Физический смысл электродвижущей силы

Физический смысл электродвижущей силы

Физический смысл электродвижущей силы

Поместим проводник в электростатическое поле. Рассмотрим процессы, которые будут там происходить:

  1. В начальный момент времени при воздействии электрического поля положительные заряды проводника станут двигаться из мест с большим потенциалом в места с меньшим потенциалом. Отрицательные заряды при этом двигаются в противоположном направлении.
  2. Противоположные концы проводника будут накапливать положительные и отрицательные заряды.
  3. В конце концов, поле индуцированных зарядов будет полностью компенсировать в объеме проводника внешнее поле, и ток остановится, система придет в электростатическое равновесие.

Выключим внешнее поле:

  1. Сохранится только поле индуцированных зарядов, появится ток, который связан с их нейтрализацией.
  2. По прошествии некоторого времени и данный ток прекратится.

Вывод: электростатическое поле не способно поддерживать в проводнике неизменный электрический ток. Для создания постоянного тока следует препятствовать установлению в проводнике электростатического равновесия. Что требует выполнения работы против сил электрического поля, которые стремятся уровнять все потенциалы поля всех точек в проводнике.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Данная работа может быть выполнена исключительно за счет сил, не относящихся к электростатическим. В этой связи, силы, поддерживающие электрический ток постоянным, называют сторонними электродвижущими силами (ЭДС).

Сторонние ЭДС могут обладать любой природой, например: механической; электромагнитной;* химической и т. д.

Определение 1

Приспособления для создания сторонних сил называют источниками ЭДС.

Мерой возможностей источников ЭДС порождать электрический ток является электродвижущая сила ($Ɛ$).

Определение 2

Электродвижущая сила соответствует работе, которую выполняют сторонние силы источника, двигая единичный положительный заряд внутри источника от полюса со знаком минус к положительному полюсу.

$Ɛ=\frac{A_{st}}{q}$.

Направлением ЭДС считают направление перемещения положительных зарядов внутри источника (от отрицательного полюса к положительному).

Если в исследуемом контуре источник ЭДС один, то направлением ЭДС можно считать направление течения тока в данном контуре.

ЭДС и циркуляция вектора напряженности электрического поля

Рассмотрим случай, когда электрический ток течет по тонкому проводу. Направление тока совпадает с направлением оси провода (рис.1). Что обеспечивается соответствующим распределением зарядов на поверхностях проводников или там, где действуют сторонние силы.

Рисунок 1. Электрический ток в тонком проводе. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Площадь поперечного сечения провода будем считать равным $S$, в разных местах провода она может отличаться. Поскольку наш провод мы считаем тонким, то плотность тока ($\vec j$) считаем одинаковой для всех точек поперечного сечения проводника. Сквозь поперечное сечение провода за единицу времени будет проходить заряд:

$\frac{\Delta q}{\Delta t}=I=jS\, \left( 1 \right)$.

где $I$ — сила тока. При постоянной силе тока, в результате сохранения заряда, величина $I$ будет одной и той же по всей длине провода. Положим, что в проводе (рис.1) работают сторонние силы, например, имеется гальванический элемент ($G$). Запишем дифференциальную форму закона Ома в виде:

$\vec{E}+\vec{E}_{st}=\frac{\vec{j}}{\lambda }=\frac{I}{\lambda S}\vec{i}\left( 2 \right)$,

где $\vec{i}$– единичный вектор, указывающий направление течения тока; λ – коэффициент проводимости.

Умножим полученное выражение (2) на элемент длины провода ($dl$) и возьмем интеграл по участку проводника от точки 1 до точки 2 (рис.1), считая силу тока неизменной:

$\int\limits_12 \vec{E} d\vec{l}+\int\limits_12 {\vec{E}_{st}d\vec{l}}=I\int\limits_12 \frac{d\vec{l}}{\lambda S} \left( 3 \right)$.

Поскольку электрическое поле является потенциальным, то имеем:

$\int\limits_12 \vec{E} d\vec{l}=\varphi_{1}-\varphi_{2}\left( 4 \right)$.

$\varphi_{1}-\varphi_{2}$ – разность потенциалов.

Второй интеграл отличен от нуля внутри источника тока, где E ⃗_st≠0. Данный интеграл не зависит от положения начальной и конечной точки 1 и 2. Необходимо только, чтобы данные точки были вне источника тока.

Так как поле сторонних сил потенциально там, где действуют эти силы, интеграл не зависит от пути интегрирования в элементе. Это означает, что данный интеграл – это параметр, который характеризует свойства источника тока.

