 |
|
Сторонние силы. Закон Ома для цепи, содержащей ЭДС
Для возникновения и существования электрического тока необходимо:
1) наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно;
2) наличие электрического поля, энергия которого должна каким-то образом восполняться.
| Соединим проводником два тела с зарядами +q и –q. Кулоновские силы заставляют электроны перемещаться по проводнику. Возникнет ток. Однако тела при этом будут разряжаться, разность потенциалов уменьшится, ток быстро прекратится. |
Т.е. если в цепи действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей таким образом, что потенциалы всех точек цепи выравниваются и электростатическое поле исчезает.
Следовательно, поле кулоновских сил не может являться причиной постоянного электрического тока.
Ток в проводнике нейтрализует заряды на его концах. Для поддержания постоянного тока необходимо поддерживать постоянную разность потенциалов, следовательно, разделять заряды. Электрические силы разделять заряды не могут.
Силы, разделяющие заряды, имеют неэлектрическую природу и называются сторонними силами.
Устройство, в котором действуют сторонние силы, называется источником тока.
Сторонние силы заставляют заряды двигаться внутри источника тока против сил поля. Благодаря этому в цепи поддерживается постоянная разность потенциалов.
Перемещая заряды, сторонние силы совершают работу за счет энергии, затраченной в источнике тока. Например, в электрофорной машине разделение зарядов происходит за счет механической работы, в гальваническом элементе – за счет энергии химических реакций и т.д.
Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС).
Обозначим 
- вектор напряженности поля сторонних сил.
Результирующее поле, действующее на заряды в проводнике, в общем случае
Плотность тока в цепи
.
– закон Ома в дифференциальной форме для цепи, содержащей ЭДС.
| Рассмотрим участок AB замкнутой цепи, содержащей ЭДС (рис.3.18). Выделим мысленно малый элемент dl. |
Плотность тока на этом участке опишется уравнением . Умножим скалярно обе части этого равенства на 
и проинтегрируем по участку AB:
Рассмотрим каждый интеграл в отдельности:
а)
где jА - jВ – разность потенциалов между точками A и B.
Разность потенциалов численно равна работе кулоновских сил по перемещению единичного положительного заряда из т.A в т.B;
б)
где e- ЭДС.
ЭДС, действующая на участке цепи, численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда из т.A в т.B;
в)
где RAB – сопротивление участка AB.
С учетом выше сказанного можно получить:
- закон Ома для участка цепи с ЭДС.
Частные случаи:
1) если на данном участке цепи источник тока отсутствует, то получаем закон Ома для однородного участка цепи:
2) если цепь замкнута (Dj=0), то получим закон Ома для замкнутой цепи:
где e - ЭДС, действующая в цепи, R – суммарное сопротивление всей цепи, rвнутр – внутреннее сопротивление источника тока, Rвнеш – сопротивление внешней цепи;
3) если цепь разомкнута, то I = 0 и e12 = j2 - j1, т.е. ЭДС, действующая в разомкнутой цепи равна разности потенциалов на ее концах.
4) В случае короткого замыкания сопротивление внешней цепи Rвнеш = 0 и сила тока 
в этом случае ограничивается только величиной внутреннего сопротивления источника тока.
Величина IRAB = UAB называется падением напряжения на участке AB.
Падение напряжения на участке AB численно равно работе кулоновских и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда из т.A в т.B.
Если цепь замкнута, то j1 = j2 и
– закон Ома для замкнутой цепи.
Если участок цепи не содержит ЭДС, то
