Более 300 лет тому назад. Вопрос не самый сложный, но для его понимания потребуется немного внимания и терпения.
Изучению силы трения посвящен специальный раздел механики – так называемая механика фрикционного взаимодействия (или – трибология).
Сила трения – это сила, с которой тела, соприкасающиеся и перемещающиеся друг относительно друга, взаимодействуют между собой. Именно сила трения препятствует свободному перемещению соприкасающихся тел.
Типы трения и силы трения
Откуда вообще появляется сила трения покоя?
Если рассмотреть поверхность пола и ножек шкафа в микроскоп, мы обнаружим множественные микроскопические бугорки невообразимых форм.
Когда тела покоятся друг на друге, происходит зацепление бугорков друг за друга, из-за чего тела остаются в обездвиженном состоянии.
Воздействие на одно из тел или на оба тела сразу для их перемещения друг относительно друга приведет к деформации бугорков, которая вызовет электромагнитное отталкивание молекул, лежащее в основе силы трения покоя.
Если физические усилия прикладывать плавно, до некоторого критического момента сила трения покоя будет равна по модулю силе, с которой мы пытаемся сдвинуть шкаф с места.
Сила трения скольжения
В момент, когда шкаф все-таки сдвинется с места сила, сила трения покоя достигнет своего максимального значения.
В этот момент происходит разрушение бугорков и, как следствие, — шкаф начинает скользить .
Фото 1. Для уменьшения силы трения скольжения используются колеса и другие приспособления
Возникает новый тип силы трения – сила трения скольжения . Эта сила возникает при взаимодействии скользящих друг по другу поверхностей.
Эта сила проявляется в момент физического перемещения (скольжения) ножек шкафа по полу или при скольжении конька хоккеиста или фигуриста по поверхности .
Если перевести происходящее на « бугорков», при скольжении наблюдается разрыв связей между молекулами, сосредоточенными в разных бугорках.
Когда объекты неподвижны – то есть когда действует сила трения покоя – таких разрывов не происходит.
«Модель бугорков» условна. Она придумана для изложения сложных вещей простым языком.
Те же процессы можно объяснить более глубокими научными терминами, понимание которых потребует от читателя специальной подготовки.
Простейшие физические законы, связанные с силой трения
Ответ на вопрос, что такое сила трения, можно получить не только посредством изучения теоретических положений, но и решая практические задачи.
Для решения задач, связанных с вычислением значений силы трения, понадобятся некоторые научные факты, характеризующие силу трения.
К примеру, вектор силы трения скольжения, приложенной к телу со стороны скользящей поверхности, всегда направлен в противоположную сторону от направления вектора скорости движения объекта.
Если изменится направление скорости, произойдет изменение и направления силы трения скольжения. Зависимость силы трения от скорости – важная отличительная особенность, присущая этой силе (которой нет, например, у силы тяготения или силы упругости).
Для простейшей модели сухого трения характерно действие следующих законов:
. Сила трения скольжения равна максимальной величине силы трения покоя.
. Коэффициент трения не зависит ни от площади взаимодействующих поверхностей, ни от скорости движения взаимодействующих объектов друг относительно друга.
. Имеется прямо пропорциональная связь между силой реакции опоры и абсолютной величиной силы трения скольжения, рассчитываемой по формуле: f = µN.
Коэффициент пропорциональности µ называется коэффициентом трения .
Учеными-физиками рассчитаны коэффициенты трения для десятков тысяч пар материалов.
Например, коэффициент трения покоя для пары «резина – сухой асфальт» равен 0,95, а коэффициент трения скольжения для этой же пары варьируется в пределах от 0,5 до 0,8.
Изменяя свойства взаимодействующих объектов, можно влиять на величину силы трения, возникающей при их взаимодействии.
Например, совершенствование внешних форм гоночных автомобилей или рисунка протекторов используемых шин позволяет увеличивать их скорость за счет уменьшения силы трения скольжения.
Электродвижущая сила электродви́жущая си́ла
(эдс), величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи. Эдс индукции создаётся вихревым электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛАЭЛЕКТРОДВИ́ЖУЩАЯ СИ́ЛА (эдс; e) - величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока (см.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК)
. Потенциальные силы электростатического (или стационарного) поля не могут поддерживать постоянный ток в цепи. Для поддержания в цепи непрерывного тока необходим источник тока (см.
)
, или генератор (см.
ГЕНЕРАТОР)
электрического тока, обеспечивающий действие сторонних сил (см.
СТОРОННИЕ СИЛЫ)
. Сторонние силы имеют неэлектростатическое происхождение и действуют внутри источников тока, (генераторов, гальванических элементов, аккумуляторов и т. д.), создавая разность потенциалов между концами остальной части цепи и приводя в движение заряженные частицы внутри источников тока.