Такую величину называют электродвижущей силой элемента:

$Ɛ=\int\limits_12 {\vec{E}_{st}d\vec{l}} =\int\limits_34{\vec{E}_{st}d\vec{l}} \left( 5 \right)$.

Электродвижущая сила (ЭДС) больше нуля, если направление пересечения пути 1-2 дает от катода к аноду и является отрицательной в ином случае.

Интеграл в правой части выражения (3) – это характеристика проводника, сопротивление:

$R=\int\limits_12 \frac{d\vec{l}}{\lambda S} \left( 6 \right)$.

Используя сказанное выше, запишем закон Ома в интегральной форме:

$\varphi_{1}-\varphi_{2}+Ɛ=IR\, \left( 7 \right)$,

где $R$ – сопротивление всего участка цепи, включая источник тока.

Если цепь является замкнутой, то закон Ома предстанет в виде:

$Ɛ=IR\, \left( 8 \right)$.

$R$ — полное сопротивление всей цепи.

Допустим, что $\varphi_{a}$ – потенциал анода источника;$\varphi_{k}$ – потенциал катода; $R_e$ — сопротивление всего внешнего участка цепи, тогда:

$\varphi_{a}-\varphi_{k}=IR_{e}\left( 9 \right)$.

Сравнив выражение (8) и (9) запишем:

$\frac{\varphi_{a}-\varphi_{k}}{Ɛ}=\frac{R_{e}}{R}=\frac{R_{e}}{R_{e}+r}\left( 10 \right)$.

где $r$ — внутреннее сопротивление источника.

Выражение (10) означает, что $\varphi_{a}-\varphi_{k}$ меньше, чем ЭДС. В предельном случае, когда $R_{e}\to \infty $. получим:

$\varphi_{a}-\varphi_{k}=Ɛ\left( 11 \right)$.

Электродвижущую силу можно определить как разность потенциалов полюсов разомкнутого источника.

ЭДС и работа

Рассмотрим замкнутый контур ($L$) с одни источником ЭДС. Найдем циркуляцию вектора напряженности по этому замкнутому контуру Электрическое поле будем считать составлено из двух компонент:

$\vec{E}=\vec{E}_{1}+\vec{E}_{st}\left( 12 \right)$.

где $\vec{E}_{1}$ – напряженность электростатического поля, действующего на заряды; $\vec{E}_{st}$ – поле сторонних сил.

$\oint\limits_L \vec{E} d\vec{l}=\oint\limits_L \vec{E}_{1}d\vec{l}+\oint\limits_L \vec{E}_{st} d\vec{l}=\oint\limits_L \vec{E}_{st}d\vec{l}=\int {\vec{E}_{st}d\vec{l}} =A\left( 13 \right)$.

где циркуляция $\vec{E}_{1}$ о замкнутому контуру равно нулю. A – работа по перемещению единичного положительного заряда сторонними силами внутри источника.

В результате мы получаем:

$Ɛ=\oint\limits_L \vec{E} d\vec{l}\left( 14 \right)$.

Выражение (14) совпадает с определением ЭДС. В соответствии с (14) ЭДС определена работой по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура $L$ под воздействием электрического поля в этом контуре.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrodvizhuschaya_sila_eds/fizicheskiy_smysl_elektrodvizhuschey_sily/

Электродвижущая сила

Физический смысл электродвижущей силы

эдс, физ. величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках пост. или перем. тока; в замкнутом проводящем контуре… смотреть

(эдс)        физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом п… смотреть

Электродвижущая сила (эдс), физ. величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в … смотреть

(э. д. с.), причина, вызывающая в замкнутой цепи электр. ток. Э. с. создается источником тока, преобразующим в электр. энергию какой-либо другой вид эн… смотреть

(эдс) — энергетич. хар-ка неэлектростатич. поля, действующего на заряж. частицы, т. е. индуктированного электрического паля и поля сторонних сил. Эдс р… смотреть

Электродвижущая сила (эдс), величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока.

Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи.

Эдс индукции создается вихревым электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах.

… смотреть

Электродвижущая сила (Эдс) — величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока.

Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная Эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи.

Эдс индукции создается вихревым электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах.
… смотреть

Электродвижущая сила (эдс), величина, характеризующая источник энергии в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока.

Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи.

Эдс индукции создается вихревым электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах.
… смотреть

— (эдс) — величина, характеризующая источник энергиинеэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый дляподдержания в ней электрического тока.

Эдс численно равна работе поперемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полнаяэдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концахразомкнутой цепи.

Эдс индукции создается вихревым электрическим полем,порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах…. смотреть

Электродвижущая сила (ЭДС), сумма РАЗНОСТЕЙ ПОТЕНЦИАЛОВ по ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ в целом. Когда цепь разомкнута и ток не идет, эта сила равна разности пот… смотреть

(эдс), физ вели чина, характеризующая источник энергии неэлектростатич. природы в электрич. цепи, необходимый для поддержания в ней электрич. тока. Эдс… смотреть

(эдс), величина, характеризующая источник энергии в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи.

Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи.

Эдс индукции создается вихревым электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах…. смотреть

«…Электродвижущая сила — скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрически… смотреть

Electromotive force — Электродвижущая сила. (1) Сила, которая определяет поток электричества; разность электрического потенциала. (2) Электрический потенциал; напряжение. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО «Профессионал», НПО «Мир и семья»; Санкт-Петербург, 2003 г.)… смотреть

1. Скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического пол вызывать электрический ток Употребляется в документе: ГОСТ Р 52002-2003 Электротехника. Термины и определения основных понятий Телекоммуникационный словарь.2013…. смотреть

electromotive [electromoving] force, electromotive intensity, generated voltage, voltage, pressure* * *electromotive force

= эдс electromotive force, emf

Электродвижущая сила — см. Электризация, Электрический ток, Электрохимия.

elektromotorische Kraft, Quellenspannung, Urspannung

см. Электризация, Электрический ток, Электрохимия.

electromotance, electromotive force, generated voltage

1) electromotive force2) voltage

• elektromotorické napětí

Русско-итальянский политехнический словарь

forza elettromotrice dinamica

Русско-немецкий политехнический словарь

Polarisationsspannung

Русско-английский политехнический словарь

self-inductance electromotive force

Орысша-қазақша «Энергетика» терминологиялық сөздік

химиялық ток көзінің электрқозғаушы күші

Морской словарь

Электродвижущая сила (ЭДС)(EMF — Electromotive force) — причина, вызывающая движение электричества (электрический ток). В гальванических элементах Э…. смотреть

Энциклопедический словарь естествознания

Электродвижущая сила (эдс) , величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока.

Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи.

Эдс индукции создается вихревым электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах…. смотреть

Большой энциклопедический словарь

Электродвижущая сила (эдс), величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока.

Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи.

Эдс индукции создается вихревым электрическим полем, порождаемым переменным магнитным полем. В СИ измеряется в вольтах…. смотреть

Источник: https://rus-physical-enc.slovaronline.com/5144-%D0%AD%D0%9B%D0%95%D0%9A%D0%A2%D0%A0%D0%9E%D0%94%D0%92%D0%98%D0%96%D0%A3%D0%A9%D0%90%D0%AF%20%D0%A1%D0%98%D0%9B%D0%90

5.3. Электродвижущая сила (эдс), напряжение и разность потенциалов. Их физический смысл. Связь между эдс, напряжением и разностью потенциалов

Физический смысл электродвижущей силы

Физическая величина, равная работе сторонних сил по перемещению положительного единичного заряда вдоль всей цепи, включая источник тока, называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС) :

. (5.15)

Работа сторонних сил вдоль замкнутой цепи

, (5.16)

где E* – напряженность поля сторонних сил.

Тогда

. (5.17)

При движении зарядов в проводнике кроме сторонних сил на них действуют силы электростатического поля (). Следовательно, в любой точке цепи на заряд q действует результирующая сила:

. (5.18)

Работа, совершаемая этой силой на участке 1 – 2,

(5.19)

Физическая величина, численно равная работе сторонних и электрических сил по перемещению положительного единичного заряда на данном участке цепи, называется падением напряжения или напряжением на данном участке цепи:

. (5.20)

Если на участке цепи отсутствует ЭДС (), то

. (5.21)

При 1 — 2 = 0,

. (5.22)

Измеряются , U, (1 — 2) в системе СИ в вольтах (1 В).

Лекция 6. Классическая электронная теория проводимости металлов. Законы постоянного тока

Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах. Электрическое сопротивление проводников. Изменение сопротивления проводников от температуры и давления. Сверхпроводимость. Соединения сопротивлений: последовательное, параллельное, смешанное.

Шунтирование электроизмерительных приборов. Добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам. Правила (законы) Кирхгофа и их применение к расчету простейших электрических цепей. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах. Энергия, выделяющаяся в цепи постоянного тока.

Коэффициент полезного действия (КПД) источника постоянного тока.

6.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах

Классическая электронная теория проводимости металлов объясняет различные электрические свойства веществ существованием и движением в них так называемых квазисвободных электронов проводимости. Электроны проводимости при этом рассматриваются как электронный газ, подобный идеальному газу молекулярной физики.

До открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества металла. Опыт состоял в том, что через контакт двух различных металлов, например золота и серебра, в течение времени, исчисляемого многими месяцами, пропускали электрический ток.

После чего исследовался материал вблизи контактов. Было показано, что никакого переноса вещества через границу различных металлов не наблюдается и вещество по различные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока.

Опыты доказали, что атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе электрического тока, но они не ответили на вопрос о природе носителей заряда в металлах.

Прямым доказательством, что электрический ток в металлах обусловливается движением электронов, были опыты Толмена и Стюарда, проведенные в 1916 г. Идея этих опытов была высказана Мандельштамом и Папалекси в 1913 г.

Представим себе проводящую катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжают движение по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

Обозначим линейное ускорение катушки при торможении – a. Оно направлено по касательной к поверхности катушки. При достаточно плотной намотке и тонких проводах можно считать, что ускорение направлено вдоль проводов.

При торможении катушки к каждому свободному электрону приложена сила инерции Fин = mea, направленная противоположно ускорению.

Под ее действием электрон ведет себя в металле так, как если бы на него действовало эффективное электрическое поле с напряженностью

. 6.1)

Поэтому эффективная электродвижущая сила в катушке, обусловленная инерцией свободных электронов,

, (6.2)

где L – длина провода на катушке.

Все точки провода тормозятся с одинаковым ускорением, и поэтому ускорение вынесено за знак интеграла.

С учетом формулы (6.2) запишем закон Ома для замкнутой цепи в виде

, (6.3)

где I – сила тока в замкнутой цепи;

R – сопротивление всей цепи, включая сопротивление проводов катушки, проводов внешней цепи и гальванометра.

Количество электричества, протекшее через поперечное сечение проводника в течение времени dt при силе тока I,

. (6.4)

Поэтому в течение времени торможения катушки от начальной линейной скорости vo до полной остановки через гальванометр пройдет количество электричества

. (6.5)

Значение q определяется по гальванометру, а значения L, R, vo известны. Поэтому можно найти как знак, так и абсолютное значение e/me. Эксперименты показали, что e/me соответствует отношению заряда электрона к его массе. Таким образом, было доказано, что наблюдаемый с помощью гальванометра ток обусловлен движением электронов.

В отсутствие электрического поля в проводниках электроны проводимости движутся хаотично, в произвольных направлениях со скоростями, обусловленными температурой, т.е. с так называемой тепловой скоростью u.

Через определенный промежуток времени t = , двигаясь по прямой, электрон проводимости может провзаимодействовать с ионом кристаллической решетки или с другим электроном проводимости.

В результате такого взаимодействия, а оно считается в классической теории проводимости абсолютно упругим, сохраняются полные импульс и энергия, а величина и направление скорости движения могут измениться.

Предельным является случай, когда через время, равное  (время свободного пробега), направление скорости теплового движения электрона проводимости изменяется на противоположное. Время свободного пробега зависит от природы вещества и тем меньше, чем чаще происходят взаимодействия. Между соударениями (взаимодействиями) со скоростью u ничего не происходит.

При наложении электричес-кого поля с напряженностьюE под действием силы F = eE эле-ктроны проводимости приобре-тают некоторое ускорение a и направленное движение с изме-няющейся скоростью от vo = 0 до v = vmax за время t = .

Изменение скорости направленного движения электрона проводимости происходит до его взаимодействия (рис. 6.1). В результате взаимодействия эта скорость так же может измениться как по величине, так и по направлению.

Если в единице объема проводника n электронов проводимости, которые в некоторый момент времени t обладают скоростью v, то можно определить заряд, прошедший через некоторую площадку S, расположенную перпендикулярно направлению скорости движения электронов проводимости:

, (6.6)

где — средняя скорость упорядоченного движения электронов проводимости.

Сила (величина) тока в проводнике в этом случае

. (6.7)

Плотность тока проводимости

. (6.8)

В векторной форме

. (6.9)

Согласно (6.8) для определения плотности электрического тока в проводнике необходимо определить среднюю скорость упорядоченного движения электронов проводимости.

Средняя скорость упорядоченного движения в данном случае может быть определена по формуле

, (6.10)

т.к. в начальный момент времени t=0, когда отсутствует электрическое поле, vo=0.

Максимальная скорость упорядоченного движения, которую приобретает электрон под действием электрического поля за время свободного пробега,

,

где a – ускорение, приобретаемое электроном проводимости под действием электрического поля;

 – время пробега электрона проводимости от взаимодействия до взаимодействия.

На основании второго закона Ньютона F = ma, где F — кулоновская сила,

F = eE.

Имеем:

;

;

. (6.11)

Для средней скорости упорядоченного движения электронов проводимости получим

. (6.12)

Зная среднюю скорость теплового движения электронов проводимости и среднее расстояние, проходимое ими от взаимодействия до взаимодействия, можно определить время между двумя последующими взаимодействиями:

. (6.13)

Сделав подстановку и необходимые преобразования, для плотности тока проводимости будем иметь

, (6.14)

где — удельная электропроводность металла проводника.

В векторной форме

. (6.15)

Выражения (6.14) и (6.15) являются математической формой записи закона Ома в дифференциальной форме.

Закон Ома в дифференциальной форме справедлив для любых проводников, любых токов, характеризует плотность тока проводимости в любой точке проводника.

Из закона Ома в дифференциальной форме можно получить закон Ома в интегральной форме для замкнутой (или полной) цепи. Для чего выражение (6.15) умножим на величину элементарного участка цепи dl:

,

где ;;.

Таким образом, имеем

или

; . (6.16)

Проинтегрировав выражение (6.16) по замкнутому контуру L, получим

, (6.17)

где – сопротивление внешнего и внутреннего участков цепи;

–ЭДС, действующая в замкнутой цепи, численно равная циркуляции вектора напряженности поля сторонних сил;

–разность потенциалов между двумя рассматриваемыми точками замкнутой цепи.

Для замкнутой цепи

(1 — 2) = 0; .

Таким образом, имеем

или , (6.18)

где R1 – сопротивление внешнего участка цепи;

r – внутреннее сопротивление источника тока.

Из формулы (6.18)

. (6.19)

Следовательно, ЭДС уравновешивает падение напряжения во внешней и внутренней цепи и тем самым обеспечивает непрерывное движение электронов проводимости.

Если цепь не замкнута и в ней отсутствует ЭДС, то

, а . (6.20)

Выражения (6.18) и (6.20) являются математической формой записи закона Ома, соответственно, для полной (замкнутой) цепи и участка цепи, который был открыт им экспериментально. Сила тока в цепи прямопропорциональна ЭДС (напряжению на участке цепи) и обратно пропорциональна сопротивлению цепи.

Источник: https://studfile.net/preview/2968234/page:25/

§ 2.11. Электродвижущая сила

Физический смысл электродвижущей силы

  • Любой источник тока характеризуется электродвижущей силой, или ЭДС. Так, на круглой батарейке для карманного фонарика написано: 1,5 В. Что это значит?

В § 2.3 мы установили, что для длительного существования электрического тока в проводнике на его концах должна поддерживаться постоянная разность потенциалов. Как же это осуществить?

Если взять два заряженных тела (например, два шара) А и В, несущих заряды противоположного знака +q и -q, и соединить их проводником, то в нем возникнет электрическое поле и потечет ток (рис. 2.47, а).

В процессе прохождения тока оба тела будут разряжаться (электроны с шаpa В будут переходить на шар А), разность потенциалов между ними начнет падать; вскоре она станет равной нулю, и ток в проводнике АВ прекратится.

Рис. 2.47

Сторонние силы

Для того чтобы ток в проводнике АВ не прекращался, а был постоянным, надо шары А и В все время подзаряжать, чтобы обеспечить постоянную разность потенциалов между ними.

Для этого необходимо иметь устройство (оно называется источником тока), которое непрерывно перемещало бы заряды в направлении, противоположном направлению кулоновских сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля заряженных шаров.

В таком устройстве на заряды должны действовать силы, отличные от кулоновских (рис. 2.47, б). Одни лишь электростатические (кулоновские) силы не могут поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электрост,атических (кулоновских) сил, называются сторонними силами.

Вывод о необходимости действия сторонних сил для поддержания постоянного тока в электрической цепи станет еще очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии.

Мы уже говорили (см. § 2.3), что стационарное электрическое поле, связанное с проводником с током, является потенциальным. Работа этого поля при перемещении заряженных частиц вдоль замкнутой цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводники нагреваются.

