І знову доброго времени суток вам, шановні. Без зайвих прелюдій почнемо наша сьогоднішня розмова. Здавалося б, з причинами виникнення струму в провіднику ми давно розібралися. Помістили провідник в поле - побігли електрони, виник струм. Що ще потрібно. Але виявляється, щоб цей струм існував в провіднику постійно, необхідно дотримуватися деяких умов. Для більш ясного розуміння фізики процесу протікання електричного струму в провіднику розглянемо приклад.

Припустимо, що у нас є деякий провідник, який ми помістимо в електричне поле як показано на малюнку 4.1.

Малюнок 4.1 - Провідник в електричному полі

Умовно позначимо величину напруженості на кінцях провідника як E1і E2, причому E1> E2. Як ми з'ясували раніше, вільні електрони в провіднику почнуть рухатися в бік більшої напруженості поля, тобто в точку А. Однак згодом потенціал, утворений скупченням електронів в точці А стане таким, що створюване їм власне електромагнітне поле E0 зрівняється по модулю із зовнішнім полем , причому напрямки полів будуть протилежними, оскільки потенціал точки В - більш позитивний (недолік електронів, викликаний впливом зовнішнього поля).

Оскільки результуюча дія двох однакових протилежних сил дорівнює нулю: | E | + | (E0) | = 0, електрони припиняють впорядкований рух, електричний струм припиняється. Для того, щоб потік електронів був безперервний необхідно: по-перше, прикласти додаткову силу не потенційного характеру, яка б компенсувала вплив власного електричного поля провідника і, по-друге, створити замкнутий контур, оскільки переміщення електронів може відбуватися тільки в провідниках (раніше ми вказали, що діелектрики хоч і мають деяку електропровідність, але не пропускають електричний струм) і для забезпечення сталості компенсує сили необхідно сталість полів: як зовнішнього так і собст венного.

Почнемо розбиратися з другого пункту. Будемо розглядати провідник, поміщений в поле, як показано на малюнку 4.2. Припустимо, що після того, як взаємодія зовнішнього і власного електромагнітних полів було скомпенсировано, ми доклали додатково до зовнішнього полю ще одне таке ж поле. Сумарна дія зовнішнього поля складе 2 • | E |. Струм в провіднику продовжить текти в тому ж напрямку, однак рівно до того моменту, поки 2 • | E |> | E0 |, після чого електричний струм знову припинитися. Тобто зовнішній вплив має збільшуватися безперервно для забезпечення протікання струму в розімкнутому провіднику, що неможливо.
Якщо замкнути провідник так, щоб одна його частина лежала поза полем, тоді за рахунок роботи додаткової сили крім зовнішнього поля (ця сила в такому випадку повинна бути не потенційної, оскільки робота потенційної сили в замкнутому контурі дорівнює нулю і не залежить від форми траєкторії), то в провіднику виникне електричний струм, обумовлений впливом тільки зовнішнього поля, оскільки власне поле провідника буде повністю скомпенсировано. Саме тому будь-яка електрична ланцюг завжди повинна бути замкнутою.

Можна спробувати пояснити необхідність введення додаткової сили з такого міркування: якби ми могли заряди з кінця У провідника частково перекидати на кінець А провідника, електричний струм б так само не припинявся. Однак, на таке «десантування» так само потрібна енергія. Значить, введення додаткової сили все одно необхідно. Чи не потенційні сили так само називають сторонніми силами. А їх джерела - джерелами або генераторами струму.

Малюнок 4.2 - Виникнення власного електромагнітного поля в провіднику

Так де ж взяти додаткову силу, яка, до того ж, не повинна бути створена полем, адже без неї струму ми не отримаємо? Виявляється, під час перебігу хімічної відновлювально-окиснювальної реакції, наприклад, взаємодія діодксіда свинцю і розведеної сірчаної кислоти, відбувається вивільнення вільних електронів:

Для того, щоб «притягнути» всі електрони, вивільнені в процесі реакції до однієї точки простору, в розчин сірчаної кислоти міститься кілька свинцевих решіток, званих електродами. Одна частина електродів виготовляється зі свинцю і називається катод, інша - анод - виготовляється з діоксиду свинцю. Катод є джерелом вільних електродів для зовнішньої ланцюга, а анод - приймачем.

