ЗАКОН ОМА ДЛЯ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА

Рассмотрим простейшую систему проводников, содержащую источник тока (рис. III.29). Допустим, что в приборе потребляющем электрическую энергию, необходимо поддержат определенную силу тока причем электроны должны двигаться в направлении, указанном стрелками. Очевидно, что при переносе через электронов с общим зарядом, равным — электрические силы, действующие на электроны в направлении будут совершать положительную работу, которая, согласно формуле (1.42), зависит только от потенциалов начальной и конечной точек траектории переноса и равна

Рис. III.29

Для того чтобы поддержать потенциалы постоянными, источник тока должен непрерывно перебрасывать электроны обратно от точки 1 к точке 2. При этом необходимо преодолеть притяжение электронов к положительно заряженной точке 1 и отталкивание от отрицательно заряженной точки 2, т. е. преодолевать электростатическую силу направленную внутри источника от точки 2 к точке 1. Таким образом, источник тока должен приложить к электронам стороннюю силу направленную против электростатической силы

Далее следует иметь в виду, что движение электронов внутри источника тока происходит при наличии некоторого сопротивления,

обусловленного столкновениями между электронами и атомами источника тока. При этих столкновениях теряется часть кинетической энергии упорядоченного движения электронов и поэтому, чтобы сохранить постоянной скорость этого движения, источник тока должен компенсировать указанную выше потерю энергии внутри самого источника.

Полная работа совершаемая сторонними силами внутри источника тока при переносе заряда из точки 1 в точку 2, равна сумме: 1) работы против электростатических сил действующих внутри источника тока, и 2) потери энергии электронов при их прохождении через источник тока:

Это соотношение выражает закон сохранения энергии. Очевидно, что работа сторонней силы равна работе совершаемой электростатическими силами вне источника тока. Это означает, что источник тока является также источником той энергии или работы, которая выделяется движущимися зарядами во внешнем участке цепи Для того чтобы поддержать потенциалы постоянными, источник тока должен непрерывно совершать работу компенсирующую потерю энергии во внешней цепи

Для оценки потери энергии электронов при их перемещении внутри самого источника тока необходима знать его электрическое сопротивление тогда, согласно формуле (2.13),

Полная работа сторонних сил на основании закона сохранения энергии (см. формулу (2.19))

Отношение работы, совершаемой сторонними силами внутри источника тока при перемещении через него заряда к величине этого заряда, называется электродвижущей силой (э. д. с.) этого источника тока и обозначается :

На основании закона Ома для участка цепи

Тогда

Эта формула выражает закон Ома для замкнутого контура, по которому течет постоянный ток. Называя падением напряжения во внешних участках цепи, а падением напряжения внутри источника тока, можно закон Ома выразить иначе:

электродвижущая сила, действующая в замкнутой цепи, равна сумме падений напряжения в этой цепи.

Ежесекундная работа, совершаемая источником тока, т. е. его мощность,

Эта работа равна той энергии, которая ежесекундно выделяется на всех сопротивлениях цепи.

Если источник тока не замкнут, то упорядоченное движение зарядов через него не происходит и потеря энергии внутри источника тока отсутствует. Сторонняя сила может только вызвать скопление зарядов на полюсах источника тока. Это скопление прекратится, когда внутри источника между его полюсами появится электрическое поле в котором электростатическая сила сделается равной сторонней силе, т. е. Разность потенциалов между полюсами разомкнутого источника тока можно рассчитать по формуле (1.39):

причем интегрирование можно произвести вдоль любой линии, соединяющей полюсы источника тока. Подставим (пробный заряд, как обычно, положим положительным) и заменим на

Однако есть работа совершаемая сторонними силами против электростатических сил при переносе заряда из точки 2 в точку тогда, согласно указанному выше определению, э. д. с.

Таким образом, электродвижущая сила источника тока равна разности потенциалов на его полюсах в разомкнутом состоянии. Если же источник тока замкнуть на внешнюю цепь, то, согласно формуле (2.22), разность потенциалов между его полюсами будет меньше э. д. с. на величину падения напряжения внутри самого источника:

Допустим, в электрическом контуре (рис. II 1.30) имеются два источника тока, которые могут быть включены так, что сторонние силы в них действуют либо в одном либо в противоположных (б) направлениях. В первом случае (а) сторонние силы в обоих источниках действуют в направлении движении зарядов и совершают положительные работы Общая работа этих сил и тогда действующая в контуре э. д. с.

Энергия, выделяющаяся в контуре, равна сумме работ, совершаемых обоими источниками.

Во втором случае (б) у источника I сторонние силы действуют в направлении движения зарядов и совершают положительную работу; у источника II сторонние силы направлены против движения зарядов и совершают отрицательную работу. Суммарная работа сторонних сил в контуре и общая э. д. с. в контуре

Энергия, выделяющаяся в контуре, в данном случае равна разности работ, совершаемых источниками тока.

Рис. III.30

Рис. III.31

Заметим, что электродвижущая сила, по определению, является скалярной величиной; ее берут с положительным или отрицательным знаком в зависимости от знака работы/совершаемойстороннимисилами.

Выделим в электрической цепи участок, содержащий источник э. д. с. (рис. III.31). По определению, разность потенциалов между точками 1 и 2 равна отношению работы электрических сил по переносу заряда из точки 1 в точку 2 к величине переносимого заряда: В данном случае работа переноса слагается из работы на сопротивлении участка (в виде тепла) и работы совершаемой электростатическими силами внутри источника э. д. с. против сторонних сил. Эта работа равна и противоположна по знаку работе сторонних сил последняя положительная, если сторонние силы действуют в направлении движения зарядов, и отрицательна, если заряды движутся в ббратном направлении. Таким образом, и так как то

откуда получаем закон Ома для участка цепи, содержащего источник э. д. с.:

где содержит в себе и сопротивление самого источника тока.

Знак плюс у работы сторонних сил, а следовательно, и у э. д. с. соответствует случаю, когда положительный полюс источника обращен к точке 2, т. е. ток входит в отрицательный и выходит из положительного полюса источника. При обратном включении берется знак минус.