§9. Источники постоянного тока. Э.Д.С. Закон Ома для неоднородного участка

Для поддержания в проводнике постоянного тока необходим постоянный источник электрической энергии. Кулоновские силы электростатического взаимодействия между электрическими зарядами приводят к такому их перераспределению в проводнике, при котором электрическое поле исчезает, а потенциалы во всех точках выравниваются. Поэтому поле кулоновских сил не может являться причиной возникновения постоянного электрического тока. На свободные заряды постоянного тока в цепи должны действовать не электростатические, сторонние электрические силы, вызывающие разделение разноименных зарядов и поддерживающие разность потенциалов на концах проводника. Электрическое поле сторонних сил в цепи создается источником тока (гальваническим элементом, аккумулятором, электрическим генератором). Перемещая электрические заряды, сторонние силы совершают работу за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока. В этих источниках электрическая энергия получается путем преобразования из других форм энергии. В батареях используется химическая энергия, а в электрических генераторах – механическая энергия. В солнечных батареях в электрическую превращается энергия видимого света.

Рассмотрим замкнутую электрическую цепь, содержащую источник сторонних сил (рис. 9.1).

А– внутренняя часть цепи (источник тока).

В – внешняя часть цепи.

Для любой точки внутри проводника, по которому проходит постоянный ток, по принципу суперпозиции

–напряженность электрического поля в данной точке;

–напряженность кулоновского поля;

–напряженность сторонних сил.

На участке 1 – 2 (рис. 9.1) проводника совершается работа по перемещению заряда q, равная:

(9.1)

где – вектор, численно равный элементу dl проводника и направленный по касательной к проводнику в ту же сторону, что и вектор плотности тока .

Напряжением (падением напряжения) на участке цепи 1 – 2 называется величина, численно равная работе, совершаемой суммарным полем кулоновских и сторонних сил при перемещении на участке 1 – 2 цепи единичного положительного заряда

^, (9.2)

где ₁ и ₂ – потенциалы электростатического поля в точках 1 и 2. Линейный интеграл от вектора напряженности электрического поля сторонних сил вдоль участка 1 – 2 называется электродвижущей силой (Э.Д.С.)  ₂₁, действующей на этом участке цепи:

^. (9.3)

Таким образом:

U₂₁ = (₁ – ₂) ₂₁; (9.4)

Формула 9.4 описывает так называемый неоднородный участок цепи, т.е. участок, который включает источник Э.Д.С. (рис. 9.2).

R – сопротивление внешнего участка цепи;

r – сопротивление (внутреннее) источника тока.

Сила тока на неоднородном участке будет равна

Подставив в 9.4, получим закон Ома для неоднородного участка цепи

(9.5)

Для замкнутой цепи ₁ = ₂ и закон Ома будет описываться следующим уравнением:

(9.6)

Ток короткого замыкания возникает при создании замкнутой цепи с бесконечно малым по сравнению с внутренним сопротивлением внешней цепи R << r. Короткое замыкание - нежелательный эффект, так как сопровождается значительным выделением тепловой энергии, что может привести к разрушению проводников и источника тока.