11. ЭДС и Закон Ома для полной цепи
Сторонние силы. Для поддержания постоянного тока в проводнике требуется поддерживать постоянную разность потенциалов на его концах. Следовательно, в цепи тока должно находиться устройство, в котором движение зарядов происходит в направлении, противоположном направлению этого движения во внешней цепи (от "минуса" к "плюсу"). Те силы, кроме электростатических, которые действуют на заряды и заставляют их двигаться против сил электрического поля, называются сторонними силами . Если бы этих сил в замкнутой цепи не существовало, то работа по перемещению зарядов по замкнутой цепи только за счет электростатических сил равнялась бы нулю. Однако опыт показывает, что в проводнике с током выделяется определенное количество теплоты. Следовательно, должен существовать источник энергии, поддерживающий ток в цепи и восполняющий убыль энергии на нагревание проводника. Знакомый всем пример устройства, поддерживающего постоянный ток в цепи, - батарейка для карманного фонаря, где сторонними силами являются химические силы.
По определению электродвижущей силой (ЭДС) называется отношение работы сторонних сил А ст по перемещению заряда q к величине этого заряда:
(11.1)
Размерность ЭДС совпадает с размерностью напряжения: [ E ] = В .
Закон Ома для полной цепи. Любой источник тока обладает, помимо ЭДС , некоторым внутренним сопротивлением r . Полным сопротивлением цепи называют сумму внешнего и внутреннего сопротивлений R + r .
Согласно закону сохранения энергии, в установившемся режиме прохождения постоянного тока выделяющееся в цепи количество теплоты Q = I 2 R D t + I 2 r D t должно быть равно работе сторонних сил в источнике тока. Эту работу за время D t можно записать в виде А ст = D q = I D t , где D q = I D t - количество заряда, перенесенного сторонними силами. Из условия Аст = Q находим E= IR + Ir или
(11.2)
Эта формула носит название закона Ома для полной цепи .
Правила Кирхгофа . Если в цепи произвольным образом (последовательно или параллельно) включено несколько ЭДС и несколько резисторов, то для подсчета полной ЭДС, действующей в цепи, и значения силы тока на отдельных участках следует пользоваться cформулированными Г. Кирхгофом правилами. Прежде всего следует уговориться о направлении тока в цепи. По принятому соглашению ток считается положительным, если его направление соответствует направлению движения положительных зарядов . Второе условие: ток всегда направлен от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом . Разность между значениями потенциала в точках до элемента цепи и после этого элемента называется падением напряжения на элементе цепи. Поэтому при прохождении тока через активное сопротивление U = j 1 - j
2 > 0 и закон Ома запишется в виде: U = IR .Если в цепи имеется более одного контура (т.е. есть элементы, включенные параллельно), то можно определить понятие узла - точки соединения нескольких проводников.
Правило 1. Сумма токов, входящих в любой узел цепи, равна сумме токов, выходящих из этого узла.
Правило 2. Сумма падений напряжения на каждом элементе любого замкнутого контура в цепи равна нулю.