Так как при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи работа, совершаемая электростатическими силами, равна нулю, то заряд перемещается лишь под действием сторонних сил. Поэтому электродвижущая сила источника тока будет численно равна работе сторонних сил А в источниках постоянного или переменного тока по перемещению единичного положительного заряда Q вдоль замкнутой цепи.
ЭДС, действующая в цепи, определяется как циркуляция вектора напряженности сторонних сил.
Происхождение сторонних сил может быть различным. В качестве меры электродвижущей силы, действующей в генераторе, принимают разность потенциалов, создаваемую на зажимах разомкнутого генератора. Один и тот же источник тока, в зависимости от силы отбираемого тока, может обладать различным напряжением на электродах. Источники тока - аккумуляторы, термоэлементы, электрические генераторы – одновременно замыкают электрическую цепь. Ток течет по внешней части цепи - проводнику и по внутренней - источнику тока. Источник тока имеет два полюса: положительный (с более высоким потенциалом) и отрицательный (с более низким потенциалом). Сторонние силы, природа которых может быть различной (химической, механической, тепловой), разделяют заряды в источнике тока. Полная ЭДС в цепи постоянного тока (максимальное из этих напряжений, существующее при разомкнутой цепи), равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи и показывает ЭДС источника.
ЭДС определяет силу тока в цепи при заданном ее сопротивлении (Ома закон (см.
ОМА ЗАКОН)
). Измеряется ЭДС, как и напряжение, в вольтах (см.
ВОЛЬТ)
. Для поддержания непрерывного электрического тока используются генераторы, являющиеся источником электродвижущей силы. В генераторах сторонние силы - это силы со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или Лоренца сила (см.
ЛОРЕНЦА СИЛА)
, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике; в гальванических элементах (см.
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ)
и аккумуляторах - это химические силы.
Энциклопедический словарь . 2009 .
Смотреть что такое "электродвижущая сила" в других словарях:
Эдс, физ. величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках пост. или перем. тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положит. заряда вдоль всего контура. Если через Есгр… … Физическая энциклопедия
электродвижущая сила - Скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрический ток. Примечание — Электродвижущая сила равна линейному интегралу напряженности стороннего поля и индуктированного… … Справочник технического переводчика
- (ЭДС), сумма РАЗНОСТЕЙ ПОТЕНЦИАЛОВ по ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ в целом. Когда цепь разомкнута и ток не идет, эта сила равна разности потенциалов между клеммами источника тока. Когда ток в цепи есть, внешняя разность потенциалов уменьшается.… … Научно-технический энциклопедический словарь Большой Энциклопедический словарь
- (э. д. с.), причина, вызывающая в замкнутой цепи электр. ток. Э. с. создается источником тока, преобразующим в электр. энергию какой либо другой вид энергии (механ. в электр. генераторах, хим. в элементах и т. д.). Если цепь источником тока… … Технический железнодорожный словарь
Электродвижущая сила - скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрический ток...
Для поддержания электрического тока в проводнике длительное время, необходимо чтобы от конца проводника, имеющего меньший потенциал (учтем, что носители тока предполагаются положительными зарядами) постоянно убирались доставляемые током заряды, при этом к концу с большим потенциалом заряды постоянно подводились. То есть следует обеспечить круговорот зарядов. В этом круговороте заряды должны перемещаться по замкнутому пути. Движение носителей тока при этом реализуется при помощи сил неэлектростатического происхождения. Такие силы именуются сторонними. Получается, что для поддержания тока нужны сторонние силы, которые действуют на всем протяжении цепи или на отдельных участках цепи.
Определение и формула ЭДС
Определение
Скалярная физическая величина, которая равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в цепи или на участке цепи. ЭДС обозначается . Математически определение ЭДС запишем как:
где A – работа сторонних сил, q – заряд, над которым производится работа.
Электродвижущая сила источника численно равна разности потенциалов на концах элемента, если он разомкнут, что дает возможность измерить ЭДС по напряжению.
ЭДС, которая действует в замкнутой цепи, может бытьопределена как циркуляция вектора напряжённости сторонних сил:
где - напряженность поля сторонних сил. Если напряженность поля сторонних сил не равна нулю только в части цепи, например, на отрезке 1-2, тогда интегрирование в выражении (2) можно вести только по данному участку. Соответственно, ЭДС, действующая на участке цепи 1-2 определяется как:
Формула (2) дает самое общее определение ЭДС, которое можно использовать для любых случаев.
Закон Ома для произвольного участка цепи
Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным. Для него выполняется равенство:
где U 12 =IR 21 – падение напряжения (или напряжение) на участке цепи 1-2 (I-сила тока); – разность потенциалов концов участка; – электродвижущая сила, которую содержит участок цепи. равна алгебраической сумме ЭДС всех источников, которые находятся на данном участке.
