ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Любой источник тока характеризуется электродвижу­щей силой, или, сокращенно, ЭДС.

Соедините проводником два металлических шарика, несущих заряды противоположных знаков. Под влиянием

Рис. 1 Рис. 2

электрического поля этих зарядов в проводнике возникает электрический ток (рис.1). Но этот ток будет очень кратковременным. Заряды быстро нейтрализуют друг дру­га, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электри­ческое поле исчезнет.

Сторонние силы.Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шари­ками. Для этого необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от одного шарика к дру­гому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, кроме элект­рических сил, должны действовать силы не электростатического происхождения (рис.2). Одно лишь электриче­ское поле заряженных частиц (кулоновское поле) не спо­собно поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряжен­ные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т. е. кулоновских), называют сторонними силами.

Вывод о необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи станет еще очевиднее, если обра­титься к закону сохранения энергии. Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нем заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводник нагре­вается. Следовательно, в цепи должен быть какой-то источ­ник энергии, поставляющий ее в цепь. В нем, помимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторон­ние, не потенциальные силы. Работа этих сил вдоль зам­кнутого контура должна быть отлична от нуля. Именно в процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока энергию и от­дают ее затем проводникам электрической цепи.

При замыкании цепи создается электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного элек­трода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле (см. рис. 2).

Природа сторонних сил.Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторон­ние силы — это силы, действующие со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.

В гальваническом элементе, например элементе Вольта, действуют химические силы. Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещенных в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заря­женные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. (Медь очень мало растворяется в серной кислоте.) Между цинковым и медным электрода­ми появляется разность потенциалов, которая и обуслов­ливает ток в замкнутой электрической цепи.

Электродвижущая сила.Действие сторонних сил ха­рактеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращенно ЭДС).

Электродвижущая сила источника тока равна отноше­нию работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда:

Электродвижущую силу, как и напряжение, выражают в вольтах.

Можно говорить также об электродвижущей силе и на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке. Электродвижущая сила гальванического элемента есть величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единично­го положительного заряда внутри элемента от одного по­люса к другому. Работа сторонних сил не может быть вы­ражена через разность потенциалов, так как сторонние силы не потенциальны и их работа зависит от формы тра­ектории перемещения зарядов. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами ис­точника тока вне самого источника равна нулю

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ

Рассмотрим простейшую полную (т. е. замкнутую) цепь, состоящую из источника тока (гальванического эле­мента, аккумулятора или генератора) и резистора сопро­тивлением R(рис.). Источник тока имеет ЭДС Ԑ и со­противление г. Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением — в отличие от внешнего сопротивления Rцепи. В генераторе г— это сопротивле­ние обмоток, а в гальваническом элементе — сопротивле­ние раствора электролита и электродов.

Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление цепи R + г. Эта связь может быть установлена теоретически, если использовать закон сохранения энергии и закон Джоуля — Ленца.

Пусть за время ∆t через поперечное сечение проводника проходит электри­ческий заряд ∆q. Тогда работу сторон­них сил при перемещении заряда ∆q можно записать так: А_ст = Ԑ∆q. Со­гласно определению силы тока ∆q = I∆t. Поэтому

A_CT=ԐІ∆t.

При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых г и R, выделяется некоторое ко­личество теплоты. По закону Джоуля — Ленца оно равно:

Q = І² R∆ t + І²r∆t.

По закону сохранения энергии А_СТ = Q, откуда получаем

Ԑ= IR + Ir.

Произведение силы тока и сопротивления участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжения на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи.

Закон Ома для замкнутой цепи записывают в виде:

Поиск по сайту: