A força eletromotriz, nas pessoas da EMF, assim como a tensão é medida em volts, mas é de natureza completamente diferente.
EMF em termos de hidráulica
Acho que você já conhece a caixa d'água do último artigo sobre
Suponha que a torre esteja completamente cheia de água. Perfuramos um buraco na parte inferior da torre e cortamos um cano, por onde a água corre para sua casa.
A vizinha queria regar os pepinos, você resolveu lavar o carro, a mãe começou a lavar a roupa e voilá! O fluxo de água tornou-se cada vez menor, e logo secou completamente... O que aconteceu? A torre ficou sem água...
O tempo que leva para esvaziar a torre depende da capacidade da própria torre, bem como de quantos consumidores usarão a água.
O mesmo pode ser dito sobre o capacitor do elemento de rádio:
Digamos que a carregamos com uma bateria de 1,5 volts e ela foi carregada. Vamos desenhar um capacitor carregado assim:
Mas assim que conectamos uma carga a ela (deixe o LED ser a carga) fechando a tecla S, na primeira fração de segundos o LED brilhará intensamente e depois desaparecerá silenciosamente ... e até que se apague completamente . O tempo de extinção do LED dependerá da capacitância do capacitor, bem como de qual carga anexamos ao capacitor carregado.
Como eu disse, isso equivale a uma simples torre cheia e consumidores que usam água.
Mas por que então nossas torres nunca ficam sem água? Sim porque funciona. bomba de abastecimento de água! De onde essa bomba tira a água? De um poço que foi perfurado para extrair água subterrânea. Às vezes também é chamado de artesiano.
Assim que a torre estiver completamente cheia de água, a bomba desliga. Nas nossas torres de água, a bomba mantém sempre o nível máximo de água.
Então, vamos lembrar o que é estresse? Por analogia com a hidráulica, este é o nível de água na caixa d'água. Uma torre cheia é o nível máximo de água, o que significa a tensão máxima. Sem água na torre - tensão zero.
EMF de corrente elétrica
Como você lembra de artigos anteriores, as moléculas de água são “elétrons”. Para que uma corrente elétrica ocorra, os elétrons devem se mover na mesma direção. Mas para que se movam na mesma direção, deve haver tensão e algum tipo de carga. Ou seja, a água na torre é uma tensão, e as pessoas que gastam água para suas necessidades são um fardo, pois criam um fluxo de água a partir de um cano localizado ao pé da torre. E o fluxo nada mais é do que a força da corrente.
Também deve ser observada a condição de que a água esteja sempre no nível máximo, independentemente de quantas pessoas a gastem para suas necessidades ao mesmo tempo, caso contrário a torre ficará vazia. Para uma torre de água, esta ferramenta salva-vidas é uma bomba de água. E a corrente elétrica?
Para uma corrente elétrica, deve haver algum tipo de força que empurraria os elétrons em uma direção por um longo tempo. Ou seja, essa força deve mover os elétrons! Força eletromotriz! Sim, exatamente! FORÇA ELETROMOTIVA! Você pode chamá-lo de EMF abreviado - E eletro D vendo A PARTIR DE lodo. É medido em volts, como a tensão, e é indicado principalmente pela letra E.
Isso significa que nossas baterias também têm essa “bomba”? Existe, e seria mais correto chamá-lo de “bomba de elétrons”). Mas, claro, ninguém diz isso. Eles simplesmente dizem - EMF. Gostaria de saber onde esta bomba está escondida na bateria? Esta é simplesmente uma reação eletroquímica, devido à qual o “nível de água” na bateria é mantido, mas, no entanto, essa bomba se desgasta e a tensão na bateria começa a cair, porque a “bomba” não tem tempo para bombear água. No final, ele quebra completamente e a tensão na bateria cai para quase zero.
Fonte real de EMF
A fonte de energia elétrica é uma fonte de CEM com resistência interna R ext. Estas podem ser quaisquer baterias químicas, como baterias e acumuladores.
Sua estrutura interna em termos de EMF é mais ou menos assim:
Onde Eé o EMF, e Ext. Ré a resistência interna da bateria
Então, que conclusões podem ser tiradas disso?
Se nenhuma carga se prender à bateria, como uma lâmpada incandescente, etc., como resultado, a intensidade da corrente nesse circuito será zero. Um diagrama simplificado seria:
Mas se, no entanto, conectarmos uma lâmpada incandescente à nossa bateria, nosso circuito ficará fechado e a corrente fluirá no circuito:
Se você desenhar um gráfico da dependência da força no circuito atual da tensão da bateria, ficará assim:
Qual é a conclusão? Para medir a CEM de uma bateria, basta pegar um bom multímetro com alta resistência de entrada e medir a tensão nos terminais da bateria.
Fonte ideal de EMF
Digamos que nossa bateria tenha resistência interna zero, então R ext \u003d 0.
É fácil adivinhar que, neste caso, a queda de tensão na resistência zero também será zero. Como resultado, nosso gráfico ficará assim:
Como resultado, obtivemos apenas uma fonte EMF. Portanto, uma fonte EMF é uma fonte de energia ideal, na qual a tensão nos terminais não depende da intensidade da corrente no circuito. Ou seja, não importa qual carga anexamos a essa fonte EMF, no nosso caso ela ainda fornecerá a tensão necessária sem rebaixamento. A própria fonte EMF é designada da seguinte forma:
Na prática, não existe uma fonte ideal de fem.
Tipos de EMF
– eletroquímico(EMF de baterias e acumuladores)
– efeito fotoelétrico(obtenção de corrente elétrica a partir da energia solar)
– indução(geradores usando o princípio da indução eletromagnética)
– Efeito Seebeck ou thermoEMF(a ocorrência de uma corrente elétrica em um circuito fechado consistindo de condutores diferentes conectados em série, cujos contatos estão em temperaturas diferentes)
– piezoEMF(recebendo EMF de)
EMF. Numericamente, a força eletromotriz é medida pelo trabalho realizado por uma fonte de energia elétrica na transferência de uma única carga positiva através de um circuito fechado. Se a fonte de energia, realizando trabalho UMA, fornece transferência em todo o circuito de carga fechado q, então sua força eletromotriz ( E) será igual a
A unidade SI para força eletromotriz é o volt (v). Uma fonte de energia elétrica tem fem de 1 volt se, ao percorrer todo o circuito fechado de uma carga de 1 coulomb, for realizado trabalho igual a 1 joule. A natureza física das forças eletromotrizes em diferentes fontes é muito diferente.
auto indução- a ocorrência de indução EMF em um circuito condutor fechado quando a corrente que flui através do circuito muda. Quando a corrente muda EU no circuito, o fluxo magnético também muda proporcionalmente B através da superfície delimitada por este contorno. Uma mudança neste fluxo magnético, devido à lei da indução eletromagnética, leva à excitação de uma fem indutiva neste circuito E. Este fenômeno é chamado de auto-indução.
O conceito está relacionado com o conceito de indução mútua, sendo o seu caso particular.
Poder. Potência é o trabalho realizado por unidade de tempo. Potência é o trabalho realizado por unidade de tempo, ou seja, para transferir carga para el. o circuito ou em um circuito fechado gasta energia, que é igual a A \u003d U * Q, pois a quantidade de eletricidade é igual ao produto da força da corrente, então Q \u003d I * t, segue-se que A \u003d U * I * T. P=A/t=U*Q/t=U*I=I*t*R=P=U*I(I)
1W=1000mV, 1kW=1000V, Pr=Pp+Po fórmula de equilíbrio de potência. Pr-gerador de energia (EMF)
Pr=E*I, Pp=I*U potência útil, ou seja, potência que é consumida sem perdas. Po=I^2*R-potência perdida. Para que o circuito funcione, é necessário manter um equilíbrio de potência no circuito elétrico.
12.Lei de Ohm para uma seção de circuito.
A intensidade da corrente em uma seção do circuito é diretamente proporcional à tensão nas extremidades desse condutor e inversamente proporcional à sua resistência:
I=U/R;
1)U=I*R, 2)R=U/R
13.Lei de Ohm para um circuito completo.
A intensidade da corrente no circuito é proporcional à EMF atuando no circuito e inversamente proporcional à soma das resistências do circuito e da resistência interna da fonte.
EMF da fonte de tensão (V), - corrente no circuito (A), - resistência de todos os elementos externos do circuito (Ohm), - resistência interna da fonte de tensão (Ohm) .1) E \u003d I (R +r)? 2)R+r=E/I
14.Série, conexão paralela de resistores, resistência equivalente. Distribuição de correntes e tensões.
Quando conectado em série
vários resistores final do primeiro resistor conectado ao início do segundo, ao final do segundo - ao início do terceiro, etc. Com tal conexão passa por todos os elementos do circuito em série
a mesma corrente I.
Ue=U1+U2+U3. Portanto, a tensão U nos terminais da fonte é igual à soma das tensões em cada um dos resistores conectados em série.
