Электродвижущая сила

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом.

Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источника тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различна. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами, в генераторе - за счет механической энергии вращения ротора генератора и т.п. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.), действующей в цепи:

Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину можно назвать электродвижущей силой источника тока, включенного в сеть. Часто вместо того, чтобы сказать "в цепи действуют сторонние силы", говорят "в цепи действует э.д.с", т.е. термин " электродвижущая сила" употребляется как характеристика сторонних сил Э.д.с, как и потенциал, выражается в вольтах.

Сторонняя сила F_СТ действующая на заряд Q₀, может быть выражена как

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

Откуда получаем выражение для э.д.с, действующей в цепи

т.е. э.д.с, действующая в замкнутой цени, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил Э.д.с, действующая на участке 1-2, равна

На заряд Q₀, помимо сторонних сил, действуют также силы электростатического поля

 Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q₀, равна

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q₀ на участке 1-2, равна:

Или

A₁₂ = Q₀ε₁₂ + Q₀(φ₁ - φ₂)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтому

в данном случае

A₁₂ = Q₀ ε₁₂

Напряжением U на участке 1 - 2 называется физическая величина, определяемая работой совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом

U₁₂ = (φ₁ - φ₂) + ε₁₂

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов напряжения на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует э.д.с., т.е. сторонние силы отсутствуют.