Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от то­чек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электричес­кого поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называ­ются источниками тока. Силы неэлектро­статического происхождения, действую­щие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии

химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе — за счет механической энергии вращения ро­тора генератора и т. п. Роль источника тока в электрической цепи, образно гово­ря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электри­ческие заряды движутся внутри источни­ка тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи под­держивается разность потенциалов и в це­пи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Фи­зическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при пе­ремещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей си­лой (э. д. с.) ξ, действующей в цепи:

ξ=A/Q ₀. (97.1)

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ξ 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 (ср. (84.9) и (97.1)).

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

f _ст= E _стQ₀,

где Е _ст — напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по переме­щению заряда Q₀ на замкнутом участке цепи равна

Разделив (97.2) на Q₀, получим выражение для э.д.с., действующей в цепи:

т. е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 1 — 2,

равна

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

F = F _ст+ F _c=Q₀(E _ст+ E).

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

Используя выражения (97.3) и (84.8), можем записать

Для замкнутой цепи работа электростати­ческих сил равна нулю (см. §83), поэтому в данном случае A₁₂=Q₀ξ₁₂.

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 (97.4),

U₁₂=j₁-j₂+ξ₁₂.

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