Re=R1+R2+R3, Ie=I1=I2=I3, Ue=U1+U2+U3.
Quando conectado em série, a resistência do circuito aumenta.
Ligação paralela de resistências. Uma conexão paralela de resistências é uma conexão em que os inícios das resistências são conectados a um terminal da fonte e as extremidades ao outro terminal.
A resistência total dos resistores ligados em paralelo é determinada pela fórmula
A resistência total dos resistores conectados em paralelo é sempre menor que a menor resistência incluída nesta conexão.
quando as resistências são conectadas em paralelo, as tensões através delas são iguais entre si. Ue=U1=U2=U3 A corrente I flui para o circuito e as correntes I 1, I 2, I 3 saem dele. Como as cargas elétricas em movimento não se acumulam em um ponto, é óbvio que a carga total que flui para o ponto de ramificação é igual à carga total que sai dele: Ie=I1+I2+I3 Portanto, a terceira propriedade de uma conexão paralela pode ser formulada da seguinte forma: A magnitude da corrente na parte não ramificada do circuito é igual à soma das correntes nos ramos paralelos. Para dois resistores paralelos:
Circuito elétricoé composto por uma fonte de corrente, consumidores de eletricidade, fios de ligação e uma chave que serve para abrir e fechar o circuito e outros elementos (Fig. 1).
Desenhos que mostram como conectar dispositivos elétricos em um circuito são chamados de diagramas elétricos. Os dispositivos nos diagramas são indicados por sinais convencionais.
Como observado, para manter uma corrente elétrica no circuito, é necessário que em suas extremidades (Fig. 2) haja uma diferença de potencial constante φ UMA- φ b. Deixe no tempo inicial φ A > φ B , então a transferência de carga positiva q de um ponto MAS exatamente NO levará a uma diminuição na diferença de potencial entre eles. Para manter uma diferença de potencial constante, é necessário transferir exatamente a mesma carga do B dentro UMA. Se na direção MAS → NO cargas se movem sob a ação das forças de um campo eletrostático, depois na direção NO → MAS o movimento das cargas ocorre contra as forças do campo eletrostático, ou seja, sob a ação de forças de natureza não eletrostática, as chamadas forças de terceiros. Esta condição é atendida em uma fonte de corrente que suporta o movimento de cargas elétricas. Na maioria das fontes atuais, apenas os elétrons se movem, nas células galvânicas - íons de ambos os signos.
As fontes de corrente elétrica podem ser diferentes em seu design, mas em qualquer uma delas o trabalho é feito para separar partículas carregadas positivamente e negativamente. A separação de encargos ocorre no âmbito da ação forças externas. Forças de terceiros atuam apenas dentro da fonte de corrente e podem ser causadas por processos químicos (baterias, células galvânicas), ação da luz (fotocélulas), alteração de campos magnéticos (geradores), etc.
Qualquer fonte de corrente é caracterizada por uma força eletromotriz - EMF.
força eletromotriz ε fonte de corrente é uma quantidade escalar física igual ao trabalho de forças externas para mover uma unidade de carga positiva ao longo de um circuito fechado
A unidade SI de força eletromotriz é o volt (V).
EMF é uma característica de energia de uma fonte de corrente.
Na fonte atual, no decorrer do trabalho de separação de partículas carregadas, ocorre uma transformação mecânica, leve, interna, etc. energia em eletricidade. Partículas separadas se acumulam nos pólos da fonte de corrente (os locais aos quais os consumidores estão conectados por meio de terminais ou grampos). Um pólo da fonte de corrente é carregado positivamente, o outro negativamente. Um campo eletrostático é criado entre os pólos da fonte de corrente. Se os pólos de uma fonte de corrente estiverem conectados por um condutor, uma corrente elétrica surgirá em tal circuito elétrico. Neste caso, a natureza do campo muda, deixa de ser eletrostático.
