15.3 Электродвижущая сила источника тока. Напряжение. Закон Ома для неоднородного участка цепи

Рассмотрим замкнутую электрическую цепь (рис.15.1). Во внешней части цепи (R) под действием кулоновских сил заряд +q перемещается от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом.

Рисунок 15.1. Замкнутая электрическая цепь

Для дальнейшего движения заряда (внутренняя часть цепи, источник тока) необходимо переместить заряд к точкам с большим потенциалом. Кулоновские силы сделать это не в состоянии, так как они только соединяют разноименные заряды.

Поэтому в источнике тока на заряды, кроме кулоновских сил, должны действовать так же и сторонние силы – это силы некулоновского происхождения, они совершают работу по разделению разноименных зарядов и переводят заряд (+q) от отрицательного полюса источника тока к его положительному полюсу. Таким образом, завершается полный цикл движения заряда по замкнутой цепи, в ней за счет работы сторонних сил наблюдается постоянное движение заряда, протекает постоянный ток.

Источник тока можно охарактеризовать внутренним сопротивлением r, электродвижущей силой (ЭДС) ε – она определяет работу сторонних сил по перемещению точечного положительного заряда в один кулон от отрицательного полюса к его положительному полюсу

. (15.7)

Участок цепи, на котором одновременно действуют и сторонние и кулоновские силы, называют неоднородным участком цепи. Для неоднородного участка цепи вводится новая величина, называемая напряжением U1.2 , она характеризует общую работу сторонних и кулоновских сил на неоднородном участке цепи

. (15.8)

Формула (15.8) также выражает закон Ома для неоднородного участка цепи.

25. Правила Кирхгофа и их применение.

Расчёт встречающихся на практике сложных, разветвлённых цепей, значительно облегчается, если воспользоваться двумя правилами, установленными Кирхгофом. Первое правило: алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю. Узел – точка разветвлённой цепи, где сходятся не менее трёх проводников. При этом токи, входящие в узел, считаются положительными, выходящие от него – отрицательными. Это означает, что в узле не должно быть также как в любой точке цепи постоянного тока, накопления зарядов. Поэтому должно иметь место равенство

, (15.10)

где n – число токов, сходящихся в узле. Для узла, приведённого на рис. 15.3, правило (15.10) запишется так:

I₁ – I₂ + I₃ - I₄ + I₅ = 0.

Рисунок 15.3. Первое правило Кирхгофа

Второе правило относится к замкнутому контуру и гласит: в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивление соответствующих участков равна алгебраической сумме э.д.с., действующих в контуре, т.е. , (15.11) где n – число участков контура.

При применении правила (15.11) выбирается направление обхода контура. Все токи, совпадающие по направлению обхода контура, считаются положительными. Токи, не совпадающие с направлением обхода – отрицательные. Источники э.д.с. считаются положительными, если они создают ток, направленный в сторону обхода контура.

Правила Кирхгофа имеют прикладной характер и позволяют наряду и в сочетании с другими приёмами и способами (метод эквивалентного генератора, принцип суперпозиции, способ составления потенциальной диаграммы) решать задачи электротехники. Правила Кирхгофа нашли широкое применение благодаря простоте формулировки уравнений и возможности их решения стандартными способами линейной алгебры (методом Крамера, методом Гаусса и др.).