"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Источник тока поддерживает движение зарядов в замкнутой цепи: внутри него заряды разделяются, а между полюсами сохраняется разность потенциалов. Для этого источник расходует энергию — например, химическую, механическую или световую. Разделение зарядов выполняют сторонние силы неэлектрической природы, действующие внутри источника против электрического поля. Их работа на единицу заряда называется электродвижущей силой, или ЭДС, и измеряется в вольтах. Эти идеи помогают понять, почему ток не поддерживается сам собой и как источник участвует в работе цепи.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Чтобы ток существовал длительно, нужен замкнутый проводящий контур и источник, поддерживающий разность потенциалов. Если цепь разомкнуть, направленное движение зарядов прекращается. Поэтому одного наличия проводника недостаточно.
Источник тока — устройство, которое разделяет заряды и поддерживает разность потенциалов между своими полюсами. Полюсами называют места, где заряды разных знаков накапливаются по разные стороны источника. Возникающее между ними электрическое поле обеспечивает движение зарядов во внешней цепи. Источник нужен, чтобы это разделение не исчезало со временем.
Сторонние силы — силы неэлектрической природы, действующие внутри источника и перемещающие заряды против электрического поля. Например, в химическом источнике движение обеспечивают процессы взаимодействия веществ. Без сторонних сил заряды перераспределялись бы под действием электрического поля, и источник не мог бы поддерживать их разделение. Обозначение работы этих сил — Aст.
Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда. Её обозначают ε и вычисляют по формуле ε = Aст/q, где q — заряд. ЭДС показывает, сколько энергии источник передаёт каждому кулону заряда. Несмотря на слово «сила», это не сила, а энергетическая характеристика.
Внутри источника заряды разделяются: на одном полюсе накапливается избыток положительных зарядов, на другом — отрицательных. Из-за такого распределения между полюсами возникает электрическое поле. Оно действует и на заряды во внешней цепи, когда её замыкают. Пока разделение сохраняется, поле может поддерживать направленное движение зарядов в проводнике.
Само электрическое поле не способно поддерживать разделение зарядов внутри источника. Оно стремится перемещать заряды так, чтобы уменьшить различие между полюсами. Поэтому в источнике работают сторонние силы: их природа неэлектрическая, а направление действия противоположно действию электрического поля. Преодолевая его, сторонние силы возвращают заряды к полюсам соответствующего знака.
После замыкания цепи поле источника вызывает упорядоченное движение зарядов во внешней части цепи. Заряды проходят через проводник, и энергия электрического поля передаётся его участкам. Если бы источник не восстанавливал разделение зарядов, оно постепенно ослабевало бы, а вместе с ним уменьшалось бы поле. Сторонние силы поддерживают этот процесс внутри источника, поэтому ток может существовать длительно.
Для работы источника требуется запас энергии, и его вид зависит от устройства. В гальваническом элементе и аккумуляторе расходуется химическая энергия, в генераторе — механическая, а в фотоэлементе используется энергия света. Сторонние силы за счёт этих запасов перемещают заряды против поля. Таким образом, источник преобразует энергию другого вида в электрическую, которая передаётся по цепи.
ЭДС связывает работу сторонних сил с зарядом: ε = Aст/q. Если на перемещение заряда 1 Кл силы совершают работу 1 Дж, ЭДС равна 1 В. Поэтому единица ЭДС — вольт: 1 В = 1 Дж/Кл. В формуле важна работа на каждый кулон, а не общее количество заряда, прошедшего за секунду.
| Источник тока | Что происходит внутри источника | Какую энергию расходует | Роль в цепи |
|---|---|---|---|
| Гальванический элемент | Химические процессы разделяют заряды | Химическую | Поддерживает ток во внешней цепи |
| Аккумулятор | Химические процессы разделяют заряды | Химическую | Поддерживает ток; может накапливать энергию при зарядке |
| Генератор | Механическое воздействие обеспечивает разделение зарядов | Механическую | Поддерживает ток во внешней цепи |
| Фотоэлемент | Свет вызывает разделение зарядов | Энергию света | Поддерживает ток при освещении |
Сравнивайте источники по тому, какой процесс разделяет заряды и какой запас энергии при этом расходуется. Роль в цепи у всех одна: поддерживать условия для тока, но способы преобразования энергии различаются. Таблица помогает связать устройство источника с его назначением.
Сторонние силы совершили работу 6 Дж, переместив заряд 2 Кл. Требуется найти ЭДС источника. Работа и заряд уже указаны в единицах СИ. Используем определение ЭДС как работы на единицу заряда.
Ответ: ЭДС источника равна 3 В. Проверка смысла результата: на каждый кулон заряда приходится 3 Дж работы сторонних сил. Чем больше работа на тот же заряд, тем выше ЭДС.
ЭДС источника равна 1,5 В, сторонние силы перемещают заряд 4 Кл. Нужно определить их работу. ЭДС дана в вольтах, а вольт равен джоулю на кулон. Поэтому произведение ЭДС на заряд даст работу в джоулях.
Ответ: сторонние силы совершают работу 6 Дж. Размерность подтверждает результат: В · Кл = (Дж/Кл) · Кл = Дж. Важно умножать ЭДС на весь перемещённый заряд, поскольку ищется полная работа.
В двух источниках сторонние силы перемещают одинаковый заряд 3 Кл и совершают работы 6 Дж и 12 Дж. Нужно сравнить ЭДС источников. Так как заряд один и тот же, сравнить ЭДС можно через работу, приходящуюся на этот заряд. Рассчитаем значение для каждого источника отдельно.
Ответ: ЭДС равны 2 В и 4 В; у второго источника она в два раза выше. Это означает, что при перемещении каждого кулона сторонние силы во втором источнике совершают вдвое большую работу. Сравнение справедливо именно потому, что перемещённые заряды одинаковы.
Ошибка: считать, что источник создаёт электрические заряды. Так можно подумать, потому что после подключения источника в цепи появляется ток. На деле заряды уже есть в проводнике и источнике, а устройство лишь разделяет их. Проверь себя: в объяснении должен быть процесс перераспределения зарядов, а не их возникновения.
Ошибка: путать сторонние силы с электрическими. Это происходит из-за того, что обе разновидности сил воздействуют на заряды. Однако сторонние силы имеют неэлектрическую природу и действуют внутри источника, преодолевая электрическое поле. Проверка: если сила описана как действие самого поля, это не сторонняя сила.
Ошибка: считать ЭДС обычной силой из-за слова «сила» в названии. В действительности формула ε = Aст/q показывает отношение работы к заряду, а единица измерения — вольт. Проверь себя по размерности: у силы единица ньютон, у ЭДС — джоуль на кулон. Поэтому ЭДС является энергетической характеристикой источника.
Ошибка: подставлять в формулу ЭДС силу тока вместо заряда. Их легко смешать, потому что ток связан с движением зарядов, но это разные величины: ток показывает заряд, проходящий за время, а ЭДС — работу на единицу заряда. В формуле ε = Aст/q нужен заряд q. Проверь единицы: работа, делённая на кулон, даёт вольты.
Для понимания темы нужны представления об электрическом заряде, электрическом поле и токе: они объясняют, что именно движется и почему. ЭДС понадобится при изучении закона Ома для полной цепи и расчётах цепей с источниками. Преобразование энергии в источниках связано с изучением генераторов, аккумуляторов и энергосбережения. Эти знания помогают увидеть, откуда берётся энергия, передаваемая электрическим током.
Почему ток не может долго существовать в цепи без источника?
При движении зарядов энергия электрического поля расходуется, а разделение зарядов постепенно исчезает. Источник восполняет это разделение и поддерживает разность потенциалов; без него ток прекращается.
Что именно делают сторонние силы внутри источника тока?
Они перемещают заряды внутри источника против действия электрического поля. Благодаря этому заряды разных знаков снова разделяются и поддерживается разность потенциалов между полюсами.
Почему ЭДС измеряется в вольтах, если в её названии есть слово «сила»?
ЭДС — не сила, а работа сторонних сил, приходящаяся на единицу заряда: ε = Aст/q. Единица этой величины — джоуль на кулон, то есть вольт.
Чем ЭДС отличается от напряжения?
ЭДС характеризует работу сторонних сил внутри источника на единицу заряда. Напряжение характеризует работу электрического поля на единицу заряда между выбранными точками цепи; при работе источника эти величины не всегда равны.
Какие виды энергии могут превращаться в электрическую энергию в источнике?
В гальваническом элементе и аккумуляторе расходуется химическая энергия, в генераторе — механическая, а в фотоэлементе — энергия света. В результате источник поддерживает движение зарядов и передачу энергии по цепи.
1. Источник тока
