Мои герои студенты Знаев и Любопытов
Любопытов: - Почему когда я слышу "Вольт", речь идет иногда о напряжении, а иногда об ЭДС?
Ведь "Вольты", это, насколько я понимаю, разность потенциалов, которая заставляет проходить ток в электрической цепи,
Знаев: - Давай сначала коротко ответим для тех кому «много букв» и читать дальше они не будут.
ЭДС это "вольты" которые рождает источник, а напряжение это "вольты", которые получаются на приемнике.
Или можно сказать так - ЭДС это «напряжение» которое может создавать источник, а напряжение это то, что действует на приемнике (на нагрузке) когда его подключают к источнику.
Знаев: - Теперь вернемся к электрической цепи, состоит она, как ты помнишь, из источника электрической энергии и приемника, которые соединяются проводами
ЭДС это "вольты" которые рождает источник, а напряжение это "вольты", которые получаются на приемнике. Давай вспомним, какие бывают источники электроэнергии - генератор, аккумулятор, батарейка, термопара, фотодиод.
А приемники, которые получают энергию от источника - это лампочки, нагреватели, различные моторчики, инструмент, электроника и т. п.
Любопытов: - Значит, на клеммах источника действует ЭДС и чтобы узнать сколько это Вольт, надо подсоединить вольтметр к клеммам источника.
Знаев: - Правильно. Но только если в этот момент к источнику ничего не подключено. Вольтметр покажет, что, например, на аккумуляторе действует 12,6 Вольта, а на батарейке 1,5 Вольта. Эти "Вольты" и есть ЭДС.
Будь внимателен - ЭДС можно измерить только на источнике, отключенном от нагрузки.
Любопытов: - А почему?, какая разница, ведь ЭДС неотъемлемое свойство источника и она есть независимо от того, подключено что нибудь или нет.
Знаев: - дело в том, что, как только подключается внешняя цепь, на клеммах уже действует только часть ЭДС, которую мы и называем «напряжение». Давай разбираться.
Любопытов: - Сейчас, я подумаю...
Источник нужен для того чтобы создавать ЭДС. ЭДС - это разность потенциалов + и -, если подключить к источнику, например, лампочку, ЭДС заставит протекать в ней ток.
Знаев: - Все верно. Если коротко, то источник нужен для того, чтобы создать ток через приемник. Напряжение на приемнике появляется потому, что он сопротивляется протеканию тока. Если сопротивления току нет, то и напрягаться не нужно.
Напряжение появляется на сопротивлении приемника, чтобы заставить ток преодолеть это сопротивление.
Любопытов:-Почему же от источника действует ЭДС, а на лампочке действует напряжение, вроде бы это одно и тоже?
Знаев: - Одно, да ни одно. Если лампочку отключить, никакого напряжения на ней не будет, а на источнике ЭДС как была, так и останется. Можешь проверить вольтметром.
Напряжение на приемнике есть только тогда, когда ЭДС создает ток в цепи через приемник.
Любопытов: - Понятно, источник создает "Вольты", а приемник им подчиняется.
Так, повторим: "Вольты", созданные источником это ЭДС, а "Вольты", которые действуют на приемнике это напряжение.
Любопытов: - Я думаю, что напряжение, которое появляется на приемнике получается равным ЭДС источника.
Знаев: - А вот это очень важное заблуждение, и если мы разберемся в чем оно, многое станет понятно.
Напряжение, которое действует на приемнике, всегда меньше ЭДС.
ЭДС не может создать на приемнике напряжение равное самой ЭДС.
Например, если ЭДС аккумулятора 12,6 Вольта, то при включении фар, напряжение окажется только 12 Вольт.
Любопытов: - Да, я это замечал, как только что - нибудь включаешь, стрелка вольтметра, сразу скакнет назад.
Интересно, почему?
Знаев: - Дело в том, что ЭДС должна протолкнуть ток через, через фары (10 Ампер), и для этого она держит на фарах напряжение 12 Вольт, и, к сожалению, ток надо протолкнуть через сам источник, поэтому источник должен приложить к себе оставшиеся 0,6 Вольта.
Любопытов: - Получается, что сам источник тоже ведет себя как приемник?
Знаев: - Вот именно, как участник цепи, проводящей ток, он точно также оказывает сопротивление току и, значит, чтобы ток прошел через источник, он должен получить часть напряжения.
Таким образом, ЭДС создает напряжение и на приемнике, и на самом источнике.
Любопытов: - Понятно, напряжение на нагрузке не равно ЭДС, а меньше.
Знаев: - Итак, напряжение всегда меньше ЭДС на величину напряжение которое источник тратит на себе.
Если ток в цепи есть, напряжение приложено к нагрузке, но часть приложена к самому источнику, в сумме они равны ЭДС.
Любопытов:- В нашем случае ЭДС 12,6 Вольта создает на приемнике напряжение 12 Вольт, и к себе источник прикладывает еще 0,6 В. А что, это всегда так? А другое соотношение может быть?
Знаев: -
Конечно может. Если мы включим кроме фар, печку, то напряжение станет 11,7 Вольта, то есть, источник вынужден будет тратить на свой возросший ток, еще дополнительно 0,3 Вольта.
Чем больше мы включим потребителей, тем тяжелее источнику будет поддерживать напряжение на них, и все больше напряжения понадобится для проталкивания тока через себя.
Если включить еще обогреватель заднего стекла, (10 Ампер +), лампочки станут заметно тусклее, то есть, напряжение на них еще сильнее снизится.
Любопытов: - А может быть такое, что напряжение упадет вообще до нуля?
Знаев: - Может, если подключим столько приемников, что источник вообще не сможет справиться, тогда его ЭДС, будет вынуждена тратиться в самом источнике на проталкивание огромного тока через себя, и для нагрузок вообще напряжения не останется, все потухнет и перестанет работать, а аккумулятор полностью разрядится, а если другой источник (генератор или трансформатор) он задымится и скоро сгорит.
Такой случай называется «короткое замыкание» и для источников (кроме микроскопических) это аварийный режим и от него надо защищаться.
Любопытов: - А наоборот. Может напряжение приравняться к ЭДС ?
Знаев: - это значит, что ток прекратился, приемник имеет такое большое сопротивление, что источник не может протолкнуть через него ток, но тогда и приемник не работает, если это лампочка, то она не горит.
Ответы на эти вопросы есть в тут же в моей статье "Простая электротехника"
Любопытов:- Получается, что напряжение становится равным ЭДС, когда цепь не работает.
Знаев: - Не совсем так. В слаботочных (сигнальных) цепях сопротивление приемника часто огромное и тока практически нет, это наиболее выгодный режим работы источника сигнала, при котором напряжение сигнала достигает максимальной величин, равной ЭДС источника.
Любопытов:-То есть, можно понимать так ЭДС - это возможность, а напряжение это действие.
А правильно понимать так, что ЭДС — это максимально возможное напряжение, которое может создать источник?
Знаев: - Да, так оно и есть.
Знаев: - Ну теперь пара формул, Они простые, но очень многое объясняют.
E= U+Ur(вн) это уравнение баланса напряжений. ЭДС источника равна сумме напряжения на нагрузке и падения напряжения внутри источника. В любой ситуации этот баланс выполняется.
Отсюда ясно, что
U=E-Ur(вн)
Напряжение всегда меньше ЭДС на величину падения напряжения внутри источника Ur(вн)
Или
Напряжение всегда меньше ЭДС потому, что часть напряжения падает внутри источника.
Любопытов: - Интересно, а если первое уравнение умножить на величину тока, ведь он общий для всей цепи, тогда получится, что
Рист = Рпр +Рr(вн)
Мощность источника равна мощности приемника и мощности внутри источника. Это уравнение баланса мощностей, Баланс мощностей тоже всегда выполняется.
Знаев: - Правильно. Только более корректно будет звучать так:
Мощность, которую создает источник тратится на приемнике и часть мощности тратится в самом источнике.
Это главный энергетический закон для электрических цепей — баланс мощности.
Любопытов: - А, понятно, так это же соответствует закону сохранения энергии!
Знаев: - конечно, а ты думал, его можно опровергнуть? Надеялся, что на приемнике можно получить энергии больше, чем выдает источник?
Любопытов: - Хорошо, вроде все понятно, я попробую сделать вывод.
Источник создает ЭДС, за счет сторонних сил.
При подключении к источнику внешней цепи, начинает идти ток. На приемнике появляется напряжение, напряжение получается ниже, чем ЭДС, потому, что часть напряжения падает на самом источнике,
Да. кстати, я понял почему источник электроэнергии греется и может сгореть от перегрузки, он же имеет собственное сопротивление, на котором падает напряжение, а это и есть выделение мощности, которое его греет и отнимает полезную мощность у нагрузки.
Падение напряжения внутри источника это потерянная энергия, которая греет сам источник. И значит пропадает зря.
Знаев: - Ну теперь, если ты будешь работать с электрическими цепями, внимательно наблюдай и убедишься, что все наши рассуждения справедливы. Ты поймешь, что источник нельзя перегружать, и что нужное напряжение может поддерживаться только при правильно рассчитанной нагрузке.
Любопытов на следующий день.
Ты знаешь, есть вопрос.
На второй схеме, где источник соединен с приемником и в цепи идет ток, вольтметр показывает напряжение. А почему он показывает именно напряжение, а не ЭДС, ведь подключен он фактически к клеммам источника, а на них действует ЭДС, А падение напряжения внутри источника тоже действует между этими точками, почему же, все таки, он показывает именно напряжение на нагрузке?
Знаев. Хороший вопрос.
И напряжение и ЭДС - и то другое - это разность потенциалов. Так вот, в точках куда присоединен вольтметр, разность потенциалов будет меньше ЭДС источника. Смотри как направлены стрелки тока в этом контуре. Во внешней цепи они направлены от плюса к минусу, а внутри источника ток идет от минуса к плюсу. и значит напряжение созданное этим током внутри источника направлено в навстречу ЭДС, а поэтому оно из ЭДС вычитается, и значит на клеммах источника получится напряжение, которое равно ЭДС минус падение напряжения внутри источника.
Это сразу непонятно, но если вдуматься, то все логично - источник это устройство которое должно разделять заряды какими-то сторонними силами и значит перетаскивать электроны навстречу их желанию.
Любопытов: Я это, вроде, понимал, но все равно объяснение довольно громоздкое.
Я думаю проще будет так: Падение напряжение внутри источника направлено навстречу ЭДС, поэтому вычитается из ЭДС и, значит, разность потенциалов в этих точках снижается и вольтметр показывает именно напряжение.
|