1. Источник тока

Определения и обозначения

Источник тока — устройство, в котором сторонние силы разделяют заряды и поддерживают разность потенциалов между полюсами. Благодаря ему в замкнутой цепи ток может существовать длительное время. Без источника заряды быстро перераспределились бы, и электрическое поле ослабло.

Сторонние силы — силы неэлектростатической природы, действующие внутри источника. Они перемещают заряды против направления, в котором их стремится двигать электрическое поле. Именно эти силы поддерживают разделение положительных и отрицательных зарядов.

Электродвижущая сила, или ЭДС, — работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда внутри источника: ε = A/q. ЭДС обозначают ε и измеряют в вольтах. Она показывает, сколько энергии источник сообщает каждому кулону заряда.

Внутреннее сопротивление — сопротивление внутренних частей источника, обозначаемое r. Оно отличается от сопротивления внешней цепи, например резистора R, подключённого к полюсам. Из-за r часть энергии расходуется внутри самого источника.

Как это устроено

В замкнутой цепи электрическое поле перемещает заряды по внешней части цепи. Однако при таком движении заряды постепенно перераспределялись бы, и поле перестало бы поддерживать ток. Поэтому источник должен возвращать заряды к исходным полюсам и восстанавливать разделение зарядов.

Внутри источника сторонние силы действуют против электрического поля. Они переносят заряды от одного полюса к другому, затрачивая энергию неэлектростатического происхождения. В результате между полюсами сохраняется разность потенциалов, а во внешней цепи появляется направленное движение зарядов.

Работу сторонних сил на единичный заряд характеризует ЭДС. Эта величина относится к самому источнику и описывает его энергетические возможности, поэтому не зависит от того, какой прибор к нему подключён. Напряжение на полюсах, напротив, зависит от режима работы: при подключении нагрузки через источник идёт ток и часть энергии теряется внутри него.

У реального источника внутренние части не проводят ток идеально: они обладают сопротивлением r. Когда ток I проходит внутри источника, на этом сопротивлении возникает падение напряжения Ir. Поэтому при работе под нагрузкой напряжение U на полюсах оказывается меньше ЭДС ε.

Для замкнутой цепи с внешним сопротивлением R энергия, сообщённая заряду источником, расходуется на внешнем участке и внутри источника. Поэтому ε = U + Ir, где U — напряжение на полюсах. Если внешняя цепь подчиняется закону Ома, то U = IR, а сила тока равна I = ε/(R + r); это соотношение применяют для постоянного источника и последовательной цепи без других источников ЭДС.

ЭДС, напряжение и внутреннее сопротивление источника

Сначала определите, о какой характеристике говорится: об энергетической способности источника, напряжении на его выводах или сопротивлении внутри него. Затем проверьте единицы измерения и режим цепи. При токе используйте связь ε = U + Ir, а при разомкнутой цепи учитывайте I = 0.

Разбор задач

Задача 1

ЭДС источника равна 6 В, а перемещаемый внутри него заряд имеет величину 2 Кл. Требуется найти работу сторонних сил. Используем определение ЭДС, потому что в условии даны именно ЭДС и заряд.

1. Запишем ε = A/q.
2. Выразим работу: A = εq.
3. Подставим значения: A = 6 В · 2 Кл = 12 Дж.

Ответ: сторонние силы совершают работу 12 Дж.

Задача 2

Источник имеет ЭДС 12 В и внутреннее сопротивление 1 Ом, к нему подключён резистор сопротивлением 5 Ом. Внешний резистор и внутреннее сопротивление включены последовательно, поэтому для тока нужно учитывать их сумму. После нахождения тока определим напряжение на полюсах по внешнему участку.

1. Полное сопротивление цепи: R + r = 5 Ом + 1 Ом = 6 Ом.
2. Сила тока: I = ε/(R + r) = 12 В/6 Ом = 2 А.
3. Напряжение на полюсах: U = IR = 2 А · 5 Ом = 10 В.
4. Проверка: U + Ir = 10 В + 2 А · 1 Ом = 12 В, то есть полученная величина согласуется с ЭДС.

Ответ: сила тока равна 2 А, напряжение на полюсах — 10 В.

Задача 3

К источнику подключён резистор 4 Ом, ток равен 2 А, а напряжение на полюсах составляет 8 В. Сначала найдём, согласуются ли ток, напряжение и внешнее сопротивление по закону Ома. Затем по формуле полной цепи определим ЭДС и внутреннее сопротивление.

1. Проверяем ток: I = U/R = 8 В/4 Ом = 2 А, данные согласованы.
2. Для источника действует ε = U + Ir.
3. Одного этого уравнения недостаточно для нахождения сразу ε и r: численных данных о внутреннем сопротивлении или ЭДС не хватает.

Ответ: ток подтверждается данными задачи, но однозначно определить и ЭДС, и внутреннее сопротивление по приведённым сведениям нельзя.

Типичные ошибки

Считать ЭДС силой. Такое толкование появляется из-за слова электродвижущая, но ЭДС — не механическая сила, а энергетическая характеристика. Проверяйте себя по единице: ЭДС измеряется в вольтах, а не в ньютонах.

Отождествлять ЭДС с напряжением на полюсах при любом режиме. При токе часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении, поэтому U меньше ε. Равенство U = ε верно для разомкнутой цепи, когда I = 0.

Не учитывать внутреннее сопротивление при расчёте тока. Ошибка возникает, когда закон Ома применяют только к внешнему резистору. Для полной цепи сначала складывают R и r, а затем вычисляют I = ε/(R + r).

Путать сторонние силы с силами электрического поля. Электрическое поле действует во всей цепи, а сторонние силы работают внутри источника и перемещают заряды против поля. Спросите себя, за счёт какого процесса источник разделяет заряды: ответ должен быть неэлектростатическим.

Связь с другими темами

Для изучения источника тока нужны понятия электрического тока, силы тока, напряжения и сопротивления, а также закон Ома для участка цепи. Они позволяют связать движение зарядов с характеристиками внешнего резистора.

ЭДС и внутреннее сопротивление используются при изучении полной цепи, последовательного соединения источников и электрических измерений. Эти понятия помогают объяснить показания вольтметра и отличие реального источника от идеального.

Что запомнить

• Источник поддерживает ток, разделяя заряды внутри себя.
• Сторонние силы действуют против электрического поля внутри источника.
• ЭДС равна работе сторонних сил на единичный заряд.
• ЭДС измеряется в вольтах.
• У реального источника есть внутреннее сопротивление.
• Для замкнутой цепи ε = U + Ir.