64. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Если соединить проводником два металлических шарика, несущих заряды противоположных знаков, то под влиянием электрического поля этих зарядов в проводнике возникает электри ческий ток (рис. 158). Но этот ток будет очень кратковременным. Заряды быстро нейтрализуются, разность потенциалов между шариками выравнится и напряженность электрического поля станет равной нулю.

Сторонние силы. Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. А для этого необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды должны действовать силы неэлектростатического происхождения (рис. 159). Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т. е. кулоновских), называют сторонними силами.

Вывод о необходимости сторонних сил для поддержания по стоянного тока в цепи станет еще очевиднее, если обратиться к закону сохранения энергии. Электростатическое поле потенциально

Рис. 158

Рис. 159

Работа этого поля по перемещению заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводник нагревается Следовательно, в любой цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий ее в цепь. В этом источнике, помимо кулоновских сил, обязательно должны действовать сторонние, не потенциальные силы. Работа этих сил вдоль замкнутого контура должна быть отлична от нуля. Именно в процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока энергию и отдают ее затем при движении в проводниках электрической цепи.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: генераторов на электростанциях, гальванических элементов, аккумуляторов и т. д.

При замыкании цепи создается электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (отрицательные — от плюса к минусу), а во всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле (рис. 159).

Аналогия между электрическим током и течением жидкости. Чтобы лучше понять это, обратимся к аналогии между электрическим током в проводнике и течением жидкости по трубам. На любом участке горизонтальной трубы жидкость течет за счет разности давлений на концах участка. Жидкость перемещается в сторону уменьшения давления. Но сила давления в жидкости — это вид сил упругости, которые являются потенциальными, подобно кулоновским силам Поэтому работа этих сил на замкнутом пути равна нулю и одни эти силы не способны вызвать длительную циркуляцию жидкости по трубам. Течение жидкости сопровождается потерями энергии вследствие действия сил трения. Для циркуляции воды необходим насос. Поршень этого насоса действует на Частички жидкости и создает постоянную разность давлений на входе и выходе насоса (рис. 160). Благодаря этому жидкость течет по трубе. Насос является аналогом источника тока, а роль сторонних сил играет сила, действующая на воду со стороны движущегося поршня. Внутри насоса жидкость течет от участков с меньшим давлением к участкам с большим давлением.

Природа сторонних сил. Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах

Рис. 160

электростанций сторонняя сила это сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике. Об этом кратко говорилось в курсе физики VII класса.

В гальваническом элементе, например элементе Вольта, действуют химические силы электромагнитной природы. Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещенных в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод заряжается отрицательно. Медь очень мало растворяется в серной кислоте. Поэтому между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая обусловливает ток в замкнутой электрической цепи.

Электродвижущая сила. Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращенно ЭДС). Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к заряду:

Как и разность потенциалов, электродвижущую силу выражают в вольтах.

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке. Электродвижущая сила гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Следует подчеркнуть еще раз, что работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы не потенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока вне самого источника равна нулю.

Так как электродвижущая сила представляет собой удельную работу, то она является скалярной величиной, которая может быть как положительной, так и отрицательной.