An den Enden des Leiters und damit des Stroms ist das Vorhandensein äußerer Kräfte nichtelektrischer Natur erforderlich, mit deren Hilfe die Trennung elektrischer Ladungen erfolgt.

Durch äußere Kräfte sind alle Kräfte, die auf elektrisch geladene Teilchen in einem Stromkreis wirken, mit Ausnahme elektrostatischer Kräfte (d. h. Coulomb).

Fremdkräfte setzen geladene Teilchen in allen Stromquellen in Bewegung: in Generatoren, Kraftwerken, galvanischen Zellen, Batterien usw.

Beim Schließen eines Stromkreises entsteht in allen Leitern des Stromkreises ein elektrisches Feld. Innerhalb der Stromquelle bewegen sich Ladungen unter dem Einfluss äußerer Kräfte gegen Coulomb-Kräfte (Elektronen bewegen sich von einer positiv geladenen Elektrode zu einer negativen) und im restlichen Stromkreis werden sie von einem elektrischen Feld angetrieben (siehe Abbildung oben).

In Stromquellen werden bei der Trennung geladener Teilchen verschiedene Energiearten in elektrische Energie umgewandelt. Basierend auf der Art der umgewandelten Energie werden folgende Arten elektromotorischer Kraft unterschieden:

- elektrostatisch- in einer Elektrophore-Maschine, in der mechanische Energie durch Reibung in elektrische Energie umgewandelt wird;

- thermoelektrisch- in einem Thermoelement wird die innere Energie der erhitzten Verbindung zweier Drähte aus unterschiedlichen Metallen in elektrische Energie umgewandelt;

- Photovoltaik- in einer Fotozelle. Hier erfolgt die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie: Bei der Beleuchtung bestimmter Stoffe, beispielsweise Selen, Kupfer(I)-oxid, Silizium, kommt es zu einem Verlust negativer elektrischer Ladung;

- chemisch- in galvanischen Zellen, Batterien und anderen Quellen, in denen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Elektromotorische Kraft (EMF)— Eigenschaften der Stromquellen. Das EMF-Konzept wurde 1827 von G. Ohm für Gleichstromkreise eingeführt. Im Jahr 1857 definierte Kirchhoff EMF als die Arbeit äußerer Kräfte bei der Übertragung einer elektrischen Ladungseinheit entlang eines geschlossenen Stromkreises:

ɛ = A st /q,

Wo ɛ — EMF der Stromquelle, Eine st- Arbeit fremder Kräfte, Q- Betrag der übertragenen Gebühr.

Die elektromotorische Kraft wird in Volt ausgedrückt.

Wir können an jedem Teil des Stromkreises über elektromotorische Kraft sprechen. Dabei handelt es sich um die spezifische Arbeit äußerer Kräfte (Arbeit zur Bewegung einer einzelnen Ladung), nicht im gesamten Kreislauf, sondern nur in einem bestimmten Bereich.

Innenwiderstand der Stromquelle.

Es sei ein einfacher geschlossener Stromkreis bestehend aus einer Stromquelle (z. B. einer galvanischen Zelle, Batterie oder einem Generator) und einem Widerstand mit Widerstand R. Der Strom in einem geschlossenen Stromkreis wird nirgendwo unterbrochen und existiert daher auch innerhalb der Stromquelle. Jede Quelle stellt einen gewissen Widerstand gegen den Strom dar. Es heißt Innenwiderstand der Stromquelle und wird durch den Buchstaben bezeichnet R.

Im Generator R- das ist der Wicklungswiderstand, in einer galvanischen Zelle - der Widerstand der Elektrolytlösung und der Elektroden.

Somit wird die Stromquelle durch die Werte der EMF und des Innenwiderstands charakterisiert, die ihre Qualität bestimmen. Elektrostatische Maschinen haben beispielsweise eine sehr hohe EMF (bis zu mehreren Zehntausend Volt), gleichzeitig ist ihr Innenwiderstand jedoch enorm (bis zu Hunderten von Megaohm). Daher sind sie zur Erzeugung hoher Ströme ungeeignet. Galvanische Zellen haben eine EMK von nur ca. 1 V, allerdings ist auch der Innenwiderstand gering (ca. 1 Ohm oder weniger). Dadurch können sie Ströme in Ampere messen.

Elektromotorische Kraft (EMF)- In einem Gerät, das die Trennung positiver und negativer Ladungen erzwingt (Generator), wird ein Wert in Volt gemessen, der numerisch der Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen des Generators bei fehlendem Strom in seinem Stromkreis entspricht.

Quellen elektromagnetischer Energie (Generatoren)- Geräte, die Energie jeglicher nichtelektrischer Art in elektrische Energie umwandeln. Solche Quellen sind beispielsweise:

Generatoren in Kraftwerken (Wärme-, Wind-, Atom-, Wasserkraftwerke), die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln;

galvanische Zellen (Batterien) und Akkumulatoren aller Art, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln usw.

EMF ist numerisch gleich der Arbeit, die externe Kräfte leisten, wenn sie eine positive Einheitsladung innerhalb der Quelle oder die Quelle selbst bewegen und eine positive Einheitsladung durch einen geschlossenen Stromkreis leiten.

