Сторонние силы. Источники тока. Э.д.с. источника

Прошлая лекция была посвящена изучению важных законов постоянного тока. Но как получить и поддерживать постоянный электрический ток?

Можно зарядить конденсатор и соединить его обкладки проводником. По этой перемычке потечёт ток (рис. 7.1.) Но этот ток — ток разряда — будет кратковременным и непостоянным.

Рис. 7.1.

Такова особенность электрического поля, под действием которого свободные заряды перемычки придут в движение.

Это движение всегда приводит к выравниванию исходной разности потенциалов и, следовательно, к исчезновению электрического тока. Чтобы ток мог протекать по проводнику неограниченно долго, нужно заряды, прибывающие с первой обкладки конденсатора на вторую, возвращать назад, постоянно восстанавливая, таким образом, исходную разность потенциалов (j₁ – j₂). Это перемещение зарядов можно осуществлять по дополнительному проводнику 2-b-1, соединяющему обкладки конденсатора, и замыкающего таким образом, проводящую цепь. Однако на этом участке, также как и в перемычке 1-а-2, возникает электростатическое поле , которое будет препятствовать возвращению заряда на обкладку 1 с более высоким потенциалом (j₁ > j₂). Другими словами, нельзя организовать циркуляцию заряда по замкнутому контуру под действием только электростатической силы. Для переноса заряда в область высокого потенциала (2-b-1) придётся использовать силы неэлектростатической природы. Такие силы получили название сторонних сил. В качестве сторонних сил могут выступать любые силы кроме электростатических. Приборы, в которых на электрические заряды действуют сторонние силы, называются источниками тока. В аккумуляторах, например, сторонние силы возникают в результате химической реакции взаимодействия электродов с электролитом, в генераторах сторонними являются силы, действующие на заряды, движущиеся в магнитном поле и т.д. Именно в источниках тока благодаря работе сторонних сил создаётся генерируемая энергия, которая затем расходуется в электрической цепи.

Работа, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда — одна из основных характеристик источника, его электродвижущая сила e:

. (7.1)

Нетрудно заметить, что электродвижущая сила (э.д.с.) измеряется в тех же единицах, что и потенциал, и напряжение, то есть в вольтах:

.

Поле сторонних сил, также как и электростатическое поле, характеризуется вектором напряжённости :

. (7.2)

Если источник тока включен на участке 1-2 цепи (рис. 7.2.), то работа сторонних сил по перемещению заряда q на этом участке будет равна:

.

Рис. 7.2.

Э.д.с. источника получим, разделив эту работу на величину переносимого заряда:

. (7.3)

Распространив этот результат на замкнутый контур, придём к определению э.д.с. в этом контуре:

. (7.4)

Электродвижущая сила источника равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру.