§ 7. Электродвижущая сила. Источники тока

Определения и обозначения

Сторонние силы — силы неэлектростатической природы, действующие внутри источника тока и разделяющие заряды. В отличие от электрического поля, они могут перемещать заряды против его действия. Это понятие объясняет, почему заряды в источнике не просто перераспределяются, а поддерживают разность потенциалов.

Источник тока — устройство, в котором сторонние силы поддерживают разделение зарядов и создают условия для длительного электрического тока. Его роль не в создании зарядов, а в поддержании их упорядоченного движения в замкнутой цепи. Без этого устройства ток не мог бы сохраняться.

Электродвижущая сила (ЭДС) — работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда внутри источника: ε = Aст/q. Здесь Aст — работа сторонних сил, а q — величина перенесённого заряда. ЭДС измеряется в вольтах и показывает, сколько энергии источник передаёт каждому кулону заряда.

Напряжение на участке цепи — отношение работы электрического поля при перемещении заряда к величине этого заряда. Для него используют отношение работы поля к заряду, а единицей также служит вольт. Различать напряжение и ЭДС нужно потому, что первое относится к работе поля на участке, а вторая — к работе сторонних сил внутри источника.

Как это устроено

В замкнутой цепи одно только электрическое поле не может долго поддерживать движение зарядов. Разделённые заряды создают поле, которое приводит их в движение и одновременно способствует выравниванию зарядов. По мере такого перераспределения разность потенциалов уменьшается, а вместе с ней ослабевает ток. Поэтому для длительного движения заряды нужно снова разделять.

Эту задачу внутри источника выполняют сторонние силы. Они переносят заряды от одного полюса к другому против направления, в котором их стремилось бы перемещать электрическое поле. Так на полюсах поддерживается разность потенциалов: без неё во внешней цепи не было бы причины для направленного движения зарядов. Работа сторонних сил и обеспечивает непрерывность этого процесса.

При переносе заряда q сторонние силы совершают работу Aст. Если сравнить работу, приходящуюся на каждый кулон, получится ЭДС: ε = Aст/q. Чем больше работа при том же заряде, тем больше ЭДС источника. Эта величина характеризует именно действие источника, потому что в её определении рассматривается перемещение заряда внутри него, а не работа поля на отдельном участке внешней цепи.

Сторонние силы получают энергию из других процессов, поэтому источники различаются по тому, какую энергию они преобразуют. В батарее химические реакции обеспечивают разделение зарядов, и химическая энергия превращается в электрическую. В генераторе механическое воздействие приводит к разделению зарядов, поэтому механическая энергия преобразуется в электрическую. Источник не производит энергию из ничего, а передаёт электрической цепи энергию другого вида.

Чтобы ток шёл, источник соединяют с потребителем проводами и замыкают контур. Внутри источника заряды перемещаются благодаря сторонним силам, а во внешней части цепи — под действием электрического поля. Эти два участка движения дополняют друг друга: источник восстанавливает разделение зарядов, а поле приводит заряды в движение по внешней цепи. При разомкнутом контуре непрерывного движения по всему пути нет.

ЭДС и напряжение: смысл и способы определения

В таблице собраны определения величин и связанных с ними работы и заряда. Сначала определите, о какой части цепи и о каких силах говорится в условии, а затем выбирайте подходящее отношение. Если известны ЭДС и заряд, работу находят умножением; если известны работа и заряд, ЭДС находят делением.

Разбор задач

Сторонние силы совершили работу 12 Дж, переместив заряд 3 Кл внутри источника. Найдите ЭДС источника.

1. Записываем данные: Aст = 12 Дж, q = 3 Кл. Требуется найти ε.
2. Используем определение ЭДС: ε = Aст/q. В условии дана именно работа сторонних сил внутри источника, поэтому нужна формула для ЭДС, а не для напряжения.
3. Подставляем величины: ε = 12 Дж / 3 Кл = 4 Дж/Кл. Поскольку 1 Дж/Кл = 1 В, единица результата — вольт.

Ответ: ЭДС источника равна 4 В.

ЭДС источника равна 4,5 В. Какую работу совершат сторонние силы при перемещении заряда 2 Кл?

1. Записываем данные: ε = 4,5 В, q = 2 Кл. Ищем работу Aст, а не ЭДС, поэтому определение нужно преобразовать.
2. Из равенства ε = Aст/q получаем Aст = εq. Работа равна ЭДС, умноженной на величину перенесённого заряда.
3. Подставляем значения: Aст = 4,5 В · 2 Кл = 9 В·Кл. Так как 1 В·Кл = 1 Дж, результат выражается в джоулях.

Ответ: сторонние силы совершат работу 9 Дж.

В двух источниках сторонние силы совершили одинаковую работу, но перенесли разные заряды. В первом случае Aст = 10 Дж и q = 2 Кл, во втором Aст = 15 Дж и q = 5 Кл. У какого источника ЭДС больше и на сколько?

1. Для обоих источников используем одну формулу: ε = Aст/q. Сравнивать только работы нельзя: ЭДС зависит также от перенесённого заряда.
2. Для первого источника получаем ε₁ = 10 Дж / 2 Кл = 5 В. Для второго: ε₂ = 15 Дж / 5 Кл = 3 В.
3. Сравниваем значения: 5 В больше 3 В. Разность ЭДС равна 5 В − 3 В = 2 В.

Ответ: ЭДС первого источника больше на 2 В.

Типичные ошибки

ЭДС иногда принимают за силу, потому что в названии есть слово «сила». Но механическую силу измеряют в ньютонах, а ЭДС — в вольтах, поэтому это разные физические величины. Проверьте себя: в формуле ε = Aст/q результат имеет размерность Дж/Кл, а не ньютон.

ЭДС и напряжение часто считают одним и тем же, ведь обе величины измеряются в вольтах. Однако ЭДС относится к работе сторонних сил внутри источника, а напряжение — к работе электрического поля на участке цепи. Чтобы не перепутать формулы, отметьте в условии, какие силы совершают работу и где перемещается заряд.

В формуле ε = Aст/q могут подставлять заряд со знаком или забывать, что q — величина перенесённого заряда. В определении ЭДС рассматривают работу сторонних сил на единицу положительного заряда, поэтому для обычных расчётов берут модуль заряда. Проверьте, что в условии и ответе указана величина заряда, а не его знак.

Ещё одна ошибка — утверждать, что источник создаёт заряды. Такое представление возникает из-за того, что именно источник поддерживает ток, но он лишь разделяет уже имеющиеся заряды. Проверить себя просто: объясните роль источника через работу сторонних сил и сохранение зарядов, а не через их появление.

Связь с другими темами

Для понимания ЭДС нужны знания об электрическом заряде, электрическом поле, работе поля, потенциале и напряжении. Эти понятия позволяют описать, как поле действует на заряды и как связана работа с их перемещением. ЭДС дополняет эту картину описанием работы сторонних сил внутри источника. Позже она понадобится при изучении закона Ома для полной цепи и расчёте цепей с источниками тока.

Что запомнить

• Для длительного тока в цепи необходим источник тока и замкнутый контур.
• Внутри источника заряды разделяют сторонние силы неэлектростатической природы.
• ЭДС равна отношению работы сторонних сил к перенесённому заряду: ε = Aст/q.
• Единица ЭДС — вольт.
• ЭДС характеризует источник, а напряжение — участок электрической цепи.
• Источники тока преобразуют другие виды энергии в электрическую.