Номер 1, страница 98 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Вопросы в начале параграфа. Параграф 22. Химические источники тока. Глава V. Электрохимические реакции - номер 1, страница 98.

Условие.

• Повторите по курсу физики тему «Электродвижущая сила».

Решение.

Решение 2.

Решение

1. Определение электродвижущей силы (ЭДС)

Электродвижущая сила (ЭДС), обозначаемая символом $ε$ (эпсилон), — это скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (неэлектростатических) сил по перемещению единичного положительного заряда внутри источника тока или по всему замкнутому контуру. Несмотря на слово «сила» в названии, ЭДС не является силой в механическом смысле. По своей физической природе ЭДС — это работа, отнесенная к заряду, то есть она имеет ту же размерность, что и напряжение или разность потенциалов.

ЭДС измеряется в вольтах (В). $1 \text{ В} = 1 \text{ Дж} / 1 \text{ Кл}$.

Формула для определения ЭДС: $ε = \frac{A_{ст}}{q}$ где $A_{ст}$ — работа сторонних сил, а $q$ — величина перемещаемого заряда.

2. Природа сторонних сил и источники ЭДС

Внутри любого источника тока (батарейки, аккумулятора, генератора) на заряды действуют не только кулоновские (электростатические) силы, но и силы неэлектрического происхождения, называемые сторонними силами. Именно эти силы вызывают разделение зарядов внутри источника, создавая на его полюсах (клеммах) разность потенциалов.

Происхождение сторонних сил может быть различным:

• Химические источники тока (гальванические элементы, аккумуляторы): сторонние силы возникают в результате химических реакций окисления и восстановления на электродах. Энергия химических реакций преобразуется в электрическую.
• Электромагнитные генераторы: сторонние силы (в данном случае — сила Лоренца) действуют на свободные электроны в проводнике, движущемся в магнитном поле. Происходит преобразование механической энергии в электрическую.
• Фотоэлементы: сторонние силы возникают под действием света (фотонов), который выбивает электроны, создавая их направленное движение. Энергия света преобразуется в электрическую.
• Термопары: при нагревании спая двух разнородных проводников возникает разность потенциалов, которая зависит от температуры. Тепловая энергия преобразуется в электрическую.

Основная функция сторонних сил — противодействовать кулоновским силам, которые стремятся соединить разделенные заряды, и поддерживать постоянную разность потенциалов на клеммах источника, обеспечивая тем самым возможность протекания постоянного тока в цепи.

3. ЭДС и напряжение. Закон Ома для полной цепи

Важно различать ЭДС и напряжение (разность потенциалов).

• ЭДС ($ε$) — это характеристика самого источника тока. Она показывает, какую работу совершают сторонние силы по перемещению заряда по всей замкнутой цепи (включая сам источник).
• Напряжение ($U$) — это работа электростатического поля по перемещению заряда на определенном участке цепи.

Когда цепь разомкнута (ток не течет, $I=0$), напряжение на клеммах источника равно его ЭДС.

Когда цепь замкнута, через нее течет ток $I$. Любой реальный источник тока обладает внутренним сопротивлением ($r$). При прохождении тока через источник часть энергии, сообщаемой зарядам сторонними силами, теряется на преодоление этого внутреннего сопротивления (выделяется в виде тепла).

Связь между этими величинами устанавливает закон Ома для полной цепи. Полная цепь состоит из внешнего участка с сопротивлением $R$ (нагрузка) и внутреннего участка — самого источника с ЭДС $ε$ и внутренним сопротивлением $r$.

Согласно закону Ома для полной цепи, сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, которое является суммой внешнего и внутреннего сопротивлений: $I = \frac{ε}{R + r}$

Из этой формулы можно выразить ЭДС: $ε = I(R + r) = IR + Ir$

Величина $IR$ — это падение напряжения на внешней цепи, то есть напряжение на клеммах источника, когда он работает под нагрузкой: $U = IR$.

Величина $Ir$ — это падение напряжения внутри источника тока, $u = Ir$.

Таким образом, мы получаем важное соотношение: $ε = U + u$ или $U = ε - Ir$

Эта формула показывает, что напряжение на клеммах работающего источника ($U$) всегда меньше его ЭДС ($ε$) на величину падения напряжения внутри источника ($Ir$). Только в идеальном случае, когда внутреннее сопротивление равно нулю ($r=0$) или когда цепь разомкнута ($I=0$), напряжение на клеммах равно ЭДС.

Ответ:

Электродвижущая сила (ЭДС, $ε$) — это физическая величина, равная работе сторонних (неэлектростатических) сил по перемещению единичного положительного заряда в замкнутой электрической цепи. ЭДС является характеристикой источника тока и показывает его способность создавать и поддерживать электрический ток. Единица измерения ЭДС — вольт (В). В отличие от напряжения, которое характеризует работу электростатического поля на участке цепи, ЭДС описывает работу сил неэлектрического происхождения (химических, магнитных и т.д.) внутри источника тока. Связь между ЭДС, силой тока ($I$), внешним сопротивлением ($R$) и внутренним сопротивлением источника ($r$) описывается законом Ома для полной цепи: $I = \frac{ε}{R + r}$. Напряжение на клеммах источника под нагрузкой ($U$) меньше его ЭДС на величину падения напряжения внутри источника: $U = ε - Ir$.