Источники электрического тока. Электродвижущая сила

Возьмём два проводника, заряженные разноимёнными зарядами, и соединим их другим проводником. Тогда в этом проводнике за счёт разности потенциалов на его концах возникает электрическое поле, под действием которого свободные заряды (носители тока) приходят в упорядоченное движение от положительного потенциала к отрицательному (имеется в виду движение положительных зарядов, поскольку за направление тока принимается движение именно этих зарядов), т.е. возникает электрический ток. Однако этот ток очень быстро прекращается в силу того, что протекание тока приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и к исчезновению внутри него электрического поля. Для непрерывного протекания тока по проводнику необходимо к его концам подключить устройство, которое бы отводило положительные заряды с конца, обладающего отрицательным потенциалом, к концу — с положительным, производя разделение зарядов и поддерживая разность потенциалов (рис. 1). Такие устройства называются источниками тока. Указанное движение зарядов внутри источника тока (движение от точки 1 к точке 2) возможно лишь в том случае, если на них со стороны источника тока действуют силы не электростатического происхождения, направленные против сил электростатического поля. Их называют сторонними силами. Природа сторонних сил может быть различной. Так, в аккумуляторах они возникают вследствие химических реакций между электродами и электролитом.

Р

+

–

1

2



I

ис. 1

Действие сторонних сил характеризуют физической величиной, называемой электродвижущей силой (э.д.с.). Она равна работе, которую совершают сторонние силы по перемещению единичного заряда внутри источника тока, т.е. в области, где действуют сторонние силы. Если при перемещении заряда q₀ сторонние силы совершили работу A^стор, то по определению э.д.с.

(18)

Работу A^СТОР сторонних сил можно найти по формуле механической работы:

(19)

где — проекция сторонней силы на элементарное перемещение . По аналогии с напряжённостью электростатического поля, т.е. напряжённостью кулоновских сил, действующих на заряды, находящиеся в этом поле, вводят понятие напряжённостисторонних сил. Тогда, согласно определению напряжённости электрического поля, запишем, чтоОтсюдаПодставляя это выражение в (19) и выносяq₀ за знак интеграла, находим Поделив обе части этого равенства наq₀ и учитывая (18), получаем Если цепь, в которой протекает ток, замкнутая (см. рис. 1), то работа сторонних сил по всей цепи равна работе этих сил внутри источника, поскольку вне источника сторонние силы не действуют. Тогда

(20)

Таким образом, электродвижущая сила равна циркуляции напряжённости сторонних сил.

Работа и мощность электрического тока

Работой электрического тока называется работа, которую совершают силы электрического поля, созданного в электрической цепи, при перемещении заряда по этой цепи. Пусть к концам проводника приложена постоянная разность потенциалов (напряжение) U = ₁ ₂. Тогда, совершаемая электростатическим полем по переносу заряда q за некоторое время t, равна A = q(₁₂) = qU. Величину протекшего заряда найдём, используя силу тока I: q = It. С учётом этого получаем

A = IUt . (21)

По определению мощность электрического тока равна P = A/t. Учитывая (21), получаем, что

P = IU. (22)