Источник тока. Сторонние силы. Эдс источника тока

Остановимся на отдельных закономерностях тока проводи­мости. Пусть на концах проводника длиной l имеется разность по­тенциалов Δφ=φ₁–φ₂=U, которая создает внутри него электри­ческое поле напряженностью Е, направленное в сторону падения потенциала (рис. 92), . При этом в проводнике возникнет ток от большего потен­циала φ₁ к меньшему φ₂.

l

Рис. 92

Движение зарядов от φ₁ к φ₂ приводит к снижению большего (φ₁) и повышению меньшего (φ₂) потенциала, т.е. к выравниванию потенциалов. Как только потенциалы выравниваются, электрическое поле в проводнике исчезнет и ток прекратится. Таким образом, для поддержания электрического тока необходимо иметь специальные устройства, которые бы поддерживали на его концах разность по­тенциалов. Такое устройство называется источником тока. Источ­никами тока являются электрические генераторы, гальванические и термоэлементы, аккумуляторы. Направление тока в устройстве про­тивоположно направлению тока в проводнике. Источник тока вы­полняет и другую роль – он замыкает цепь, по которой осуществля­ется непрерывное движение зарядов. Ток течет по внешней части цепи – проводнику и по внутренней – источнику тока. Источник тока имеет два полюса: положительный с более высоким потенциа­лом и отрицательный – с более низким. При разомкнутой цепи на отрицательном полюсе (выводе) источника тока образуется избыток электронов, а на положительном – недостаток. Разделение зарядов в источнике тока производится с помощью внешних сил, так назы­ваемых сторонних, направленных против кулоновских сил, дейст­вующих на разноименные заряды в проводниках самого источника тока. Природа этих сторонних сил может быть самой различной (химической, механической, электромагнитной).

Рис.93

Если цепь, со­стоящая из проводника и источника тока, замкнута, то по ней про­ходит ток и при этом совершается работа сторонних сил А_ст. (рис. 93). Эта работа складывается из работы, совершаемой против сил электрического поля внутри источника тока ( А_ист.) и работы, совершаемой против механических сил сопротивления среды ис­точника ( А' ), т.е. А_ст. = А_ист + А'.

Величина, равная отношению работы, которую совершают сторон­ние силы при перемещении точечного положительного заряда Q вдоль всей цепи, (включая и источник тока), к величине заряда Q называют ЭДС источника тока ؏

؏ = .

Работа против сил электрического поля (по определению) равна

А_ист. = Q ( φ₁ – φ₂).

Если полюсы источника разомкнуты, то А' = 0, и тогда из формулы для ؏

следует ؏ = φ₁ – φ₂, т.е. ЭДС источника тока при разомкнутой внешней цепи равна раз­ности потенциалов, которая создается на его полюсах.

Сопротивление проводников

Электроны проводимости в отсутствие электрического поля внутри металла хаотически движутся и сталкиваются с ионами кри­сталлической решетки металла. При этом в силу хаотичности про­исходит эквивалентный обмен энергией между ними.

При наложении поля электрон приобретает скорость направ­ленного движения и на длине свободного пробега некоторую кине­тическую энергию. При соударении с ионом электрон теряет часть этой энергии, которая преобразуется во внутреннюю энергию про­водника (он нагревается). Другими словами, электрон испытывает сопротивление своему движению под действием поля. Мерой этого сопротивления у каждого вещества является величина удельного сопротивления ρ [Ом·м].

Сопротивление проводника постоянного сечения определя­ется выражением

R = ,

где l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения.

Единица измерения – Ом.

Предположим, что два проводника соединены последовательно (рис. 94). Через оба проходит одинаковый заряд за одно и то же время, т.е.

I₁ = I₂ = I; U₁ = φ₁ – φ₂; U₂ = φ₂ – φ₃;

Рис.94

Отсюда U₁ =I₁ R₁ = I R₁; U₂=I₂ R₂ =I R₂; U₁ + U₂ = I (R₁ + R₂). Но U = U₁ + U₂ = φ₁ – φ₃, следовательно, U =I (R₁ + R₂) и R=R₁+R₂.

Для n последовательно соединенных проводников их суммарное сопротивление R будет равно

.

При параллельном соединении проводников (рис. 95) напряжение на участке АВ для обоих проводников будет оди­наковым U = U₁ = U₂. На входе в группу параллельных про­водников (в точке А) происхо­дит разветвление тока. Из закона сохранения заряда следует, что ток I равен сумме токов I₁ и I₂

I = I₁ + I₂ = .

В свою очередь, на всем участке

,

где R - общее сопротивление проводников. Откуда

.

Для n проводников при их параллельном соединении суммарное со­противление R определяется из выражения