Падение напряжения IR и измерение этих величин

Важнейшей харак­теристикой источника тока является его электро­движущая сила E (ЭДС) – физическая величина, численно равная ра­боте сторонних сил по перемещению единичного положительного за­ряда внутри источ­ника. ЭДС называют характеристику любого внеш­­него воздействия, приводящего к разделению зарядов, например, химические реакции в гальваническом элементе или механическое движение ротора в электрическом генераторе. За счет действия сторонних (не электростатических) сил на клеммах источ­ника, разделяющих внутреннюю и внешнюю цепи, появляются избыточ­ные электрические заряды. При этом возникает электростатическое по­ле, как снаружи, так и внутри источника. Причем внутри источника это поле оказывается направленным на­встречу по­лю сторонних сил, рис. 1.

Пусть сторонние силы будут направ­лены таким образом, чтобы на левом конце источника тока возникли положительные заряды. Электро­ста­ти­чес­кое по­ле направлено всегда от положи­тельных зарядов к отрицательным. При разомкнутом ис­точнике движение зарядов внутри источника отсутствует и электростатическое поле уравновешивается полем сторонних сил. Поскольку электростатическое поле ха­рак­теризуется разностью потенциалов, а поле сторонних сил – электродвижущей силой, то можно утверждать, что ЭДС численно равна и противоположна по направлению разности потен­циалов на полюсах разомкнутого источникатока:

j ₁ - j ₂ = E. (1)

Подключим источник тока к некоторому внешнему со­про­тив­ле­нию. Снаружи заряды начнут перемещаться под дей­ствием электростатического поля. Внутри же источника то­ка работа сторонних сил идет теперь не только на создание электростатического поля, но и на перемещение зарядов внутри источника тока.

Перемещение зарядов в проводниках сопряжено с пре­вращением энергии электрического поля в тепловую. Мерой этой работы на участке внешней цепи при перемещении единичного положительного электрического заряда является падение напряжения U на участке цепи. В случае постоянного тока и неподвижных проводников первого рода (ког­да исключаются превра­щения электрической энергии в механическую или химическую) падение напряжения равно произведению тока (I) на сопротивле­ние участка R (U = I×R).

Таким образом, во внешней цепи, где нет сторонних сил, работа электрического поля сводится к работе электро­статического поля и, следовательно,

j ₁ - j ₂ = I×R. (2)

Во внутренней цепи работа совершается под действием сторонних сил и электро­статического поля и, следовательно,

I×r = - (j ₁ - j ₂ ) + E, (3)

где r - сопротивление внутренней цепи (внутренне сопротивление источника тока). Знак минус перед раз­ностью потен­циа­лов обозначает противоположность направле­ний полей сторон­них сил и электростатического. Фор­мула (3) выражает обобщенный закон Ома для участка цепи, содержащего электродвижущиесилы.

Перепишем уравнение (3) в следующем виде: j ₁ - j ₂ = E - I × r. Вид­но, что при отсутствии сторонних сил (ЭДС) па­дение напряжения I×r равно разности потенциалов (j ₁ - j ₂), а при отсут­ст­вии тока на участке (I = 0) разность потенциалов равна ЭДС (см. формулу 1).

Таким образом, измерение ЭДС или падения напряжения при указанных условиях сводится к измерению разности потенциалов на этом участке.