Понадобилась бы нам батарея, если бы не было сопротивления?

Если бы у вас был сверхпроводящий провод, вы могли бы передать заряд на другой его конец, не подводя энергии (таким образом, в некотором смысле «не нуждаясь в батарее»).

Но обычно, когда мы посылаем ток по проводу, мы хотим, чтобы он сделал что-то полезное на другом конце провода. Например, мы можем захотеть получить свет от лампочки или что-то вычислить на компьютере. Эти результаты по-прежнему требуют питания, даже если провода, соединяющие источник питания с устройством, не тратят энергию впустую. Так что нам по-прежнему нужна батарея (или другой источник питания) для питания всего, что находится на другом конце провода.

Даже отправка данных, например, в сети Ethernet, требует подачи энергии к приемнику, даже если используемые провода не имеют потерь.

В общем, вы обнаружите, что «идеальных» корпусов просто не существует. Вы не можете сделать провод с нулевым сопротивлением, поэтому все хорошие простые уравнения, которые вы изучаете, не будут применяться. Это похоже на аргумент, выдвигаемый при построении «идеальной» цепи, замыкающей батарею. Упрощенные законы просто не работают.

Однако в данном конкретном случае этому есть практический пример: сверхпроводящие электромагниты . Сверхпроводящие материалы действительно имеют точно нулевое сопротивление. Сверхпроводящие электромагниты могут быть невероятно мощными. Они не тратят энергию на сопротивление проводов в катушках магнита, поэтому вы можете получить более экстремальные магнитные поля.

Если вы подключите аккумулятор к одной из этих катушек, это в основном будет действовать как короткое замыкание. Вы увидите внутреннее сопротивление батареи, сопротивление питающих проводов и все. Сверхпроводящая часть просто не добавит сопротивления этой истории.

Поэтому, когда они заряжают один из этих сверхпроводящих магнитов, в конечном итоге они сначала создают петлю через источник питания. Они охлаждают магнит до тех пор, пока материал не станет сверхпроводящим, а затем начинают управлять им с помощью источника питания. Этот ток ограничен чем-то, что называется «индуктивностью», о которой вы узнаете. В конце концов источник питания создаст магнитное поле до нужной точки. В этот момент сверхпроводящий шунт размещается там, где источник питания питает сверхпроводник. Как только это будет сделано, вы можете удалить источник питания, и у вас получится сверхпроводящая петля, которая существует вечно, потому что имеет нулевое сопротивление.

Ну, почти навсегда. В конце концов магнитная связь с остальным миром приведет к передаче энергии из катушки, или катушка может «затухнуть», что приведет к тому, что она перестанет быть сверхпроводящей. Но для целей, на которые вы смотрите, электромагнитные поля будут просто вечно распространять энергию по контуру.

Теперь, что касается той части, которая меня смущает, если электроны будут продолжать двигаться с постоянной скоростью без какой-либо силы, для чего нам нужна батарея?

Во-первых, неправильно думать, что электроны движутся с такой скоростью. Заряд, движущийся по цепи, на самом деле не лучше всего описывается электронами, движущимися с такой скоростью. Вот первый найденный мною пример того, где это обсуждается на Electronics Stack Exchange.

Если оставить это в стороне, движение без силы не особенно полезно для нас. Конечно, теоретически заряд будет двигаться по проводу без сопротивления бесконечно долго (обычные провода в любом случае имеют сопротивление), но если вы действительно хотите, чтобы этот заряд что-то делал , вам нужно будет извлекать из него энергию. Для извлечения этой энергии потребуется уменьшить скорость заряда, что можно сделать только до тех пор, пока заряды не перестанут двигаться. Нам нужна батарея, потому что сохранение энергии все еще сохраняется, поэтому мы хотим иметь возможность поддерживать эту скорость заряда, одновременно извлекая полезную работу из электродвижущей силы.

Во-вторых, если мы подключим батарею, батарея создаст разницу напряжений между двумя точками провода, а именно двумя точками, непосредственно касающимися клемм батареи, разве это не нарушает закон Ома?

Нет. Настоящие батареи имеют некоторое сопротивление, и, таким образом, закон Ома может применяться, когда учитываются эти свойства реальной батареи. Идеальные источники напряжения (как мы часто моделируем батареи в простых схемах) не имеют сопротивления по определению, и поэтому закон Ома даже неприменим. См., например , этот ответ или страницу Википедии об идеальных источниках напряжения .