Электродвижущая сила и напряжение

Для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектрического

происхождения, действующие на заряды со стороны источника тока, называются сторонними .

Рисунок 20. Движение электрических зарядов в цепях

Сторонние силы действуют в проводнике Д, направлены против сил электрического поля и превышает их по величине (рисунок 20). В проводнике Д, находящемся в источнике тока, заряды получают энергию за счет неэлектрических видов энергии. Сторонние силы в гальванических элементах возникают за счет энергии

 

химической реакций, а в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора.

Участок цепи (С), в котором заряды движутся в сторону действия электрических сил, является потребителем электрической энергии и называется внешней цепью.

Участок цепи (Д), в котором заряды двигаются в сторону действия сторонних сил, является источником электрической энергии и называется внутренней цепью.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного единичного заряда q₀, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в цепи.

ЭДС — величина скалярная.

Размерность ЭДС - [ ] = 1В (Вольт).

Сторонняя сила , действующая на заряд :

, где напряженность поля сторонних сил.

 

Работа сторонних сил по перемещению заряда q₀ на замкнутом участке цепи:

 

Из последней формулы следует, что ЭДС, действующая в замкнутой цепи, не что иное, как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

ЭДС, действующая на участке 1 - 2: .

На заряд кроме сторонних сил действуют силы электростатического поля

Результирующая сила, действующая в цепи на заряд :

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом , на участке 1 - 2:

Напряжением на участке 1 - 2, содержащем ЭДС, называется скалярная физическая величина:

Если = 0, то =

 

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна 0, так как . Поэтому для замкнутой цепи: .

Контрольные вопросы

1. Что такое электрический ток и какое направление тока принято в технике?
2. Дайте определение силы тока, плотности тока и напишите формулы, по которым рассчитываются эти величины.
3. В каких единицах измеряются сила и плотность электрического тока?
4. Расскажите о внешней и внутренней цепи электрического тока.
5. Расскажите о сторонних силах и дайте определение электродвижущей силы.
6. Что называется напряжением на участке цепи 1 - 2?

Закон Ома для участка цепи.

Сопротивление цепи

Немецкий физик Ом экспериментально установил, что сила тока в однородном металлическом проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

 

- закон Ома для участка цепи (не содержащего ЭДС).

Здесь — электрическое сопротивление

Проводника.

Размерность сопротивления: = 1 Ом (ом).

Закон Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка цепи.

- проводимость проводника. [ ] = 1 См (сименс). . Поскольку , то проводимость

, а сопротивление .

Для однородного линейного проводника длиной и площадью

поперечного сечения можно написать:

 

где: - удельное сопротивление проводника, которое зависит только от материала проводника и внешних условий.

Значение для конкретного материала можно найти в справочнике. Размерность удельного сопротивления [ ] = 1 Ом×м.

С учетом изложенного закон Ома для участка цепи можно переписать: , откуда плотность тока определится как: .

Если обозначить , где - удельная проводимость с размерностью 1 См/м и поскольку напряженность электрического поля , то получим: - закон Ома для участка цепи в дифференциальной форме:

плотность тока прямо пропорциональна удельной проводимости и напряженности электростатического поля.