6.3. Сторонние силы.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачки жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток. При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Рис. 28. Цепь постоянного тока.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника ЭДС.

E = A/Q. (6.9.)

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину Е можно также называть электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь. Сторонняя сила F_ст, действующая на заряд Q, может быть выражена как: F_ст = Е_ст Q₀, (6.10.)

где Е_ст — напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q₀ на замкнутом участке цепи равна

A = ò F_стdl = Q₀ò E_ст dl. (6.11.)

Разделив это выражение на Q₀, получим выражение для Э.Д.С. действующей в цепи: Е = ò E_ст dl, (6.12.)

т.е. Э.Д.С., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.Д.С., действующая на участке 1 — 2 равна Е_1-2 = ₁ò ²Е_ст dl. (6.13.)

На заряд Q₀ помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля F_e = Q₀E. (6.14.)

Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q₀ равна F = F_ст + F_e = Q₀(E_ст + E). (6.15.)

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q₀ на участке

1 — 2 равна А_1-2 = Q_{0 1}ò ²E_cт dl + Q_{0 1}ò ²E dl. (6.16.)

Можно также записать А_1-2 = Q₀E₁₂ + Q₀(j₁ - j₂). (6.17.)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, следовательно: А_1-2 = Q₀E ₁₂. (6.18.)

Напряжением U на участке 1 — 2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических и сторонних сил при перемещении единичного заряда на данном участке цепи. U₁₂ = j₁ - j₂ + E . (6.19.)

Понятие напряженности является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов, если на этом участке не действует Э.Д.С.

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным. Участок цепи, на котором отсутствуют сторонние силы, называют однородным.