Причину, разделяющую заряды и вызывающую их движение вдоль замкнутой цепи, называют электродвижущей силой (э.д.с, ЭДС).
Значение ЭДС любого источника, в котором осуществляется разделение зарядов, оценивается работой, затрачиваемой полем на перемещение единичного заряда от электрода, имеющего низший потенциал, к электроду с более высоким потенциалом.
В соответствии с определением потенциала эта работа равна разности потенциалов разделенных зарядов, которую, как и причину, разделяющую заряды, называют электродвижущей силой.
Если зажимы источника соединить проводящим телом и создать таким образом замкнутую цепь, то в ней установится электрический ток, направление которого совпадает во внешней цепи с направлением ЭДС. Внутри источника все время происходит разделение зарядов и поддерживается разность потенциалов.
Движение заряженных частиц при наличии тока имеет одно и то же направление на протяжении всей замкнутой цепи, и работа, затрачиваемая полем на перемещение единичного заряда вдоль замкнутой цепи, может быть оценена величиной которая также равна работе сил внутри источника, перемещающих единичный заряд с отрицательного электрода на положительный против сил электрического поля.
При установившемся электрическом токе заряды, сосредоточенные на электродах источника, непрерывно восстанавливаются, и поле вокруг электродов, обусловленное этими зарядами, имеет такой же характер, как и при разомкнутой внешней цепи: оно потенциально. В отличие от электростатического поле непрерывно восстанавливаемых зарядов называется стационарным полем.
Стационарное поле отличается от электростатического не только тем, что заряд источника этого поля непрерывно восстанавливается, но и тем, что такое поле обнаруживается как вокруг проводящих тел, так и внутри этих тел. Для стационарного поля, имеющего такой же характер, как потенциальное поле, для любого замкнутого контура, не проходящего через источник ЭДС.
Обращаясь к гидродинамической аналогии в случае замкнутой внешней цепи источника ЭДС, мы должны представить себе работу гидросистемы при открытой сливной трубе, в которой, предположим, находится некоторый приемник (гидравлический двигатель). Чтобы поддержать между резервуарами неизменную разность уровней, насос должен пополнять то количество жидкости в верхнем резервуаре, какое вытекает через сливную трубу.
Работа, затрачиваемая двигателем на поднятие этого количества жидкости, пропорциональна разности уровней и может быть охарактеризована значением этой разности. Работа, производимая потоком жидкости при ее падении от верхнего уровня до нижнего, пропорциональна той же разности уровней и, если считать, что потерь нет, равна работе, выполняемой двигателем.
Электродвижущая сила в ряде источников практически не зависит от значения электрического тока в цепи, поэтому часто считают, что она как при холостом режиме источника, так и при полной нагрузке остается одной и той же. Однако, как правило, ЭДС во время нагрузки источника несколько отлична от значения ЭДС при холостом ходе (обычно меньше).
Изменение ЭДС при этом объясняется так называемой реакцией источника. Так, например, в химических источниках ЭДС уменьшение ее наблюдается в связи с явлением поляризации, в электромашинных генераторах — вследствие наложения на магнитное поле возбуждения направленного в противоположную ему сторону магнитного поля тока нагрузки.
Разность потенциалов между отдельными точками электрической цепи зависит от распределения напряжения вдоль цепи. В частности, разность потенциалов между зажимами источника зависит от соотношения между внешним и внутренним сопротивлением источника, или от так называемого внутреннего падения напряжения.
Электродвижущая сила может быть сосредоточена на крайне ограниченном участке электрической цепи скачком (что, например, имеет место в гальванических, термоэлектрических, а также в других источниках, где ЭДС возникает в местах контакта разных веществ) или распределена на некотором участке внутренней цепи источника.
С последним случаем сталкиваемся в электромашинных генераторах, где ЭДС наводится на значительной длине проводников при движении их в магнитном поле, и полная ЭДС является суммой элементарных ЭДС, наведенных на отдельных участках электрической цепи. Сумма этих величин равна разности потенциалов между началом и концом проводников.
При анализе и расчете электрических цепей, содержащих ЭДС, часто принимают, что ЭДС имеет сосредоточенный характер. Наличие же внутреннего сопротивления источника учитывают введением добавочно включенного сопротивления.
Поскольку ЭДС характеризует при прохождении тока преобразование того или другого вида энергии в электрическую, говоря об источниках ЭДС или тока, употребляют также термин "источник (электрической) энергии". Все эти термины являются синонимами, если речь идет о собственно источниках.
Иногда при расчете и анализе электрических цепей различают источники тока и источники ЭДС.
Под источником ЭДС понимают такой источник питания, ЭДС которого можно считать не зависящей от значения внутреннего сопротивления и ЭДС такого источника должны стремиться к бесконечности. Иногда это достигается схемными решениями, применением стабилизирующих устройств и т. п.
Под источником тока понимают такой источник питания, сила тока которого не зависит от значения внутреннего сопротивления и силы тока такого источника должны стремиться к бесконечности. Иногда это достигается использованием источников с низким внутренним сопротивлением или применением усилителей тока.
В реальных условиях идеальные источники ЭДС и тока не существуют, поэтому при расчете электрических цепей необходимо учитывать внутреннее сопротивление источников питания, которое влияет на падение напряжения и силу тока в цепи. Для этого используют эквивалентную схему замещения, в которой источник питания представляется как идеальный источник ЭДС или тока, последовательно соединенный с внутренним сопротивлением.
В некоторых случаях, когда в цепи присутствуют несколько источников питания, можно применять методы суперпозиции или эквивалентного источника, чтобы упростить расчеты. Эти методы позволяют найти общую ЭДС или силу тока, действующую в цепи, путем суммирования или вычитания отдельных ЭДС или сил тока, создаваемых каждым источником.
Андрей Повный