Эти два физических явления, о которых пойдёт речь имеют одинаковое происхождение и измеряются одной и той же единицей измерения – Вольт.
Большинство людей, даже хорошо знакомых со школьным курсом физики, довольно плохо представляют себе разницу в этих величинах. Очень многие считают их одним и тем же явлением. Однако это не так.
Давайте рассмотрим схемы ниже:
На представленных схемах обозначены:
- А – элемент питания идеальный;
- В – реальный элемент питания;
- С – реальный элемент питания, нагруженный лампочкой;
- R (н) – нагрузка (сопротивление);
- r – сопротивление внутреннее реального элемента питания;
- 1, 2, 3, 4 – точки для проверки величин напряжения (ЭДС).
На позиции А схемы изображен, так называемый, идеальный элемент питания. Такого не существует и он нужен только для понимания процесса. Сам по себе, даже идеальный, такой элемент не представляет никакого интереса.
Для лучшего понимания процесса нужно представить себе, что он является частью идеальной электрической цепи.
Основными характеристиками любой электрической цепи (хоть идеальной, хоть реальной) являются напряжение (обозначается (U) или (u)), ток (I) или (i), и электрическое сопротивление ((R) или (r)). Для лабораторных расчётов применяется ещё и (ЭДС) электродвижущая сила, обозначается (E) или (e).
Напряжение
Физическая величина, характеризующая работу электрического поля, по перемещению электрического заряда из одной точки цепи в другую, называется напряжением. Есть еще одно выражение: напряжение – это разность потенциалов между полюсами элемента питания.
Оба выражения правильны, просто второе является более упрощенным вариантом первого. Напряжение измеряют в вольтах (V) или (v), и обозначают (U) или (u).
(ЭДС) Электродвижущая сила
Если к полюсам 1 и 2, идеального источника подключить вольтметр, то его показания и будут значением ЭДС. Отсюда можно сделать вывод: физическая величина, характеризующаяся работой сторонних сил, необходимой для переноса единицы заряда между полюсами, называется электродвижущей силой.
В системе единиц СИ, ЭДС принято измерять в вольтах (V) или (v), и обозначать буквами (Е), или (ἐ). ЭДС является величиной, которая используется только в расчётах. В реальных условиях она применяется только как базовая единица.
Различия
Теперь обобщим. Если, электродвижущая сила – это работа сторонних сил по перемещению заряда между полюсами, то такими сторонними силами могут быть различные процессы. Например, химический процесс.
Этот процесс происходит во всех аккумуляторах или батарейках. То есть, при погружении пластин с двумя разными потенциалами в раствор электролита, между ними возникает процесс переноса заряженных частиц от одного полюса к другому.
Этот процесс происходит в результате химической реакции между электролитом и металлом пластин. Вызвать появление ЭДС может и процесс нагрева. На этом принципе работает элемент Пельтье. Если такой элемент нагреть, то на его выводах появится ЭДС.
Однако, это утверждение было бы правильным, если бы и батарейки или аккумуляторы, и элемент Пельтье, не имели бы своего внутреннего сопротивления. То есть они были бы тем идеальным источником тока, который указан на нашем рисунке, на позиции А.
Напряжение же – это работа электрического поля по переносу заряда между точками цепи. В связи с тем, что у идеального источника питания, нет внутреннего сопротивления, то в отношении его можно сказать, что в этом случае ЭДС и напряжение равны.
Тогда:
U = E, (V).
Однако, как и у любого другого элемента электрической цепи, имеется внутреннее сопротивление. И в этом случае величины ЭДС и напряжения уже не равны. Реальный источник тока на нашей схеме представлен на позиции В.
Тогда, напряжение можно определить по формуле, которая записывает закон Ома для участка цепи::
U = I x r, где:
I – сила тока протекающая между полюсами источника питания;
r – сопротивление внутреннее источника питания.
При использовании реальных источников тока говорят о напряжении, а не об ЭДС. Обратимся к позиции С нашей схемы. Здесь изображена реальная электрическая цепь, так как между полюсами источника питания размещена внешняя нагрузка.
В данном случае, источник питания это обычная батарейка, а нагрузка – обычная лампочка. Если необходимо рассчитать, какую лампочку необходимо подключить, то требуется при расчетах учесть не только сопротивление нагрузки (Rн), но и внутреннее сопротивление источника тока (r).
Тогда, напряжение рассчитывают по формуле закона Ома для полной цепи:
U = I x (Rн+r).
Наиболее удобным для понимания разницы, является пример, в котором есть две ёмкости с водой. Представим две ёмкости, соединенные между собой трубой, на которой есть вентиль. Первая из ёмкостей пополняется насосом, а во вторую вода перетекает по трубе.
Тогда работа насоса по наполнению первой ёмкости будет похожа на ЭДС, уровень воды в обеих емкостях будет аналогичен напряжению, а скорость течения воды по соединительной трубе – силе тока.
Закрывание или открывание вентиля, соответственно уменьшает или увеличивает сечение трубы, а значит, увеличивает или уменьшает силу тока. То есть, в нашем примере, вентиль играет роль сопротивления.
Пока емкости пусты, работает насос, уровень воды в емкостях одинаков и им же равен уровень воды, создаваемый насосом. Теперь представим, что в этой системе произошла утечка.
Уровень воды падает, и в определенный момент уровень в системе не совпадает с тем, что создаёт насос. Примерно также выглядит и разница между ЭДС и напряжением.
