ЭДС разомкнутой и замкнутой цепи

Теоретические сведения

           1. Сторонние силы

       В одной из прошлых тем (условия существования электрического тока) уже затрагивался вопрос о необходимости источника питания для длительного поддержания существования электрического тока. Сам по себе ток, конечно же, можно получать и без таких источников питания. Например, разрядка конденсатора при вспышке фотоаппарата. Но такой ток будет слишком скоротечным. Кулоновские силы всегда стремятся свести разноименные заряды, выровняв тем самым потенциалы по всей цепи. А, как известно, для наличия поля и тока необходима разность потенциалов. Поэтому никак нельзя обойтись без каких-либо других сил, разводящих заряды и поддерживающих разность потенциалов.

       Определение. Сторонние силы – силы неэлектрического происхождения, направленные на разведение зарядов.

       Эти силы могут быть разной природы в зависимости от типа источника. В батареях они химического происхождения, в электрогенераторах – магнитного. Они-то и обеспечивают существование тока, так как работа электрических сил по замкнутому контуру всегда равна нулю.

       Вторая задача источников энергии, помимо поддержания разности потенциалов, – это восполнение потерь энергии на столкновении электронов с другими частицами, вследствие чего первые теряют кинетическую энергию, а внутренняя энергия проводника повышается.

       Сторонние силы внутри источника выполняют работу против электрических сил, разводя заряды в стороны, противоположные их естественному ходу (как они движутся во внешней цепи) (рис. 2).

       Роль источника тока: разделить заряды за счет совершения работы сторонними силами. Любые силы, действующие на заряд, за исключением потенциальных сил электростатического происхождения (т. е. кулоновских) называют сторонними силами. (Сторонние силы объясняются электромагнитным взаимодействием между электронами и ядрами)

Рис. 2. Схема действия сторонних сил

       Аналогом действия источника питания можно считать водяной насос, который пускает воду против ее естественного хода (снизу вверх, в квартиры). Обратно же вода естественным образом под действием силы тяжести спускается вниз, но для непрерывной работы водоснабжения квартиры необходима непрерывная работа насоса.

Электродвижущая сила

       ЭДС — энергетическая характеристика источника. Это физическая величина, равная отношению работы, совершенной сторонни­ми силами при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи, к этому заряду: 

Измеряется в вольтах (В).                                                                                         

                                                                                   

Еще одна характеристика источника - внутреннее сопротивление источника тока: r.   

ЭДС разомкнутой и замкнутой цепи

       Рассмотрим следующую цепь (рис. 3):

Рис. 3. ЭДС разомкнутой цепи

       При разомкнутом ключе и идеальном вольтметре (сопротивление бесконечно велико) никакого тока в цепи не будет, и внутри гальванического элемента будет совершаться только работа по разделению зарядов. В этом случае вольтметр покажет значение ЭДС.

       При замыкании ключа по цепи пойдет ток, и вольтметр уже не будет показывать значение ЭДС, он будет показывать значение напряжения, такого же, как на концах резистора. При замкнутом контуре:

       Здесь: U – напряжение на внешней цепи (на нагрузке и подводящих проводах); U₁ – напряжение внутри гальванического элемента.

3) Закон Ома для полной цепи.

       Энергетические преобразования в цепи:

 

- закон сохранения энергии

       (А - работа сторонних сил; А_{внеш .}- работа тока на внешнем участке цепи сопротивлением R; А_{внутр .}- работа тока на внутреннем сопротивлении источника r.)

       Закон Ома: Сила тока в цепи постоянного тока прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению электрической цепи.

 

       Следствия:

       1. Если R>>r, то ε=U. Измеряют высокоомным вольтметром при разомкнутой внешней цепи.

 

       2. Если R<<r, то ток - максимальный ток для данной цепи (ток короткого замыкания). Опасно, т.к. - возрастает

Ԑ = U₁+U₂

       3. На внутреннем участке цепи: A_внутр=U₁q, на внешнем участке цепи: A_внеш=U₂q.

A=A_внутр+ A_внеш. Тогда: εq=U₁q+U₂q. Следовательно: ε= U₁+U₂

       ЭДС источника тока равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи.

       4. Если R растет, то I уменьшается. - при уменьшении силы тока в цепи напряжение увеличивается.