A Figura 3 mostra esquematicamente o terminal negativo da fonte de corrente e a seção da extremidade do fio metálico ligado a ele na forma de um condutor esférico. A linha pontilhada mostra algumas linhas da intensidade do campo terminal antes que o fio seja inserido nele, e as setas mostram as forças que atuam nos elétrons livres do fio localizados nos pontos marcados com números. Os elétrons em diferentes pontos da seção transversal do fio sob a ação das forças coulombianas do campo terminal adquirem movimento não apenas ao longo do eixo do fio. Por exemplo, um elétron localizado em um ponto 1 , está envolvido no movimento "atual". Mas pontos próximos 2, 3, 4, 5 os elétrons têm a capacidade de se acumular na superfície do fio. Além disso, a distribuição superficial dos elétrons ao longo do fio não será uniforme. Portanto, conectar um fio a um terminal de fonte de corrente fará com que alguns elétrons se movam ao longo do fio e alguns elétrons se acumulem na superfície. A distribuição desigual de elétrons em sua superfície garante a não equipotencialidade desta superfície, a presença de componentes da intensidade do campo elétrico direcionado ao longo da superfície do condutor. Este é o campo de elétrons redistribuídos do próprio condutor e garante o movimento ordenado de outros elétrons. Se a distribuição de elétrons sobre a superfície do condutor não muda ao longo do tempo, esse campo é chamado campo elétrico estacionário. Assim, o papel principal na criação de um campo elétrico estacionário é desempenhado pelas cargas localizadas nos pólos da fonte de corrente. Quando o circuito elétrico está fechado, a interação dessas cargas com as cargas livres do condutor leva ao aparecimento de cargas superficiais não compensadas em toda a superfície do condutor. São essas cargas que criam um campo elétrico estacionário dentro do condutor ao longo de todo o seu comprimento. Este campo dentro do condutor é uniforme e as linhas de tensão são direcionadas ao longo do eixo do condutor (Fig. 4). O processo de estabelecimento de um campo elétrico ao longo do condutor ocorre a uma velocidade c≈ 3 10 8 m/s.
Como um campo eletrostático, é potencial. Mas existem diferenças significativas entre esses campos:
1. campo eletrostático - o campo de cargas fixas. A fonte de um campo elétrico estacionário são cargas em movimento, e o número total de cargas e o padrão de sua distribuição em um determinado espaço não mudam ao longo do tempo;
2. Existe um campo eletrostático fora do condutor. A intensidade do campo eletrostático é sempre igual a 0 dentro do volume do condutor e em cada ponto da superfície externa do condutor é direcionado perpendicularmente a essa superfície. Um campo elétrico estacionário existe tanto dentro como fora do condutor. A intensidade de um campo elétrico estacionário não é igual a zero dentro do volume do condutor, e na superfície e dentro do volume existem componentes da intensidade que não são perpendiculares à superfície do condutor;
3. os potenciais dos diferentes pontos do condutor por onde passa a corrente contínua são diferentes (a superfície e o volume do condutor não são equipotenciais). Os potenciais de todos os pontos na superfície de um condutor em um campo eletrostático são os mesmos (a superfície e o volume do condutor são equipotenciais);
4. Um campo eletrostático não é acompanhado pelo aparecimento de um campo magnético, mas um campo elétrico estacionário é acompanhado por seu aparecimento e está inextricavelmente ligado a ele.
Tópicos do codificador USE: força eletromotriz, resistência interna da fonte de corrente, lei de Ohm para um circuito elétrico completo.
Até agora, no estudo da corrente elétrica, consideramos o movimento direcionado de cargas livres em circuito externo, ou seja, em condutores conectados aos terminais da fonte de corrente.
Como sabemos, carga positiva:
Entra no circuito externo do terminal positivo da fonte;
Move-se em um circuito externo sob a influência de um campo elétrico estacionário criado por outras cargas em movimento;
Ele chega ao terminal negativo da fonte, completando seu trajeto no circuito externo.
Agora nossa carga positiva precisa fechar sua trajetória e retornar ao terminal positivo. Para fazer isso, ele precisa superar o segmento final do caminho - dentro da fonte de corrente do terminal negativo ao positivo. Mas pense bem: ele não quer ir para lá de jeito nenhum! O terminal negativo o atrai para si, o terminal positivo o repele e, como resultado, uma força elétrica atua sobre nossa carga dentro da fonte, direcionada contra movimento de carga (ou seja, contra a direção da corrente).
força de terceiros
No entanto, a corrente flui através do circuito; portanto, existe uma força que “arrasta” a carga através da fonte apesar da oposição do campo elétrico dos terminais (Fig. 1).
Arroz. 1. Poder de terceiros
Essa força é chamada força externa; É graças a ela que a fonte atual funciona. Uma força externa não tem nada a ver com um campo elétrico estacionário - diz-se que tem não elétrico origem; em baterias, por exemplo, surge devido ao fluxo de reações químicas apropriadas.
Denote pelo trabalho de uma força externa para mover a carga positiva q dentro da fonte de corrente do terminal negativo para o positivo. Este trabalho é positivo, pois a direção da força externa coincide com a direção do movimento da carga. O trabalho de uma força externa também é chamado operação da fonte atual.
