Электродвижущая сила (ЭДС). Напряжение.

Постоянный электрический ток в цепи вызывается стацио­нарным электростатическим полем (кулоновским полем), кото­рое должно поддерживаться источником тока, создающим посто­янную разность потенциалов на концах внешней цепи. Поскольку ток в проводнике несет определенную энергию, выде­ляющуюся, например, в виде некоторого количества теплоты, необходимо непрерывное превращение какой-либо энергии в электрическую. Иначе говоря, помимо кулоновских сил стацио­нарного электростатического поля на заряды должны действо­вать еще какие-то силы, неэлектростатической природы — сто­ронние силы.

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

Природа (или происхождение) сторонних сил может быть раз­личной: например, в гальванических элементах и аккумулято­рах — это химические силы, в генераторах — это сила Лоренца или силы со стороны вихревого электрического поля.

Внутри источника тока за счет сторонних сил электрические заряды движутся в направлении, противоположном действию сил электростатического поля, т.е. кулоновских сил. Благодаря этому на концах внешней цепи поддерживается постоянная разность по­тенциалов. Во внешней цепи сторонние силы не действуют.

Работа электрического тока в замкнутой электрической цепи совершается за счет энергии источника, т.е. за счет действия сто­ронних сил, т.к. электростатическое поле потенциально. Работа этого поля по перемещению заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю.

Количественной характеристикой сторонних сил (источника тока) является электродвижущая сила (ЭДС).

Электродвижущей силой е называется физическая величина, численно равная отношению работыЛд^ сторонних сил по переме­щению заряда ^ вдоль цепи к значению этого заряда:

e=Aст/q

Электродвижущая сила выражается в вольтах (1 В = 1 Дж/Кл). ЭДС — это удельная работа сторонних сил на данном участке, т.е. работа по перемещению единичного заряда. Напри­мер, ЭДС гальванического элемента равна 4,5В. Это означает, что сторонние силы (химические) совершают работу в 4,5 Дж при перемещении заряда в 1 Кл внутри элемента от одного полюса к другому.

Электродвижущая сила является скалярной величиной, ко­торая может быть как положительной, так и отрицательной. Знак ЭДС зависит от направления тока в цепи и выбора направления обхода цепи.

Сторонние силы не потенциальны (их работа зависит от формы траектории), и поэтому работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов между двумя точка­ми. Работа электрического тока по перемещению заряда по про­воднику совершается кулоновскими и сторонними силами, поэто­му полная работа А равна:

A=Aкул+Aст

Физическая величина, численно равная отношению работы, совершаемой электрическим полем при перемещении положительного

заряда из одной точки в другую, к значению заряда д, называется напряжением V между этими точками:

U=A/q или

U=Aкул/q+Aст/q

Учитывая, что

Aкул/q=ф1-ф2=-Dф

т.е. разности потенциалов между двумя точками стационарного электростатического поля, где ф1и ф2 — потенциалы начальной и конечной точки траектории заряда, а

Aст/q=e имеем:

U= (ф1- ф2)+e

В случае электростатического поля, когда на участке не при­ложена ЭДС (е = 0), напряжение между двумя точками равно разности потенциалов:

U=ф1- ф2

При разомкнутой электрической цепи (Г = 0) напряжение равно ЭДС источника:

U=е

Единица напряжения в СИ — вольт (В), В = Дж/Кл. Напря­жение измеряют вольтметром, который подключается парал­лельно тем участкам цепи, на которых измеряют напряжение.

Закон Ома для участка цепи. Омическое сопротивление проводника.

Удельное сопротивление.

Закон Ома устанавливает зависимость между силой тока в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) между двумя точками (сечениями) этого проводника. В 1826 г. немецким физиком Георгом Омом (1787-1854) экспериментально было об­наружено, что отношение разности потенциалов (напряжения) на концах металлического проводника к силе тока есть величина постоянная:

U/I=R=const

Эта величина, зависящая от геометрических и электрических свойств проводника и от температуры, называется омическим (активным) сопротивлением, или просто сопротивлением.

Согласно закону Ома для участка цепи

Сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) на концах участка цепи и обратно пропорци­ональна сопротивлению этого участка:

I=U/R,

где U — напряжение на данном участке цепи, R, — сопротивление данного участка цепи. Произведение силы тока на сопротивление называется иногда падением напряжения:

U=I*R

Сопротивление проводника является его основной электри­ческой характеристикой, определяющей упорядоченное переме­щение носителей тока в этом проводнике (или на участке цепи).

Единица омического сопротивления в СИ — ом (Ом). Провод­ник имеет сопротивление 1 Ом, если при силе тока в нем 1 А разность потенциалов (напряжения) на его концах равна 1 В, т.е. 1 Ом - 1 В/1 А.

Сопротивление К зависит от свойств проводника и от его гео­метрических размеров:

R=p*l/S,

Где p — удельное сопротивление вещества, I — длина проводника, S — площадь поперечного сечения. Единицей удельного сопро­тивления в СИ является 1 Ом • м (или 1 Ом • м/м²).

Удельное сопротивление вещества численно равно сопротивле­нию однородного цилиндрического проводника, изготовленного из данного материала и имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м, или численно равно сопротивлению проводника в форме куба с ребром 1 м, если направление тока совпадает с направ­лением нормали к двум противоположным граням куба.

В зависимости от удельного сопротивления все вещества де­лятся на проводники (удельное сопротивление мало), диэлектри­ки (очень большое удельное сопротивление) и полупроводники с промежуточным значением удельного сопротивления.