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?
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∑Eiq=k∑Vkq.
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)=0⟹i∑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.
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 )=0⟹i∑ 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.