Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

Соединим проводником два металлических шарика, несущих заряды противоположных знаков. Под влиянием электрического поля этих зарядов в проводнике возникает электрический ток. Но этот ток будет кратковременным. Заряды быстро нейтрализуются, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электрическое поле исчезнет. Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. 
В таком устройстве на заряды, кроме электрических сил должны действовать силы и неэлектрического происхождения. Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный ток в цепи. Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т.е. кулоновских), называют сторонними силами. Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах.

При замыкании цепи создается электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.
Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонняя сила – эта сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.

В гальваническом элементе, например, в элементе Вольта, действуют химические силы. Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещенных в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая обусловливает ток в замкнутой электрической цепи.
Первая электрическая батарея появилась в 1799 году. Её изобрел итальянский физик Алессандро ВОльта (1745 - 1827) — итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока. Его первый источник тока – «вольтов столб» был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой. 
Гальванический элемент- химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительной реакцией.
До конца XVIII века все технические источники тока были основаны на электризации трением. Наиболее эффективным из этих источников стала электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака) Сторонние  силы  возникают  в  результате  трения.
Прибор фотоэлемент.
При освещении некоторых веществ светом в них появляется ток, световая энергия превращается в электрическую. 
В данном приборе заряды разделяются под действием света. Фотоэлементы применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.
Сторонние  силы  возникают  под  действием  света.
Прибор термоэлемент.
Если две проволоки из разных металлов спаять с одного края, а затем нагреть место спая, то в них возникнет ток - заряды при нагревании спая разделяются. Термоэлементы применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях в качестве датчика температуры.
Сторонние  силы  возникают  под  действием тепла. 
Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС). Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду. Электродвижущую силу выражают в вольтах. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке, т.е. работа по перемещению единичного заряда.
Если на батарейке написано 1,5 вольт, то это означает, что сторонние силы (химические в данном случае) совершают работу 1,5 Джоулей при перемещении заряда в 1 Кулон от одного полюса батарейки к другому. Постоянный ток не может существовать в замкнутой цепи, если в ней не действуют сторонние силы, т.е нет ЭДС.
Электродвижущая сила определяет силу тока в замкнутой электрической цепи с известным сопротивлением. Рассмотрим простейшую полную (замкнутую) цепь, состоящую из источника тока (гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора сопротивлением (эр большое) R . Источник тока имеет ЭДС и сопротивление (эр малое) r . Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением, в отличие от внешнего сопротивления (эр большое) R цепи. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление цепи: Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению. 
Пример. ЭДС батареи 6,0 В, ее внутреннее сопротивление 0,5 Ом, сопротивление внешней цепи 11,5 Ом. Найдите силу тока в цепи, напряжение на зажимах батареи и падение напряжения внутри батареи.
Запишем данные: ЭДС равен 6 Вольт, сопротивление источника тока-0,5 Ом, сопротивление внешнего участка цепи составляет 0,5 Ом. 
Пусть R (эр большое) - сопротивление внешнего участка цепи, r (эр малое) - внутреннее сопротивление батареи.
Тогда по закону Ома для замкнутой цепи (формула), где ε(эпсилон) - ЭДС батареи, I (и)- сила тока в цепи. Так как сила тока I одинакова как для внешнего, так и для внутреннего участков цепи, то напряжение на зажимах батареи, т.е. на внешнем участке цепи с сопротивлением R , по закону Ома для этого однородного участка есть формула.
Аналогично, для внутреннего участка цепи, имеющего сопротивление r (эр малое), можно записать как произведение силы тока на внутреннее сопротивление. Учитывая формулу силы тока, имеем для U _r (у эр малое).

Подставляем значения и проводим расчеты.
Получаем ответ: сила тока в цепи равна 0,5 А; напряжение на зажимах батареи 5,75 В; падение напряжения на внутреннем сопротивлении 0,25В.
Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи (R>>r). При этом напряжение на зажимах источника приблизительно равно ЭДС.
При коротком замыкании, сила тока в цепи определяется именно внутренним сопротивлением источника и при электродвижущей силе в несколько вольт может оказаться очень большим, если r мало. Провода могут расплавиться, а сам источник выйти из строя.
Для защиты от короткого замыкания принимают специальные меры.
Устанавливают токоограничивающие электрические реакторы, применяют распараллеливание электрических цепей, т.е. отключение секционных и шиносоединительных выключателей, используют понижающие трансформаторы с расщепленной обмоткой низкого напряжения; используют отключающее оборудование – быстродействующие коммутационные аппараты с функцией ограничения тока короткого замыкания – плавкие предохранители и автоматические выключатели; применяют устройства релейной защиты для отключения поврежденных участков цепи.
Если цепь содержит несколько последовательно соединенных элементов с ЭДС, то полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных элементов.
 Знак ЭДС определяется произвольно  по  выбранному   направлению обхода контура. Если при обходе переходим от отрицательного полюса к положительному, то ЭДС будет положительной. 
Как вы думаете, какое напряжение может представлять опасность для жизни человека?
Опасная для жизни человека сила тока равна 0,05 ампер. Сопротивление человеческого тела между его руками изменяется в зависимости от его самочувствия, опускаясь до 800 Ом. Следовательно, человек может погибнуть при напряжении уже в 40 вольт! С током лучше не шутить/