Die elektromotorische Kraft EMF E ist eine skalare Größe, die die Fähigkeit eines externen Feldes und eines induzierten elektrischen Feldes charakterisiert, einen elektrischen Strom zu erzeugen. EMF E ist numerisch gleich der von diesem Feld aufgewendeten Arbeit (Energie) W in Joule (J). um eine Ladungseinheit (1 C) von einem Punkt im Feld zu einem anderen zu bewegen.

Die Einheit der EMF ist das Volt (V). Somit ist die EMK gleich 1 V, wenn beim Bewegen einer Ladung von 1 C entlang eines geschlossenen Stromkreises Arbeit von 1 J verrichtet wird: [E] = I J/1 C = 1 V.

Die Bewegung von Ladungen über eine Fläche geht mit einem Energieaufwand einher.

Der Wert, der numerisch gleich der von der Quelle geleisteten Arbeit ist, indem sie eine einzelne positive Ladung durch einen bestimmten Abschnitt des Stromkreises leitet, wird als Spannung U bezeichnet. Da der Stromkreis aus externen und internen Abschnitten besteht, sind die Konzepte der Spannungen im externen Uvsh und im internen Uvt Abschnitte werden unterschieden.

Aus dem Gesagten ist es offensichtlich Die EMK der Quelle ist gleich der Summe der Spannungen an den externen U- und internen U-Abschnitten des Stromkreises:

E = Uin + Uin.

Diese Formel drückt den Energieerhaltungssatz für einen Stromkreis aus.

Es ist nur möglich, Spannungen in verschiedenen Teilen des Stromkreises zu messen, wenn der Stromkreis geschlossen ist. EMF wird zwischen den Quellenanschlüssen bei offenem Stromkreis gemessen.

Die Richtung der EMF ist die Richtung der erzwungenen Bewegung positiver Ladungen im Generator von Minus nach Plus unter dem Einfluss anderer als elektrischer Natur.

Der Innenwiderstand eines Generators ist der Widerstand der darin befindlichen Strukturelemente.

Ideale EMF-Quelle- ein Generator, dessen Wert Null ist und dessen Spannung nicht von der Last abhängt. Die Leistung einer idealen EMF-Quelle ist unendlich.

Konventionelles Bild (elektrisches Diagramm) eines idealen EMF-Generators der Stärke E in Abb. dargestellt. 1, a.

Eine echte EMF-Quelle enthält im Gegensatz zu einer idealen einen Innenwiderstand Ri und seine Spannung hängt von der Last ab (Abb. 1, b), und die Leistung der Quelle ist endlich. Der Stromkreis eines echten EMF-Generators ist eine Reihenschaltung eines idealen EMF-Generators E und seines Innenwiderstands Ri.

Um den Betriebsmodus eines realen EMF-Generators dem Betriebsmodus eines idealen Generators näher zu bringen, wird in der Praxis versucht, den Innenwiderstand des realen Generators Ri so klein wie möglich zu machen, und der Lastwiderstand Rн muss angeschlossen werden mit einem Wert, der mindestens zehnmal größer ist als der Innenwiderstand des Generators , d.h. Folgende Bedingung muss erfüllt sein: Rн >> Ri

Damit die Ausgangsspannung eines echten EMF-Generators lastunabhängig ist, wird sie durch spezielle elektronische Spastabilisiert.

Da der Innenwiderstand eines echten EMF-Generators nicht unendlich klein gemacht werden kann, wird er minimiert und zum Standard für die Möglichkeit des koordinierten Anschlusses von Energieverbrauchern an ihn gemacht. In der Funktechnik beträgt der Standard-Ausgangswiderstand von EMF-Generatoren 50 Ohm (Industriestandard) und 75 Ohm (Haushaltsstandard).

Beispielsweise haben alle Fernsehempfänger eine Eingangsimpedanz von 75 Ohm und werden mit einem Koaxialkabel genau dieser Impedanz an die Antennen angeschlossen.

Um den idealen EMF-Generatoren näher zu kommen, werden die in allen Industrie- und Haushaltselektronikgeräten verwendeten Versorgungsspannungsquellen mit speziellen elektronischen Ausgangsspahergestellt, die es ermöglichen, eine nahezu konstante Ausgangsspannung der Stromquelle in einem bestimmten Strombereich aufrechtzuerhalten wird von der EMF-Quelle (manchmal auch Spannungsquelle genannt) verbraucht.

Auf elektrischen Diagrammen werden EMF-Quellen wie folgt dargestellt: E – Quelle konstanter EMF, e(t) – Quelle harmonischer (variabler) EMF in Form einer Funktion der Zeit.

Die elektromotorische Kraft E einer Batterie aus in Reihe geschalteten identischen Elementen ist gleich der elektromotorischen Kraft eines Elements E multipliziert mit der Anzahl n der Elemente der Batterie: E = nE.

Dritte (nicht potenzielle) Kräfte in Postquellen. oder abwechselnd aktuell; in einem geschlossenen Stromkreis ist gleich der Arbeit dieser Kräfte, um eine Einheitsposition zu bewegen. Ladung entlang des gesamten Stromkreises. Wenn wir Esgr verwenden, um die Feldstärke externer Kräfte zu bezeichnen, dann EMK? in einer geschlossenen Schleife ist L gleich

wobei dl das Konturlängenelement ist.

Potenzvoll. Elektrostatische Kräfte Felder können keine Beiträge unterstützen. dieser Kräfte auf einem geschlossenen Weg ist Null. Der Stromdurchgang durch die Leiter geht mit der Freisetzung von Energie einher – einer Erwärmung der Leiter. Äußere Kräfte führen zur Anklage. Teile im Inneren von Generatoren, galvanisch. Elemente, Batterien und andere Stromquellen. Der Ursprung äußerer Kräfte kann unterschiedlich sein: Bei Generatoren sind dies Kräfte aus dem elektrischen Wirbel. Feld, das entsteht, wenn sich das Magnetfeld ändert. Felder mit der Zeit oder Lorentz, die von der magnetischen Seite wirken. Felder auf Elektronen in einem bewegten Leiter; in galvanischer Ausführung Elemente und Batterien sind chemisch. Kraft usw. Die EMK der Quelle entspricht der elektrischen Spannung an ihren Anschlüssen, wenn der Stromkreis offen ist. EMK bestimmt die Stromstärke in einem Stromkreis bei einem bestimmten Widerstand (siehe OMA-GESETZ). Sie wird wie elektrische Energie gemessen. , in Volt.

Physikalisches enzyklopädisches Wörterbuch. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. . 1983 .

ELEKTROMOTORISCHE KRAFT

(EMK) – phänomenologisches Merkmal aktueller Quellen. 1827 von G. Ohm für Gleichstromkreise eingeführt. Strom und wurde 1857 von G. Kirchhoff als die Arbeit „äußerer“ Kräfte bei der Übertragung einer elektrischen Stromeinheit definiert. Ladung entlang einer geschlossenen Schleife. Dann wurde das Konzept der EMK breiter interpretiert – als Maß für spezifische (pro durch Strom übertragene Ladungseinheit) Energieumwandlungen, die in quasistationären [siehe. Quasistationäre (quasistatische) Näherung]elektrisch Stromkreise nicht nur durch „fremde“ Quellen (galvanische Batterien, Akkumulatoren, Generatoren usw.), sondern auch durch „Last“-Elemente (Elektromotoren, Batterien im Lademodus, Drosseln, Transformatoren usw.).

Vollständiger Name Größe - E. s. - ist mit mechanisch verbunden. Analogien von Prozessen in der Elektrizität. Ketten und wird selten verwendet; Die gebräuchlichere Abkürzung ist EMF. Im SI wird die EMK in Volt (V) gemessen; im Gaußschen System (SGSE) Einheit EMK speziell. hat keinen Namen (1 SGSE 300 V).

Im Fall einer quasilinearen Post. Strom in einem geschlossenen (ohne Zweige) Stromkreis des gesamten Zustroms des Elektromagneten. Die von den Quellen erzeugte Energie wird vollständig für die Wärmeerzeugung aufgewendet (vgl. Joule-Verluste):

Wo ist die EMK im Stromkreis? ICH-aktuell, R- Widerstand (das Vorzeichen der EMK hängt ebenso wie das Vorzeichen des Stroms von der Wahl der Durchlaufrichtung entlang der Kontur ab).

Bei der Beschreibung quasistationärer Prozesse in der Elektrik Kreisläufe in der Energieebene. Gleichgewicht (*) Es ist notwendig, Änderungen im akkumulierten magnetischen Zustand zu berücksichtigen Wm und elektrisch Wir Energien:

Beim Wechsel des Magneten Felder im Laufe der Zeit entsteht ein elektrischer Wirbel. E S, Die Zirkulation entlang eines leitenden Stromkreises wird üblicherweise als EMK bezeichnet Elektromagnetische Induktion:

Elektrische Änderungen Energien sind in der Regel dann von Bedeutung, wenn der Stromkreis einen großen elektrischen Strom enthält Kapazität, zum Beispiel Kondensatoren. Dann dW e /dt = D U. ICH, wo d U- Potentialdifferenz zwischen den Platten des Kondensators.

Allerdings sind auch andere Energieinterpretationen akzeptabel. Umwandlungen in Elektrizität Ketten. Also zum Beispiel im Wechselstromkreis. harmonisch Strom verbunden mit Induktivität L, dann die gegenseitigen Umwandlungen der Elektrizität. und Mag. Die darin enthaltenen Energien können als EMK el.-magn. charakterisiert werden. Induktion und Spannungsabfall über der effektiven Reaktanz Z L(cm. Impedanz): Beim Einzug magnetisch Feld in Körpern (zum Beispiel im Anker eines unipolaren Induktors), kann sogar die Arbeit von Widerstandskräften zur EMK beitragen.

In verzweigten Stromkreisen quasilinearer Ströme wird die Beziehung zwischen der EMK und den Spannungsabfällen in den Abschnitten des Stromkreises, die einen geschlossenen Stromkreis bilden, durch die Sekunde bestimmt Kirchhoffs Regel.

EMK ist ein integrales Merkmal eines geschlossenen Kreislaufs, und im Allgemeinen ist es unmöglich, den Ort seiner „Anwendung“ genau anzugeben. Allerdings kann die EMK häufig als annähernd lokalisiert in bestimmten Geräten oder Schaltungselementen angesehen werden. In solchen Fällen wird es normalerweise als Merkmal eines Geräts (galvanische Batterie, Akkumulator, Dynamo usw.) betrachtet und durch die Potentialdifferenz zwischen seinen offenen Polen bestimmt. Basierend auf der Art der Energieumwandlung in diesen Geräten werden folgende Arten von EMK unterschieden: x- und m- und h-EMK in galvanische EMK. Batterien, Badewannen, Akkumulatoren, bei Korrosionsprozessen (galvanische Effekte), photoelektrische EMK (Photospannung) mit externen. und intern photoelektrischer Effekt (Fotozellen, Fotodioden); e le c t r o m a g n i t e emf - e.m.f. Induktion (Dynamos, Transformatoren, Drosseln, Elektromotoren usw.); elektrostatische EMK, die beispielsweise bei mechanischen entsteht. Reibung (elektrophoretische Maschinen, Elektrifizierung von Gewitterwolken usw.); piezoelektrische EMK – beim Zusammendrücken oder Dehnen von Piezoelektrika (piezoelektrische Sensoren, Hydrophone, Frequenzstabilisatoren usw.); Thermische EMK im Zusammenhang mit thermischer Ladungsemission. Partikel von der Oberfläche erhitzter Elektroden; Thermoelektrische EMK ( Thermokraft) - an den Kontakten unterschiedlicher Leiter ( Seebeck-Effekt Und Peltier-Effekt)oder in Abschnitten der Kette mit ungleichmäßiger Temperaturverteilung ( Thomson-Effekt). Thermokraft wird in Thermoelementen, Pyrometern und Kühlmaschinen eingesetzt.

M. A. Miller, G. V. Permitin.

Physische Enzyklopädie. In 5 Bänden. - M.: Sowjetische Enzyklopädie. Chefredakteur A. M. Prokhorov. 1988 .

Sehen Sie, was „ELEKTRISCHE MOTORKRAFT“ in anderen Wörterbüchern ist:

elektromotorische Kraft– Eine skalare Größe, die die Fähigkeit eines externen Feldes und eines induzierten elektrischen Feldes charakterisiert, einen elektrischen Strom zu erzeugen. Hinweis – Die elektromotorische Kraft ist gleich dem linearen Integral der externen Feldstärke und der induzierten... ... Leitfaden für technische Übersetzer Moderne Enzyklopädie – eine skalare Größe, die die Fähigkeit eines externen Feldes und eines induzierten elektrischen Feldes charakterisiert, elektrischen Strom zu erzeugen...

Inhalt:

Als der Begriff „Elektron“ geboren wurde, assoziierten die Menschen ihn sofort mit einem bestimmten Beruf. Elektron ist das griechische Wort für Bernstein. Die Tatsache, dass die Griechen, um diesen nutzlosen, im Allgemeinen magischen Stein zu finden, ziemlich weit in den Norden reisen mussten – solche Bemühungen zählen hier im Allgemeinen nicht. Aber es hat sich gelohnt, den Kieselstein mit den Händen auf einem trockenen Wolltuch zu reiben, und er hat neue Eigenschaften erhalten. Jeder wusste das. Reiben Sie einfach so, aus rein uneigennützigem Interesse, um zu beobachten, wie kleine Trümmer nun vom „Elektron“ angezogen werden: Staubkörner, Haare, Fäden, Federn. Als später eine ganze Klasse von Phänomenen auftauchte, die später unter dem Begriff „Elektrizität“ zusammengefasst wurden, gab die Arbeit, die notwendigerweise aufgewendet werden musste, den Menschen keinen Frieden. Da man Geld ausgeben muss, um einen Trick mit Staubflecken zu bekommen, wäre es gut, diese Arbeit irgendwie aufzusparen, anzusammeln und sie dann zurückzubekommen.

So lernten wir durch immer komplexere Tricks mit unterschiedlichen Materialien und philosophischen Überlegungen, diese magische Kraft in einem Glas zu sammeln. Und sorgen Sie dann dafür, dass es nach und nach aus dem Glas freigesetzt wird, was bereits spürbare und sehr bald messbare Wirkungen hervorruft. Und sie haben es so geschickt gemessen, dass sie nur ein paar Seidenkugeln oder Stäbchen und Federtorsionswaagen hatten, dass wir auch heute noch ganz ernsthaft dieselben Formeln zur Berechnung elektrischer Schaltkreise verwenden, die mittlerweile den gesamten Planeten durchdrungen haben und im Vergleich zu diesen ersten Geräten unendlich komplex sind .

Und der Name dieses mächtigen Geists, der in einem Glas sitzt, enthält noch immer die Freude langjähriger Entdecker: „Elektromotorische Kraft“. Aber diese Kraft ist überhaupt nicht elektrisch. Im Gegenteil, es ist eine fremde, schreckliche Kraft, die elektrische Ladungen dazu zwingt, sich „gegen ihren Willen“ zu bewegen, das heißt, die gegenseitige Abstoßung zu überwinden und sich irgendwo auf einer Seite zu sammeln. Daraus ergibt sich eine Potentialdifferenz. Es kann durch Abgabe von Ladungen auf andere Weise genutzt werden. Wo sie nicht von diesem schrecklichen EMF „bewacht“ werden. Und sie so zu etwas Arbeit zwingen.

