3.4.3. Электродвижущая сила источника тока. Закон Ома для неоднородного участка цепи

Кулоновские силы не могут поддерживать электрический ток, так как в результате их действия стационарное поле переходит в статическое. Поэтому для поддержания постоянной разности потенциалов в цепи необходимо наличие некоторых сил не электростатического происхождения, которые способны перемещать положительные заряды в сторону возрастания потенциала. Такие силы называются сторонними. Устройства, в которых сторонние силы поддерживают постоянную разность потенциалов, называют источниками тока. В источниках тока происходит преобразование различных видов энергии в электрическую. Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Таким образом, на концах внешней цепи поддерживается постоянная разность потенциалов и в цепи протекает постоянный электрический ток.

Физическая величина, определяемая работой сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника:

, (3.29)

Единица ЭДС – вольт (В). На заряд помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля (кулоновские силы) . Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд , определяется следующим образом:

Работа, совершаемая результирующей силой при перемещении заряда на участке 1-2 цепи, равна

(3.30)

Разделив (3.30) на , получим формулу для величины, называемой электрическим напряжением:

(3.31)

Напряжением на участке цепи называется физическая величина, равная работе, совершаемой суммарным полем кулоновских и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на этом участке.

Если на этом участке не действует ЭДС, т.е. сторонними силами не совершается работа. Такой участок электрической цепи называется однородным.

При наличии ЭДС участок цепи будет неоднородным. Заряды перемещаютя сторонними силами и кулоновскими силами. Тогда . Выражая силу тока, получим закон Ома для неоднородного участка цепи:

. (3.32)

Для замкнутой цепи точки 1 и 2 совпадают, и закон Ома приобретает вид: . В замкнутой цепи ток течёт в том числе и через источник, который имеет некоторое сопротивление r. Таким образом, полное сопротивление цепи включает сопротивлении внешней цепи (нагрузка) – R и сопротивление источника тока r.

3.4.4. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

Если ток протекает по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока затрачивается на нагревание проводника.

Количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, пропорционально квадрату силы тока, времени его протекания и сопротивлению проводника. Это закон Джоуля-Ленца для участка цепи постоянного тока.

. (3.33)

Количество теплоты, выделяющееся за конечный промежуток времени от 0 до t при прохождении постоянного тока силой I найдем, интегрируя выражение (3.33):

. (3.34)

Мощность электрического тока

. (3.35)

Единица мощности – ватт: 1 Вт – мощность, выделяемая в проводнике за 1 с при протекании тока силой 1 А.