Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

Сила тока в замкнутой цепи равна отношению электродвижущей силы к полному сопротивлению цепи.

Если свободные заряды перемещаются в электрической цепи по замкнутой траектории, то такую цепь называют полной или замкнутой. При этом на каждом из участков такой цепи работа электростатических сил переходит в тепловую, механическую или энергию химических связей (см. §41). Так как работа электростатических сил, перемещающих заряд по замкнутой траектории, всегда равна нулю (см. §37), то только силы электростатического поля не могут обеспечить постоянное движение зарядов по замкнутой траектории.

Чтобы электрический ток в замкнутой цепи не прекращался, необходимо включить в неё источник тока (см. рис. 42а), внутри которого перемещение свободных зарядов происходило бы не под действием электростатических сил, а при участии любых других сил, называемых сторонними. Например, в цепи на рис. 42а, свободные заряды, перемещаются от тела А к телу Б под действием электростатических сил, а сторонние силы источника питания заставляют их возвращаться обратно – от Б к А.

Природа сторонних сил может быть разной. В гальванических элементах (батарейках и аккумуляторах), которые служат источниками постоянного тока, сторонние силы возникают в результате химических реакций между электродами и жидким электролитом. В генераторах переменного тока различных электростанций (гидроэлектростанций, тепловых и атомных) сторонние силы – это силы, действующие на свободные заряды, перемещающиеся в магнитном поле. В фотоэлементах сторонние силы возникают при действии света на электроны атомов, входящих в состав некоторых веществ.

Сторонние силы в источнике тока разделяют разноимённые электрические заряды друг от друга, совершая работу против электростатических (кулоновских сил). Контакт (полюс) источника тока, где в результате действия сторонних сил накапливается положительный заряд, называют положительным, а противоположно заряженный полюс – отрицательным, обозначая их так, как изображено на рис. 42б. Очевидно, что чем больший заряд накопится на полюсе источника тока, тем больше работы совершили сторонние силы по разделению зарядов, т.к. работа против кулоновских сил прямо пропорциональна величине заряда. Поэтому отношение работы, А_ст, сторонних сил, перемещающих заряд q внутри источника тока от отрицательного полюса к положительному, не зависит от величины заряда и служит характеристикой источника тока, называемой электродвижущей силой (ЭДС) источника, E :

Как и разность потенциалов, ЭДС в СИ измеряют в вольтах.

Сопротивление источника тока или внутреннее сопротивление тоже является его важной характеристикой. Внутренним сопротивлением гальванического элемента, например, является сопротивление электродов и электролита, находящегося между ними. Внешним участком замкнутой цепи называют её участок, подсоединённый снаружи к источнику тока (см. рис. 42а).

Чтобы определить, как зависит сила тока от ЭДС источника в цепи, изображённой на рис. 42а, нарисуем эквивалентную схему (см. рис. 42в), где R соответствует сопротивлению проводника между А и Б, (внешняя цепь), а r – внутреннему сопротивлению источника тока. Согласно закону Джоуля-Ленца работа А_полн тока, протекающего по замкнутой цепи, за интервал времени t равна:

А_полн = I^2.R^.t + I^2.r^.t . (42.2)

Из закона сохранения энергии следует, что работа тока должна быть равна работе сторонних сил А_стор = E^.q = E^.It . Приравняв А_полн из (42.2) и А_стор , получаем следующее выражение для I:

которое называют законом Ома для полной цепи.

Легко показать, что, если полная цепь содержит несколько последовательно соединённых источников тока, то для вычисления силы тока по формуле (42.3) следует вместо E взять алгебраическую сумму ЭДС всех этих источников, выбрав какое-нибудь направление обхода цепи, например, по часовой стрелке (рис. 42г). Если при таком обходе мы идём от положительного полюса источника тока к отрицательному, то ЭДС данного источника следует суммировать со знаком минус.