Сторонні сили. Електрорушійна сила. Напруга

Постійний електричний струм може бути створений тільки в замкнутому електричному колі, в якому вільні носії заряду циркулюють по замкнутих траєкторіях. Електричне поле в різних точках такого кола незмінне з часом. Отже, електричне поле в колі постійного струму має характер замороженого електростатичного поля. Але при переміщенні електричного заряду в електростатичному полі по замкнутій траєкторії, робота електричних сил дорівнює нулю. Тому для існування постійного струму потрібна наявність в електричному колі пристрою, здатного створювати і підтримувати різниці потенціалів на ділянках кола за рахунок роботи сил неелектричного походження. Такі пристрої називаються джерелами постійного струму. Сили неелектричного походження, що діють на вільні носії заряду з боку джерел струму, називаються сторонніми силами.

Природа сторонніх сил може бути різною. У гальванічних елементах або акумуляторах вони виникають в результаті електрохімічних процесів, в генераторах постійного струму сторонні сили виникають при русі провідників в магнітному полі. Джерело струму в електричному колі грає ту ж роль, що і насос, який потрібний для перекачування рідини в замкнутій гідравлічній системі. Під дією сторонніх сил електричні заряди рухаються усередині джерела струму проти сил електростатичного поля, завдяки чому в замкнутому колі може підтримуватися постійний електричний струм.

При переміщенні електричних зарядів по колу постійного струму сторонні сили, діючі усередині джерел струму, здійснюють роботу.

Фізична величина, рівна відношенню роботи A_ст сторонніх сил при переміщенні заряду q від негативного полюса джерела струму до позитивного до величини цього заряду, називається електрорушійною силою джерела (ЕРС) :

. (3.31)

Таким чином, ЕРС визначається роботою, що здійснюється сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду. Електрорушійна сила, як і різниця потенціалів, вимірюється у вольтах (В).

Коло постійного струму можна розбити на певні ділянки. Ті ділянки, на яких не діють сторонні сили (ділянки, що не містять джерел струму), називаються однорідними. Ділянки, що включають джерела струму, називаються неоднорідними.

При переміщенні одиничного позитивного заряду по неоднорідній ділянці кола роботу здійснюють як електростатичні (кулонівські), так і сторонні сили. Робота електростатичних сил визначається різницею потенціалів Δφ₁₂ =φ₁ - φ₂ між початковою (1) і кінцевою (2) точками неоднорідної ділянки. Робота сторонніх сил визначається електрорушійною силою ε₁₂, діючою на цій ділянці. Тому повна робота визначається величиною:

U₁₂ = φ₁ - φ₂ + ε₁₂.

ВеличинуU₁₂ прийнято називати напругою на ділянці кола 1-2. У разі однорідної ділянки напруга дорівнює різниці потенціалів :

U₁₂ = φ₁ - φ₂.

Закон Ома

Німецький фізик Георг Ом в 1826 році експериментально встановив, що сила струму I, що протікає по однорідному металевому провіднику, пропорційна напрузі U на кінцях провідника :

. (3.32)

Величина R називається електричним опором. Провідник, що має електричний опір, називається резистором. Співвідношення (3.32) виражає закон Ома для однорідної ділянки кола: сила струму в провіднику прямо пропорційна прикладеній напрузі і обернено пропорційна опору провідника.

У СІ одиницею електричного опору провідників служить Ом (Ом). Опір 1 Ом має така ділянка кола, в якій при напрузі 1 В виникає струм силою 1 А.

Для однорідного лінійного провідника опір прямо пропорційний його довжині l і обернено пропорційний до площі поперечного перерізу S:

(3. 33)

ρ -питомий електричний опір матеріалу провідника (вимірюється в Ом·м).

Закон Ома можна представити в диференціальній формі:

(3.34)

де величина γ - питома електрична провідність.

Е -напруженість електричного поля в провіднику.

Оскільки в провіднику носії струму в кожній точці рухаються у напрямі вектора Е, то напрями густини струму J і напруженості електричного поля співпадають Е.

Провідники, що підпорядковуються закону Ома, називаються лінійними. Графічна залежність сили струму I від напруги U зображується прямою лінією, що проходить через початок координат (такі графіки називаються вольт-амперними характеристиками, скорочено ВАХ). Слід зазначити, що існує багато матеріалів і пристроїв, де закон Ома не виконується. До них відносяться напівпровідниковий діод або газорозрядна лампа. Навіть у металевих провідників при досить великих струмах спостерігається відхилення від лінійного закону Ома, оскільки електричний опір металевих провідників росте із зростанням температури.

Для ділянки кола, що містить ЕРС, закон Ома записується в наступній формі:

IR = U₁₂ = φ₁ - φ₂ +ε = Δφ₁₂ +ε. (3.35)

Вираз (3.35) прийнято називати узагальненим законом Ома для ділянки електричного кола.

Рисунок 3.20.

На рисунку 3.20 зображене замкнуте коло постійного струму.

Ділянка кола (cd) є однорідною. За законом Ома

IR = Δφ_cd.

Ділянка (ab) містить джерело струму з ЕРС, рівною εі опором r. За законом Ома для неоднорідної ділянки:

I·r= Δφ_ab + ε.

Склавши обидві рівності, отримаємо: I(R+ r) = Δφ_cd + Δφ_ab +ε. .

Але Δφ_cd = Δφ_ba = - Δφ_ab, тому

(3.36)

Ця формула виражає закон Ома для повного електричного кола: сила струму в повному колі дорівнює електрорушійній силі джерела поділеній на суму опорів однорідного і неоднорідного ділянок кола.