Сторонние силы. ЭДС сторонних сил. Напряжение

Если два заряженных тела А и В (см. рис.), находящихся под разными потенциалами (), соединить проводником АаВ, то по нему потечет ток, который через короткое время, когда потенциалы уравняются, прекратится. Для поддержания неизменного по времени тока необходимо поддерживать неизменной разность потенциалов , т. е. все время восстанавливать заряды соединенных тел. Это можно сделать только перенося заряды тела В обратно в тело А, введя как бы круговорот электричества, для чего контур, по которому идет ток, должен быть замкнут (AaBbA). Однако на участке BbA зарядам придется перемещаться против электрических сил. Это перемещение могут совершить лишь сторонние силы (т. е. силы не электростатической природы, а механической, химической и т. д.), которые могут действовать либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках.

Устройства, обеспечивающие возникновение и действие сторонних сил, называют источниками тока. В этих устройствах происходит разделение разноименных зарядов. Под действием сторонних сил электрические заряды внутри источника тока движутся в направлении, противоположном действию сил электрического поля. В результате этого на полюсах источника тока поддерживается постоянная разность потенциалов. Схематически источники постоянного тока изображают в виде . Положительный полюс гальванических элементов и аккумуляторов изображается длинной чертой, отрицательный — короткой. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе.

Заряды, перемещаясь, передают проводнику энергию электрического поля в виде теплоты. Однако эта потеря энергии полностью возмещается работой сторонних сил. Отношение работы сторонних сил к величине перемещаемого заряда есть величина постоянная для данного источника тока, и называется электродвижущей силой источника

.

То есть электродвижущая сила (ЭДС) определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного, положительного заряда.

По аналогии с напряженностью электростатического поля вводится величина, называемая напряженностью поля сторонних сил

,

где — сторонняя сила, действующая на заряд .

Работа сторонних сил над зарядом на участке цепи 1–2 равна

.

Разделив эту работу на , получим ЭДС, действующую на данном участке:

.

Аналогичный интеграл, вычисленный для замкнутой цепи, даст ЭДС, действующую в этой цепи:

.

Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи (замкнутом контуре) равна циркуляции напряженности сторонних сил.

Кроме сторонних сил , на заряд действуют силы электростатического поля , и результирующая сила будет равна . Тогда работа, совершаемая этими силами на участке цепи 1–2, определяется выражением

.

Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением на данном участке цепи. То есть напряжение , в соответствие с определением, есть величина равная

.

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным. Участок, на котором на носители тока действуют сторонние силы, называется неоднородным. Для однородного участка цепи ()

,

т. е. напряжение совпадает с разностью потенциалов на концах участка. Для неоднородного участка эти величины не совпадают.