1. Источник тока

Определения и обозначения

Источник тока — устройство, в котором разделяются электрические заряды и поддерживается разность потенциалов между полюсами. Иначе говоря, источник помогает сохранять один вывод заряженным положительно, а другой — отрицательно. Это нужно, чтобы во внешней цепи существовало электрическое поле, способное перемещать заряды.

Сторонние силы — силы неэлектрической природы, действующие внутри источника и перемещающие заряды против электрического поля. Например, в батарее разделение зарядов связано с химическими процессами. Понятие сторонних сил помогает объяснить, почему заряды могут двигаться внутри источника не только под действием электрического поля.

Электродвижущая сила (ЭДС) — работа сторонних сил по переносу единичного положительного заряда внутри источника; обозначается ε. Если сторонние силы совершают работу Aст при переносе заряда q, то ε = Aст/q. ЭДС показывает, сколько энергии приходится на единицу заряда, поэтому её единица измерения — вольт.

Полюса источника — его выводы с противоположными знаками зарядов: положительный и отрицательный. К полюсам подключают проводники внешней цепи, например лампу. Разделение зарядов между полюсами создаёт разность потенциалов, необходимую для движения зарядов по цепи.

Как это устроено

Если соединить заряженные области проводником, электрическое поле начнёт перемещать заряды и возникнет ток. Но такое движение само изменяет распределение зарядов: противоположные заряды сближаются, а разность потенциалов уменьшается. Поле ослабевает, поэтому одного начального разделения зарядов недостаточно для длительного тока. Источник нужен, чтобы непрерывно поддерживать различие между полюсами.

Внутри источника действуют сторонние силы, которые перемещают заряды против направления, в котором их перемещало бы электрическое поле. Так источник разделяет заряды: одни накапливаются у одного полюса, другие — у противоположного. Для этого используется энергия какого-либо процесса, а не работа электрического поля. Разделение поддерживает разность потенциалов и позволяет полю во внешней цепи сохраняться.

В замкнутой цепи путь заряда проходит и по внешним проводникам, и внутри источника. Во внешней части электрическое поле перемещает заряды от одного полюса к другому через потребитель, например лампу. Внутри источника сторонние силы возвращают их к исходному полюсу, преодолевая действие электрического поля. Поэтому заряд может многократно проходить по цепи, а ток — продолжаться, пока источник способен действовать.

Работа сторонних сил на единицу заряда называется ЭДС. Если силы переносят заряд q и совершают работу Aст, то ε = Aст/q; эту формулу можно также записать как Aст = εq. Например, ЭДС 1 В означает, что сторонние силы совершают работу 1 Дж при переносе заряда 1 Кл. Из определения видно, почему ЭДС измеряют в вольтах: 1 В = 1 Дж/Кл.

Не все источники разделяют заряды одинаковым способом, потому что используют разные процессы и виды энергии. В батарее действует химическая энергия, а в генераторе зарядовое разделение связано с электромагнитной индукцией. В фотоэлементе на заряды воздействует свет, а в термоэлементе — различие температур. Во всех случаях результат сходен: на полюсах поддерживается разность потенциалов, способная вызвать ток в замкнутой цепи.

Источники тока и их действие

Сравнивай источники по двум вопросам: какой процесс разделяет заряды и какая энергия при этом используется. Примеры в последнем столбце показывают, где встречается каждый принцип. Разные механизмы приводят к общему результату — появлению разности потенциалов между полюсами.

Разбор задач

Задача 1. На заряд 2 Кл внутри источника действуют сторонние силы, совершая работу 6 Дж. Найдите ЭДС источника.

1. Ищем величины, относящиеся к определению ЭДС: работа сторонних сил Aст = 6 Дж, перенесённый заряд q = 2 Кл.
2. Записываем определение: ε = Aст/q. ЭДС равна работе, приходящейся на каждый кулон, поэтому нужно разделить работу на заряд.
3. Подставляем значения: ε = 6 Дж / 2 Кл = 3 Дж/Кл = 3 В. Деление единиц подтверждает, что получилась единица ЭДС.

Ответ: ЭДС источника равна 3 В.

Задача 2. ЭДС источника равна 1,5 В. Какую работу совершат сторонние силы при переносе заряда 4 Кл внутри источника?

1. Записываем известные величины: ε = 1,5 В и q = 4 Кл. Неизвестна работа Aст.
2. Из определения ε = Aст/q выражаем работу: Aст = εq. Это позволяет найти энергию, переданную заряду при прохождении источника.
3. Подставляем значения: Aст = 1,5 В · 4 Кл = 6 В·Кл. Так как 1 В = 1 Дж/Кл, то 1 В·Кл = 1 Дж, следовательно, Aст = 6 Дж.

Ответ: сторонние силы совершат работу 6 Дж.

Задача 3. В замкнутой цепи заряд проходит через лампу и источник. Укажите, какие силы перемещают заряд во внешней части цепи и внутри источника, и объясните, почему ток может поддерживаться длительное время.

1. Сначала разделяем путь заряда на два участка: внешнюю цепь с лампой и внутреннюю часть источника. На этих участках заряд перемещают разные причины.
2. Во внешней цепи заряд движется под действием электрического поля. Внутри источника его перемещают сторонние силы, преодолевающие действие поля и возвращающие заряд к исходному полюсу.
3. Пока источник способен разделять заряды, разность потенциалов сохраняется и поле во внешней цепи не исчезает. Замкнутый путь позволяет заряду непрерывно проходить через оба участка.

Ответ: снаружи действует электрическое поле, внутри источника — сторонние силы; источник поддерживает разделение зарядов, поэтому ток может длиться в замкнутой цепи.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что источник создаёт заряды. Так можно подумать, потому что заряды на полюсах появляются при работе источника. На самом деле он разделяет уже имеющиеся заряды, а не создаёт их из ничего. Проверь себя: объясни, что происходит с зарядом при переносе от одного полюса к другому.

• Ошибка: называть сторонние силы электрическими. Их легко спутать с электрическим полем, потому что оба вида воздействия перемещают заряды. Но сторонние силы внутри источника имеют неэлектрическую природу; например, в батарее они связаны с химическими реакциями. Проверка: укажи, какой процесс действует внутри конкретного источника.

• Ошибка: путать ЭДС с силой. Слово «сила» в названии может навести на мысль о механической силе, однако ЭДС показывает работу на единицу заряда. Поэтому её измеряют в вольтах, а не в ньютонах. Проверь формулу ε = Aст/q: в ней нет величины механической силы.

• Ошибка: полагать, что ток поддерживается только внутри источника. Внутреннюю часть цепи часто запоминают как место действия сторонних сил и забывают про внешний участок. Однако ток проходит по всей замкнутой цепи: снаружи заряды перемещает электрическое поле, а внутри источника их возвращают сторонние силы. Проверка: проследи полный путь заряда через источник и потребитель.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться с источником, нужны знания об электрическом заряде, электрическом поле, токе и замкнутой электрической цепи: они объясняют, что именно перемещается и где проходит ток. ЭДС пригодится при изучении закона Ома для полной цепи, где учитывается не только внешняя цепь, но и сам источник. Способы разделения зарядов связывают электрические явления с химическими реакциями, электромагнитной индукцией и преобразованием энергии света или тепла.

Что запомнить

• Источник тока разделяет заряды и поддерживает разность потенциалов.
• Для длительного тока цепь должна быть замкнута.
• Во внешней цепи заряд перемещается под действием электрического поля.
• Внутри источника заряд перемещают сторонние силы.
• ЭДС равна работе сторонних сил на единицу заряда: ε = Aст/q.
• ЭДС измеряется в вольтах.