Почему в замкнутой электрической цепи с постоянным током суммарная работа источников равна сумме падений напряжения на элементах, и как это вытекает из закона сохранения энергии и второго закона Кирхгофа?

24 Ноя в 12:23
2 +2
0
Ответы
1
Кратко: потому что в стационарном замкнутом контуре нет накопления энергии — вся энергия, которую источники сообщают зарядам, за один обход контура полностью переходит в другие формы (тепло в сопротивлениях, работа полезных потребителей и т.п.). Это выражается как закон сохранения энергии и формально совпадает с вторым законом Кирхгофа (КВЛ).
Детальнее (с формулами).
1) Перемещение малого заряда qqq по замкнутому контуру: суммарная работа всех источников над зарядом равна сумме потерь потенциала на элементах:
∑iEi q = ∑kVk q. \sum_i \mathcal{E}_i\,q \;=\; \sum_k V_k\,q.
i Ei q=k Vk q.
Делим на qqq:
∑iEi = ∑kVk. \sum_i \mathcal{E}_i \;=\; \sum_k V_k.
i Ei =k Vk .
Это — утверждение, что суммарная ЭДС источников равна сумме падений напряжения по элементам.
2) В терминах мощности (при токе III) это даёт:
Pист=I∑iEi = I∑kVk=Pпотреб, P_{\text{ист}}=I\sum_i \mathcal{E}_i \;=\; I\sum_k V_k = P_{\text{потреб}},
Pист =Ii Ei =Ik Vk =Pпотреб ,
то есть мощность, подводимая источниками, полностью расходуется в нагрузках (и внутри источников, если есть внутр. сопротивление).
3) Связь с вторым законом Кирхгофа: КВЛ гласит, что алгебраическая сумма падений потенциала по замкнутому контуру равна нулю. Запишем с учётом ЭДС (положительные при обходе в направлении источника):
∑kΔVk+∑i(−Ei)=0⟹∑iEi=∑kΔVk, \sum_k \Delta V_k + \sum_i (-\mathcal{E}_i)=0 \quad\Longrightarrow\quad \sum_i \mathcal{E}_i=\sum_k \Delta V_k,
k ΔVk +i (Ei )=0i Ei =k ΔVk ,
что эквивалентно предыдущим уравнениям. Это и есть математическое выражение закона сохранения энергии для электрической цепи: нет источника или поглотителя энергии внутри контура помимо перечисленных — значит, что дали, то и взяли.
Примечание о знаках: важна согласованная ориентация обхода и знаков ЭДС/падений. В стационарном режиме суммарное поступление энергии равно суммарному её рассеянию/затрате.
24 Ноя в 13:00
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир