Сторонние силы. Законы Ома и Джоуля – Ленца




Силы кулоновского взаимодействия зарядов вызывают такое перераспределение носителей тока в проводнике, при котором потенциалы во всех его точках выравниваются, и напряженность электрического поля в проводнике становится равной нулю. Следовательно, одно только электростатическое поле не может быть причиной существования постоянного тока проводимости, т. е. стационарного процесса упорядоченного движения носителей тока в электрической цепи. Для поддержания в цепи постоянного тока проводимости нужно, чтобы на носители тока действовали не только кулоновские силы, но также еще и иные, неэлектростатические, силы, называемые сторонними силами.

Сторонние силы действуют на носители тока внутри источников электрической энергии (электрических генераторов аккумуляторов и т. д.). Под действием сторонних сил носители тока движутся внутри источника электрической энергии против сил электростатического поля, так что на концах внешней части цепи поддерживается постоянная разность потенциалов. Сторонние силы, перемещая носители тока, совершают работу. Например, в генераторе работа сторонних сил совершается за счет механической энергии, затрачиваемой на вращение ротора.

В произвольной точке участка цепи, содержащего источник электрической энергии, существуют электростатическое поле кулоновских сил с напряженностью и поле сторонних сил с напряженностью , где q – заряд носителя тока, на который действует сторонняя сила . Напряженность результирующего поля . По закону Ома (2.7) плотность тока

(2.12)

Рис. 2.1

Для участка цепи между точками (сечениями) 1 и 2 (рис. 2.1) с учетом (2.4)

(2.13)

где d l – вектор, равный по модулю длине d l малого участка цепи и направленный по касательной к проводнику в ту сторону, что и вектор плотности тока, S – площадь поперечного сечения проводника; I = jS – сила тока.

Интеграл численно равен работе, которую совершают кулоновские силы при перемещении единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2:

(2.14)

где j1 и j2 – потенциалы в точках 1 и 2 проводника. Электродвижущей силой (ЭДС) действующей на участке цепи 1–2, называется интеграл

(2.15)

Электродвижущая сила численно равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по проводнику единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2. Работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике. Поэтому называется электродвижущей силой источника электрической энергии, включенного на участке цепи 12.

Напряжением U 12 на участке цепи 12 называется физическая величина, численно равная работе, совершаемой результирующим полем кулоновских и сторонних сил при перемещении вдоль цепи из точки 1 в точку 2 единичного положительного заряда:

или

(2.16)

Напряжение на концах участка цепи совпадает с разностью потенциалов только в том случае, если на участке нет ЭДС, т. е. не действуют сторонние силы.

Сопротивлением R12 участка цепи между сечениями 1 и 2 называется интеграл

(2.17)

Для однородного проводника постоянного сечения r = const, S = const и

(2.18)

где l 12 – длина проводника между сечениями 1 и 2.

Обобщенный закон Ома для произвольного участка цепи:

(2.19)

Произведение силы тока на сопротивление участка цепи равно сумме падения потенциала на этом участке и ЭДС всех источников электрической энергии, включенных на данном участке цепи.

В неразветвленной замкнутой электрической цепи сила тока во всех сечениях одинакова (рис. 2.2), j1 = j2 и R 12 = R – общее сопротивление всей цепи.

Рис. 2.2

Закон Ома для замкнутой цепи с источником имеет вид:

(2.20)

где – ЭДС источника, r – внутреннее сопротивление.

Разность потенциалов на клеммах источника равна напряжению на внешней части цепи:

Если цепь разомкнута, то тока в ней нет (I = 0), а разность потенциалов на клеммах источников равна его ЭДС:

При прохождении электрического тока по проводникам они нагреваются. Согласно закону Джоуля – Ленца количество теплоты d Q, выделяющейся в проводнике за малое время d t, пропорционально квадрату силы тока I, электрическому сопротивлению R проводника и промежутку времени d t:

Интегрируя это выражение, получаем

(2.21)



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-07 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: