Изучаем чем отличается ЭДС от напряжения

Довольно часто понятие электродвижущей силы подменяют на напряжение. И хотя оба параметра выражаются в одинаковых единицах, а их значения иногда действительно равны, это абсолютно разные характеристики. Разберемся, в чем их отличие.

Условия существования тока

Основные понятия

Перед тем как рассмотреть, чем отличается ЭДС (электродвижущая сила) от напряжения, определим основные понятия и установим физический смысл обеих величин.

Электрические силы

Известно, что электростатическое поле возникает между двумя неподвижными зарядами в условиях отсутствия воздействия внешних сил. Из-за того, что в нем действует закон Кулона, его принято называть кулоновским.

Кулоновские силы

Электрический ток в проводнике появляется только под влиянием сторонних электромагнитных сил, которые называют некулоновскими. Их источниками выступают генераторы, аккумуляторы, солнечные батареи, элементы Пельтье и т. п. Особенности протекания физических процессов внутри источников питания (ИП) связаны с тем, что заряды перемещаются от минуса к плюсу.

Источники тока

Потенциал

Понять, что такое ЭДС и напряжение в электрической цепи нельзя без определения потенциала. Эту величину вычисляют как отношение потенциальной энергии электрического поля к элементарному заряду, который помещен в конкретную точку. Она показывает, сколько энергии может быть приложено к электрону для его переноса. Поскольку величина заряда выражается в кулонах (Кл), а энергии — в джоулях (Дж), потенциальный электрический заряд измеряется в Дж/Кл. Эта единица называется вольтом (В).

Потенциал электрополя

ЭДС

На разноименных клеммах источника питания (ИП) появляется потенциальная энергия, на которую не влияет электрический ток в цепи. Потенциал разноименных полюсов отличается. Со стороны анода он больше.

ЭДС — это разница потенциалов на плюсовом и минусовом выводе идеального элемента питания, не подключенного к замкнутой цепи, то есть, при нулевом значении внутреннего сопротивления. Иногда говорят, что эта величина данного параметра равна работе, которая нужна для перемещения единичного электрозаряда внутри ИП.

ЭДС в электроцепи

Напряжение

Данный параметр можно представить через разность потенциалов между любыми двумя точками электрической цепи. Его величина состоит как из энергии кулоновских, так и энергии некулоновских внешних сил. Связь между ЭДС в цепи и напряжением записывают в виде формулы:

Формула напряжения

Напряжение в электроцепи

Различия и схожесть

Электродвижущая сила и напряжение имеют одну единицу измерения — вольт и тесно связаны с таким понятием, как разность потенциалов. Их отличия заключаются лишь в отношении того, как именно, в каких точках и при какой конфигурации цепи определяются эти величины.

Различия между напряжением и ЭДС

Если цепь разомкнута и не несет дополнительной нагрузки (сопротивление стремится к бесконечности), значение ЭДС будет равно напряжению на клеммах идеального ИП. Реальные источники отличаются от идеальных лишь тем, что в последних нет сопротивления. В замкнутой электроцепи напряжение всегда меньше ЭДС. Причина в том, что у любого источника ЭДС есть внутреннее сопротивление, поэтому при подключении нагрузки напряжение падает.

Виды ИТ

Как измерить ЭДС

Иногда ошибочно считают, что ЭДС измеряется мультиметром. На самом деле это не так. На дисплее или стрелочном указателе измерителя мы увидим значение напряжения. Причин, почему ЭДС нельзя установить таким способом, несколько:

• при подсоединении щупов к разным сторонам источника тока электроцепь замыкается;
• сопротивление вольтметра конечно, как и самого элемента питания.

Это совсем не означает, что узнать ЭДС нельзя. Для ее определения собирают простейшую цепь с известной нагрузкой R, которую подключают последовательно. Затем измеряют электрический ток и напряжение. По закону Кирхгофа можно найти ЭДС:

Формула ЭДС

Это же выражение можно записать как

Альтернативная формула

Поскольку значение r остается неизвестным, меняют нагрузочный резистор и повторяют замеры вольтметром и амперметром. В результате решения системы уравнений приходят к выражению:

Выражение для напряжения

Откуда

Формула сопротивления

Теперь можно посчитать ЭДС по тому же закону Кирхгофа, используя измерения любой ранее собранной схемы.

Расчет ЭДС

Как видим, электродвижущая сила определяется источником питания, а напряжение подключенной нагрузкой и током, присутствующим в цепи. Их различия в том, что ЭДС характеризирует работу сторонних, некулоновских сил, а напряжение — это работа, осуществляемая электрополем при переносе единичного заряда из одной точки в другую. Если говорить простыми словами, то ЭДС способствует движению электронов, то есть, образованию тока в замкнутой цепи, а напряжение толкает его по этой цепи. Без электродвижущей силы не появится электроток, следовательно, и напряжение.

Видео по теме