Лекция 7 «Постоянный электрический ток»

План лекции

1. Сторонние силы. Источники тока. Э.д.с. источника.

2. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Закон Ома для замкнутого контура.

3. Правила Кирхгофа.

4. Классическая теория электропроводности металлов.

1. Сторонние силы. Источники тока. Э.Д.С. Источника

Прошлая лекция была посвящена изучению важных законов постоянного тока. Но как получить и поддерживать постоянный электрический ток?

Можно зарядить конденсатор и соединить его обкладки проводником. По этой перемычке потечёт ток (рис. 7.1.) Но этот ток — ток разряда — будет кратковременным и непостоянным.

Рис. 7.1.

Такова особенность электрического поля, под действием которого свободные заряды перемычки придут в движение.

Это движение всегда приводит к выравниванию исходной разности потенциалов и, следовательно, к исчезновению электрического тока. Чтобы ток мог протекать по проводнику неограниченно долго, нужно заряды, прибывающие с первой обкладки конденсатора на вторую, возвращать назад, постоянно восстанавливая, таким образом, исходную разность потенциалов (₁ – ₂). Это перемещение зарядов можно осуществлять по дополнительному проводнику 2-b-1, соединяющему обкладки конденсатора, и замыкающего таким образом, проводящую цепь. Однако на этом участке, также как и в перемычке 1-а-2, возникает электростатическое поле , которое будет препятствовать возвращению заряда на обкладку 1 с более высоким потенциалом (₁  ₂). Другими словами, нельзя организовать циркуляцию заряда по замкнутому контуру под действием только электростатической силы. Для переноса заряда в область высокого потенциала (2-b-1) придётся использовать силы неэлектростатической природы. Такие силы получили название сторонних сил. В качестве сторонних сил могут выступать любые силы кроме электростатических. Приборы, в которых на электрические заряды действуют сторонние силы, называются источниками тока. В аккумуляторах, например, сторонние силы возникают в результате химической реакции взаимодействия электродов с электролитом, в генераторах сторонними являются силы, действующие на заряды, движущиеся в магнитном поле и т.д. Именно в источниках тока благодаря работе сторонних сил создаётся генерируемая энергия, которая затем расходуется в электрической цепи.

Работа, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда — одна из основных характеристик источника, его электродвижущая сила :

. (7.1)

Нетрудно заметить, что электродвижущая сила (э.д.с.) измеряется в тех же единицах, что и потенциал, и напряжение, то есть в вольтах:

.

Поле сторонних сил, также как и электростатическое поле, характеризуется вектором напряжённости :

. (7.2)

Если источник тока включен на участке 1-2 цепи (рис. 7.2.), то работа сторонних сил по перемещению заряда q на этом участке будет равна:

.

Рис. 7.2.

Э.д.с. источника получим, разделив эту работу на величину переносимого заряда:

. (7.3)

Распространив этот результат на замкнутый контур, придём к определению э.д.с. в этом контуре:

. (7.4)

Электродвижущая сила источника равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру.