В чем разница между электродвижущей силой (ЭДС) и напряжением

Напряжение — это следствие прохождения электрического тока по цепи. Оно возникает на участках с сопротивлением на пути у электрического тока. Любая материя имеет сопротивление (кроме сверхпроводников), поэтому на всем пути у электрического тока есть напряжение, которое его толкает по цепи. Где-то оно больше, где-то меньше, это зависит от сопротивления конкретного участка.

Электродвижущая сила (ЭДС) — это сила, которая перемещает заряды по замкнутой цепи.

Давайте разберем пример по аналогии с замкнутой цепью.

Подадим через трубу воду. Она будет создавать давление на стенках труб. А от чего идет это давление? От воды? Нет. Это давление является частью напора, которая двигает воду через трубу. И напор — это и есть ЭДС. Напряжение же в этом примере — это давление на стенках труб. То есть, вода сама по себе не пойдет по трубе, если не будет напора. И давление не возникнет в трубе, если не будет напора. Конечно, в этом примере не все так точно, но он помогает намного проще разобраться в сути.

Сумма всех напряжений на цепи = ЭДС. Это второй закон Кирхгофа. Электродвижущая сила — это и есть причина движения электронов по цепи.

У ЭДС сторонние силы (химические реакции, солнечная энергия, механическая работа и т.п.) выполняют работу по перемещению заряда по замкнутой цепи от своего отрицательного потенциала к положительному. Проще говоря, ЭДС — это завод по производству электрического тока.

А напряжение — это часть ЭДС на участках замкнутой цепи. Напряжение, в отличие от ЭДС, выполняет электрическую работу по перемещению зарядов по цепи. Например, при последовательном соединении оно может быть везде разным (или одинаковым, в зависимости от подключенной нагрузки). И оно появляется из-за того, что у электронов возникают препятствия на своем пути. И чем сильнее это препятствие, тем больше полю нужно потратить энергии для перемещения заряда.

То есть, именно от электрического тока и сопротивления зависит то, какое падение напряжения (часть ЭДС) будет на нагрузке: U=RI.

А ЭДС в свою очередь — это источник всех напряжений в цепи. Без ЭДС нет и электрического тока. Как и напряжения.

Грубо говоря, ЭДС плавно размазывается по всей электрической цепи в виде напряжения, когда цепь замкнута. Когда цепь не замкнута — в ней нет напряжения. Напряжение выполняет только электрическую работу по перемещению зарядов по цепи. Но без замыкания цепи нет и напряжения.

Напряжение само по себе невозможно померить без замыкания цепи. Вы не сможете измерить вольтметром или мультиметром не замкнутый источник. Просто потому, что измерительный прибор замыкает цепь и измеряет проходящий через него ток. Этот ток перемножается с выбранным шунтом (сопротивлением) и получается измеренное напряжение.

Здесь нет никакого противоречия. Разница потенциалов источника (ЭДС) делает работу по перемещению зарядов по цепи. Эта работа распределяется по всем участкам цепи, в зависимости от сопротивлений. И только когда цепь замкнута и электроны могут идти по цепи (им есть куда идти) — возникает напряжение. Поэтому измерить напряжение без замыкания цепи невозможно.

И так как они имеют сопротивление, то при прохождении через них электрического тока, на них появляется напряжение. Поэтому, в вольтах на клеммах источника тока указывается как напряжение, а не электродвижущая сила.

Практически нулевое сопротивление может быть только у сверхпроводников.

Эта путаница в понятиях часто вводит в заблуждение, такие как «Если напряжение — это следствие прохождение тока, то почему напряжение — это причина движения зарядов?». Причина прохождения электрического тока в цепи это ЭДС. Следствие прохождения тока по цепи на отельных участках — это возникновение напряжения. Напряжение всей цепи равно ЭДС.

Например, электродвижущая сила какого-нибудь аккумулятора равна 4,88 В, а напряжение на его клеммах 4,85 В. Стоит ли использовать значения электродвижущей силы, если несколько процентов вольт все равно останутся на клеммах источника?

В бытовом плане не принято использовать термин ЭДС, в этом нет особой необходимости. Но если вы рассчитываете схемы, собираете их или паяете, то сопротивление источника питания — очень важный параметр. Согласование сопротивлений влияет на всю работу схемы. И это касается не только источников питания, но и всей аналоговой и цифровой техники.

Теория относительности и напряжение

Допустим, есть три шарика.

Один из них заряжен на +15В, второй на +5В, а третий — 0. Кто из них будет положительнее, а кто отрицательнее? Вся материя состоит из молекул. Молекулы в свою очередь состоят из атомов.

Атомы имеют различные свойства, но у каждого есть протон и электрон и почти у каждого в добавок к перечисленному — нейтрон. Что определяет заряд атома? Это компенсирование зарядов электронов и протонов. Электрон это минус, а протон — плюс. Если есть недостаток электронов, то атом положительно заряжен, если переизбыток — отрицательно. Почему так происходит? Это результат физических свойств атомов, окружающей среды и взаимодействия с другими материалами. Например, валентные электроны могут покидать атомы, тем самым делая его положительным.

Третий шарик, который нейтрален (у него протоны и электроны скомпенсированы) будет отрицательным по отношению к первым двум. Потому, что относительно тех шариков, у этого шарика больше электронов. Положительные стремятся заполучить их и притягиваются к нему. А что насчет двух положительных шариков? Тот, кто менее положительный — становится отрицательным. Если вычесть значение второго шарика из остальных, то получится следующая ситуация: у первого шарика +10В, у второго 0В, а у третьего -5В.

Относительно первого шарика остальные два стали отрицательными, и разница потенциалов увеличилась. Поэтому, если два каких-либо тела оба положительно (или отрицательно) заряжены с разницей, они могут быть относительно друг друга разноименными.

Это не противоречит закону Кулона. Два положительных (или отрицательных) шарика будут отталкиваться друг от друга, когда они одинаково заряжены. То есть, если есть два шарика +5В и +5В они начнут отталкиваться, но если они будут +4В и +5В — начнут притягиваться, пока не компенсируют заряды друг друга до одного значения (+4,5 В). Относительно 0 они все так же остаются положительно заряженными телами.