Источник тока

Определение

Источник тока – это устройство, способное преобразовывать неэлектрические виды энергии в электрическую, поддерживая постоянную разность потенциалов на своих выводах для создания и поддержания электрического тока во внешней цепи.

Формула

I = U / (R + r)

• I — сила тока в цепи
• U — электродвижущая сила (ЭДС) источника тока
• R — сопротивление внешней цепи
• r — внутреннее сопротивление источника тока

Единицы измерения: ампер (А)

Как работает источник тока

Основная задача источника тока – создание электродвижущей силы (ЭДС). ЭДС – это работа сторонних (неэлектрических) сил по перемещению единичного положительного заряда внутри источника от отрицательного полюса к положительному. Эти сторонние силы могут быть химическими (в батарейках), механическими (в генераторах), тепловыми (в термоэлементах) и так далее. Благодаря ЭДС, на полюсах источника возникает разность потенциалов, которая заставляет свободные заряды двигаться по внешней цепи, если она замкнута. Этот постоянный поток зарядов и есть электрический ток.

Виды источников тока

Источники тока классифицируются по типу энергии, которую они преобразуют в электрическую. Химические источники, такие как батарейки и аккумуляторы, используют энергию химических реакций. Механические источники, например, генераторы на электростанциях или динамо-машина в велосипеде, преобразуют механическую энергию вращения. Тепловые источники (термопары) используют разницу температур. Также существуют световые (солнечные батареи), ядерные и другие виды источников тока, каждый из которых имеет свою сферу применения.

Что такое внутреннее сопротивление

Любой реальный источник тока обладает внутренним сопротивлением, которое возникает из-за свойств материалов, из которых он состоит. Это сопротивление приводит к тому, что часть энергии, производимой источником, рассеивается внутри него самого в виде тепла, а не передаётся во внешнюю цепь. Чем больше внутреннее сопротивление, тем меньше максимальный ток, который может отдать источник, и тем сильнее падает напряжение на его выводах при подключении нагрузки. Идеальный источник тока не имел бы внутреннего сопротивления.

Как найти и применять

1. Определите тип энергии, которую источник должен преобразовать.
2. Выберите подходящий принцип работы источника (химический, механический, световой).
3. Рассчитайте необходимую ЭДС и допустимое внутреннее сопротивление для заданной нагрузки.
4. Учитывайте условия эксплуатации (температура, влажность) при выборе материалов.
5. Обеспечьте безопасность использования источника (защита от короткого замыкания, перегрева).

Разбор задач

Задача 1

Батарейка с ЭДС 1,5 В и внутренним сопротивлением 0,1 Ом подключается к лампочке сопротивлением 2,9 Ом. Определите силу тока в цепи.

Используем формулу I = U / (R + r), где U — ЭДС, R — сопротивление внешней цепи, r — внутреннее сопротивление. Подставляем значения: I = 1,5 В / (2,9 Ом + 0,1 Ом) = 1,5 В / 3,0 Ом = 0,5 А.

Ответ: Сила тока в цепи составит 0,5 А.

Где это встречается

• Мобильные телефоны и ноутбуки — Литий-ионные аккумуляторы являются источниками тока, обеспечивающими работу портативной электроники, преобразуя химическую энергию в электрическую.
• Автомобили — Автомобильный аккумулятор обеспечивает запуск двигателя и питание бортовой электроники, а генератор заряжает аккумулятор и поддерживает работу систем при движении, преобразуя механическую энергию двигателя.
• Электростанции — На тепловых, атомных, гидро- и ветроэлектростанциях мощные электрические генераторы (механические источники тока) преобразуют различные виды энергии (тепловую, кинетическую воду или ветра) в электрическую для снабжения городов и предприятий.
• Солнечные батареи — Фотоэлектрические панели на крышах домов или космических аппаратах являются световыми источниками тока, которые преобразуют энергию солнечного света в электричество.

Типичные ошибки

Не путать

• Потребитель тока (нагрузка) — Источник тока производит электрическую энергию, преобразуя другие её виды. Потребитель, наоборот, преобразует электрическую энергию в другие виды (свет, тепло, механическое движение) и потребляет её.
• Проводник — Проводник – это среда, по которой движутся заряды, образуя ток. Источник тока – это устройство, которое создаёт условия для этого движения, а не сам проводник.

Откуда взялось понятие

Принципы работы первых химических источников тока были описаны Алессандро Вольта в начале 19 века, когда он изобрёл вольтов столб. Электромагнитные генераторы были разработаны в 19 веке, в частности, Майклом Фарадеем.

Как запомнить

Источник тока — это «мотор» для электронов, который даёт им энергию для движения.