Não há força externa no circuito externo, então o trabalho da força externa para mover a carga no circuito externo é zero. Portanto, o trabalho de uma força externa ao mover a carga ao redor de todo o circuito é reduzido ao trabalho de mover essa carga apenas dentro da fonte de corrente. Assim, este é também o trabalho de uma força externa em mover a carga em toda a cadeia.
Vemos que a força externa não é potencial - seu trabalho ao mover uma carga ao longo de um caminho fechado não é igual a zero. É essa não potencialidade que garante a circulação da corrente elétrica; o campo elétrico potencial, como dissemos anteriormente, não pode suportar uma corrente constante.
A experiência mostra que o trabalho é diretamente proporcional à carga que está sendo movida. Portanto, a relação não é mais dependente da carga e é uma característica quantitativa da fonte de corrente. Essa relação é indicada por:
(1)
Esse valor é chamado força eletromotriz(EMF) fonte de corrente. Como você pode ver, a EMF é medida em volts (V), então o nome "força eletromotriz" é extremamente infeliz. Mas está enraizado há muito tempo, então você tem que tolerá-lo.
Quando você vir a inscrição na bateria: "1,5 V", saiba que esse é exatamente o EMF. Esse valor é igual à tensão que a bateria cria no circuito externo? Acontece que não! Agora vamos entender o porquê.
Lei de Ohm para um circuito completo
Qualquer fonte de corrente tem sua própria resistência, que é chamada de Resistencia interna esta fonte. Assim, uma fonte de corrente tem duas características importantes: EMF e resistência interna.
Seja uma fonte de corrente com EMF igual a , e uma resistência interna conectada a um resistor (que neste caso é chamado de resistor externo, ou carga externa, ou carga útil). Tudo isso junto é chamado cadeia completa(Figura 2).
Arroz. 2. Cadeia completa
Nossa tarefa é encontrar a corrente no circuito e a tensão no resistor.
Com o tempo, uma carga passa pelo circuito. De acordo com a fórmula (1), a fonte de corrente faz o trabalho:
(2)
Como a força da corrente é constante, o trabalho da fonte é inteiramente convertido em calor, que é liberado nas resistências e. Essa quantidade de calor é determinada pela lei de Joule-Lenz:
(3)
Então, , e igualamos as partes certas das fórmulas (2) e (3):
Após reduzir para obtemos:
Então encontramos a corrente no circuito:
(4)
A fórmula (4) é chamada Lei de Ohm para um circuito completo.
Se você conectar os terminais da fonte com um fio de resistência desprezível, obterá curto circuito. Neste caso, a corrente máxima fluirá através da fonte - corrente de curto-circuito:
Devido à pequenez da resistência interna, a corrente de curto-circuito pode ser muito grande. Por exemplo, uma bateria de lanterna aquece ao mesmo tempo para queimar suas mãos.
Conhecendo a intensidade da corrente (fórmula (4)), podemos encontrar a tensão no resistor usando a lei de Ohm para a seção do circuito:
(5)
Esta tensão é a diferença de potencial entre os pontos e (Fig. 2). O potencial do ponto é igual ao potencial do terminal positivo da fonte; o potencial do ponto é igual ao potencial do terminal negativo. Portanto, a tensão (5) também é chamada de tensão nos terminais da fonte.
Vemos pela fórmula (5) o que acontecerá em um circuito real - afinal, ele é multiplicado por uma fração menor que um. Mas há dois casos em que .
1. Fonte de corrente ideal. Este é o nome de uma fonte com resistência interna zero. Em , a fórmula (5) dá .
2. Circuito aberto. Considere a própria fonte de corrente, fora do circuito elétrico. Neste caso, podemos supor que a resistência externa é infinitamente grande: . Então o valor é indistinguível de , e a fórmula (5) novamente nos dá .
O significado deste resultado é simples: se a fonte não estiver conectada ao circuito, o voltímetro conectado aos pólos da fonte mostrará seu EMF.
Eficiência do circuito elétrico
Não é difícil ver por que um resistor é chamado de carga útil. Imagine que é uma lâmpada. O calor gerado por uma lâmpada é útil, porque graças a esse calor, a lâmpada cumpre seu propósito - ilumina.
Vamos denotar a quantidade de calor liberada na carga durante o tempo.
Se a corrente no circuito for , então
Uma certa quantidade de calor também é liberada na fonte atual:
A quantidade total de calor liberada no circuito é:
Eficiência do circuito elétricoé a razão entre o calor útil e o total:
A eficiência do circuito é igual à unidade somente se a fonte de corrente for ideal.
Lei de Ohm para uma área heterogênea
A lei simples de Ohm é válida para a chamada seção homogênea do circuito - ou seja, a seção na qual não há fontes de corrente. Agora obteremos relações mais gerais, das quais se seguem tanto a lei de Ohm para uma seção homogênea quanto a lei de Ohm obtida acima para uma cadeia completa.
A seção do circuito é chamada heterogêneo se tiver uma fonte de corrente. Em outras palavras, uma seção não homogênea é uma seção com um EMF.
Na fig. 3 mostra uma seção não homogênea contendo um resistor e uma fonte de corrente. O EMF da fonte é , sua resistência interna é considerada zero (se a resistência interna da fonte for , você pode simplesmente substituir o resistor por um resistor ).
Arroz. 3. EMF "ajuda" a corrente:
A força da corrente na seção é igual, a corrente flui de ponto a ponto. Esta corrente não é necessariamente causada por uma única fonte. A área considerada, via de regra, faz parte de um circuito (não mostrado na figura), e outras fontes de corrente podem estar presentes neste circuito. Portanto, a corrente é o resultado da ação cumulativa tudo fontes no circuito.
Deixe os potenciais dos pontos E Ser igual a E , Respectivamente. Ressaltamos mais uma vez que estamos falando do potencial de um campo elétrico estacionário gerado pela ação de todas as fontes do circuito - não apenas a fonte pertencente a esta seção, mas também, possivelmente, disponível fora desta seção.
A tensão em nossa área é: Com o tempo, uma carga passa pela seção, enquanto o campo elétrico estacionário realiza o trabalho:
Além disso, o trabalho positivo é feito pela fonte de corrente (afinal, a carga passou por ela!):
A força da corrente é constante, portanto, o trabalho total para avançar a carga, realizado no local por um campo elétrico estacionário e forças de fonte externa, é completamente convertido em calor:.
Substituímos aqui as expressões para , e a lei de Joule-Lenz:
Reduzindo por , obtemos Lei de Ohm para uma seção não homogênea de um circuito:
(6)
ou, que é o mesmo:
(7)
Observe o sinal de mais na frente dele. Já indicamos o motivo disso - a fonte atual neste caso executa positivo trabalho, "arrastando" a carga dentro de si do terminal negativo para o positivo. Simplificando, a fonte "ajuda" o fluxo de corrente de ponto a ponto.
Notamos duas consequências das fórmulas derivadas (6) e (7) .
1. Se o local for homogêneo, então . Então da fórmula (6) obtemos - a lei de Ohm para uma seção homogênea da cadeia.
2. Suponha que a fonte de corrente tenha uma resistência interna. Isso, como já mencionamos, é equivalente a substituir por:
Agora vamos fechar nossa seção conectando os pontos e . Obtemos a cadeia completa discutida acima. Nesse caso, verifica-se que a fórmula anterior também se transformará na lei de Ohm para uma cadeia completa:
Assim, a lei de Ohm para uma seção homogênea e a lei de Ohm para um circuito completo seguem da lei de Ohm para uma seção não homogênea.
Pode haver outro caso de conexão, quando a fonte "impede" que a corrente flua pela seção. Tal situação é mostrada na Fig. quatro. Aqui, a corrente que vem de to é direcionada contra a ação de forças externas da fonte.
Arroz. 4. EMF "interfere" com a corrente:
Como isso é possível? É muito simples: outras fontes disponíveis no circuito fora da seção em consideração "superam" a fonte na seção e forçam a corrente a fluir contra. Isso é exatamente o que acontece quando você coloca o telefone em carga: o adaptador conectado à tomada causa o movimento de cargas contra as forças externas da bateria do telefone e, assim, a bateria é carregada!
O que mudará agora na derivação de nossas fórmulas? Apenas uma coisa - o trabalho das forças externas se tornará negativo:
Então a lei de Ohm para uma seção não homogênea terá a forma:
(8)
onde, como antes, é a tensão na seção.
Vamos juntar as fórmulas (7) e (8) e escrever a lei de Ohm para a seção com EMF da seguinte forma:
A corrente flui de um ponto a outro. Se a direção da corrente coincidir com a direção das forças externas, um “mais” será colocado na frente; se essas direções são opostas, então "menos" é colocado.
No material, entenderemos o conceito de indução EMF em situações de sua ocorrência. Também consideramos a indutância como um parâmetro chave para a ocorrência de um fluxo magnético quando um campo elétrico aparece em um condutor.
