ЭДС и напряжение электрической цепи

Для поддержания тока постоянным необходимо стационарное поле, энергия которого должна непрерывно восстанавливаться, что и осуществляется за счет источников электрической энергии. Одной из важнейших характеристик электрического поля является потенциал φ, численно равный энергии W , которую затрачивают силы поля при переносе единичного положительного заряда q из данной точки поля в точку, потенциал которой равен нулю.

В рассматриваемой цепи на внешнем участке аb положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала φ, а на участке 1-2, т. е. в источниках, перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т. е. против электростатического поля. Перемещение носителей в источнике возможно только за счет сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними. Сторонние силы могут быть обусловлены химическими процессами в гальванических элементах и аккумуляторах, электрическими или магнитными полями, получаемыми в электромашинных генераторах и т. д. Интенсивность сторонних сил характеризуется значением электродвижущей силы (э. д. с.) Е.

Э. д. с равна энергии W₁ сторонних сил, совершаемой при перемещении единичного положительного заряда Q внутри источника от зажима с отрицательным потенциалом к зажиму с положительным потенциалом:

Е = W₁/Q

Иначе, э. д. с. равна разности потенциалов или напряжению между положительным и отрицательным зажимами разомкнутого источника:

Электрическое поле на внешнем участке цепи ab характеризуется напряжением или разностью потенциалов между этими точками:

Если электрическая цепь представляет собой замкнутый контур, то напряжение между точками 1 и ,2 не равно э. д. с. из-за падения напряжения внутри источника U₀ = Ir₀, т. е. э.д.с. замкнутого контура равна сумме падений напряжения на его участках:

Так как причиной возникновения напряжения и тока в электрической цепи является э. д. с. источника питания, то от характера изменения э. д. с. зависит и закономерность изменения тока и напряжения в электрической цепи. Например, в цепях постоянного тока э. д. с. источников неизменна, поэтому напряжения и токи в таких цепях также неизменны. Основной единицей э. д. с., напряжения и потенциала в Международной системе единиц (СИ) является вольт (В). Вольт есть напряжение между концами проводника, в котором при перемещении положительного заряда в 1 кулон (Кл) совершается работа в 1 джоуль (Дж). Используют также и дольные единицы: микровольт - 1 мкВ = 1 · 10^-6 В; милливольт - 1 мВ = 1 · 10^-3 В; или кратные киловольт - 1 кВ = 1 · 10³ В; мегавольт - 1 MB = 1 · 10⁶ В.

За положительное направление э. д. с. принимают направление действия сторонних сил на положительный заряд, т. е. направление от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом. За положительное направление напряжения принимают направление в сторону понижения потенциала в электрической цепи, т. е. направление от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом.

Важной характеристикой источника питания является внешняя характеристика U (I) (рис. 1.3), представляющая собой зависимость напряжения на зажимах нагруженного источника питания от тока в электрической цепи. Напряжение на зажимах источника питания при увеличении тока сначала (участок cb) убывает по линейному закону: затем при дальнейшем росте тока линейность нарушается и внешняя характеристика (участок bа) становится нелинейной. Нелинейность характеристики может быть обусловлена уменьшением э. д. с. источника или увеличением его внутреннего сопротивления или того и другого вместе взятых. При токе короткого замыкания напряжение становится равным нулю (точка а).