15.2. Умови існування струму. Сторонні сили. Ерс

Якщо вектор густини струму не змінюється з часом ні за величиною, ні за напрямком, то такий струм називається постійним. Знайдемо умови існування постійного струму.

Рис. 15.1

Припустимо, що на кінцях провідника створена різниця потенціалів , причому (рис. 15.1а). При цьому в провіднику виникне короткочасний струм, викликаний упорядкованим рухом зарядів убік спадання потенціалу (припускається, що носії струму мають позитивний заряд). Струм буде існувати доти, поки не відбудеться вирівнювання потенціалів на кінцях провідника, Для того ж, щоб струм зберігався постійним протягом тривалого часу, необхідно від кінця провідника з меншим потенціалом відводити заряди до кінця провідника з більшим потенціалом, тобто здійснювати кругообіг зарядів. У зв'язку із цим коло повинно бути замкненим.

Електростатичні сили такий кругообіг зарядів забезпечити не можуть, оскільки на ділянці кола, показаного на рис. 15.1а пунктиром, потрібно виконувати роботу проти електростатичного поля. Переміщення зарядів убік зростання потенціалу можливо лише за допомогою додаткових сил не електростатичного походження, які називають сторонніми силами. Ці сили можуть бути забезпечені хімічними процесами (гальванічні елементи), вихровим електричним полем (генератори змінного або постійного струму) тощо.

Для з'ясування ролі ЕРС у підтримці постійного струму приведемо механічну аналогію. Нехай у вертикально розташованій замкнутій трубі міститься рідина (рис. 15.1б). Роль електростатичних сил у цьому випадку грають сили тяжіння. Під дією цих сил рідина не може циркулювати по трубі, оскільки на ділянці АВ необхідно виконувати роботу проти цих сил. Для виконання такої роботи необхідні сторонні сили, джерелом яких у цьому випадку є насос.

На відміну від електростатичних сил, робота сторонніх сил по переміщенню заряду по замкненому колу відмінна від нуля. Електрорушійною силою (ЕРС) називається робота, виконувана сторонніми силами по переміщенню одиничного позитивного заряду по всьому колу:

(15.4)

Як і різниця потенціалів, ЕРС вимірюється у вольтах.

Розглянемо ділянку кола, на якому крім сторонніх сил діють електростатичні. Тоді робота з переміщення заряду на цій ділянці буде дорівнює сумі робіт:

Розділимо цей вираз на заряд q:

(15.5)

Робота електростатичних сил з переміщення одиничного позитивного заряду з однієї точки кола в іншу називається різницею потенціалів:

.

(15.6)

Сумарна робота, виконувана як сторонніми, так і електростатичними силами по переміщенню одиничного позитивного заряду на деякій ділянці ланцюга, називається напругою або спаданням напруги:

.

(15.7)

Підставивши (15.4), (15.6) і (15.7) в (15.5), дістанемо зв'язок між напругою, ЕРС і різницею потенціалів

U= E +(1 - 2)

(15.8)

З (15.8) видно, що напруга U дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС і різниці потенціалів на даній ділянці кола.