Следовательно, в любой цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий ее в цепь. В нем, помимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторонние непотенциальные силы, работа которых вдоль замкнутой цепи отлична от нуля.

Именно за счет работы этих сил заряженные частицы приобретают энергию и отдают ее затем при движении в проводниках электрической цепи.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источников тока: в генераторе на электростанции, в гальваническом элементе, аккумуляторе и т. д.

В результате на клеммах источника появляются заряды противоположного знака, и между клеммами создается определенная разность потенциалов.

При замыкании цепи начинает действовать механизм образования поверхностных зарядов, создающих электрическое поле во всей цепи (см. § 2.3).

Внутри источника заряды движутся под действием сторонних сил против сил электростатического поля (положительные — от отрицательно заряженного электрода к положительно заряженному, а отрицательные — наоборот), а во всей остальной части цепи их приводит в движение стационарное электрическое поле (см. рис. 2.47, б).

Механическая аналогия электрической цепи

Для лучшего понимания значения источника тока в замкнутой электрической цепи рассмотрим следующую механическую аналогию. На рисунке 2.48 изображен замкнутый контур, состоящий из труб и насоса. Чтобы исключить действие силы тяжести, предположим, что контур расположен горизонтально. Весь контур заполнен жидкостью, например водой.

Рис. 2.48

На любом участке горизонтальной трубы жидкость течет за счет разности давлений на концах участка. Жидкость перемещается в сторону уменьшения давления. Но сила давления, появляющаяся вследствие сжатия жидкости, — это вид сил упругости, которые являются потенциальными.

Поэтому работа этих сил на замкнутом пути, как и работа кулоновских сил, равна нулю. Следовательно, одни эти силы не могут вызвать длительную циркуляцию жидкости в замкнутом контуре, так как течение жидкости сопровождается потерями энергии вследствие действия сил трения.

Для циркуляции воды необходим насос — аналог источника тока.

Крыльчатка этого насоса действует на частички жидкости и создает постоянную разность давлений (напор) на входе и выходе насоса, благодаря чему жидкость и течет по трубам.

Роль сторонних сил в насосе играет сила, действующая на воду со стороны вращающейся крыльчатки. Внутри насоса вода течет от участков с меньшим давлением к участкам с большим давлением.

Природа сторонних сил

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в аккумуляторе или гальваническом элементе эта сила возникает благодаря химическим реакциям на границе соприкосновения электродов с раствором электролита (см. § 2.12).

В фотоэлементе эти силы возникают благодаря действию света на вещество.

В генераторах электростанций сторонняя сила — это может быть сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике (подробнее об этом будет говориться в главе 4).

Электродвижущая сила

Физическая величина, характеризующая действие сторонних сил в источниках тока, называется электродвижущей силой (сокращенно ЭДС). Электродвижущая сила в замкнутом проводящем контуре равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к этому заряду*.

Обозначим ЭДС буквой E, работу сторонних сил — Аст, а переносимый заряд — q, тогда из определения ЭДС следует, что

Из этой формулы видно, что единицей ЭДС, как и напряжения, является вольт.

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. Электродвижущая сила гальванического элемента, например, численно равна работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от отрицательного его полюса к положительному.

Так как электродвижущая сила представляет собой удельную работу, то она является скалярной величиной, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Знак ЭДС определяется в зависимости от произвольно выбранного направления обхода того участка электрической цепи, на котором включен данный источник тока.

Если внутри источника тока обход совершается от отрицательного полюса к положительному, то ЭДС положительная (E > 0) (рис. 2.49, а). Сторонние силы внутри источника совершают при этом положительную работу. Если обход совершается от положительного полюса к отрицательному, то ЭДС отрицательная (E < 0) (рис. 2.49, б).

Рис. 2.49

Теперь вы знаете, что такое ЭДС. Если на батарейке написано 1,5 В, то это означает, что сторонние силы (химические в данном случае) совершают работу 1,5 Дж при перемещении заряда в 1 Кл от одного полюса батарейки к другому. Постоянный ток не может, существовать в замкнутой цепи, если в ней не действуют сторонние силы, т. е. нет источника ЭДС.

* Как видно из определения, ЭДС численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда (удельной работе), а не силе в обычном понимании этого слова. Здесь опять используется не очень удачная, но давно установившаяся терминология.

Источник: http://tepka.ru/fizika_10-11/40.html

Booksm
Добавить комментарий