Arbeitsprinzip

EMF ist eine Kraft ganz anderer Natur, obwohl sie in Volt gemessen wird:

• Chemisch. Tritt bei Prozessen des chemischen Ersatzes von Ionen einiger Metalle durch Ionen anderer (aktiverer) auf. Dadurch werden zusätzliche Elektronen gebildet, die versuchen, am Rand des nächstgelegenen Leiters zu „entkommen“. Dieser Vorgang kann reversibel oder irreversibel sein. Reversibel – in Batterien. Sie können aufgeladen werden, indem geladene Ionen wieder in die Lösung zurückgeführt werden, wodurch diese beispielsweise saurer wird (in Säurebatterien). Der Säuregehalt des Elektrolyten ist die Ursache für die EMK der Batterie; sie arbeitet kontinuierlich, bis die Lösung chemisch völlig neutral wird.

• Magnetodynamisch. Tritt auf, wenn ein Leiter, der in irgendeiner Weise im Raum ausgerichtet ist, einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt wird. Entweder von einem Magneten, der sich relativ zu einem Leiter bewegt, oder von der Bewegung eines Leiters relativ zu einem Magnetfeld. In diesem Fall neigen Elektronen auch dazu, sich im Leiter zu bewegen, wodurch sie eingefangen und an den Ausgangskontakten des Geräts platziert werden können, wodurch eine Potentialdifferenz entsteht.

• Elektromagnetisch. Durch eine elektrische Wechselspannung in der Primärwicklung wird in einem magnetischen Material ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. In der Sekundärwicklung kommt es zu einer Elektronenbewegung und damit zu einer Spannung, die proportional zur Spannung in der Primärwicklung ist. Transformatoren können in äquivalenten Ersatzschaltungen mit dem EMF-Symbol gekennzeichnet werden.

• Photovoltaik. Licht, das auf einige leitfähige Materialien trifft, kann Elektronen herausschlagen, also freigeben. Es entsteht ein Überschuss dieser Partikel, wodurch die überschüssigen Partikel in Richtung einer der Elektroden (Anode) gedrückt werden. Es entsteht Spannung, die elektrischen Strom erzeugen kann. Solche Geräte werden Fotozellen genannt. Zunächst wurden Vakuumfotozellen erfunden, bei denen die Elektroden in einem Kolben mit Vakuum installiert waren. In diesem Fall wurden die Elektronen aus der Metallplatte (Kathode) herausgedrückt und von einer anderen Elektrode (Anode) eingefangen. Solche Fotozellen haben in Lichtsensoren Anwendung gefunden. Mit der Erfindung praktischerer Halbleiter-Fotozellen wurde es möglich, daraus leistungsstarke Batterien herzustellen, um durch Summierung der elektromotorischen Kraft jeder von ihnen eine erhebliche Spannung zu erzeugen.

• Thermoelektrisch. Wenn zwei verschiedene Metalle oder Halbleiter an einer Stelle verlötet werden und dann an dieser Stelle, beispielsweise einer Kerze, Wärme zugeführt wird, entsteht an den gegenüberliegenden Enden des Metallpaars (Thermoelemente) ein Unterschied in der Dichte des Elektronengases . Dieser Unterschied kann sich summieren, wenn Thermoelemente in Reihe geschaltet werden, ähnlich wie bei der Verbindung galvanischer Zellen in einer Batterie oder einzelner Solarzellen in einem Solarpanel. ThermoEMF wird in sehr genauen Temperatursensoren eingesetzt. Mit diesem Phänomen sind mehrere Effekte verbunden (Peltier, Thomson, Seebeck), die erfolgreich untersucht werden. Fakt ist, dass Wärme direkt in elektromotorische Kraft, also Spannung, umgewandelt werden kann.

• Elektrostatisch. Solche EMF-Quellen wurden fast gleichzeitig mit galvanischen Elementen oder sogar noch früher erfunden (wenn wir das Reiben von Bernstein mit Seide als normale EMF-Erzeugung betrachten). Sie werden auch elektrophoretische Maschinen oder, nach dem Namen des Erfinders, Wimshurst-Generatoren genannt. Obwohl Wimshurst eine klare technische Lösung geschaffen hat, die es ermöglicht, das entnommene Potenzial in einem Leidener Gefäß zu akkumulieren – dem ersten Kondensator (und mit guter Kapazität). Als erste Elektrophormaschine kann man sich eine riesige auf einer Achse montierte Schwefelkugel vorstellen – den Apparat des Magdeburger Bürgermeisters Otto von Guericke aus der Mitte des 17. Jahrhunderts. Das Funktionsprinzip besteht darin, Materialien zu reiben, die sich durch Reibung leicht elektrisieren lassen. Zwar kann man von Guerickes Fortschritt, wie man so schön sagt, als von Faulheit getrieben bezeichnen, wenn keine Lust besteht, Bernstein oder etwas anderes mit der Hand zu reiben. Obwohl dieser neugierige Politiker natürlich viel Fantasie und Aktivität besaß. Erinnern wir uns zumindest an sein bekanntes Experiment, bei dem zwei Eselketten (oder Maultiere) einen Ball ohne Luft an Ketten in zwei Halbkugeln zerrissen.

Die Elektrifizierung erfolgt, wie ursprünglich angenommen, genau durch „Reibung“, das heißt, indem wir Bernstein mit einem Lappen reiben, „reißen“ wir Elektronen von seiner Oberfläche. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass es nicht so einfach ist. Es stellt sich heraus, dass es auf der Oberfläche von Dielektrika immer Ladungsunregelmäßigkeiten gibt und Ionen aus der Luft von diesen Unregelmäßigkeiten angezogen werden. Es bildet sich eine Luft-Ionen-Schicht, die wir durch Reiben der Oberfläche beschädigen.

• Thermionisch. Beim Erhitzen von Metallen werden der Oberfläche Elektronen entzogen. Im Vakuum gelangen sie auf eine andere Elektrode und induzieren dort ein negatives Potential. Das ist derzeit eine sehr vielversprechende Richtung. Die Abbildung zeigt ein Schema zum Schutz eines Hyperschallflugzeugs vor Überhitzung von Körperteilen durch einen Gegenstrom von Luft und thermionischen Elektronen, die von der Kathode emittiert werden (die gleichzeitig gekühlt wird – die gleichzeitige Wirkung von Peltier und/oder Thomson). Effekte) erreichen die Anode und induzieren dort eine Ladung. Die Ladung bzw. Spannung, die der resultierenden EMK entspricht, kann im Verbraucherkreis im Gerät genutzt werden.

1 - Kathode, 2 - Anode, 3, 4 - Kathoden- und Anodenabgriffe, 5 - Verbraucher

• Piezoelektrisch. Viele kristalline Dielektrika reagieren darauf, indem sie einen Potentialunterschied zwischen ihren Oberflächen induzieren, wenn sie in irgendeiner Richtung mechanischen Druck auf sich selbst ausüben. Dieser Unterschied hängt vom angelegten Druck ab und wird daher bereits in Drucksensoren genutzt. Piezoelektrische Anzünder für Gasherde benötigen keine weitere Energiequelle – nur einen Knopfdruck mit dem Finger. Es sind Versuche bekannt, in Autos ein piezoelektrisches Zündsystem auf Basis von Piezokeramik zu schaffen, das Druck von einem Nockensystem erhält, das mit der Hauptwelle des Motors verbunden ist. „Gute“ Piezoelektrika – bei denen die Proportionalität der EMF zum Druck sehr genau ist – sind sehr hart (z. B. Quarz) und verformen sich unter mechanischem Druck fast nicht.

• Längere Druckeinwirkung führt jedoch zu ihrer Zerstörung. Auch in der Natur sind dicke Gesteinsschichten piezoelektrisch; der Druck der Erdschichten induziert enorme Ladungen auf ihren Oberflächen, was in den Tiefen der Erde zu gigantischen Stürmen und Gewittern führt. Allerdings ist nicht alles so beängstigend. Elastische Piezoelektrika wurden bereits entwickelt, und sogar die Produktion von Produkten auf Basis dieser (und auf Basis der Nanotechnologie) für den Verkauf hat bereits begonnen.

Es ist klar, dass die Maßeinheit der EMF die Einheit der elektrischen Spannung ist. Da die unterschiedlichsten Mechanismen, die die elektromotorische Kraft einer Stromquelle erzeugen, alle ihre Energiearten in die Bewegung und Ansammlung von Elektronen umwandeln, führt dies letztendlich zum Auftreten einer solchen Spannung.

Strom, der durch EMF entsteht

Die elektromotorische Kraft einer Stromquelle ist eine treibende Kraft, da sich die Elektronen aus ihr zu bewegen beginnen, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Dazu werden sie durch die EMF gezwungen, indem sie ihre nichtelektrische „Hälfte“ der Natur nutzen, die schließlich nicht von der mit Elektronen verbundenen Hälfte abhängt. Da angenommen wird, dass der Strom im Stromkreis von Plus nach Minus fließt (diese Richtungsbestimmung wurde vorgenommen, bevor jeder wusste, dass das Elektron ein negatives Teilchen ist), macht der Strom im Inneren des Geräts mit EMF eine letzte Bewegung – von Minus nach Plus. Und sie zeichnen immer auf das EMF-Zeichen, wohin der Pfeil zeigt – +. Nur in beiden Fällen – sowohl innerhalb der EMK der Stromquelle als auch außerhalb, also im Verbraucherkreis – haben wir es mit elektrischem Strom mit all seinen zwingenden Eigenschaften zu tun. In Leitern trifft Strom auf Widerstand. Und hier, in der ersten Hälfte des Zyklus, haben wir den Lastwiderstand, in der zweiten, inneren Hälfte haben wir den Quellenwiderstand oder Innenwiderstand.

Der interne Prozess funktioniert nicht sofort (wenn auch sehr schnell), aber mit einer gewissen Intensität. Es gelingt zwar, Ladungen von Minus nach Plus zu transportieren, doch auch dies stößt auf Widerstand ...

Es gibt zwei Arten von Widerständen.

1. Der innere Widerstand wirkt den trennenden Kräften entgegen; er hat eine „nahe“ Natur zu diesen trennenden Kräften. Zumindest funktioniert es mit ihnen in einem einzigen Mechanismus. Beispielsweise weist eine Säure, die Bleidioxid Sauerstoff entzieht und ihn durch SO 4 -Ionen ersetzt, durchaus eine gewisse chemische Beständigkeit auf. Und genau das macht sich in der Arbeit des Innenwiderstands der Batterie bemerkbar.
2. Wenn die äußere (Ausgangs-)Hälfte des Stromkreises nicht geschlossen ist, führt das Auftreten von immer mehr Elektronen an einem der Pole (und deren Abnahme gegenüber dem anderen Pol) zu einem Anstieg der elektrostatischen Feldstärke an den Batteriepolen und einem Anstieg bei der Abstoßung zwischen Elektronen. Dadurch kann das System „nicht verrückt werden“ und bei einem bestimmten Sättigungszustand anhalten. Es werden keine Elektronen mehr von der Batterie nach außen aufgenommen. Und dies sieht äußerlich wie das Vorhandensein einer konstanten elektrischen Spannung zwischen den Batteriepolen aus, die als U xx, die Leerlaufspannung, bezeichnet wird. Und es ist numerisch gleich EMF – elektromotorische Kraft. Daher ist die Maßeinheit für EMF das Volt (im SI-System).

Wenn Sie jedoch nur eine Last von Leitern mit einem Widerstand ungleich Null an die Batterie anschließen, fließt sofort ein Strom, dessen Stärke durch das Ohmsche Gesetz bestimmt wird.

Es scheint, dass es möglich ist, den Innenwiderstand der EMF-Quelle zu messen. Es lohnt sich, ein Amperemeter an den Stromkreis anzuschließen und den externen Widerstand zu überbrücken (kurzzuschließen). Der Innenwiderstand ist jedoch so gering, dass die Batterie katastrophal zu entladen beginnt und enorme Wärmemengen erzeugt, sowohl an den äußeren kurzgeschlossenen Leitern als auch im Innenraum der Quelle.

Sie können es jedoch auch anders machen:

1. Messen Sie E (denken Sie daran, Leerlaufspannung, Maßeinheit - Volt).
2. Schließen Sie einen Widerstand als Last an und messen Sie den Spannungsabfall daran. Berechnen Sie den Strom I 1.
3. Sie können den Wert des Innenwiderstands der EMF-Quelle mithilfe des Ausdrucks für r berechnen

Typischerweise wird die Fähigkeit einer Batterie, Strom zu erzeugen, anhand ihrer Energiekapazität in Amperestunden gemessen. Aber es wäre interessant zu sehen, welchen maximalen Strom es erzeugen kann. Trotz der Tatsache, dass die elektromotorische Kraft der Stromquelle möglicherweise zu einer Explosion führt. Da die Idee, darauf einen Kurzschluss anzuordnen, nicht sehr verlockend erschien, können wir diesen Wert rein theoretisch berechnen. Die EMK ist gleich U xx. Sie müssen lediglich einen Graphen des Spannungsabfalls am Widerstand über dem Strom (und damit dem Lastwiderstand) bis zu dem Punkt zeichnen, an dem der Lastwiderstand Null ist. Das ist der Punkt ICHKurzschluss, Schnittpunkt der roten Linie mit der Koordinatenlinie ICH , in dem die Spannung U Null geworden ist und die gesamte Spannung E der Quelle am Innenwiderstand abfällt.

Oftmals lassen sich scheinbar einfache Grundkonzepte ohne den Einsatz von Beispielen und Analogien nicht immer verstehen. Was elektromotorische Kraft ist und wie sie funktioniert, kann man sich nur vorstellen, wenn man ihre vielfältigen Erscheinungsformen betrachtet. Aber es lohnt sich, über die Definition von EMF nachzudenken, wie sie von seriösen Quellen mit klugen akademischen Worten angegeben wird – und noch einmal von vorne zu beginnen: die elektromotorische Kraft einer Stromquelle. Oder schreiben Sie es einfach in goldenen Buchstaben an die Wand:

>>Physik: Elektromotorische Kraft

Jede Stromquelle zeichnet sich durch elektromotorische Kraft oder kurz EMF aus. Auf einer runden Taschenlampenbatterie steht also: 1,5 V. Was bedeutet das?
Verbinden Sie zwei Metallkugeln mit entgegengesetzten Ladungen mit einem Leiter. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes dieser Ladungen entsteht im Leiter ein elektrischer Strom ( Abb.15.7). Aber dieser Strom wird nur sehr kurzlebig sein. Die Ladungen neutralisieren sich schnell gegenseitig, die Potentiale der Kugeln gleichen sich an und das elektrische Feld verschwindet.
Äußere Kräfte. Damit der Strom konstant ist, muss eine konstante Spannung zwischen den Kugeln aufrechterhalten werden. Hierzu benötigen Sie ein Gerät ( aktuelle Quelle), wodurch Ladungen von einer Kugel zur anderen in der entgegengesetzten Richtung zur Richtung der Kräfte bewegt würden, die vom elektrischen Feld der Kugeln auf diese Ladungen einwirken. In einem solchen Gerät müssen zusätzlich zu elektrischen Kräften Kräfte nichtelektrostatischen Ursprungs auf Ladungen einwirken ( Abb.15.8). Das elektrische Feld geladener Teilchen allein ( Coulomb-Feld) ist nicht in der Lage, einen konstanten Strom im Stromkreis aufrechtzuerhalten.

Alle Kräfte, die auf elektrisch geladene Teilchen wirken, mit Ausnahme von Kräften elektrostatischen Ursprungs (d. h. Coulomb-Kräfte), werden aufgerufen durch äußere Kräfte.
Die Schlussfolgerung über die Notwendigkeit äußerer Kräfte zur Aufrechterhaltung eines konstanten Stroms im Stromkreis wird noch deutlicher, wenn wir uns dem Energieerhaltungssatz zuwenden. Das elektrostatische Feld ist potentiell. Die Arbeit, die dieses Feld verrichtet, wenn sich geladene Teilchen darin entlang eines geschlossenen Stromkreises bewegen, ist Null. Der Stromdurchgang durch die Leiter geht mit der Freisetzung von Energie einher – der Leiter erwärmt sich. Daher muss es im Stromkreis eine Energiequelle geben, die den Stromkreis mit Energie versorgt. Zusätzlich zu den Coulomb-Kräften müssen in ihm auch fremde, nicht potentielle Kräfte wirken. Die Arbeit dieser Kräfte entlang eines geschlossenen Kreises muss von Null verschieden sein. Während diese Kräfte Arbeit verrichten, nehmen geladene Teilchen in der Stromquelle Energie auf und geben sie dann an die Leiter des Stromkreises ab.
Fremdkräfte setzen geladene Teilchen in allen Stromquellen in Bewegung: in Generatoren in Kraftwerken, in galvanischen Zellen, Batterien usw.
Beim Schließen eines Stromkreises entsteht in allen Leitern des Stromkreises ein elektrisches Feld. Innerhalb der Stromquelle bewegen sich Ladungen unter dem Einfluss von äußere Kräfte gegen Coulomb-Kräfte(Elektronen von einer positiv geladenen Elektrode zu einer negativen), und in einem externen Stromkreis werden sie durch ein elektrisches Feld angetrieben (siehe. Abb.15.8).
Die Natur äußerer Kräfte. Die Art der äußeren Kräfte kann vielfältig sein. Bei Kraftwerksgeneratoren sind äußere Kräfte Kräfte, die vom Magnetfeld auf Elektronen in einem bewegten Leiter wirken.
In einer galvanischen Zelle, beispielsweise einer Volta-Zelle, wirken chemische Kräfte. Die Volta-Zelle besteht aus Zink- und Kupferelektroden, die in einer Schwefelsäurelösung angeordnet sind. Durch chemische Kräfte löst sich das Zink in der Säure auf. Positiv geladene Zinkionen gelangen in die Lösung und die Zinkelektrode selbst wird negativ geladen. (Kupfer löst sich in Schwefelsäure nur sehr wenig.) Zwischen den Zink- und Kupferelektroden entsteht eine Potentialdifferenz, die den Strom in einem geschlossenen Stromkreis bestimmt.
Die Einwirkung äußerer Kräfte wird durch eine wichtige physikalische Größe namens charakterisiert elektromotorische Kraft(abgekürzt EMF).
Die elektromotorische Kraft einer Stromquelle ist gleich dem Verhältnis der Arbeit, die äußere Kräfte beim Bewegen einer Ladung entlang eines geschlossenen Stromkreises leisten, zur Größe dieser Ladung:

Die elektromotorische Kraft wird wie die Spannung in Volt ausgedrückt.
Wir können auch über elektromotorische Kraft in jedem Teil des Stromkreises sprechen. Dabei handelt es sich um die spezifische Arbeit äußerer Kräfte (Arbeit zur Bewegung einer einzelnen Ladung), nicht im gesamten Kreislauf, sondern nur in einem bestimmten Bereich. Elektromotorische Kraft einer galvanischen Zelle ist eine Größe, die numerisch der Arbeit äußerer Kräfte entspricht, wenn eine einzelne positive Ladung innerhalb eines Elements von einem Pol zum anderen bewegt wird. Die Arbeit äußerer Kräfte kann nicht durch eine Potentialdifferenz ausgedrückt werden, da äußere Kräfte nicht potentiell sind und ihre Arbeit von der Form der Flugbahn der Ladungen abhängt. So ist beispielsweise die Arbeit äußerer Kräfte beim Bewegen einer Ladung zwischen den Anschlüssen einer Stromquelle außerhalb der Quelle selbst Null.
Jetzt wissen Sie, was EMF ist. Wenn die Batterie 1,5 V anzeigt, bedeutet das, dass äußere Kräfte (in diesem Fall chemische) 1,5 J Arbeit leisten, wenn sie eine Ladung von 1 C von einem Pol der Batterie zum anderen bewegen. Gleichstrom kann in einem geschlossenen Stromkreis nicht existieren, wenn keine äußeren Kräfte in ihm wirken, d. h. es gibt keine EMF.

???
1. Warum ist das elektrische Feld geladener Teilchen (Coulomb-Feld) nicht in der Lage, einen konstanten elektrischen Strom in einem Stromkreis aufrechtzuerhalten?
2. Welche Kräfte werden üblicherweise als Dritte bezeichnet?
3. Was nennt man elektromotorische Kraft?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physik 10. Klasse

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