Сила тока. Электродвижущая сила. Напряжение

Электрическим током называется упорядоченное (т.е. происходящее в одном направлении) движение электрических зарядов. За направление тока принято считать направление движения положительных зарядов. Обычно электрический ток возникает под влиянием электрического поля.

Зарядим два проводника 1 и 2 разноименным электричеством до потенциалов φ₁ и φ₂ и соединим их третьем проводником 3 (рис. 43). Разность потенциалов, возникающая при этом на концах соединительного проводника, создает внутри него электрическое поле, направленное в сторону падения потенциала. Если в соединительном проводнике 3 носителями заряда являются электроны, то начнется их перемещение в направлении 231, т.е. по проводнику пойдет ток в направлении 132.

Величина заряда Δq, проходящего за одну секунду через поперечное сечение проводника, называется силой тока I:

,

где Δt – промежуток времени прохождения заряда Δq. Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным; в противном случае ток называется переменным.

В СИ единица силы тока – ампер (А) – является основной, установленной на основе взаимодействия двух параллельных проводником с током. А по определению силы тока устанавливается единица заряда в СИ – кулон (Кл).

Возвращаясь к рисунку 43, заметим, что движение электронов по соединительному проводнику приведет к разрядке проводников 1 и 2 и ликвидации разности потенциалов между ними. В результате напряженность поля внутри проводника будет равна нулю и ток прекратится. Для поддержания постоянного тока необходимо иметь специальное устройство Г, внутри которого все время происходило бы разделение разноименных зарядов и перенос положительных зарядов на проводник 1, а отрицательных – на проводник 2. Такое устройство называется генератором, или источником тока.

Очевидно, что силы, разделяющие заряды в генераторе, имеют неэлектрическую природу, так как электрические силы могут только соединять, но не разделять разноименные заряды. Поэтому силы, разделяющие заряды в источнике тока, называются сторонними силами. Природа сторонних сил может быть различной. В генераторе постоянного тока эти силы возникают за счет энергии магнитного поля и механической энергии вращения якоря; в аккумуляторе и гальваническом элементе – за счет энергии химических реакций; в полупроводниковом фотоэлементе – за счет электромагнитной энергии (света) и т.п.

Итак, простейшая электрическая цепь постоянного тока должна состоять из соединительного проводника 3 и источника тока Г, непрерывно заряжающего проводники 1 и 2, называемые полюсами источника тока (рис. 43).

Разделению и переносу зарядов внутри источника тока препятствуют, во-первых, внутреннее электрическое поле, направленное от положительного полюса к отрицательному, и, во-вторых, сопротивление среды источника тока (например, вязкость электролита в аккумуляторе или в гальваническом элементе). Поэтому работа сторонней силы А слагается из работы А₁, совершаемой против сил электрического поля внутри источника тока, и работы А*, совершаемой против сил сопротивления среды этого источника:

.

По величине работа

,

где q – арифметическая сумма зарядов (положительных и отрицательных), переносимых сторонней силой на полюсы источника тока вопреки действию электрического поля. Поэтому можно написать:

.

Работа, совершаемая сторонней силой внутри источника при перемещении между его полюсами единичного заряда, называется электродвижущей силой источника тока (э.д.с.). Обозначив э.д.с. буквой ξ, получим

.

Если полюсы источника тока разомкнуты (соединительный проводник 3 отсутствует), то А*=0, так как в этом случае сторонняя сила не перемещает зарядов внутри источника тока, а лишь поддерживает установившееся (на полюсах) разделение зарядов. Тогда,

,

т.е. электродвижущая сила равна разности потенциалов на полюсах разомкнутого источника тока. Разность потенциалов на полюсах источника тока, замкнутого внешней электрической цепью, называется напряжением источника тока. Напряжение меньше э.д.с. на величину А*/q. Таким образом, электродвижущая сила равна той максимально возможной разности потенциалов, которая устанавливается на полюсах данного источника тока, когда они разомкнуты. На любом участке внешней электрической цепи, т.е. между любыми двумя поперечными сечениями соединительного проводника 3, существует некоторая разность потенциалов, она называется напряжением, или падением напряжения, на этом участке цепи.

Закон Ома

1) Закон Ома для однородного участка цепи. Участки электрической цепи, на которых электрический ток создается только электростатическим (стационарным) полем, называются однородными. В 1826 г. немецкий физик Г.Ом обнаружил, что сила тока на однородном участке прямо пропорциональна разности потенциалов на участке:

.

Другими словами, отношение разности потенциалов между концами проводника, являющегося однородным участком электрической цепи, к силе тока в цепи есть величина постоянная:

.

Эта величина называется электрическим сопротивлением проводника. Единицей электрического сопротивления в СИ является ом:

.

Согласно экспериментальным исследованиям Ома, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:

,

где коэффициент пропорциональности ρ, характеризующий материал, из которого изготовлен проводник, называется удельным сопротивлением проводника. Из последней формулы следует соотношение

.

Следовательно, удельное сопротивление вещества равно выраженному в омах сопротивлению куба с ребром 1 м из данного вещества при токе, параллельном одному из ребер куба. Единицей удельного сопротивления является 1 ом-метр (Ом•м).

2) Закон Ома для неоднородного участка цепи. Участок цепи, на котором действуют сторонние силы (наряду с электростатическими), называют неоднородным участком цепи. Работа по перемещению зарядов на таком участке складывается из работы электростатических сил А_э и работы сторонних сил А_ст:

.

Напряжение на таком участке равно отношению работы всех сил, действующих на данном участке, к значению переносимого заряда. Разделим обе части записанного выше уравнения на заряд q:

.

В этом равенстве левая часть – это напряжение U на неоднородном участке цепи, первый член правой части равенства – это разность потенциалов, а второй член – это э.д.с. Учитывая это, равенство можно переписать следующим образом:

.

Из данной формулы видно, что в общем случае напряжение на участке цепи равно алгебраической сумме разности потенциалов и э.д.с. на этом участке. Если же на участке действуют только электростатические силы и, следовательно, э.д.с. равна нулю, то

.

Таким образом, только в частном случае, когда на участке цепи действуют лишь электростатические силы, понятия напряжения и разности потенциалов совпадают.

Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:

.

Это выражение можно переписать в виде

.

3) Закон Ома для полной цепи. На рисунке 44 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Э.д.с. источника равна ξ, его внутреннее сопротивление r, сопротивление внешнего участка цепи R, сопротивлением проводов пренебрегаем. Ток течет в направлении, указанном стрелкой.

По закону Ома для внешнего участка цепи АВ имеем:

.

Внутренний участок цепи ВА является неоднородным, следовательно, закон Ома запишется так:

.

Сложив оба равенства, получим:

.

Откуда

.

Данная формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.