Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола
Сила струму в замкнутій ланцюга дорівнює відношенню електрорушійної сили до повного опору ланцюга.
Якщо вільні заряди переміщаються в електричному ланцюзі по замкнутій траєкторії, то такий ланцюг називають повною або замкнутою. При цьому на кожній з ділянок такого ланцюга робота електростатичних сил переходить в теплову, механічну або енергію хімічних зв’язків (див. §41). Так як робота електростатичних сил, які переміщують заряд по замкнутій траєкторії, завжди дорівнює нулю (див. §37), то тільки сили електростатичного поля не можуть забезпечити постійний рух зарядів по замкнутій траєкторії.
Щоб електричний струм у замкнутому ланцюзі не припинявся, необхідно включити в неї джерело струму (див. Рис. 42а), всередині якого переміщення вільних зарядів відбувалося б не під дією електростатичних сил, а за участю будь-яких інших сил, званих сторонніми. Наприклад, в ланцюзі на рис. 42а, вільні заряди, переміщуються від тіла А до тіла Б під дією електростатичних сил, а сторонні сили джерела живлення змушують їх повертатися назад – від Б до А.
Природа сторонніх сил може бути різною. У гальванічних елементах (батарейках і акумуляторах), які служать джерелами постійного струму, сторонні сили виникають в результаті хімічних реакцій між електродами і рідким електролітом. В генераторах змінного струму різних електростанцій (гідроелектростанцій, теплових і атомних) сторонні сили – це сили, що діють на вільні заряди, що переміщаються в магнітному полі. У фотоелементах сторонні сили виникають при дії світла на електрони атомів, що входять до складу деяких речовин.
Сторонні сили в джерелі струму поділяють різнойменні електричні заряди один від одного, здійснюючи роботу проти електростатичних (кулонівських сил). Контакт (полюс) джерела струму, де в результаті дії сторонніх сил накопичується позитивний заряд, називають позитивним, а протилежно заряджений полюс – негативним, позначаючи їх так, як зображено на рис. 42б. Очевидно, що чим більший заряд накопичиться на полюсі джерела струму, тим більше роботи здійснили сторонні сили з розділення зарядів, тому робота проти кулонівських сил прямо пропорційна величині заряду. Тому ставлення роботи, Аст, сторонніх сил, які переміщують заряд q всередині джерела струму від негативного полюса до позитивного, не залежить від величини заряду і служить характеристикою джерела струму, званої електрорушійної силою (ЕРС) джерела, E:
Як і різниця потенціалів, ЕРС в СІ вимірюють у вольтах.
Опір джерела струму або внутрішній опір теж є його важливою характеристикою. Внутрішнім опором гальванічного елемента, наприклад, є опір електродів і електроліту, що знаходиться між ними. Зовнішнім ділянкою замкнутої ланцюга називають її ділянку, приєднаний зовні до джерела струму (див. Рис. 42а).
Щоб визначити, як залежить сила струму від ЕРС джерела в ланцюзі, зображеної на рис. 42а, намалюємо еквівалентну схему (див. Рис. 42в), де R відповідає опору провідника між А і Б, (зовнішня ланцюг), а r – внутрішньому опору джерела струму. Відповідно до закону Джоуля-Ленца робота Аполн струму, що протікає по замкнутому ланцюзі, за інтервал часу t дорівнює:
Аполн = I2.R. t + I2.r. t. (42.2)
Із закону збереження енергії випливає, що робота струму повинна бути рівна роботі сторонніх сил Астор = Eq = E. It. Прирівнявши Аполн з (42.2) і Астор, отримуємо такий вираз для I:
Яке називають законом Ома для повного кола.
Легко показати, що, якщо повна ланцюг містить кілька послідовно з’єднаних джерел струму, то для обчислення сили струму за формулою (42.3) слід замість E взяти алгебраїчну суму ЕРС всіх цих джерел, вибравши яке-небудь напрямок обходу ланцюга, наприклад, за годинниковою стрілкою ( рис. 42г). Якщо при такому обході ми йдемо від позитивного полюса джерела струму до негативного, то ЕРС даного джерела слід підсумувати зі знаком мінус.
Питання для повторення:
– Чому для постійного руху вільних зарядів по замкнутому ланцюзі необхідні сторонні сили? – Чому дорівнює ЕРС джерела струму? – Сформулюйте закон Ома для повного кола.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)