Постійний струм та кола постійного струму

План

1. Джерело електричного струму.
2. Електрорушійна сила струму.
3. Напруга на ділянці кола.
4. Закон Ома для повного кола.

Усередині джерела струму відбувається поділ зарядів, у результаті чого на позитивному полюсі джерела накопичується позитивний заряд, а на негативному – негативний. Внаслідок цього між полюсами виникає різниця потенціалів, і в зовнішній частині кола виникає електростатичне поле, під дією якого в зовнішньому колі тече струм.

Поза джерелом струму вільні заряди рухаються під дією сил електростатичного поля, але усередині джерела вони рухаються проти сил цього поля.

Причини руху зарядів у джерелі за своєю природою відрізняються від природи кулонівських сил. Сукупність причин, через які відбувається вимушене переміщення зарядів усередині джерела струму, називають сторонніми силами.

Природа сторонніх сил може бути різною: вони можуть виникати в результаті хімічних реакцій (у гальванічних елементах і акумуляторах), зміни магнітного поля (в електромагнітних генераторах), завдяки світловому впливу (у фотоелементах) і т. ін.

2. ЕРС джерела струму

Сторонні сили своєю роботою замикають коло і забезпечують сталість струму. Кожне джерело струму характеризується роботою діючих у ньому сторонніх сил з переміщення одиниці позитивного заряду, тобто певною електрорушійною силою (ЕРС).

– Електрорушійна сила  – це скалярна величина, що характеризує енергетичні властивості джерела струму й дорівнює відношенню роботи сторонніх сил з переміщення позитивного заряду усередині джерела до значення цього заряду:

У системі СІ: 

ЕРС джерела струму дорівнює 1 В, якщо сторонні сили, що діють у джерелі, виконують роботу 1 Дж, переміщаючи одиничний позитивний заряд від негативного полюса до позитивного.

Будь-яке джерело струму по суті є перетворювачем енергії: у ньому один який-небудь вид енергії перетворюється в електричну. Із цього погляду сторонні сили й виконують роботу з поділу зарядів (фізична величина, вимірювана роботою сторонніх сил з роз’єднання одиниці кількості електрики).

3. Напруга на ділянці кола

Якщо під час проходження по ділянці електричного струму на вільні заряди діють тільки кулонівські сили, ділянку називають однорідною, якщо діють і кулонівські й сторонні сили, то – неоднорідною.

Розглянемо неоднорідну ділянку 1-2 електричного кола, зображену на рисунку.

Оскільки ділянка неоднорідна, то робота A1-2 з переміщення вільних заряджених частинок, виконувана під час проходження електричного струму на цій ділянці, дорівнює:

Тоді робота з переміщення одиничного позитивного заряду на ділянці 1-2 електричного кола дорівнює:

З урахуванням того, що Одержуємо:

Де U1-2 – напруга на ділянці 1-2 кола.

Таким чином,

– напруга на ділянці кола – це скалярна величина, яка чисельно дорівнює повній роботі A1-2 кулонівських і сторонніх сил з переміщення одиничного позитивного заряду на ділянці кола:

4. Закон Ома для повного кола

Визначимо силу струму на неоднорідній ділянці. З урахуванням закону Ома для ділянки кола одержуємо:

Якщо з’єднати кінці цієї ділянки, одержимо повне (замкнуте) електричне коло, що складається із двох частин – внутрішньої й зовнішньої. Внутрішня частина являє собою джерело струму, що має ЕРС  і внутрішній опір r; зовнішня – сполучні проводи й резистор загального опору R.

Для повного кола?1 = ?2, а загальний опір кола дорівнює сумі опорів зовнішньої й внутрішньої частин кола R + r.

Тоді одержуємо закон Ома для повного (замкнутого) кола:

– сила струму в замкнутому колі, що містить одне джерело, дорівнює відношенню ЕРС джерела до повного опору кола:

Якщо коло містить кілька послідовно увімкнених елементів з ЕРС 1, 2, 3 і т. ін., то повна ЕРС кола дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС окремих елементів.

Загальний опір кола дорівнює сумі всіх опорів:

У випадку послідовного з’єднання n однакових джерел струму, кожний з яких має ЕРС ‘ і внутрішній опір r’, закон Ома має вигляд:

У випадку паралельного з’єднання n однакових джерел струму, кожне з яких має ЕРС ‘ і внутрішній опір r’, закон Ома має вигляд: