдоль проводящего контура принято называть э.д.с. электромагнитной индукции:
Изменения электрической энергии
существенны, как правило, в тех случаях, когда цепь содержит элементы с большой
электрич. ёмкостью, например, конденсаторы. Тогда dWe/dt = DU.I, где DU - разность потенциалов между обкладками конденсатора.
Допустимы, однако, и другие интерпретации энергетических превращений в электрической цепи. Так, например, если в цепь переменного гармонического тока включён соленоид с индуктивностьюL, то взаимные превращения электрич. и магн. энергий в нём могут быть охарактеризованы как
э.д.с. электромагнитн. индукции
так и падением напряжения на эффективном реактивном сопротивлении ZL (см. Импеданс):
В движущихся в магн. поле телах (напр., в якоре униполярного индуктора) даже
работа сил сопротивления может давать вклад в э.д.с..
В разветвлённых цепях квазилинейных
токов соотношение между э.д.с. и падениями напряжения на участках цепи, составляющих
замкнутый контур, определяется вторым Кирхгофа правилом.
Э.д.с. является интегральной характеристикой замкнутого контура, и в общем
случае нельзя строго указать место
её "приложения". Однако довольно часто э.д.с. можно считать приближённо
локализованной в определённых устройствах или элементах цепи. В таких случаях
её принято считать характеристикой устройства (гальванич. батареи, аккумулятора,
динамо-машины и т. п.) и определять через разность потенциалов между его разомкнутыми
полюсами. По типу преобразований энергии в этих устройствах различают следующие
виды э.д.с.: химическая э.д.с. в гальванич. батареях, ваннах, аккумуляторах,
при коррозионных процессах (гальваноэффекты), фотоэлектрическая э.д.с. (фотоэдс) при внеш. и внутр. фотоэффекте (фотоэлементы, фотодиоды);
электромагнитная э.д.с. - э.д.с. электромагнитн. индукции (динамо-машины, трансформаторы,
дроссели, электромоторы и т. п.); электростатическая э.д.с., возникающая,
напр., при механич. трении (электрофорные машины, электризация грозовых облаков
и т. п.); пьезоэлектрическая э.д.с. - при сдавливании или растяжении
пьезоэлектриков (пьезодатчики, гидрофоны, стабилизаторы частоты и т. п.);
термоионная э.д.с., связанная с термоэмиссией заряж. частиц с поверхности
разогретых электродов; термоэлектрическая э.д.с. (термоэ.д.с.)- на контактах разнородных проводников (Зеебека эффект и Пельтье
эффект)либо на участках цепи с неоднородным распределением температуры (Томсона
эффект). Термоэ.д.с. используют в термопарах, пирометрах, холодильных машинах.
Знаете ли Вы, что такое "усталость света"? Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г. На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях. Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.