Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение

Если два разноименных проводника А и В, заряженных до потенциалов φ₁ и φ₂, соединить проводником С (рисунок 2), то под действием поля начнется перемещение электронов в направлении АСВ, т. е. по проводнику пойдет ток в направлении ВСА. В процессе прохождения тока произойдет выравнивание потенциалов и напряженность поля внутри проводника станет равной нулю, ток прекратится. Таким образом, электрическое поле создает в проводнике кратковременный импульс тока (сила тока в момент соединения возрастает от нуля до некоторого максимума, а затем постепенно убывает до нуля).

Рисунок 2 Иллюстрация возникновения тока в два разноименных проводниках А и В, заряженных до потенциалов φ₁ и φ₂, соединённых проводником С

Для поддержания в цепи постоянного тока необходимо иметь специальное устройство, внутри которого происходило бы непрерывное разделение разноименных зарядов и их перенос к соответствующим проводникам (положительные заряды — к проводнику В, отрицательные — к А). Подобное устройство, называемое источником тока (или генератором), должно действовать на электроны (или вообще на заряды) силами неэлектростатического происхождения. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах эти силы возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторах постоянного тока — за счет энергии магнитного поля и механической энергии вращения якоря и т. п. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. За счет создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах внешней цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы, перемещая электрические заряды, совершают работу. Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э. д. с) ε; действующей в цепи:

ε = A/Q₀. (7)

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ε можно также называть электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь. Часто вместо того, чтобы сказать: «в цепи действуют сторонние силы», говорят: «в цепи действует э.д.с.», т.е. термин «электродвижущая сила» употребляется как характеристика сторонних сил. Э.д. с., как и потенциал, выражается в вольтах.

Сторонняя сила , действующая на заряд Q₀, может быть выражена как

, (8)

где — напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил над зарядом Q₀ на замкнутом участке цепи равна

(9)

Разделив (96.2) на Q₀, получим э. д. с., действующую в цепи:

(10)

т. е. э. д. с., действующая в замкнутой цепи, определяется как циркуляция вектора напряженности сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 1-2, равна

(11)

На заряд Q₀ помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля . Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q₀, равна

(12)

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q₀ на участке 1-2, равна

(13)

Используя выражения (13) и , можем записать

(14)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтому в данном случае A₁₂ = Q₀ε₁₂.

Напряжением U на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (14),

U₁₂ = φ₁ -φ₂ +ε₁₂ (15)

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не приложена э. д. с., т. е. сторонние силы отсутствуют.