Источники тока. Закон Ома для замкнутой неразветвленной цепи

 

Источниками электрической энергии называют устройства, поддерживающие разность потенциалов в проводнике и обеспечивающие электрический ток в присоединенных к ним потребителях (нагрузке).

Электрической (полной) цепью называется совокупность источника электрической энергии, потребителя электрической энергии, соединительных проводов и управляющих элементов (включатели, регуляторы, предохранители и т.д.). Электрическая цепь должна быть замкнутой.

I

 

e +

– R

 

Рис.4.1

Источник, потребитель и провода на данной схеме соединены последовательно, поэтому ток во всех элементах одинаковый. В противном случае заряд в каком-то сечении цепи накаливался, что привело бы к изменению потенциала, а вслед за ним и тока.

Источник имеет две основные характеристики электродвижущая сила (ЭДС) и внутреннее сопротивление r.

ЭДС () численно равна работе “сторонних” сил по перемещению единичного заряда. Сторонние силы могут быть различной природы (химическими, магнитными). Они необходимы для поддержания постоянной разности потенциала на клеммах источника, т.е. для переноса положительного заряда внутри источника от отрицательной клеммы к положительной. Действие сторонних сил эквивалентно наличию поля сторонних сил с эффективной напряженностью , действующей внутри источника и направленной к положительной клемме:

.

Интегрирование производится от отрицательной до положительной клеммы, вне источника сторонние силы обращаются в ноль.

+ + –

 

 

Рис. 4.2

Сказанное иллюстрирует рисунок, на котором изображены направления стороннего и электрического поля. Видим, что сторонние силы направлены внутри источника против электрического поля. Сопротивление нагрузки на схемах часто обозначается R, заглавной, иногда с индексами.

В замкнутой цепи, изображенной на рис.4.2, при протекании тока совершают работу как сторонние, так и электрические силы. Будем обходить эту цепь от положительной клеммы источника и подсчитаем работу всех сил при перемещении по цепи заряда в 1 Кл за какое-то время .

На внешнем участке цепи работу, равную разности потенциалов между положительной и отрицательной клеммами: , совершают электрические силы. Внутри источника обход будет производиться от отрицательной к положительной клемме, а работа совершается и электрическими и сторонними силами, поэтому работа на внутреннем участке цепи равна . ЭДС имеет знак «плюс» потому, что движение происходит в направлении сторонних сил. Полная работа А= по перемещению единичного заряда по замкнутой цепи равна e. Работа электрических сил по замкнутому пути равна нулю, потому что эти силы потенциальны.

Согласно закону Ома, работа по перемещению единичного заряда на участке цепи равна произведению тока на сопротивление. Полное сопротивление рассмотренного участка равно R+r. Таким образом, можно записать соотношение:

,

которое является законом Ома для полной неразветвленной цепи.

В литературе встречается подразделение источников электрической энергии постоянного тока на два класса: источники напряжения и источники тока.