Закон Ома для участка цепи

Закон Ома для участка цепиЧтобы объяснить экспериментально наблюдаемый факт состоящий в том, что при создании разных потенциалов на концах однородного длинного проводника постоянного сечения по нему протекает ток, пропорциональный разнице созданных потенциалов, используется идея о том, что внутри проводника имеются свободные носители заряда. На них действует электростатическое поле, которое создает силу, толкающую заряды в определенном направлении. Кроме того на движущиеся заряженные частицы (в проводнике) действуют непотенциальные "силы трения", величина которых пропорциональна скорости движения свободных носителей заряда относительно проводника. Такое объяснение (модель) в первом приближении адекватно рассматриваемой ситуации. Разница потенциалов U и ток I пропорциональны друг другу. Коэффициент пропорциональности R называют сопротивлением проводника.

Это соотношение называют законом Ома для однородного участка электрической цепи:

U = R · I

Для поддержания постоянного электрического тока в электрической цепи, неподвижные проводники которой обладают электрическим сопротивлением, в ней обязательно должно быть устройство (или устройства) в котором электрические заряды могут перемещаться в направлении, не совпадающем с направлением сил, действующих на них со стороны электростатического (потенциального) поля. Такие устройства называются источниками тока. В этих устройствах на заряженные частицы действуют непотенциальные силы, которые, например, заставляют в батарейке электрически заряженные частицы двигаться в сторону, противоположную направлению действия электростатических (потенциальных) сил. Такие силы называются сторонними силами. Классическая физика не может объяснить природу таких сил в химических источниках тока (батарейках и аккумуляторах).

Рассмотрим участок цепи, содержащий источник тока (неоднородный участок электрической цепи). Как внутри, так и вне этого самого прибора существуют участки цепи, на которых движущиеся заряды испытывают силы трения. Давайте в соответствии с традицией, разделим все силы, действующие на заряды, на потенциальные, силы трения и все остальные — сторонние силы. 

Пунктирной линией на рисунке обведено схематическое изображение источника тока. Суммарное сопротивление на всех участках, которые находятся внутри корпуса источника, называется внутренним сопротивлением источника тока — r. Работа сторонних сил внутри источника, отнесенная к величине заряда, при перемещении которого эта работа была совершена, называется ЭДС (электродвижущая сила) источника и обозначается или (мы будем обозначать ее как ). Рисунок батарейки означает, что при перемещении положительного заряда Q от электрода, обозначенного толстой короткой черточкой к электроду, обозначенному длинной и тонкой черточкой, работа сторонних сил в источнике положительна и равна QЕЭДС. Тепло выделяется на внутреннем сопротивлении r при протекании тока вне зависимости от направления тока. На концах участка электрической цепи, содержащей источник тока и сопротивление нагрузки R, созданы потенциалы (на рисунке слева) и (на рисунке справа).

Работа всех в сумме сил, действовавших на какой-либо малый заряд Q, медленно прошедший по любому участку электрической цепи, равна нулю. Действительно, работа сил может привести к изменению кинетической энергии частицы, но кинетическая энергия частицы (с зарядом) была близка к нулю в начале ее путешествия и осталась такой же близкой к нулю в конце путешествия.

Полученное соотношение называют законом Ома для участка цепи, содержащего ЭДС. В полученной формуле предполагается, что ток течет от точки 1 к точке 2. Если расчет приводит к отрицательной величине тока, то это означает, что мы просто ошиблись, указав неверный знак тока (в соответствии с выбранным положительным направлением плотности тока в проводнике). Напряжение на выводах источника тока, равное разнице между конечным значением потенциала и начальным значением , зависит от выбора направления перемещения зарядов, которое считается положительным.

Напряжение на выводах источника зависит от величины и направления тока, протекающего через источник, то есть не является постоянной величиной. В частности, если ток течет от точки 1 к точке 2, напряжение на выводах источника меньше ЭДС источника. Это характерно для любого источника тока, в котором сторонние силы совершают положительную работу при прохождении заряженных частиц через источник. Если же работа сторонних сил внутри источника отрицательна, то напряжение на выводах источника будет больше его ЭДС.