Физика_ теория_10 класс

Электродвижущая сила (ЭДС) и внутреннее сопротивление источника.

 Для поддержания постоянного тока в замкнутой цепи, в нее необходимо включить источник тока. Задача источника заключается не в том, чтобы поставлять заряды в электрическую цепь (в проводниках этих зарядов достаточно), а в том, чтобы заставлять их двигаться, совершать работу по перемещению зарядов против сил электрического поля. Основной характеристики источника является электродвижущая сила¹ (ЭДС) − работа, совершаемая сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда

 Единицей измерения ЭДС в системе единиц СИ является Вольт. ЭДС источника равна 1 вольт, если он совершает работу 1 Джоуль при перемещении заряда 1 Кулон

 Для обозначения источников тока на электрических схемах используется специальное обозначение (рис. 1).

рис. 1

 Электростатическое поле совершает положительную работу по перемещению положительного заряда в направлении уменьшения потенциала поля. Источник тока проводит разделение электрических зарядов − на одном полюсе накапливаются положительные заряды, на другом отрицательный. Напряженность электрического поля в источнике направлена от положительного полюса к отрицательному, поэтому работа электрического поля по перемещению положительного заряда будет положительной при его движения от «плюса» к «минусу». Работа сторонних сил, наоборот, положительна в том случае, если положительные заряды перемещаются от отрицательного полюса к положительному, то есть от «минуса» к «плюсу».
В этом принципиальное отличие понятий разности потенциалов и ЭДС, о котором всегда необходимо помнить.
Таким образом, электродвижущую силу источника можно считать алгебраической величиной, знак которой («плюс» или «минус») зависит от направления тока. В схеме, показанной на рис. 2,

рис. 2

вне источника (во внешней цепи) ток течет² от «плюса» источника к «минусу», в внутри источника от «минуса» к «плюсу». В этом случае, как сторонние силы источника, так и электростатические силы во внешней цепи совершают положительную работу.
 Если на некотором участке электрической цепи помимо электростатических действуют и сторонние силы, то над перемещением зарядов «работают» как электростатические, так и сторонние силы. Суммарная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда называется электрическим напряжением на участке цепи

 В том случае, когда сторонние силы отсутствуют, электрическое напряжение совпадает с разностью потенциалов электрического поля.
 Поясним определение напряжения и знака ЭДС на простом примере. Пусть на участке цепи, по которому протекает электрический ток, имеются источник сторонних сил и резистор (рис. 3).

рис. 3

 Для определенности будем считать, что φ_o > φ₁, то есть электрический ток направлен от точки 0 к точке 1. При подключении источника, как показано на рис. 399 а, Сторонние силы источника совершают положительную работу, поэтому соотношение (2) в этом случае может быть записано в виде

 При обратном включении источника (рис. 3 б) внутри него заряды движутся против сторонних сил, поэтому работа последних отрицательна. Фактически силы внешнего электрического поля преодолевают сторонние силы. Следовательно, в этом случае рассматриваемое соотношение (2) имеет вид

 Для протекания электрического тока по участку цепи, обладающему электрическим сопротивлением, необходимо совершать работу, по преодолению сил сопротивления. Для единичного положительного заряда эта работа, согласно закону Ома, равна произведению IR = U которое, естественно совпадает с напряжением на данном участке.
 Заряженные частицы (как электроны, так и ионы) внутри источника движутся в некоторой окружающей среде, поэтому со стороны среду на них также действуют тормозящие силы, которые также необходимо преодолевать. Заряженные частицы преодолевают силы сопротивления благодаря действию сторонних сил (если ток в источнике направлен от «плюса» к «минусу») либо благодаря электростатическим силам (если ток направлен от «минуса» к «плюсу»). Очевидно, что работа по преодолению этих сил не зависит от направления движения, так как силы сопротивления всегда направлены в сторону, противоположную скорости движения частиц. Так как силы сопротивления пропорциональны средней скорости движения частиц, то работа по их преодолению пропорциональна скорости движения, следовательно, силе тока силе. Таким образом, мы можем ввести еще характеристику источника − его внутренне сопротивление r, аналогично обычному электрическому сопротивлению. Работа по преодолению сил сопротивления при перемещении единичного положительного заряда между полюсами источника равна A/q = Ir. Еще раз подчеркнем, эта работа не зависит от направления тока в источнике.

Процессы, протекающие в замкнутой цепи электрического тока, содержащей источник (рис. 4).

рис. 4

 Внутри источника под действием сторонних сил начинается разделение зарядов: положительно заряженные частицы движутся к положительному полюсу источника, а отрицательные частицы к отрицательному. Разделенные заряды создают внутри источника электрическое поле E, направленное от «плюса» к «минусу», которое препятствует дальнейшему движению зарядов. Кроме того, на движущиеся заряженные частицы действуют силы сопротивления среды F_сопр. Чтобы заряженные частицы продолжали двигаться, к ним должна быть приложена сторонняя сила F_ст. При постоянном токе (в установившемся режиме) соотношение между действующими силами очевидно − сумма сил, действующих на частицу должна быть равна нулю, или

 Работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, по определению равна ЭДС источника E. Работа сил сопротивления отрицательна и по модулю равна произведению силы тока на внутреннее сопротивление источника Ir. Работа сил электрического поля при движении зарядов внутри источника также отрицательна.
 При подключении внешней цепи внутри проводника возникает электрическое поле. Механизм создания этого поля достаточно сложен. Несколько упрощенно можно сказать, что на поверхности проводника появляются заряды, распределение которых таково, что они создают внутри проводника такое электрическое поле¹, которое поддерживает постоянный по всей цепи электрический ток.
 Подобно тому, как в электростатике индуцированные заряды и электрическое поле приходят в равновесие, при котором прекращается движение зарядов, в случае постоянного тока наступает равновесие несколько иного вида − постоянство электрического тока. Если в каком то месте электрический ток превышает равновесное значение, то происходит накопление заряда, которое уменьшает электрический ток, и, наоборот, при недостатке зарядов в некоторой области цепи, увеличивающийся электрический ток компенсирует недостаток заряда.
 Во внешней цепи заряженные частицы движутся под действием силы со стороны созданного электрического поля, которая при постоянном токе равна силе сопротивления

 Во внешней цепи работа электрического поля по перемещению зарядов положительна (и для единичного заряда равна разности потенциалов на концах внешней цепи), а работа сил сопротивления по-прежнему отрицательна и равна по модулю произведению силы тока на сопротивление цепи IR.
 Проследим за движением отдельной заряженной частицы по всему контуру − совершив полный обход, эта частица возвращается в исходное состояние. Следовательно, ее энергия также принимает начальное значение. Поэтому полная работа внешних сил, при движении частицы по замкнутому контуру равна нулю. Во время движения на рассматриваемую частицу действовали силы сопротивления, сторонние силы и силы электростатического поля.

 Но, электростатическое поле всегда потенциально, поэтому работа этих сил по контуру равна нулю − положительная работа во внешней цепи равна по модулю отрицательной работе внутри источника A_эл = 0. Поэтому при движении по контуру работа сторонних сил равна по модулю работе сил сопротивления А_ст + А_сопр = 0. Для единичного заряда это утверждение выражается уравнением

из которого следует, что сила тока в цепи рассчитывается по формуле

 Сила тока в замкнутом контуре цепи равна отношению ЭДС контура к полному сопротивлению контура. Данное утверждение называется законом Г.С. Ома для полной цепи. Фактически данный закон можно рассматривать как закон сохранения энергии для системы движущихся зарядов. Действительно, энергия, сообщенная заряженной частице, равна работе по преодолению сил сопротивления. Если все потери энергии частицы обусловлены сопротивлением цепи, то указанная работа равна количеству теплоты, выделившейся во внешней цепи и внутри источника. Если в цепи имеются приборы, преобразующие энергию электрического тока в другие формы (механическую, световую, химическую и т.д.), то работа источника равна сумме энергии, потребляемой этими приборами, и количества теплоты, выделившейся в цепи − иными словами, закон сохранения энергии не знает исключений и в данных явлениях.

Скачано с www.znanio.ru