3.3 Напруженість сторонніх сил. Електрорушійна сила

Як було показано раніше, для тривалого протікання струму в провіднику необхідно на його кінцях підтримувати постійно різницю потенціалів. Розглянемо процеси протікання струму у провіднику, кінці якого закінчуються електродами і(рис.3.4).

Рисунок 3.4

З даного рисунку видно, що протікання струму від електрода до електродазумовлене постійним переміщенням по провіднику позитивних зарядів віддо. При цьому по всій довжині провідника, при наявності зарядів на електродах, існує електричне поле, напруженість якого називаютьелектростатичною напруженістю і позначають . Електростатична напруженість має місце і між електродамиі, яка направлена від позитивно зарядженого електрода до негативно зарядженого (рис.3.4).

Для тривалого протікання електричного струму необхідно постійно переміщувати позитивні заряди від електрода до електродапроти сил електростатичного поля. Таке переміщення може здійснювати тільки зовнішні (сторонні) сили, що створюють поле знапруженістю сторонніх сил , яка має бути більшою за величиною ніж, і направлена від електродадо електрода. Ці зовнішні сили повинні також компенсувати витрати енергії, що виникають під час протікання струму через провідник.

Такими сторонніми силами можуть бути джерела енергії, які перетворюють різні види енергії (механічну, хімічну, теплову та ін.) в електричну.

Відмітимо, що рух зарядів (електричний струм) відбувається як в провіднику (від до), так і всередині джерела (віддо), що характеризує неперервність електричного струму.

В джерелі електричної енергії існує електричне поле з результуючою напруженістю

. (3.6)

Лінійний інтеграл від сторонньої напруженості поля, взятий всередині джерела (від до), називаєтьсяелектрорушійною силою (е.р.с) джерела

. (3.7)

Візьмемо лінійний інтеграл від результуючої напруженості поля вздовж замкненого контуру

.

В зв’язку з тим, що стороння напруга діє тільки на ділянці , то

.

Перший інтеграл згідно з (3.7) є електрорушійною силою, а другий інтеграл, як показано в п.1.5, завжди дорівнює нулю, тому

. (3.8)

Вираз (3.8) показує, що електричне поле сторонніх сил не є потенціальним і що умова виконується тільки в області простору за межами джерел енергії.

Лінійний інтеграл напруженості результуючого поля на будь-якій ділянці називається напругою цієї ділянки

. (3.9)

В електростатичному полі лінійний інтеграл від напруженості поля на будь-якій ділянці представляє собою різницю потенціалів початкової і кінцевої точок цієї ділянки

. (3.10)

Встановимо зв’язок між е.р.с, напругою і різницею потенціалів. Візьмемо лінійний інтеграл від результуючої напруженості поля на шляху , що має ділянку зі сторонньою напруженістю

. (3.11)

Врахувавши (3.8), (3.9) і (3.10) запишемо

. (3.12)

Отриманий вираз показує, що в електричному полі в провідному середовищі на ділянках, які мають сторонню напруженість, напруга і різниця потенціалів не дорівнюють одна одній.

Напруга в (3.12) представляє собою спад напруги на внутрішньому опорі джерела (), тобто

.

Неважко побачити, якщо коло (рис.3.4) розімкнути, то струм в ньому протікати не буде, відповідно не буде переміщення зарядів, напруженості між електродами, стороння і статична, будуть рівні за величиною і протилежні за напрямком, тобто

(3.12)

і, як видно з (3.11) і (3.12),а

.

На ділянці кола стороння напруженість відсутня і для замкненого кола

.