Область действия сторонних ЭДС
Не следует считать, что сторонние ЭДС занимают все пространство между пластинами. В элементе Вольта возникают две сторонние ЭДС, которые распространены в поверхностных слоях, где соприкасаются пластинки с раствором кислоты. Данные слои имеют толщину около диаметра молекулы. Во всем остальном объеме раствора сторонних ЭДС нет.
Если соединить пластины элемента при помощи проводника, то в нем возникнет электрический ток, направленный от медной пластины (положительного электрода) к пластине из цинка (отрицательному электроду).
В растворе в пространстве между электродами, ток направлен от цинка к меди. Получается, что линии постоянного тока замкнуты.
Определим, каково изменение потенциала в цепи с током. В направлении течения тока потенциал уменьшается на сопротивлении проводника. Рассмотрим рис.2, который отражает изменение потенциала в замкнутом контуре, который имеет в качестве источника ЭДС элемент Вольта. Точки $A$ и $B$ соответствуют поверхностным контактам медного и цинкового электродов с растворами, в которых работают сторонние электродвижущие силы. Разность этих сил равна сторонней ЭДС элемента. Эта ЭДС равняется суммарному падению потенциала на сопротивлении внешней цепи на участке $AGB$ и на сопротивлении электролита на участке $BDA$. Сопротивление электролита называют внутренним сопротивлением элемента.
Закон Ома для всей цепи запишем как:
$Ɛ_{st}=I(R+r) (1)$,
где:
- $Ɛ_{st}$ — сторонняя ЭДС элемента;
- $R$ — сопротивление внешней цепи;
- $r$ — внутреннее сопротивление элемента.
Сторонняя ЭДС элемента определена свойствами элемента и не связана с силой тока в цепи. Формула (1) показывает, что падение напряжения на внешней цепи ($U=IR$) не равно ЭДС элемента, а всегда меньше ее:
$IR= Ɛ_{st}-Ir$(2).
$U$ — напряжение между клеммами работающего элемента, при течении тока в цепи. Из выражения (2) следует, что если сила тока увеличивается, то напряжение во внешней цепи становится меньше. Причем, это уменьшение тем больше, чем больше внутреннее сопротивления элемента.
При применении гальванического элемента желательно, чтобы напряжение во внешней цепи было наименее зависимым от нагрузки (от силы тока).
Значимой характеристикой элемента является его внутреннее сопротивление. Чем меньше внутреннее сопротивление элемента при прочих равных условиях, тем выше качество источника ЭДС.
Химическая электродвижущая сила
Химическая электродвижущая сила наличествует в аккумуляторах, гальванических батареях при протекании коррозионных процессов. В зависимости от того, на каком именно принципе построена работа того или иного источника питания, они именуются либо аккумуляторами, либо гальваническими элементами.
Одной из основных отличительных характеристик гальванических элементов является то, что эти источники тока являются, так сказать, одноразовыми. При их функционировании те активные вещества, благодаря которым выделяется электрическая энергия, в результате протекания химических реакций распадаются практически полностью. Именно поэтому если гальванический элемент разряжен полностью, то в качестве источника тока использовать его далее невозможно.
Электростатическая движущая сила
Что касается этого типа электродвижущей силы, то она, к примеру, возникает при механическом трении, возникающем в электрофорных агрегатах (специальных лабораторных демонстрационных и вспомогательных приборах), она же имеет место быть и в грозовых облаках.
Генераторы Вимшурста (это еще одно название электрофорных машин) для своего функционирования используют такое явление, как электростатическая индукция. При их работе электрические заряды накапливаются на полюсах, в лейденских банках, причем разность потенциалов может достигать очень солидных величин (до нескольких сотен тысяч вольт).
Электродвижущая сила и гальванические элементы
Электродвижущая сила — это сила не электростатического происхождения, которая производит разделение зарядов.
Работа, которая совершается в цепи при прохождении тока, равняется работе сторонних электродвижущих сил (ЭДС).
Распространенными источниками постоянного тока служат гальванические элементы и аккумуляторы.
Электрический ток открыл в конце XVIII века Л. Гальвани, но он не смог дать правильное истолкование своим экспериментам. Это сделал А. Вольта. Однако ряд источников постоянного тока назвали по имени Гальвани.
Разность потенциалов появляется не только тогда, когда контактируют твердые тела, но и твердые тела и жидкости. При таких контактах возможно прохождение химических реакций.
Так, при помещении цинковой пластинки ($Zn$) в раствор серной кислоты ($H_2SO_4$) цинк растворяется. При этом в раствор поступают не нейтральные атомы цинка, а положительные ионы ($Zn^{++}$), в результате раствор заряжается положительно, а пластина из цинка получает отрицательный заряд. В таком случае между раствором и пластиной появляется разность потенциалов. Если достигнуто некоторое значение потенциала металла, по отношению к раствору, который называется электрохимическим, уход ионов из пластинки цинка в раствор заканчивается. Электрохимический потенциал связан со свойствами металла, жидкости и концентрации ионов металла в растворе. Если металл контактирует с водой, то его заряд больше, чем если металл находится в растворе соли, имеющем ионы металла. При большой концентрации ионов металла в растворе, возможен обратный процесс. В таком случае положительные ионы смогут выпадать в осадок на металл, тогда металлическая пластинка зарядится положительно. Получается, что при разных комбинациях металлов, жидкостей и концентраций ионов в растворах могут появляться разные электрохимические потенциалы.
Так как электрохимический потенциал связан с концентрацией ионов металла, принято использовать раствор в котором в одном литре раствора имеется моль ионов металла, деленный на валентность иона. При этом электрохимический потенциал металла в таком растворе называют абсолютным нормальным электрохимическим потенциалом. Для растворов в серной кислоте данный потенциал:
- для цинка равен -0,5 В;
- для меди равен +0,6 В.
При погружении двух разных металлов в раствор между ними появляется разность потенциалов, которая равна разности их электрохимических потенциалов.
Определение 1
Систему из двух металлов в растворе называют гальваническим элементом. Разность потенциалов между металлами называют электродвижущей силой элемента.
Закон сохранения энергии для цепи с током с источником ЭДС гальваническим элементом
Рассмотрим закон сохранения энергии в цепи с током для цепи рис.2.
Рисунок 2. Цепь с током и гальваническим элементом. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Пусть $A_1$ — работа электрического поля при перемещении заряда $q$ по замкнутой цепи; $A_2$ — работа сторонних ЭДС. Электрическое поле совершает работу на участках, где потенциал падает от $\varphi_{1}$ до $\varphi_{2}$ (внешняя цепь) и от $\varphi_{3}$ до $\varphi_{4}$ ( за счет сопротивления раствора току внутри элемента).
$A_{1}=\left( \varphi_{1}-\varphi_{2} \right)q+\left( \varphi_{3}-\varphi_{4} \right)q\left( 3 \right)$.
Работа сторонних сил в слоях толщины диаметра молекулы ведет к увеличению потенциалов от $\varphi_{4}$ до $\varphi_{1}$ на пластинке из меди и от $\varphi_{2}$ до $\varphi_{3}$ на пластинке из цикла.
Работа сторонних ЭДС равна:
$ A_{2}=\left( \varphi_{1}-\varphi_{4} \right)q+\left( \varphi_{3}-\varphi_{2} \right)q=\left( \varphi_{1}-\varphi_{2} \right)q+\left( \varphi_{3}-\varphi_{4} \right)q\left( 4 \right)$.
Выражения (3) и (4) показывают, что:
$A_1=A_2 (5),$
работа, которая совершается в цепи при течении тока, равна работе сторонних ЭДС.
Пьезоэлектрическая электродвижущая сила
Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда происходит или сдавливание, или растяжение веществ, называемых пьезоэлектриками. Они широко используются в таких конструкциях, как пьезодатчики, кварцевых генераторах, гидрофонах и некоторых другиех.
Именно пьезоэлектрический эффект положен в основу работы пьезоэлектрических датчиков. Сами они относятся к датчикам так называемого генераторного типа. В них входной величиной является прилагаемая сила, а выходной – количество электричества.
Что касается таких устройств, как гидрофоны, то в основу их функционирования заложен принцип так называемого прямого пьезоэлектрического эффекта, который имеют пьезокерамические материалы. Суть его состоит в том, что если на поверхность этих материалов оказывается звуковое давление, то на их электродах возникает разность потенциалов. При этом она пропорциональна величине звукового давления.