Учебник по Физике.
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
Аст 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 = I2RDt + I2rDt
должно быть равно работе сторонних сил в источнике тока. Эту работу за время
Dt можно
записать в виде
Аст = Dq = IDt, где
Dq = IDt - 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 = j1 - j2
> 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.