3.5.2. Электродвижущие силы

При помещении проводника в поле происходит перенос заряда от большего потенциала к меньшему и выравнивание потенциалов, что ведет к исчезновению тока. Поэтому необходимо поддерживать разность потенциалов для переноса зарядов за счет сил неэлектрического происхождения – сторонних сил.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой:

Е = А/q₀.

А устройство создающее её называют источник

тока или источник ЭДС. В нём ток направлен в противоположную сторону тока в проводнике.

Источники э.д.с.: гальванические элементы – сторонние силы возникают за счет химических реакций между электродами и электролитами; генераторы – механическая работа ротора.

Э.д.с. величина скалярная. Её знак зависит от знака работы, совершаемой сторонними силами. Если э.д.с. способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении (в направлении 1—2), то E₁₂ > 0. Если препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то E₁₂ < 0.

Сторонняя сила F_cт, действующая на заряд:

F_ст = E_cтq_0,

где Е — напряженность поля сторонних сил. Работа сторонних сил по перемещению заряда q₀ на замкнутом участке цепи:

А = F_ст dl = q₀ Е_ст d1.

Разделив на q₀, получим выражение для э.д.с., действующей в цепи:

E = E_cтdl

т.е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

На заряд q₀ помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля F_e= q₀Е. Результирующая сила, действующая в цепи на заряд q₀

F = F_cт + F_e = q₀(E_ст + Е).

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом q₀ на участке 1—2

А₁₂ = q₀Е dl = q₀ (Е+ Е_ст) dl,

А₁₂ = q₀ E₁₂ + q₀().

Для замкнутой цепи: dA=0, поэтому А₁₂= q₀ E₁₂

Напряжением U на участке 1—2 называется величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи:

U₁₂ = + E₁₂

Германский физик Ом экспериментально установил, что сила тока I текущего по однородному металлическому проводнику (в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника:

I = U/R.

Это закон Ома для участка цепи. При постоянном токе сопротивление всегда активно, т.е. поглощает, преобразует энергию, например, в тепловую. Поэтому реальная цепь всегда с потерями энергии.

1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А.

G = 1/R (См) — электрическая проводимость проводника. 1 См — проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.

Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого проводник изготовлен.

Для однородного линейного проводника сопротивление прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения:

R = rl/S,

где r — коэффициент пропорциональности, характеризующий материал проводника и называемый удельным электрическим сопротивлением (Ом • м).

,

где называется удельной электрической проводимостью вещества проводника (См/м). U/1 =Е — напряженность электрического поля в проводнике, I/S = j — плотность тока.

Закон Ома в дифференциальной форме:

j = gE,

связывающий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.

Так как в изотропном проводнике носители тока в каждой точке движутся в направлении вектора Е, то направления j и Е совпадают.