3.1.2. Основные характеристики цепи постоянного тока

При движении электрических зарядов нарушается их равновесное распределение в проводнике. Существует тангенциальная составляющая напряжённости электрического поля , которая перемещает заряды. В этом случае вектор напряжённостиуже не равен нормальной составляющейи не перпендикулярен к поверхности проводника, как это было без тока. Поверхность проводника уже не является эквипотенциальной, и ток течёт от точек с большим потенциаломφ₁к точкам с меньшим потенциаломφ₂.

1) Разность потенциалов – это энергетическая характеристика, численно равная работе сил электростатического поля (кулоновских сил) по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2:

.

(5)

Поле только кулоновских сил способно перемещать заряды до тех пор, пока разноимённые заряды не соединяются. При этом потенциалы всех точек про­водника выравниваются и поверхность вновь становится эквипотенциальной.

Чтобы поддержать ток длительное время, необходимы силы неэлектростатического происхождения, способные разъединять разноимённые заряды и перемещать их от точек с меньшим потенциалом к точкам с большим потенциалом. Такие силы называются сторонними. Они могут быть обусловлены химическими, механическими и другими процессами. В цепях постоянного тока сторонние силы создаются устройством, называемымисточником тока.

2) Электродвижущая сила (ε) – это энергетическая характеристика, численно равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда:

.

(6)

Сторонние силы совместно с кулоновскими осуществляют круговорот зарядов по электрической цепи, поэтому линии постоянного тока должны бытьзамкнуты.

Циркуляция вектора напряжённости поля кулоновских сил вдоль замкнутой цепи равна нулю, что является условием потенциальности электростатического поля кулоновских сил:

.

(7)

Физический смысл циркуляции вектора напряжённости электрического поля – это работа по перемещению единичного заряда вдоль замкнутой цепи. Аналогичная циркуляция вектора напряжённости поля сторонних сил равна ЭДС источника тока:

.

(8)

Таким образом, поле сторонних сил в отличие от поля кулоновских сил по­тенциальным не является.

3) Электрическое напряжение (U) – это энергетическая характеристика, численно равная работе как кулоновских, так и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда:

.

(9)

Электрическое напряжение на рассматриваемом участке цепи называется падением напряжения на этом участке.

Участок электрической цепи, на котором действуют кулоновские и сторонние силы, называется неоднородным (рис. 2).

Рис. 2. Неоднородный участок электрической цепи:R– внешнее сопротивление;

r– внутреннее сопротивление источника тока с ЭДС – ε;φ₁– потенциал точкиА;φ₂– потенциал точкиВ.

Падение напряжения на таком участке определяется соотношением (9). Учитывая формулы (5) и (6), получаем:

.

(10)

Можно показать, что если цепь содержит только один источник тока, то U₁₂ <ε.

Если на участке электрической цепи действуют только кулоновские силы, такой участок называется однородным (рис. 3).

Рис. 3. Однородный участок электрической цепи. Обозначения те же, что и на рис. 2.

Для него:

,

(11)

т.е. падение напряжения совпадает с разностью потенциалов на концах участка.

Для всей замкнутой цепи постоянного тока (рис. 4) положения начальной и конечной точек совпадают и . При этом соотношение (10) принимает следующий вид:

.

(12)

Сумма падений напряжений на отдельных участках цепи равна ЭДС источника тока.

Рис. 4. Замкнутая электрическая цепь. Обозначения те же, что и на рис. 2.

Все три электрические характеристики ,U,εизмеряются в вольтах (В).