A indução eletromagnética é a geração de corrente elétrica por campos magnéticos que mudam ao longo do tempo. Graças às descobertas de Faraday e Lenz, padrões foram formulados em leis, que introduziram simetria na compreensão dos fluxos eletromagnéticos. A teoria de Maxwell reuniu conhecimentos sobre corrente elétrica e fluxos magnéticos. Graças à descoberta de Hertz, a humanidade aprendeu sobre telecomunicações.
Um campo eletromagnético aparece em torno de um condutor com corrente elétrica, porém, em paralelo, também ocorre o fenômeno oposto - indução eletromagnética. Considere o fluxo magnético como um exemplo: se um quadro condutor é colocado em um campo elétrico com indução e movido de cima para baixo ao longo das linhas do campo magnético ou para a direita ou esquerda perpendicular a elas, então o fluxo magnético que passa pelo quadro será constante.
Quando o quadro gira em torno de seu eixo, depois de um tempo o fluxo magnético mudará em uma certa quantidade. Como resultado, um EMF de indução surge no quadro e uma corrente elétrica aparece, que é chamada de indução.
Indução EMF
Vamos examinar em detalhes o que é o conceito de EMF de indução. Quando um condutor é colocado em um campo magnético e se move com a interseção das linhas de campo, uma força eletromotriz aparece no condutor chamada EMF de indução. Também ocorre se o condutor permanece estacionário e o campo magnético se move e se cruza com as linhas de força do condutor.
Quando o condutor, onde ocorre a fem, se aproxima do circuito externo, devido à presença dessa fem, uma corrente de indução começa a fluir pelo circuito. A indução eletromagnética envolve o fenômeno de induzir um EMF em um condutor no momento em que é atravessado por linhas de campo magnético.
A indução eletromagnética é o processo inverso de transformar energia mecânica em corrente elétrica. Este conceito e suas leis são amplamente utilizados na engenharia elétrica, a maioria das máquinas elétricas são baseadas nesse fenômeno.
Leis de Faraday e Lenz
As leis de Faraday e Lenz refletem os padrões de ocorrência da indução eletromagnética.
Faraday descobriu que os efeitos magnéticos aparecem como resultado de mudanças no fluxo magnético ao longo do tempo. No momento de cruzar o condutor com uma corrente magnética alternada, surge nele uma força eletromotriz, o que leva ao aparecimento de uma corrente elétrica. Tanto um ímã permanente quanto um eletroímã podem gerar corrente.
O cientista determinou que a intensidade da corrente aumenta com uma rápida mudança no número de linhas de força que atravessam o circuito. Ou seja, o EMF da indução eletromagnética está em proporção direta com a velocidade do fluxo magnético.
De acordo com a lei de Faraday, as fórmulas EMF de indução são definidas da seguinte forma:
O sinal de menos indica a relação entre a polaridade da fem induzida, a direção do fluxo e a mudança de velocidade.
De acordo com a lei de Lenz, é possível caracterizar a força eletromotriz dependendo de sua direção. Qualquer mudança no fluxo magnético na bobina leva ao aparecimento de um EMF de indução e, com uma mudança rápida, um EMF crescente é observado.
Se a bobina, onde há um EMF de indução, tiver um curto-circuito com um circuito externo, uma corrente de indução fluirá através dela, resultando em um campo magnético ao redor do condutor e a bobina adquirirá as propriedades de um solenóide . Como resultado, um campo magnético é formado ao redor da bobina.
E.Kh. Lenz estabeleceu um padrão segundo o qual a direção da corrente de indução na bobina e o EMF de indução são determinados. A lei afirma que a EMF de indução na bobina, quando o fluxo magnético muda, forma uma corrente direcional na bobina, na qual o fluxo magnético dado da bobina permite evitar mudanças no fluxo magnético estranho.
A lei de Lenz se aplica a todas as situações de indução de corrente elétrica em condutores, independentemente de sua configuração e do método de alteração do campo magnético externo.
O movimento de um fio em um campo magnético
O valor da fem induzida é determinado dependendo do comprimento do condutor atravessado pelas linhas de força do campo. Com um número maior de linhas de campo, o valor da fem induzida aumenta. Com o aumento do campo magnético e da indução, ocorre um maior valor de EMF no condutor. Assim, o valor da EMF de indução em um condutor movendo-se em um campo magnético é diretamente dependente da indução do campo magnético, do comprimento do condutor e da velocidade de seu movimento.
Essa dependência é refletida na fórmula E = Blv, onde E é a fem de indução; B - o valor da indução magnética; I - comprimento do condutor; v é a velocidade de seu movimento.
Observe que em um condutor que se move em um campo magnético, a EMF de indução aparece apenas quando cruza as linhas do campo magnético. Se o condutor se move ao longo das linhas de força, então nenhuma EMF é induzida. Por esta razão, a fórmula se aplica apenas nos casos em que o movimento do condutor é direcionado perpendicularmente às linhas de força.
A direção da EMF induzida e da corrente elétrica no condutor é determinada pela direção do movimento do próprio condutor. Para identificar a direção, a regra da mão direita foi desenvolvida. Se você segurar a palma da mão direita para que as linhas de campo entrem em sua direção e o polegar indique a direção do movimento do condutor, os quatro dedos restantes indicam a direção da fem induzida e a direção da corrente elétrica no condutor.
Bobina rotativa
O funcionamento do gerador de corrente elétrica é baseado na rotação da bobina em um fluxo magnético, onde há um certo número de voltas. O EMF é induzido em um circuito elétrico sempre quando é cruzado por um fluxo magnético, com base na fórmula do fluxo magnético Ф \u003d B x S x cos α (indução magnética multiplicada pela área da superfície pela qual o fluxo magnético passa e o cosseno do ângulo formado pelo vetor de direção e as linhas planas perpendiculares).
De acordo com a fórmula, F é afetado por mudanças nas situações:
- quando o fluxo magnético muda, o vetor de direção muda;
- a área delimitada pelo contorno muda;
- mudanças de ângulo.
É permitido induzir EMF com um ímã estacionário ou uma corrente constante, mas simplesmente quando a bobina gira em torno de seu eixo dentro do campo magnético. Neste caso, o fluxo magnético muda à medida que o ângulo muda. A bobina no processo de rotação cruza as linhas de força do fluxo magnético, como resultado, aparece um EMF. Com rotação uniforme, ocorre uma mudança periódica no fluxo magnético. Além disso, o número de linhas de campo que se cruzam a cada segundo se torna igual aos valores em intervalos regulares.
Na prática, em geradores de corrente alternada, a bobina permanece estacionária e o eletroímã gira em torno dela.
Auto-indução EMF
Quando uma corrente elétrica alternada passa pela bobina, é gerado um campo magnético alternado, caracterizado por um fluxo magnético variável que induz um EMF. Este fenômeno é chamado de auto-indução.
Devido ao fato de que o fluxo magnético é proporcional à intensidade da corrente elétrica, a fórmula EMF de autoindução se parece com isso:
Ф = L x I, onde L é a indutância, que é medida em H. Seu valor é determinado pelo número de voltas por unidade de comprimento e pelo valor de sua seção transversal.
Indução mútua
Quando duas bobinas estão localizadas lado a lado, elas observam a EMF de indução mútua, que é determinada pela configuração dos dois circuitos e sua orientação mútua. Com o aumento da separação dos circuitos, o valor da indutância mútua diminui, pois há uma diminuição no fluxo magnético total para as duas bobinas.
Vamos considerar em detalhes o processo de surgimento da indução mútua. Existem duas bobinas, a corrente I1 flui através do fio de uma com N1 espiras, que cria um fluxo magnético e passa pela segunda bobina com N2 de espiras.
O valor da indutância mútua da segunda bobina em relação à primeira:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Valor do fluxo magnético:
F21 = (M21/N2) x I1.
A fem induzida é calculada pela fórmula:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
Na primeira bobina, o valor da fem induzida:
E1 = - M12 x dI2/dt.
É importante notar que a força eletromotriz provocada pela indutância mútua em uma das bobinas é, em qualquer caso, diretamente proporcional à mudança na corrente elétrica na outra bobina.
Então a indutância mútua é considerada igual a:
M12 = M21 = M.
Como consequência, E1 = - M x dI2/dt e E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), onde K é o coeficiente de acoplamento entre os dois valores de indutância.
A indutância mútua é amplamente utilizada em transformadores, o que possibilita alterar o valor de uma corrente elétrica alternada. O dispositivo é um par de bobinas que são enroladas em um núcleo comum. A corrente na primeira bobina forma um fluxo magnético variável no circuito magnético e uma corrente na segunda bobina. Com menos espiras na primeira bobina do que na segunda, a tensão aumenta e, consequentemente, com um número maior de espiras no primeiro enrolamento, a tensão diminui.
Além de gerar e transformar energia elétrica, o fenômeno da indução magnética é utilizado em outros dispositivos. Por exemplo, na levitação magnética, os trens se movem sem contato direto com a corrente nos trilhos, mas alguns centímetros mais altos devido à repulsão eletromagnética.
