СТОРОННИЕ СИЛЫ
СТОРОННИЕ СИЛЫ — непотенциальные (неэлектростатические) силы, действующие на электрические заряды внутри источника тока и вызывающие их перемещение против направления действия сил электростатического поля. Обусловлены хим. реакциями, контактными явлениями,… … Большая политехническая энциклопедия
СТОРОННИЕ СИЛЫ — в электротехнике силы, действующие на заряж. частицы и тела, но не являющиеся ни силами электростати ч. поля (см. Электростатика), ни силами индуктированного электрического поля. С. с. обусловлены хим. реакциями, контактными явлениями, механич.,… … Большой энциклопедический политехнический словарь
ПОНДЕРОМОТОРНЫЕ СИЛЫ — вэлектродинамике силы, действующие на тела в электрич. и магн. полях. Термин П. с. введён во времена, когда наряду с весомыми телами признавалось существование невесомых субстанций (эфир, электрич. жидкость и т. п.); в совр. лексиконе иногда… … Физическая энциклопедия
электродвижущая сила — (эдс), величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой… … Энциклопедический словарь
постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся во времени. * * * ПОСТОЯННЫЙ ТОК ПОСТОЯННЫЙ ТОК, электрический ток (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК), величина и направление которого не изменяются с течением времени. Постоянный электрический ток может возникнуть только… … Энциклопедический словарь
Электродвижущая сила — (эдс) физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль… … Большая советская энциклопедия
Ома закон — для участка электрической цепи (проводника), не содержащего источников эдс, устанавливает связь между силой тока в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) на его концах: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно… … Энциклопедический словарь
вольтметр — а; м. [от сл. вольт и греч. metron мера] Прибор для измерения напряжения в электрической цепи. * * * вольтметр прибор для измерения эдс или напряжения (в мкВ, мВ, В, кВ) в электрических цепях; включается параллельно нагрузке. * * * ВОЛЬТМЕТР… … Энциклопедический словарь
СИЛА — жен. источник, начало, основная (неведомая) причина всякого действия, движенья, стремленья, понужденья, всякой вещественой перемены в пространстве, или: начало изменяемости мировых явлений, Хомяков. Тяготенье основная сила природы. Сила есть… … Толковый словарь Даля
электромагнитная индукция — возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром; электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током. * * *… … Энциклопедический словарь
Сторонние силы. ЭДС
Для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи источника тока — устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения. Перемещение носителей тока под действием сил электростатического поля приводит к выравниванию потенциалов всех точек цепи и прекращению тока.
Сторонними силами называются силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды либо на отдельных участках цепи, либо во всей цепи.
Количественная характеристика сторонних сил — поле сторонних сил и его напряженность ?стор, определяемая сторонней силой, действующей на единичный положительный заряд:
Природа сторонних сил может быть различной: в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами, в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора, в солнечных батареях — за счет энергии фотонов и т.п.
Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против кулоновских сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.
Физическая величина, определяемая работой, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС), действующей в цепи:
Эта работа совершается за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину ? можно назвать ЭДС источника тока, включенного в цепь.
Единица ЭДС в СИ — вольт (В).
Участок электрической цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным. Участок цепи, на котором на носители тока действуют сторонние силы, называется неоднородным.
На замкнутом участке цепи работа сторонних сил по перемещению заряда q 
Отсюда ЭДС, действующая в замкнутой цепи, — это циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил:
Рис. 14.2. Участок цепи с ЭДС
Следовательно, для поля сторонних сил циркуляция его напряженности по замкнутому контуру не равна нулю. ЭДС, действующая на участке 1—2 цепи (рис. 14.2), находится как
Если на заряд q действуют сторонние силы /стор и силы электростатического поля Fe, то результирующая сила
Работа результирующей силы по перемещению заряда q на участке 1—2 определяется с помощью формул (14.176) и (12.21) как
Так как работа электростатических сил для замкнутой цепи равна нулю (ф, = ф2), получаем
Рис. 14.3. К вычислению работы электрического тока
Напряжением Un на участке 1—2 называется физическая величина, численно равная суммарной работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда на данном участке цепи (рис. 14.3):
Таким образом, напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов, если участок является однородным (т.е. на участке не действует ЭДС, сторонние силы отсутствуют):
Сопротивление соединения проводников. В случае последовательного соединения п проводников, показанного на рис. 14.4, а, сила тока в них будет одинаковой: /,= /2 =. = /„ = / .
