Электродвижущая сила источника тока.

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратится. Для того чтобы поддерживать ток достаточно длительное время, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом (носители заряда предполагаются положительными) непрерывно отводить приносимые сюда током заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить (поддерживать постоянную разность потенциалов). Иными словами, необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути. Но если бы во всех участках замкнутой электрической цепи плотность тока определялась бы только напряженностью электрического поля, то работа этого поля по замкнутому контуру цепи оказалась отличной от нуля. Но, как известно, электростатическое поле есть поле потенциальное, работа которого по замкнутому контуру цепи равна нулю.

Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания j, должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания j, т. е. против сил электростатического поля (см. изображенную пунктиром часть цепи на рис.). Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонним силами. Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми меняющимися во времени магнитными полями, и т. д. Для описания их действия на заряды вводится понятие напряженности сторонних сил . Напряженностью сторонних сил называется векторная физическая величина, равная отношению силы, действующей на положительный заряд, к этому заряду при неэлектростатическом взаимодействии.

Постулируется, что напряженность сторонних сил, так же как и напряженность электростатического поля, подчиняется принципу суперпозиции.

Следовательно, если на участке электрической цепи действуют, кроме электрических, сторонние силы, то результирующая напряженность будет определяться векторной суммой напряженности электрического поля и напряженности сторонних сил . Тогда, полная работа A по перемещении заряда на этом участке, совершаемая кулоновскими и сторонними силами, равна

,

где А_кул – работа кулоновских сил, А_ст – работа, совершаемая за счет действия неэлектрических источников энергии.

Разделив левую и правую части последнего равенства на величину перемещаемого заряда, получим

.

Величина – разность потенциалов, равная отношению работы, которую совершают кулоновские силы при перемещении некоторого заряда, к величине этого заряда.

Величина E – электродвижущая сила (или, сокращенно, ЭДС), равная отношению работы, совершаемой неэлектрическими источниками энергии при перемещении заряда, к величине этого заряда. Единицей ЭДС в СИ является вольт.

Величина – напряжение на данном участке цепи, равная отношению суммарной работы, совершаемой при перемещении заряда, к величине этого заряда.

Сопоставляя последние выражения, получим

U = j₁– j₂ + E.

Итак, напряжение на участке цепи равно сумме разности потенциалов и электродвижущей силы.

Отметим, что силы неэлектростатической природы создаются специальными техническими устройствами, называемыми источниками ЭДС или источниками тока. Наличие в электрической цепи источника ЭДС является вторым необходимым условием существования постоянного тока в цепи. Источниками тока могут быть, например, гальванические элементы, где разность потенциалов между разнородными электродами, помещенными в раствор электролита, поддерживается за счет химических процессов, происходящих в элементе, индукционные генераторы, в которых разность потенциалов возникает на концах проводящей обмотки, вращающейся в магнитном поле, и др.

По результатам своего действия любой источник ЭДС представляет собой процесс или устройство, отделяющее положительные заряды от отрицательных. После разделения заряды перемещаются на электроды и по закону Кулона действуют на заряды проводника вблизи электродов, которые в свою очередь действуют на другие заряды, и т. д. В результате этих коллективных взаимодействий в цепи на поверхности проводников возникает такое распределение зарядов, которое обеспечивает существование внутри проводника соответствующего электрического поля. Таким образом, роль зарядов на полюсах источника сторонних ЭДС состоит не в том, чтобы создавать во всех проводниках непосредственно соответствующее электрическое поле, а в том, чтобы обеспечить такое распределение поверхностных зарядов на проводниках, которое создает нужное электрическое поле внутри них. А это и обеспечивает существование постоянного тока.