Наведений приклад відповідає відомому всім автомобілістам (та й не тільки) пристрою - свинцево-кислотного акумулятора. Звичайно, наведений приклад мало збігається з тим, що відбувається всередині акумулятора в дійсності, однак, суть виникнення струму відображає добре. Таким чином, між позитивним анодом (мало електронів) і негативним катодом (багато електронів) виникає електричне поле, яке формує сторонні сили і створює струм в провіднику. Ця сила залежить тільки від протікання хімічної реакції, то вона практично постійна до того моменту, поки існують елементи цієї реакції - кислота і оксид свинцю. Отже, якщо ми приберемо електричне поле і підключимо провідник до анода і катода, електричний струм все одно буде протікати через те, що акумулятор створює сторонню силу. Провідник матиме навколо себе власне електричне поле, яке потрібно подолати акумулятора, щоб перенести електрон від катода до анода. В цьому і є суть сторонньої сили.

Тепер розглянемо ситуація з акумулятором і підключеним до нього проводніком.Електріческое поле здійснює позитивну роботу по переміщенню позитивного заряду (ми говоримо саме про позитивні заряди, так як напрямку їх руху відповідає напрямок струму) в напрямку зменшення потенціалу поля. Джерело струму повинен розподілити електричних зарядів - на одному полюсі накопичуються позитивні заряди, на іншому негативні. Напруженість електричного поля в джерелі спрямована від позитивного полюса до негативного, тому робота електричного поля по переміщенню позитивного заряду буде позитивною при його руху від «плюса» до «мінуса». Робота сторонніх сил, навпаки, позитивна в тому випадку, якщо позитивні заряди переміщаються від негативного полюса до позитивного, тобто від «мінуса» до «плюса» .У цьому принципова відмінність понять різниці потенціалів і ЕРС, про який завжди необхідно пам'ятати.

На малюнку 4.3 показано напрямок протікання струму I в провіднику, підключеному до акумулятора - від позитивного анода до негативного катода, однак всередині акумулятора сторонні сили хімічної реакції виробляють «десантування» електронів, що прийшли із зовнішнього ланцюга з анода на катод і позитивних іонів з катода на анод, тобто діють проти напрямку руху струму і напрямки поля.

Малюнок 4.3 - Демонстрація сторонніх сил при виникненні електричного струму

Із зроблених вище міркувань можна зробити наступний висновок: сили, що діють на заряд всередині джерела струму відмінні від сил, що діє всередині провідника. Відповідно, необхідно ці сили відрізняти один від одного. Для характеристики сторонніх сил була введена величина електрорушійної сили (ЕРС) - роботи, яку здійснюють сторонніми силами по переміщенню одиничного позитивного заряда.Обозначается латинською буквою & # 949 ( «Епсілон») і вимірюється так само, як і різниця потенціалів - в вольтах.

Оскільки різниця потенціалів і ЕРС є силами різного типу, можна говорити про те, що ЕРС поза висновків джерела дорівнює нулю. Хоча в звичайному житті цими тонкощами нехтують і кажуть: «Напруга на батареї 1.5В», хоча строго кажучи напруга на ділянці кола - сумарна робота електростатичних і сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду. В майбутньому ми ще будемо стикатися з цими поняттями і вони стануть в нагоді нам при розрахунку складних електричних ланцюгів.

На цьому, мабуть все, тому що урок вийшов надто навантаженим ... Але поняття напруга і ЕРС потрібно вміти відрізняти.

• Для існування електричного струму необхідно дві умови:
  1) замкнуте електричне коло;
  2) наявність джерела сторонніх непотенційного сил.
• Електрорушійна сила (ЕРС) - робота, що здійснюються сторонніми силами по переміщенню одиничного позитивного заряду.
• Джерела сторонніх сил в електричному ланцюзі називаються так само джерелами струму.
• Позитивний висновок акумулятора називається анод, негативний - катод.

Задачок на цей раз не буде, краще зайвий повторити цей урок, щоб розуміти всю фізику протікання струму в провіднику. Як завжди будь-які запитання, пропозиції та побажання можете залишати в коментарях нижче! До нової зустрічі!

← Урок 3: Закон Ома | зміст | Урок 5: Джерела живлення →