Сторонние силы. ЭДС

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей заряда очень быстро приведет к исчезновению поля и прекращению тока. Для поддержания тока 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.

То есть нужно осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути. Циркуляция вектора напряжением электростатического поля равна нулю

Рис. 15.1.

.

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. рис. 15.1). Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними 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 полями, порождаемыми меняющимися во времени магнитными полями.

Величина, равная работе сторонних сил, затраченной на перемещение единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) e, действующей в цепи или на ее участке

e = .

Из сопоставления этой формулы с формулой, определяющей потенциал: , следует, что размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала.

Стороннюю силу , действующую на заряд , можно представить в виде

.

Векторную величину называют напряженностью поля сторонних сил. Работу сторонних сил над зарядом на всем протяжении замкнутой цепи можно выразить следующим образом:

.

Разделив эту работу на , получим ЭДС действующую в цепи: e = . Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

ЭДС, действующая на участке 1-2, очевидно, равна e ₁₂ = .

Кроме сторонних сил на заряд действуют силы электростатического поля

.

Результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд , равна

.

Работа, совершаемая этой силой над зарядом на участке цепи 1-2, дается выражением

e ₁₂ .

Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением на данном участке цепи

e ₁₂.

При отсутствии сторонних сил напряжение совпадает с разностью потенциалов .