Следует учитывать, что ЭДС может быть положительной и отрицательной. ЭДС называют положительной, если она увеличивает потенциал в направлении тока (ток течет от минуса к плюсу источника).
Единицы измерения
Размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала. Основной единицей измерения ЭДС в системе СИ является: =В
Примеры решения задач
Пример
Задание. Электродвижущая сила элемента равна 10 В. Он создает в цепи силу тока равную 0,4 А. Какова работа, которую совершают сторонние силы за 1 мин?
Решение. В качество основы для решения задачи используем формулу для вычисления ЭДС:
Заряд, который проходит в рассматриваемой цепи за 1 мин. можно найти как:
Выразим из (1.1) работу, используем (1.2) для вычисления заряда, получим:
Переведем время, данной в условиях задачи в секунды ( мин=60 с), проведем вычисления:
Ответ. A=240 Дж
Пример
Задание. Металлический диск, имеющий радиус a, вращается с угловой скоростью , включен в электрическую цепь при помощи скользящих контактов, которые касаются оси диска и его окружности (рис.1). Какой будет ЭДС, которая появится между осью диска и его наружным краем?
Электродвижущая сила, в народе ЭДС, также как и напряжение измеряется в вольтах, но носит совсем иной характер.
ЭДС с точки зрения гидравлики
Думаю, вам уже знакома водонапорная башня из прошлой статьи про
Допустим, что башня полностью заполнена водой. Снизу башни мы просверлили отверстие и врезали туда трубу, по которой вода бежит к вам домой.
Сосед захотел полить огурцы, вы решили помыть автомобиль, мать затеяла стирку и вуаля! Поток воды стал меньше и меньше, и вскоре совсем иссяк… Что случилось? Закончилась вода в башне…
Время, которое потребуется, чтобы опустошить башню, зависит от емкости самой башни, а также от того, сколько потребителей будут пользоваться водой.
Все то же самое можно сказать и про радиоэлемент конденсатор :
Допустим мы его зарядили от батарейки 1,5 вольта и он принял заряд. Нарисуем заряженный конденсатор вот так:
Но как только мы цепляем к нему нагрузку (пусть нагрузкой будет светодиод) с помощью замыкания ключа S, в первые доли секунд светодиод будет светиться ярко, а потом тихонько угасать… и пока полностью не потухнет. Время угасания светодиода будет зависеть от емкости конденсатора, а также от того, какую нагрузку мы цепляем к заряженному конденсатору.
Как я уже сказал, это равносильно простой наполненной башне и потребителям, которые пользуются водой.
Но почему тогда в наших башнях вода никогда не заканчивается? Да потому что работает насос подачи воды ! А откуда этот насос берет воду? Из скважины, которая пробурена для добычи подземных вод. Иногда ее еще называют артезианской.
Как только башня полностью наполнится водой, насос выключается. В наших водобашнях насос всегда поддерживает максимальный уровень воды.
Итак, давайте вспомним, что такое напряжение ? По аналогии с гидравликой – это уровень воды в водобашне. Полная башня – это максимальный уровень воды, значит максимальное напряжение. Нет в башне воды – напряжение ноль.
ЭДС электрического тока
Как вы помните из прошлых статей, молекулы воды – это “электроны”. Для возникновения электрического тока, электроны должны двигаться в одном направлении. Но чтобы они двигались в одном направлении, должно быть напряжение и какая-нибудь нагрузка. То есть вода в башне – это напряжение, а люди, которые тратят воду для своих нужд – это нагрузка, так как они создают поток воды из трубы, которая находится у подножия водобашни. А поток – это не что иное, как сила тока.
Также должно соблюдаться условие, что вода должна всегда быть на максимальной отметке, независимо от того, сколько людей тратит ее для своих нужд одновременно, иначе башня опустошится. Для водобашни этим спасительным средством является водонасос. А для электрического тока?
Для электрического тока должна быть какая-то сила, которая бы толкала электроны в одном направлении в течение продолжительного времени. То есть эта сила должна двигать электроны! Электродвижущая сила! Да, именно так! ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА! Можно назвать ее сокращенно ЭДС – Э лектро Д вижущая С ила. Измеряется она в вольтах, как и напряжение, и обозначается в основном буквой E .
Значит, в наших батарейках тоже есть такой “насос”? Есть, и правильней было бы его назвать “насос подачи электронов”). Но, конечно, так никто не говорит. Говорят просто – ЭДС. Интересно, а где спрятан этот насос в батарейке? Это просто-напросто электрохимическая реакция, из-за которой держится “уровень воды” в батарейке, но потом все-таки этот насос изнашивается и напряжение в батарейке начинает проседать, потому как “насос” не успевает качать воду. В конце концов он полностью ломается и напряжение на батарейке стает практически ноль.
Реальный источник ЭДС
Источник электрической энергии – это источник ЭДС с внутренним сопротивлением R вн. Это могут быть какие-либо химические элементы питания, наподобие батареек и аккумуляторов
Их внутреннее строение с точки зрения ЭДС выглядит примерно вот так:
Где E – это ЭДС, а R вн – это внутреннее сопротивление батарейки
Итак, какие выводы можно сделать из этого?
Если к батарейке не цепляется никакая нагрузка, типа лампы накаливания и тд, то в результате сила тока в такой цепи будет равняться нулю. Упрощенная схема будет такой:
Но если мы все-таки присоединим к нашей батарейке лампочку накаливания, то у нас цепь станет замкнутой и в цепи будет течь ток:
Если начертить график зависимости силы в цепи тока от напряжения на батарейке, то он будет выглядеть вот так:
Какой напрашивается вывод? Для того, чтобы замерить ЭДС батарейки, нам достаточно просто взять хороший мультиметр с высоким входным сопротивлением и замерять напряжение на клеммах батарейки.
Идеальный источник ЭДС
Допустим, пусть наша батарейка обладает нулевым внутренним сопротивлением, тогда получается, что R вн =0.
Нетрудно догадаться, что в этом случае падение напряжение на нулевом сопротивлении также будет равняться нулю. В результате, наш график примет вот такой вид:
В результате мы получили просто источник ЭДС. Следовательно, источник ЭДС – это идеальный источник питания, у которого напряжение на клеммах не зависит от силы тока в цепи. То есть, какую нагрузку мы бы не цепляли на такой источник ЭДС, у нас он все равно будет выдавать положенное напряжение без просадки. Сам источник ЭДС обозначается вот так:
На практике идеального источника ЭДС не существует.
Типы ЭДС
– электрохимическая (ЭДС батареек и аккумуляторов)
– фотоэффекта (получение электрического тока от солнечной энергии)
– индукции (генераторы, использующие принцип электромагнитной индукции)
– Эффект Зеебека или термоЭДС (возникновение электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников , контакты между которыми находятся при различных температурах)
– пьезоЭДС (получение ЭДС от )
Резюме
ЭДС – это сила НЕэлектрического происхождения, которая заставляет течь электрический ток в цепи.
Реальный источник ЭДС имеет внутри себя внутреннее сопротивление, у идеального источника ЭДС внутреннее сопротивление равняется нулю.
Идеальный источник ЭДС всегда имеет на своих клеммах постоянное значение напряжения не зависимо от нагрузки в цепи.
Электродви́жущая си́ла (эдс; ε) - величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока . Потенциальные силы электростатического (или стационарного) поля не могут поддерживать постоянный ток в цепи. Для поддержания в цепи непрерывного тока необходим , или генератор электрического тока, обеспечивающий действие сторонних сил . Сторонние силы имеют неэлектростатическое происхождение и действуют внутри источников тока, (генераторов, гальванических элементов, аккумуляторов и т. д.), создавая разность потенциалов между концами остальной части цепи и приводя в движение заряженные частицы внутри источников тока.
Так как при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи работа, совершаемая электростатическими силами, равна нулю, то заряд перемещается лишь под действием сторонних сил. Поэтому электродвижущая сила источника тока будет численно равна работе сторонних сил А в источниках постоянного или переменного тока по перемещению единичного положительного заряда Q вдоль замкнутой цепи. ЭДС, действующая в цепи, определяется как циркуляция вектора напряженности сторонних сил.
Происхождение сторонних сил может быть различным. В качестве меры электродвижущей силы, действующей в генераторе, принимают разность потенциалов, создаваемую на зажимах разомкнутого генератора. Один и тот же источник тока, в зависимости от силы отбираемого тока, может обладать различным напряжением на электродах. Источники тока - аккумуляторы, термоэлементы, электрические генераторы – одновременно замыкают электрическую цепь. Ток течет по внешней части цепи - проводнику и по внутренней - источнику тока. Источник тока имеет два полюса: положительный (с более высоким потенциалом) и отрицательный (с более низким потенциалом). Сторонние силы, природа которых может быть различной (химической, механической, тепловой), разделяют заряды в источнике тока. Полная ЭДС в цепи постоянного тока (максимальное из этих напряжений, существующее при разомкнутой цепи), равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи и показывает ЭДС источника.
ЭДС определяет силу тока в цепи при заданном ее сопротивлении (Ома закон). Измеряется ЭДС, как и напряжение, в вольтах . Для поддержания непрерывного электрического тока используются генераторы, являющиеся источником электродвижущей силы. В генераторах сторонние силы - это силы со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или Лоренца сила , действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике; в гальванических элементах и аккумуляторах - это химические силы.