Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратится. Для того чтобы поддерживать ток достаточно длительное время, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом (носители заряда предполагаются положительными) непрерывно отводить приносимые сюда током заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить (поддерживать постоянную разность потенциалов). Иными словами, необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути. Но если бы во всех участках замкнутой электрической цепи плотность тока определялась бы только напряженностью электрического поля, то работа этого поля по замкнутому контуру цепи оказалась отличной от нуля. Но, как известно, электростатическое поле есть поле потенциальное, работа которого по замкнутому контуру цепи равна нулю.

Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания j, должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания j, т. е. против сил электростатического поля (см. изображенную пунктиром часть цепи на рис.). Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонним силами. Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми меняющимися во времени магнитными полями, и т. д. Для описания их действия на заряды вводится понятие напряженности сторонних сил . Напряженностью сторонних сил называется векторная физическая величина, равная отношению силы, действующей на положительный заряд, к этому заряду при неэлектростатическом взаимодействии.

Постулируется, что напряженность сторонних сил, так же как и напряженность электростатического поля, подчиняется принципу суперпозиции.

Следовательно, если на участке электрической цепи действуют, кроме электрических, сторонние силы, то результирующая напряженность будет определяться векторной суммой напряженности электрического поля  и напряженности сторонних сил . Тогда, полная работа A по перемещении заряда на этом участке, совершаемая кулоновскими и сторонними силами, равна

,

где А_кул – работа кулоновских сил, А_ст – работа, совершаемая за счет действия неэлектрических источников энергии. 

Разделив левую и правую части последнего равенства на величину перемещаемого заряда, получим

.

Величина  – разность потенциалов, равная отношению работы, которую совершают кулоновские силы при перемещении некоторого заряда, к величине этого заряда.

Величина  E – электродвижущая сила (или, сокращенно, ЭДС), равная отношению работы, совершаемой неэлектрическими источниками энергии при перемещении заряда, к величине этого заряда. Единицей ЭДС в СИ является вольт.

Величина – напряжение на данном участке цепи, равная отношению суммарной работы, совершаемой при перемещении заряда, к величине этого заряда.

Сопоставляя последние выражения, получим

U = j₁– j₂ + E.

Итак, напряжение на участке цепи равно сумме разности потенциалов и электродвижущей силы.

Отметим, что силы неэлектростатической природы создаются специальными техническими устройствами, называемыми источниками ЭДС или источниками тока. Наличие в электрической цепи источника ЭДС является вторым необходимым условием существования постоянного тока в цепи. Источниками тока могут быть, например, гальванические элементы, где разность потенциалов между разнородными электродами, помещенными в раствор электролита, поддерживается за счет химических процессов, происходящих в элементе, индукционные генераторы, в которых разность потенциалов возникает на концах проводящей обмотки, вращающейся в магнитном поле, и др.

По результатам своего действия любой источник ЭДС представляет собой процесс или устройство, отделяющее положительные заряды от отрицательных. После разделения заряды перемещаются на электроды и по закону Кулона действуют на заряды проводника вблизи электродов, которые в свою очередь действуют на другие заряды, и т. д. В результате этих коллективных взаимодействий в цепи на поверхности проводников возникает такое распределение зарядов, которое обеспечивает существование внутри проводника соответствующего электрического поля. Таким образом, роль зарядов на полюсах источника сторонних ЭДС состоит не в том, чтобы создавать во всех проводниках непосредственно соответствующее электрическое поле, а в том, чтобы обеспечить такое распределение поверхностных зарядов на проводниках, которое создает нужное электрическое поле внутри них. А это и обеспечивает существование постоянного тока.

Закон Ома для полной цепи.

Пусть замкнутая цепь состоит из источника электрической энергии с ЭДС E  и внутренним сопротивлением r, а также внешней части цепи, имеющей сопротивление R. Силу тока в цепи найдем по закону Ома для полной цепи:

I = E /(R + r ),

т.е., сила тока цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника.

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

 E – Ir.

Если с помощью ключа К цепь разомкнуть, то ток в ней прекратится и, как видно из последней формулы, разность потенциалов на клеммах источника будет равна его ЭДС.

ЭДС, как и сила тока, – величина алгебраическая. Если ЭДС способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении, то она считается положительной. Если ЭДС препятствует движению положительных зарядов в выбранном направлении, то она считается отрицательной.

Следует иметь в виду, что формулой закона Ома для полной цепи можно пользоваться лишь в случае, когда ток идет внутри источника от отрицательного полюса к положительному, а во внешней цепи – от положительного к отрицательному.

Работа и мощность тока.

При постоянной силе тока I через каждое сечение проводника за время t переносится электрический заряд q = It. Рассмотрим два сечения 1 и 2 в цепи постоянного тока. За время t через первое сечение в объем проводника между сечениями 1 и 2 войдет заряд q, и за это же время через второе сечение из этого объема выйдет такой же заряд q, что эквивалентно непосредственному переносу заряда q между сечениями 1 и 2 за время t. При этом электрическое поле на участке 1-2 совершает работу A, равную произведению q на разность потенциалов между этими сечениями:

,

здесь через U обозначена разность потенциалов .

Работа, совершаемая электрическим полем на определенном участке электрической цепи, называется работой тока.

Физическую величину, равную отношению работы тока A ко времени ее совершения t, называют мощностью тока. Мощность тока будем обозначать буквой N. По определению:

.

Единицей мощности в СИ служит ватт (Вт).

Закон Джоуля-Ленца.

Рассмотрим преобразование энергии на отдельном участке электрической цепи. Если участок не содержит ЭДС, то для него выполняется закон Ома . Умножив последний на It, получим

.

Правая часть представляет работу тока на рассматриваемом участке проводника. Согласно закону сохранения энергии эта работа расходуется на изменение внутренней энергии (нагревание) проводника и выделение некоторого количества теплоты в окружающую среду (при условии, что проводник неподвижен и в нем не происходит химических реакций). Так происходит до тех пор, пока проводник не нагреется до некоторой температуры Т, при которой заканчивается его нагревание (внутренняя энергия перестает изменяться) и вся работа тока затрачивается на выделение теплоты Q в окружающую среду, т.е.

или

.

Т. о., количество теплоты, выделяемое в проводнике при протекании в нем постоянного тока, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока. Этот закон носит название закона Джоуля-Ленца.

Тепловое действие тока.

Технические применения теплового действия тока многообразны: лампы накаливания, электропечи и различные бытовые нагревательные приборы, дуговая и контактная электросварка, электронные лампы, измерительная техника и т. п.

Чтобы сосредоточить выделение мощности тока в нужном участке цепи, необходимо цепь тока составить так, чтобы сопротивление того участка, где должно быть сосредоточено тепловое действие тока, значительно превышало сопротивление всех остальных участков цепи. Действительно, когда проводники включены в цепь последовательно, то ток I в них одинаков и количество тепла, выделяемого в каждом проводнике ежесекундно, прямо пропорционально сопротивлению проводника. Поэтому нить лампочки накаливания, имеющая большое сопротивление, раскаляется, тогда как медные провода, ведущие к ней ток, остаются холодными. То же можно сказать о нагревательных приборах. По той же причине место плохого соединения двух проволок (плохой контакт) электрической сети сильно нагревается током (для предотвращения этого в электрических установках концы соединяемых проволок тщательно спаивают).

При параллельном соединении токи в проводниках будут разные, зато все они имеют общее напряжение; количества тепла, выделяемого ежесекундно, в этом случае обратно пропорциональны сопротивлениям, т. е. явление как раз противоположно тому, что наблюдается при последовательном соединении проводников. Поэтому если лампочки накаливания включены в цепь параллельно, как это и делается обыкновенно, то лампочка с меньшим сопротивлением будет брать на себя больше энергии, чем лампочка с большим сопротивлением.

Вопросы для самоконтроля.

1. Что называется электрическим током и каковы условия возникновения тока проводимости?

2. Что называют плотностью тока? силой тока?

3. Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи.

4. Что называют удельным сопротивлением?

5. Как зависит сопротивление проводника от его длины, площади поперечного сечения и материала?

6. Почему электростатическое поле не способно поддерживать постоянный ток в цепи?

7. Какие силы называются сторонними?

8. Что называют электродвижущей силой? В чем ее измеряют?

9. Из чего складывается полное сопротивление цепи?

10. Поясните физический смысл электродвижущей силы, напряжения и разности потенциалов.

11. В чем состоит закон Ома для полной цепи? Каков его физический смысл?

12. Что называется работой тока?

13. Что называется мощностью тока? В чем она измеряется?

14. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца для однородного участка цепи.

15. Приведите примеры технического применения теплового действия тока.

Лекция № 17. Магнитное поле

Цель: ознакомиться с понятием «магнитное поле»; изучить свойства магнитного поля и его характеристики; изучить закон силового воздействия магнитного поля на проводник с током; изучить закон силового воздействия магнитного поля на движущийся заряд.

Основные понятия:

Магнитное (магнитостатическое) поле – частный случай электромагнитного поля постоянных магнитов или постоянных токов; силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.

Магнитный момент – физическая величина, определяющая магнитные свойства контура с током, равная произведению силы тока, протекающего по контуру, на площадь последнего, и направленная по нормали к данному контуру.

Магнитная индукция – физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, равная отношению максимального механического момента сил, действующих на контур с током, помещенный в данное поле, к магнитному моменту этого контура.

Элемент тока – векторная величина, равная произведению тока проводимости вдоль линейного проводника и бесконечно малого отрезка этого проводника.