Рис. 14.4. Соединения п проводников(я = 3): а — последовательное; б — параллельное
Используя закон сохранения энергии, согласно которому полное напряжение U равно сумме падений напряжений на каждом сопротивлении, получаем, что
При параллельном соединении п проводников (рис. 14.4, б) к каждому проводнику приложено полное напряжение U: U <= U2 = . =Un =U. Учтем, что заряд сохраняется. Тогда
Поэтому общее сопротивление цепи оказывается меньше сопротивления каждого из резисторов в отдельности: 
Электродвижущая сила. Внутреннее сопротивление источника тока.
Сторонние силы. Для поддержания постоянной разности потенциалов на концах проводника, а значит, и тока необходимо наличие сторонних сил неэлектрической природы, с помощью которых происходит разделение электрических зарядов.
Сторонними силами называются любые силы, действующие на электрически заряженные частицы в цепи, за исключением электростатических (т. е. кулоновских).
Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах, на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.
При замыкании цепи создается электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны движутся от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит а движение электрическое поле (см. рис. выше).
В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение разных видов энергии в электрическую. По типу преобразованной энергии различают следующие виды электродвижущей силы:
— электростатическая — в электрофорной машине, в которой происходит превращение механической энергии при трении в электрическую;
— термоэлектрическая — в термоэлементе — внутренняя энергия нагретого спая двух проволок, изготовленных из разных металлов, превращается в электрическую;
— фотоэлектрическая — в фотоэлементе. Здесь происходит превращение энергии света в электрическую: при освещении некоторых веществ, например, селена, оксида меди (I), кремния наблюдается потеря отрицательного электрического заряда;
— химическая — в гальванических элементах, аккумуляторах и др. источниках, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую.
Электродвижущая сила (ЭДС) — характеристика источников тока. Понятие ЭДС было введено Г. Омом в 1827 г. для цепей постоянного тока. В 1857 г. Кирхгофф определил ЭДС как работу сторонних сил при переносе единичного электрического заряда вдоль замкнутого контура:
Электродвижущую силу выражают в вольтах.
Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке.
Внутреннее сопротивление источника тока .
Пусть имеется простая замкнутая цепь, состоящая из источника тока (например, гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора с сопротивлением R. Ток в замкнутой цепи не прерывается нигде, следовательно, oн существует и внутри источника тока. Любой источник представляет собой некоторое сопротивление дли тока. Оно называется внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой r.
В генераторе r — это сопротивление обмотки, в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.
Таким образом, источник тока характеризуется величинами ЭДС и внутреннего сопротивлении, которые определяют его качество. Например, электростатические машины имеют очень большую ЭДС (до десятков тысяч вольт), но при этом их внутреннее сопротивление огромно (до сотни Мом). Поэтому они непригодны для получения сильных токов. У гальванических элементов ЭДС всего лишь приблизительно 1 В, но зато и внутреннее сопротивление мало (приблизительно 1 Ом и меньше). Это позволяет с их помощью получать токи, измеряемые амперами.
Сторонние силы и ЭДС
Для того чтобы в проводнике ток существовал длительное время, необходимо, чтобы движение заряженных частиц, например, электронов, поддерживалось какой-либо внешней силой. Следовательно, нужно, чтобы от конца проводника с меньшим потенциалом (считаем, что носители электрического тока положительные) непрерывно отводились приносимые туда заряды, а к концу с большим потенциалом заряды постоянно подводились. То есть необходим круговорот зарядов по замкнутому пути, именно тогда ток будет течь. Данный факт согласуется с замкнутостью линий тока. То есть ЭДС — это работа, прилагаемая по перемещению положительного заряда в замкнутом контуре.
Сторонняя электродвижущая сила (далее сторонняя сила) не может быть электростатической, потому что электростатическое поле потенциально.
Работа потенциальной силы, для контура с током, равна нулю. При таком условии ток существовать не может, так как ток должен совершать работу по преодолению сопротивления проводников. Сторонняя сила может быть механической или электрической (не электростатической), иметь химическое происхождение и т.д.. Также для замкнутого контура причиной возникновения ЭДС может стать изменение потока магнитного поля, это связано с явлением электромагнитной индукции.
С учетом сторонних сил закон Ома в локальной форме записывается в виде:
$\overrightarrow
- $\overrightarrow
$ — вектор плотности электрического тока, - $\sigma $ — удельная проводимость,
- $\overrightarrow
$ — напряжённость поля кулоновских сил, $\overrightarrow
Пример сторонних сил
Простейшая схема источника сторонней силы (источника тока), которая имеет механическое происхождение, представлена на рис.1.
Рисунок 1. Схема источника сторонней силы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Готовые работы на аналогичную тему
Пусть между электродами А и В (рис.1) находится электрически нейтральная среда с равным зарядов противоположного знака. Сторонняя сила неэлектрического происхождения перемещает положительные заряды к электроду В (данный электрод заряжается положительно), а отрицательная к электроду А (отрицательно заряженный электрод). Во внешней цепи течет электрический ток. Ток производит работу. Энергия, которая необходима для производства такой работы, сообщается внешними силами, которые тратят ее на разделение зарядов между электродами. Ток внутри источника сторонней силы замыкает ток внешней цепи. Направление электрического тока во внешней цепи — от положительного электрода к отрицательному, внутри источника тока, наоборот. Практической реализацией такой схемы является электростатическая машина.
Электродвижущая сила
Сторонние силы характеризуются работой, совершающей ими при перемещении заряда по цепи. Так электродвижущей силой (ЭДС) ($\mathcal E$) называют:
- $q$ — заряд,
- $A$ — работа сторонних сил.
Основная размерность ЭДС в системе СИ: $\left[\mathcal E \right]=В$.
ЭДС, действующую на участке 1-2 можно выразить как:
- $\overrightarrow
- $d\overrightarrow
$— вектор перемещения.
Интеграл (3) для замкнутой цепи даст выражение для ЭДС в этой цепи, как циркуляции вектора напряженности сторонних сил:
ЭДС связана с падением напряжения или просто напряжением ($U$) на участке цепи 1-2 соотношением:
Задание № 1: Опишите механизмы, которые позволяют использовать гальванические элементы в качестве источников постоянного тока.
Решение:
Часто встречаются источники постоянного тока, которые называют гальваническими элементами. При контакте твердого тела и жидкости появляется разность потенциалов. В некоторых случаях при таком контакте проходит химическая реакция. Допустим, если цинковую пластинку опустить в раствор серной кислоты, то цинк растворяется. В раствор перемещаются положительные ионы цинка, то есть раствор имеет положительный заряд, а сама цинковая пластина отрицательный, возникает электрический ток. При некоторой разности потенциалов переход ионов цинка в раствор заканчивается. Эта разность потенциалов называется электрохимическим потенциалом. (Он зависит от свойств металла, жидкости и концентрации ионов металла в растворе). Для растворов в серной кислоте этот потенциал цинка равен – 0,5В, для меди электрохимический потенциал равен +0,6В.
При погружении двух металлов в раствор возникает разность потенциалов между ними, которая равна разности из электрохимических потенциалов. Система из двух электродов из разных металлов, погруженная в раствор называется гальваническим элементом, разность потенциалов между металлами — ЭДС элемента.
Так, например, элемент Вольта состоит из медной и цинковой пластин, которые находятся в растворе серной кислоты. Зная электрохимические потенциалы цинка и меди, получим ЭДС элемента Вольта:
В гальваническом источнике Вольта имеются 2 сторонние $\mathcal E$, которые сосредоточены в поверхностных слоях, где соприкасаются цинковая и медная пластины с раствором. Толщина этих слоев — молекула. В остальном объеме раствора сторонних $\mathcal E$ нет. Когда пластины соединяют проводником, по нему течет ток от медной (положительной) пластины к цинковой (отрицательной) пластине. В растворе между электродами направление тока — обратное: от цинковой пластины к медной.
Сторонняя ЭДС элемента определена его свойствами, и не зависит от силы тока, который течет по цепи. Изменение напряжения на внешней цепи всегда меньше, чем ЭДС элемента. Чем меньше внутренне сопротивление гальванического элемента, тем выше качество источника тока.
При прохождении тока в цепи элемента Вольта положительные ионы цинка переходят в раствор, там они соединяются с отрицательными ионами, на который, наряду с положительным ионом водорода, диссоциирует серная кислота. То есть в растворе проходит химическая реакция. Продукты реакции частично выпадают в виде осадка. При этом положительные ионы водорода движутся к медной пластине, там они нейтрализуются электронами тока проводимости в пластине. На поверхности медной пластины образуется водородная пленка. Эта пленка увеличивает внутреннее сопротивление элемента и одновременно, образует дополнительный электрохимический потенциал, который направлен против потенциала, который был на пластине до образования пленки. Так, ЭДС элемента уменьшается. Подобные процессы, называют поляризацией элемента.
Для того чтобы уменьшить падение ЭДС гальванического элемента применяют различные методы деполяризации, например, используют сильные окислители, которые связывают водород и кислород с образованием воды.
Задание № 2: Источник ЭДС $\mathcal E=1$ В имеет внутреннее сопротивление $r=1$ Ом включен в цепь, которая содержит сопротивление $R=9$ Ом. Найдите силу тока в цепи ($I$), падение напряжения во внешней цепи ($U$), падение потенциала внутри элемента ($U_r$).
Решение:
Для замкнутой цепи, которая содержит источник ЭДС запишем закон Ома в виде: