Что такое сторонние электродвижущие силы

Чтобы в замкнутой электрической цепи долгое время происходило направленное перемещение электрических зарядов, необходимо присутствие (включение в цепь) устройства, называемого источником тока (ИТ). В нем на заряженные частицы оказывают влияние наряду с кулоновскими еще и неэлектростатические силы. Их принято называть сторонними. Они имеют разную природу, а их действие характеризуется такой физической величиной, как ЭДС.

Происхождение сторонних сил

Консерватизм сил электростатического поля

В физике к потенциальным относят такие поля, в которых работа по перемещению частицы из одной точки в другую совершается под действием силы взаимодействия с полем и не зависит от формы и длины пути. Примерами таких полей являются гравитационное и электрическое.

Перемещение зарядов под действием консервативных сил почти мгновенно приводит к выравниванию потенциалов во всех точках электроцепи и, следовательно, к обнулению тока. Поэтому для поддержания последнего требуется устройство, способное перемещать электрозаряды в направлении обратном направлению сил, оказывающих на них действие со стороны кулоновского электрополя. Но только за счёт электростатического поля постоянный ток течь не будет.

Характеристики источника тока

Зачем введено понятие сторонних сил

Прохождение постоянного электротока возможно лишь при наличии дополнительных, сторонних сил. Это следует также из закона сохранения энергии. А согласно закону Джоуля-Ленца прохождение тока всегда связано с выделением тепла. Поэтому в электроцепи обязательно должен присутствовать источник, снабжающий ее энергией. В нём наряду с кулоновскими силами имеются сторонние силы непотенциального характера. Работа таких сил внутри замкнутой цепи нулевой уже не будет.

Работа сторонних сил способствует тому, что заряженные частицы получают от ИТ энергию, которую передают элементам электроцепи. Cторонние силы дают толчок движению зарядов в ИТ разной природы.

Классификация ИТ

После подключения ИТ возникает электрополе во всех участках цепи. Внутри ИТ движение зарядов обеспечивают сторонние силы и ЭДС. На всех остальных участках цепи движение электрозарядов связано с воздействием электрополя. Необходимо также понимать, что внутри ИТ электроток течет от отрицательного полюса к положительному, а во внешней цепи наоборот — от положительного к отрицательному.

Направление тока на разных участках цепи

Гидравлическая аналогия

Пониманию механизма протекания электротока способствует аналогия, связанная с течением жидкости по трубопроводной системе. Труба может иметь горизонтальные и вертикальные участки, но движение жидкости по любому из них происходит за счет разности давления. Поток жидкости перемещается всегда в ту сторону, где давление минимально. Сила давления в трубопроводе представляет собой разновидность напряженности, являющейся консервативной (потенциальной) силой. Ее работа в замкнутой цепи равна нулю. Поэтому можно сделать вывод, что консервативная сила не способна обеспечить продолжительную циркуляцию жидкостного потока в трубах. Кроме того, течение жидкости вследствие трения о стенки труб будет сопровождаться энергетическими потерями (аналог электрического сопротивления).

Аналогия между протеканием электротока и потоком воды в трубах.

Таким образом, непрерывную циркуляцию можно обеспечить лишь с помощью насоса, создающего давлений на входе и выходе. Поршень насоса для трубопроводной системы выполняет функцию аналогичную той, которую обеспечивает ИТ в электроцепи. Роль сторонних сил выполняет сила, действующая на жидкость со стороны поршня. Внутри самого насоса движение поршня заставляет жидкость перемещаться из области меньшего давления в область с более высоким давлением. Разность давлений — аналог напряжения.

Происхождение cторонних сил

Сторонние силы, инициирующие ЭДС, могут иметь различную физико-химическую природу:

  • Генераторы гидроэлектростанций преобразуют кинетическую энергию падающего потока воды во вращение ротора, создающего меняющийся магнитный поток, который согласно закону Фарадея генерирует ЭДС.
  • Генераторы тепловых электростанций преобразуют тепловую энергию пара во вращение ротора, создающего переменный магнитный поток, являющийся причиной ЭДС.
  • В гальваническом элементе, разработанном итальянским учёным А. Вольта (1745–1827), задействованы силы химических реакций. Этот элемент стал прообразом современных аккумуляторов и батарей.
  • В солнечных батареях энергия квантов света генерирует электронно-дырочные пары, которые с помощью p-n-перехода разделяются, вызывая стационарный электроток.

Алессандро Вольта и его медно-цинковый элемент

Значение сторонней силы, действующей на электрозаряд, можно найти по формуле:

FCT = q·ECT,

где ЕСТ — напряженность поля сторонних сил.

Надо сказать, что единого понятия поля сторонних сил не существует ввиду абсолютно разных физико-химических механизмов, являющихся причиной появления таких сил.

ЭДС

Для характеристики действия сторонних сил немецкий исследователь Г. Ом в 1827 г. ввёл термин «электродвижущая сила». А в 1857 г. его соотечественник Г. Р. Кирхгоф (1824–1887) определил ЭДС как действие сторонних сил, способствующих переносу единицы заряда (1 Кл).

Определение ЭДС

Из формулировки, представленной на рисунке выше, следует, что ЭДС источника тока равна работе, совершённой при перемещении единичного заряда, а не силе в обычной трактовке этого слова. В данном случае используется не вполне удачная, но давно, исторически сложившаяся, общепринятая терминология. Работу сторонних сила нельзя выразить через разность потенциалов, поскольку данные силы изначально непотенциальные.

Формула работы, выполняемой электрополем

Напряжение и ЭДС

ЭДС характеризует источник тока с точки зрения затраченной энергии на перемещение единичного плюсового заряда по замкнутой цепи.

Разница между ЭДС и напряжением

На рисунке продемонстрировано как ЭДС бытовой батарейки величиной 1.5 В соотносится с показанием вольтметра, демонстрирующим напряжение на лампочке 1.0 В. Разница обусловлена наличием внутреннего сопротивления самой батарейки.

Напряжение — это некоторая часть (в зависимости от величины сопротивления) ЭДС на отдельном участке замкнутой цепи. Напряжение выполняет работу, перемещая электрозаряды вдоль цепи. Таким образом, первичной выступает ЭДС. Она является причиной (первоисточником) всех напряжений в электроцепи.

Формулы для вычисления электрических характеристик

Сторонние силы, а также электродвижущая сила и напряжение — это понятия, которые введены для характеристики ИТ. ЭДС совершает работу по перемещению электрозарядов в замкнутой цепи, а напряжение — это обобщение понятия разности потенциалов. Оно будет идентично разности потенциалов, если на участке электроцепи отсутствуют сторонние силы и ЭДС не действует.

Видео по теме

Adblock
detector