Закон Ома для неоднорідної ділянки ланцюга
Неоднорідний ділянку ланцюга складається з джерела і опору (рис. 16.6). Падіння напруги на опорі дорівнює сумі питомих робіт кулонівських сил і сил стороннього поля:
.
Якщо (рис. 16.6а), то струм тече від точки А до точки В, кулонівських сили більше сил стороннього поля; якщо (рис. 16.6б), то сила струму дорівнює нулю; якщо (рис. 16.6в), то заряди рухаються і під дією кулонівських сил і під дією сторонніх сил в одному напрямку.
Послідовне і паралельне з'єднання джерел струму
При послідовному з'єднанні декількох джерел струму (рис. 16.7а) повна ерс батареї дорівнює сумі алгебри ерс усіх джерел, а сумарний опір дорівнює сумі опорів, тобто
,. (16.13)
При паралельному підключенні джерел з однаковими ерс і внутрішнім опорами (рис. 16.7б) сумарна ЕРС дорівнює ерс одного джерела, а внутрішній опір. Якщо ерс джерел різні, то для розрахунків значень сил струмів в різних ділянках ланцюга зручно користуватися правилами Кірхгофа.
Правила Кірхгофа
Перше правило Кірхгофа. Точка з'єднання декількох провідників називається вузлом. Алгебраїчна сума струмів у вузлі дорівнює нулю:
. (16.14)
Токи, поточні до вузла, будемо вважати позитивними, від вузла негативними. Тоді для вузла, зображеного на рис. 16.8а, перше правило Кірхгофа запишеться у вигляді:
.
Друге правило Кірхгофа. Алгебраїчна сума падінь напруг на замкнутому контурі розгалуженої ланцюга дорівнює сумі алгебри ерс:
. (16.15)
Запишемо друге правило Кірхгофа для контуру, зображеного на малюнку 16.8б. Нехай струми спрямовані так, як показано на малюнку. Якщо напрямок струмів вибрано невірно, то значення сил струмів вийде негативним і, отже, вони течуть у напрямку протилежному обраному.
Виберемо напрямок обходу контуру проти годинникової стрілки. Тоді друге правило Кірхгофа запишеться у вигляді
(береться зі знаком, так як вона викликає рух зарядів у напрямку, протилежному обраним напрямом обходу контура).
Теплова дія струму
Якщо через опір тече струм, то кулонівських сили здійснюють позитивну роботу:
,
де - кількість електрики, що протекло через поперечний переріз провідника за проміжок часу:.
Ця робота згідно закону збереження повинна перейти в енергію. Вид енергії можна встановити лише залучаючи для цього атомно-молекулярне уявлення про будову провідників. З точки зору атомно-молекулярної будови твердих тіл вільні електрони в провіднику під дією електричного поля набувають додаткову кінетичну енергію, яку віддають при зіткненні атомам або іонам кристалічної решітки. Енергія хаотичних коливань іонів або атомів біля положення рівноваги зростає. В результаті чого зростає і внутрішня енергія провідника. Температура провідника при цьому також зростає.
При цьому відбувається виділення тепла. Очевидно, що, або
(закон Джоуля - Ленца). Потужність струму - робота, здійснена за одиницю часу і рівна
. (16.16)
Повна потужність, що розвивається джерелом, йде на виділення тепла в зовнішньому і внутрішньому опорах і дорівнює
. (16.17)
