- •Глава II. Постоянный электрический ток §5. Электрический ток. Условия существования электрического тока
- •§6. Основные характеристики постоянного электрического тока
- •§7. Законы постоянного тока
- •7.1. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах
- •Пример 1. Коаксиальный кабель с утечкой
- •Пример 2. Сопротивление заземления в линиях связи
- •7.2. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца
- •§8. Классическая теория электропроводности металлов и ее недостатки.
- •§9. Источники постоянного тока. Э.Д.С. Закон Ома для неоднородного участка
- •§10. Разветвленные электрические цепи. Правила Кирхгофа
- •§11. Электрический ток в газах
- •11.1. Несамостоятельный и самостоятельный разряды и их характеристики
- •11.2. Виды самостоятельного разряда
- •11.3. Понятие о плазме
§9. Источники постоянного тока. Э.Д.С. Закон Ома для неоднородного участка
Для поддержания в проводнике постоянного тока необходим постоянный источник электрической энергии. Кулоновские силы электростатического взаимодействия между электрическими зарядами приводят к такому их перераспределению в проводнике, при котором электрическое поле исчезает, а потенциалы во всех точках выравниваются. Поэтому поле кулоновских сил не может являться причиной возникновения постоянного электрического тока. На свободные заряды постоянного тока в цепи должны действовать не электростатические, сторонние электрические силы, вызывающие разделение разноименных зарядов и поддерживающие разность потенциалов на концах проводника. Электрическое поле сторонних сил в цепи создается источником тока (гальваническим элементом, аккумулятором, электрическим генератором). Перемещая электрические заряды, сторонние силы совершают работу за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока. В этих источниках электрическая энергия получается путем преобразования из других форм энергии. В батареях используется химическая энергия, а в электрических генераторах – механическая энергия. В солнечных батареях в электрическую превращается энергия видимого света.
Рассмотрим замкнутую электрическую цепь, содержащую источник сторонних сил (рис. 9.1).
А– внутренняя часть цепи (источник тока).
В – внешняя часть цепи.
Для любой точки внутри проводника, по которому проходит постоянный ток, по принципу суперпозиции
–напряженность электрического поля в данной точке;
–напряженность кулоновского поля;
–напряженность сторонних сил.
На участке 1 – 2 (рис. 9.1) проводника совершается работа по перемещению заряда q, равная:
(9.1)
где – вектор, численно равный элементу dl проводника и направленный по касательной к проводнику в ту же сторону, что и вектор плотности тока .
Напряжением (падением напряжения) на участке цепи 1 – 2 называется величина, численно равная работе, совершаемой суммарным полем кулоновских и сторонних сил при перемещении на участке 1 – 2 цепи единичного положительного заряда
, (9.2)
где 1 и 2 – потенциалы электростатического поля в точках 1 и 2. Линейный интеграл от вектора напряженности электрического поля сторонних сил вдоль участка 1 – 2 называется электродвижущей силой (Э.Д.С.) 21, действующей на этом участке цепи:
. (9.3)
Таким образом:
U21 = (1 – 2) 21; (9.4)
Формула 9.4 описывает так называемый неоднородный участок цепи, т.е. участок, который включает источник Э.Д.С. (рис. 9.2).
R – сопротивление внешнего участка цепи;
r – сопротивление (внутреннее) источника тока.
Сила тока на неоднородном участке будет равна
Подставив в 9.4, получим закон Ома для неоднородного участка цепи
(9.5)
Для замкнутой цепи 1 = 2 и закон Ома будет описываться следующим уравнением:
(9.6)
Ток короткого замыкания возникает при создании замкнутой цепи с бесконечно малым по сравнению с внутренним сопротивлением внешней цепи R << r. Короткое замыкание - нежелательный эффект, так как сопровождается значительным выделением тепловой энергии, что может привести к разрушению проводников и источника тока.