Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение

Если бы на носители тока действовали только силы электростатического поля, то под их действием положительные носители перемещались из мест с большим потенциалом к местам с меньшим потенциалом, а отрицательные носители двигались бы в обратном направлении. Это вело бы к выравниванию потенциалов всех соединенных между собой проводников и ток прекратится. Чтобы этого не произошло, в цепи постоянного тока наряду с участками, где положительные носители движутся в сторону уменьшения потенциала j, должны иметься участки, на которых перенос положительных носителей происходит в сторону возрастания j, т.е. против сил электрического поля. Перенос носителей на этих участках возможен лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения. Такие силы назвали сторонними. Работа сторонних сил обеспечивается при помощи источников тока.

Таким образом, для поддержания постоянного тока необходимы сторонние силы, действующие либо на отдельных участках цепи, либо на всем протяжении цепи. Физическая природа сторонних сил может быть различной. Они могут быть обусловлены, например, химической и физической неоднородностью проводника. Такие силы, возникают при соприкосновении разнородных проводников (гальванические элементы, аккумуляторы) или проводников с различной температурой (термоэлементы). Сторонние силы могут быть также обусловлены электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми переменными магнитными полями и т.д.

Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Величина, равная работе сторонних сил над единичным положительным зарядом называют электродвижущей силой (ЭДС) Е, действующей в цепи или на ее участке. Следовательно, если работа сторонних сил над зарядом q равна А, то

Е = . (17.1)

Из сопоставления формул (17.1) и (4.14) вытекает, что размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала. Поэтому Е измеряется в вольтах (В), как и j.

Стороннюю силу , действующую на заряд q, можно представить в виде

= q . (17.2)

Векторную величину называют напряженность поля сторонних сил ( равна силе, действующей на единичный положительный заряд, которая обусловлена не электростатическим полем). Работа сторонних сил над зарядом q на участке 1-2 равна

А₁₂ = = q

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

Е₁₂ = . (17.3)

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

Е = . (17.4)

Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности сторонних сил.

Кроме сторонних сил на заряд действуют силы электростатического поля = q . Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд q равна:

= + = .

Работа, совершаемая этой силой над зарядом q на участке цепи 1-2, определяется интегралом:

А₁₂ = = q + q = q(j₁ - j₂) + qE₁₂. (17.5)

Падением напряжения или просто напряжением U на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (17.5):

U₁₂ = j₁ - j₂ + E₁₂. (17.6)

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называют однородным. Участок, на котором на носители тока действуют сторонние силы, называют неоднородным. Для однородного участка цепи E₁₂ = 0, и

U₁₂ = j₁ - j₂, (17.7)

т.е. напряжение совпадает с разностью потенциалов на концах участка.